Summary
Das Evoked Potential Operant Conditioning System unterstützt die wissenschaftliche Untersuchung der sensomotorischen Funktion und kann gezieltes neurologisches Verhaltenstraining durchführen, das die sensomotorische Rehabilitation bei neuromuskulären Erkrankungen beeinflussen kann. Dieser Artikel beschreibt seine Fähigkeiten und veranschaulicht seine Anwendung bei der Modifizierung eines einfachen spinalen Reflexes, um eine dauerhafte Verbesserung der motorischen Funktion zu erreichen.
Abstract
Das Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) ist ein Software-Tool, das Protokolle zur operanten Konditionierung von reizgesteuerten Muskelreaktionen bei Menschen mit neuromuskulären Erkrankungen implementiert, die wiederum bei entsprechender Anwendung die sensomotorische Funktion verbessern können. EPOCS überwacht den Zustand bestimmter Zielmuskeln – z. B. durch Oberflächenelektromyographie (EMG) im Stehen oder durch Gangzyklusmessungen beim Gehen auf einem Laufband – und löst automatisch eine kalibrierte Stimulation aus, wenn vordefinierte Bedingungen erfüllt sind. Es bietet zwei Formen von Feedback, die es einer Person ermöglichen, zu lernen, die Erregbarkeit des Zielwegs zu modulieren. Erstens überwacht es kontinuierlich die laufende EMG-Aktivität im Zielmuskel und leitet die Person an, ein konsistentes Aktivitätsniveau zu erzeugen, das für die Konditionierung geeignet ist. Zweitens gibt es nach jeder Stimulation eine sofortige Rückmeldung über die Antwortgröße und zeigt an, ob der Zielwert erreicht wurde.
Um seine Verwendung zu veranschaulichen, beschreibt dieser Artikel ein Protokoll, durch das eine Person lernen kann, die Größe des Hoffmann-Reflexes - das elektrisch hervorgerufene Analogon des Spinaldehnungsreflexes - im Soleusmuskel zu verringern. Die Erregbarkeit dieses Weges kann das Gehen bei Menschen mit spastischem Gang aufgrund einer unvollständigen Rückenmarksverletzung verbessern. Der Artikel zeigt, wie das Gerät eingerichtet wird. wie man stimulierende und aufzeichnende Elektroden platziert; und wie man die kostenlose Software verwendet, um die Elektrodenplatzierung zu optimieren, die Rekrutierungskurve von direkten motorischen und Reflexantworten zu messen, die Reaktion ohne operante Konditionierung zu messen, den Reflex zu konditionieren und die resultierenden Daten zu analysieren. Es zeigt, wie sich der Reflex über mehrere Sitzungen verändert und wie sich das Gehen verbessert. Es wird auch diskutiert, wie das System auf andere Arten von evozierten Reaktionen und auf andere Arten von Stimulation angewendet werden kann, z. B. motorisch evozierte Potentiale zur transkraniellen Magnetstimulation; wie es verschiedene klinische Probleme angehen kann; und wie es Forschungsstudien zur sensomotorischen Funktion bei Gesundheit und Krankheit unterstützen kann.
Introduction
In den letzten zehn Jahren haben sich gezielte Neuroplastizitätsstrategien als neuer Ansatz für die Rehabilitation neurologischer Beeinträchtigungen herausgebildet 1,2. Eine solche Strategie ist die operante Konditionierung eines evozierten Potenzials. Dies bedeutet, dass wiederholt elektrophysiologische Reaktionen hervorgerufen werden, die nicht-invasiv gemessen werden können - zum Beispiel durch Elektroenzephalographie (EEG) oder Oberflächenelektromyographie (EMG) - und der Person eine sofortige Rückmeldung über die Größe jeder Reaktion relativ zu einem vom Therapeuten oder Prüfarzt festgelegten Kriteriumsniveau gegeben wird. Im Laufe der Zeit trainiert dieses Protokoll die Person, ihre Reaktion zu erhöhen oder zu verringern, und kann folglich auf eine positive Veränderung einer zentralen Nervensystemstelle abzielen, die für ein Verhalten wie Fortbewegung oder Greifen und Greifen wichtig ist. Die gezielte Veränderung kommt der Leistung zugute und ermöglicht darüber hinaus eine bessere Praxis, die zu einer weit verbreiteten positiven Veränderung führt, die das gesamte Verhalten verbessert. Bei Menschen mit unvollständiger Rückenmarksverletzung (iSCI), bei denen der Klonus die Fortbewegung beeinträchtigt, verbessert beispielsweise eine operante Konditionierung, die den Hoffmann-Reflex im Soleusmuskel eines Beines reduziert, die Bewegungsaktivität in beiden Beinen, wodurch die Gehgeschwindigkeit erhöht und die Rechts-Links-Schrittsymmetrie wiederhergestelltwird 1,3,4,5 . Ein weiteres Beispiel ist die Paarpulsstimulation, die das motorisch evozierte Potential (MEP) zur transkraniellen Magnetstimulation nachhaltig vergrößern und damit die Reichweiten- und Greiffunktion bei Menschen mit chronischer Hand- und Armbeeinträchtigung nach iSCI6 verbessern kann.
Die Implementierung solcher Protokolle erfordert spezielle Software, die mehrere Funktionen ausführen muss. Insbesondere muss es kontinuierlich elektrophysiologische Signale erfassen, verarbeiten und speichern; es muss den Zustand des Nervensystems kontinuierlich überwachen und die Stimulation unter engen Echtzeitbeschränkungen angemessen auslösen; es muss kontinuierliches Feedback von Moment zu Moment, Feedback von Versuch zu Versuch und Feedback von Sitzung zu Sitzung liefern; Es muss eine Benutzerschnittstelle bieten, die die Einrichtung und Abstimmung durch den Prüfer oder Therapeuten anleitet. Und schließlich muss es Signaldaten und Metainformationen in einem standardisierten Format speichern und organisieren.
Das evozierte Potential operant Conditioning System (EPOCS) ist unsere Antwort auf diesen herausragenden Bedarf. Unter der Haube basiert die Software auf BCI2000, einer Open-Source-Neurotechnologie-Plattform, die in Hunderten von Labors auf der ganzen Welt eingesetzt wird 7,8. In EPOCS wird die übliche Benutzeroberfläche von BCI2000 ausgeblendet und durch eine optimierte Schnittstelle ersetzt, die für evozierte potenzielle operante Konditionierungsprotokolle optimiert ist.
Der aktuelle Artikel und das dazugehörige Video veranschaulichen den Einsatz von EPOCS in einem bestimmten Protokoll: operante Konditionierung zur Verkleinerung des Hoffmann (H-) Reflexes im Soleusmuskel. Diese Reaktion ist das elektrisch ausgelöste Analogon des reflexartigen Dehnreflexes. Es wurde gezeigt, dass die H-Reflex-Downkonditionierung die Auswirkungen von Klonus auf die Fortbewegung bei Tieren mit iSCI 9,10,11,12,13 und bei Menschen mit iSCI, Multipler Sklerose oder Schlaganfall5,14,15 reduziert und dadurch verbessert. Es kann ohne unerwünschte Nebenwirkungen bei Tieren und Menschen mit oder ohne neurologische Verletzung angewendet werden16,17.
Das operante Konditionierungsprotokoll funktioniert durch die Durchführung mehrerer Versuche, die jeweils mehrere Sekunden dauern. Die Abfolge der Ereignisse einer Studie ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt, wobei Zahlen die folgenden Funktionen bezeichnen:
1. Kontinuierliches Hintergrund-EMG wird von bipolaren Oberflächenelektroden über dem Zielmuskel (Soleus) und seinem Antagonisten (Tibialis anterior) aufgezeichnet. Der Hintergrundpegel wird als Mittelwert des hochpassgefilterten Signals in einem Schiebefenster ausgewertet.
2. Das Hintergrund-EMG-Niveau im Zielmuskel wird als Höhe eines Balkens angezeigt, der kontinuierlich auf dem Bildschirm des Teilnehmers aktualisiert wird. Dies hilft dem Teilnehmer, die Aktivität innerhalb eines bestimmten Bereichs (schraffierte Region) zu halten.
3. Die Software beurteilt den geeigneten Zeitpunkt für die elektrische Stimulation und löst den Stimulator entsprechend aus. Hauptkriterien sind, dass seit der vorherigen Stimulation mindestens 5 s vergangen sein müssen und dass der Hintergrund-EMG-Pegel 2 s kontinuierlich im angegebenen Bereich geblieben sein muss.
4. Ein Konstantstromstimulator liefert einen elektrischen Impuls transkutan an den Tibianerv (typischerweise monophasisch, mit 1 ms Dauer).
5. Die resultierende stimulusgebundene Reaktion wird aufgezeichnet. Die Software berechnet die Größen von zwei Komponenten, die von besonderem Interesse sind: die frühere M-Welle, die die Muskelaktivierung widerspiegelt, die aus der direkten Stimulation des motorischen Axons resultiert; und der spätere H-Reflex, der das Signal reflektiert, das durch einen Reflexbogen im Rückenmark 18,19,20,21,22 weitergeleitet wird. EPOCS bezeichnet diese als Referenzantwort bzw. Zielantwort.
6. Die H-Reflexgröße für die aktuelle Studie wird als Höhe eines zweiten Balkens relativ zu einer gewünschten Kriteriumsebene angezeigt, die eine erfolgreiche oder erfolglose Studie definiert. Bei der Downkonditionierung ist der Balken dunkelgrün, wenn die H-Reflex-Größe unter das Kriterium fällt, oder leuchtend rot, wenn dies nicht der Fall ist (umgekehrt bei der Hochkonditionierung). Gleichzeitig wird die numerische Anzeige der kumulativen Erfolgsquote entsprechend aktualisiert. Zusammen stellen diese grafischen Anzeigeelemente die unmittelbare positive oder negative Verstärkung dar, auf der die operante Konditionierung beruht23.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Kernfunktionalität von EPOCS während der Downkonditionierung des Soleus H-Reflexes. Der Teilnehmer sieht einen großen Monitorbildschirm, der den Hintergrund-EMG-Level, die letzte H-Reflex-Größe, die Anzahl der bisher abgeschlossenen Versuche im aktuellen Lauf von 75 und den laufenden Anteil der erfolgreichen Versuche für den Lauf anzeigt. Die Abfolge der Ereignisse in einem Versuch wird durch die Zahlen 1-6 bezeichnet, wie in der Einleitung beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Ein menschliches H-Reflex-Konditionierungsprotokoll besteht typischerweise aus 6 Baseline-Sitzungen, gefolgt von 24-30 Konditionierungssitzungen über 10 Wochen mit einer Rate von 3 Sitzungen pro Woche und mehreren Follow-up-Sitzungen in den folgenden 3-6 Monaten14,16. Jede Sitzung dauert 60-90 min.
Um dieses Protokoll sowie andere verwandte Protokolle zu unterstützen, verfügt EPOCS über fünf verschiedene Betriebsmodi, die jeweils von einer der Registerkarten seines Hauptfensters mit den Titeln Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials und Training Trials bedient werden.
Im Stimulus-Test-Modus löst die Software alle paar Sekunden einen Reiz aus, der nicht unbedingt vom Zustand des Zielmuskels abhängt. Die Antwortsignale werden nach jedem Stimulus auf dem Bildschirm angezeigt. Dies ermöglicht es dem Bediener, die Qualität der Elektrodenverbindungen und des EMG-Signals zu überprüfen; Optimierung der Position der stimulierenden und aufzeichnenden Elektroden; und die Reaktionsmorphologie des Individuums zu ermitteln.
Im Modus "Freiwillige Kontraktion" misst und zeigt die Software das Hintergrund-EMG-Niveau an, während der Teilnehmer ermutigt wird, den Muskel so weit wie möglich zu kontrahieren, ohne elektrische Stimulation. In einigen Protokollen ist der EMG-Gehalt bei maximaler freiwilliger Kontraktion (MVC) eine nützliche Referenz für die Festlegung der EMG-Hintergrundkriterien. In dem hier gezeigten Protokoll ist dies nicht notwendig, da eine stabile Standhaltung die Aktivität des Soleusmuskels ausreichend standardisiert.
Im Rekrutierungskurvenmodus hängt die Stimulation davon ab, dass der Hintergrund-EMG-Wert (kontinuierlich auf dem Bildschirm angezeigt) im richtigen Bereich bleibt. Antwortsignale werden nach jedem Stimulus auf dem Bildschirm angezeigt; und die Reihenfolge der Antworten kann am Ende eines Laufs analysiert werden. Auf diese Weise kann der Bediener den Beginn und das Ende der Zeitintervalle bestimmen, in denen die interessierenden Antworten erscheinen. Bestimmung des Verhältnisses zwischen Stimulationsintensität und Reaktionsgröße, sowohl vor als auch nach den Konditionierungsläufen; und die Stimulationsintensität zu bestimmen, die zur Konditionierung verwendet werden soll.
Im Control Trials-Modus ist die Stimulation abhängig vom Hintergrund-EMG-Niveau (kontinuierlich auf dem Bildschirm angezeigt), es wird jedoch kein Feedback über die Zielreaktionsgröße gegeben. Die Reihenfolge und Verteilung der Antwortgrößen kann analysiert werden. Dieser Modus kann verwendet werden, um Baseline-Messungen der Antwortgröße zu sammeln, oder als Kontrollbedingung für den Vergleich mit operanter Konditionierung in einem Crossover- oder zwischen Probanden-Versuchsdesign. Es kann als Grundlage für die Festlegung des Leistungskriteriums für die operante Konditionierung zu Beginn jeder Sitzung dienen.
Schließlich ist die Stimulation im Trainingsversuchsmodus abhängig vom Hintergrund-EMG-Niveau (kontinuierlich auf dem Bildschirm zu sehen), und die Verstärkung von Versuch zu Versuch wird auch durch die Anzeige der Zielreaktionsgröße bereitgestellt, wie oben beschrieben und in Abbildung 1 gezeigt. Dies ist der Modus, in dem die operante Konditionierung durchgeführt wird.
Der nächste Abschnitt führt den Leser durch die fünf Modi, indem er das Protokoll zur Herunterkonditionierung des Soleus-H-Reflexes bei einem erwachsenen Teilnehmer ohne neurologische Verletzung demonstriert.
Protocol
Alle hier beschriebenen Verfahren wurden vom institutionellen Prüfungsausschuss des Stratton VA Medical Center genehmigt (Zulassungsnummer 1584762-9). Die Teilnehmer des Videos gaben eine informierte Zustimmung zur Verwendung ihres Bildes und ihrer EMG-Signale in dieser Publikation.
HINWEIS: Die fett gedruckten Begriffe kennzeichnen Beschriftungen, die auf der Hardware und/oder in der grafischen Benutzeroberfläche der Software sichtbar sein sollten.
1. Software-Einrichtung
- Unter https://neurotechcenter.org/epocs finden Sie Anweisungen zum Beziehen des neuesten Software-Installationsprogramms. Installieren Sie die Software mit dem heruntergeladenen Installationsprogramm.
- Stellen Sie sicher, dass die erforderlichen Treiber und die Software des Herstellers für den Digitizer installiert sind. Stellen Sie insbesondere sicher, dass die Installation von NI-DAQmx 64-bit-Unterstützung bietet.
- Starten Sie die Anwendung NI-MAX, wählen Sie unter Geräte und Schnittstellen das zu verwendende Gerät aus und stellen Sie sicher, dass der Name Dev1 lautet. Stellen Sie dann unter Configure > Power-up States sicher, dass das Kontrollkästchen Leitungsstatus für Port 0, Zeile 7, deaktiviert (Null) ist. Stellen Sie außerdem das entsprechende Tristate-Kontrollkästchen auf Null, falls vorhanden.
- Entfernen Sie mit dem Tool Software alle nicht benötigte Software , die zeitweise Prozessorressourcen im Hintergrund verbrauchen könnte, da dies zu Störungen bei der Echtzeit-Signalverarbeitung führen kann. Stellen Sie sicher, dass Sie alle vom Hersteller des Computers bereitgestellten Softwareupdate-/Problembehandlungssammlungen entfernen, da diese bekanntermaßen schwerwiegende Leistungsprobleme verursachen.
HINWEIS: Die oben genannten Schritte zur Softwareeinrichtung müssen für eine bestimmte Hardwarekonfiguration nur einmal ausgeführt werden.
2. Hardware-Einrichtung
- Richten Sie den Digitizer so ein, dass er die Ein- und Ausgabe wie unten beschrieben koordiniert.
- Verbinden Sie die Federklemme für den digitalen Ausgangsanschluss 0 Zeile 7 (bei älteren Geräten mit P0.7 oder möglicherweise DIO7 gekennzeichnet) mit einem kurzen Stück Massivkern-isoliertem Draht mit der Federklemme für die USER-Ausgabe .
- Schließen Sie einen BNC-T-Shirt-Stecker an den USER-Ausgang an. Verbinden Sie den USER-Ausgang mit dem externen Trigger-Eingang des Stimulators.
- Verbinden Sie das erste und zweite verstärkte EMG-Signalkabel mit dem ersten bzw. zweiten analogen Eingangskanal der Datenerfassungskarte. Diese sind bei älteren Geräten mit AI0 und AI1 gekennzeichnet - oder möglicherweise ACH0 und ACH1. Stellen Sie eine zusätzliche Verbindung vom USER-Ausgang zurück in den dritten analogen Eingangskanal her (gekennzeichnet mit AI2 oder ACH2).
- Stellen Sie den Konstantstromstimulator wie unten beschrieben ein.
HINWEIS: Um das Protokoll auf eine Vielzahl von Stimulatormarken und -modellen verallgemeinerbar zu machen, beschreibt dieser Artikel die manuelle Steuerung der Stimulusintensität, anstatt die Option zur automatischen Steuerung der jeweiligen Stimulatormodelle zu nutzen.- Schalten Sie den Stimulator ein und konfigurieren Sie ihn so, dass er monophasische Impulse von 1 ms liefert. Stellen Sie beim DS8R-Modell sicher, dass die Reizintensität über die Frontblende oder die USB-Schnittstelle und nicht über den hinteren Analogeingang gesteuert wird. Stecken Sie das lange Ausgangskabel ein und verbinden Sie es mit den Schnappleitungen, die an den stimulierenden Elektrodenpads befestigt werden.
- Richten Sie den analogen Verstärker so ein, dass er mindestens zwei EMG-Kanäle liefert, wie unten beschrieben.
- Schalten Sie den Verstärker ein. Stellen Sie sicher, dass alle Kanal-GAIN-Werte ihren Standardwert von 500 haben und die entsprechenden VARIABLE-Regler auf ihren Mindestwert von 1 gedreht sind.
- Schließen Sie das tragbare Gerät über das lange Kabel an den Verstärker an. Legen Sie zwei quadratische 9-V-Batterien in den Akku des tragbaren Geräts ein. Schnallen Sie das tragbare Gerät und den Akku um die Taille des Teilnehmers.
3. Vorbereitung der Stimulation und Aufzeichnung von Elektroden
- Verwenden Sie alle zuvor notierten Orientierungspunkte oder Messungen, um frühere teilnehmerspezifische Elektrodenpositionen so genau wie möglich nachzubilden. Bereiten Sie die Haut vor, an der die Elektroden befestigt werden, indem Sie mit Alkoholpads abwischen, um überschüssiges Öl zu entfernen, und wischen Sie dann mit einem Papiertuch ab, um abgestorbene Haut zu entfernen.
- Befestigen Sie die Stimulationselektroden in Position, um den Tibianerv präzise zu stimulieren, mit minimaler Wirkung auf den gemeinsamen Peronealnerv. Verwenden Sie die größere (22 mm x 35 mm) Elektrode als Anode und platzieren Sie sie an der Spitze der Kniekehle, wo sich der Ischiasnerv in Tibia- und gemeinsame Peronealnerven verzweigt. Platzieren Sie die Kathode (22 mm x 22 mm) in der Kniefalte, direkt unter der Anode, mit einem Abstand von 3-4 cm zwischen den Elektrodenzentren.
- Befestigen Sie die EMG-Aufnahmeelektroden in einer bipolaren Montage am Zielmuskel (Soleus) wie folgt.
- Um den richtigen Ort zu bestimmen, finden Sie zuerst den Musculus gastrocnemius durch Abtasten, während der Teilnehmer abwechselnd auf den Zehen steht und natürlich steht.
- Platzieren Sie die erste Elektrode direkt unter dem distalen Rand des Magenmuskels Gastrocnemius. Platzieren Sie die zweite Elektrode unter der ersten mit einem Abstand von 5 cm zwischen den Elektrodenzentren. Halten Sie beide Elektroden in einer Linie mit der Achillessehne.
- Befestigen Sie die EMG-Aufnahmeelektroden in einer bipolaren Montage am Antagonistenmuskel (Tibialis anterior). Um dies zu tun, identifizieren Sie den Muskel, indem Sie palpieren, während der Teilnehmer seine Zehen anhebt (dorsiflexes). Platzieren Sie die Elektroden auf dem Muskelbauch, etwa 1/3 des Weges vom Fibularkopf bis zum Knöchel, mit einem vertikalen Abstand von 5 cm zwischen den Elektrodenzentren.
- Befestigen Sie eine Erdungselektrode an der Patella.
- Schließen Sie die Leitungen des EMG-Verstärkers wie folgt an. Stecken Sie die grün geklebte aktive Elektrode in Kanal 1 des tragbaren Geräts und verbinden Sie die roten Clips mit den Zielmuskelelektroden (Soleus) und den grünen Clip mit der Erdungselektrode. Stecken Sie die schwarz geklebte aktive Elektrode in Kanal 2 des tragbaren Geräts und verbinden Sie die Clips mit den Antagonisten-Muskelelektroden (Tibialis anterior).
- Schließen Sie den Akku an das tragbare Gerät an.
- Verbinden Sie den Stimulationsschnappschuss zu den Stimulationselektroden.
4. Verwendung der EPOCS-Software
- Positionieren Sie den Monitor so, dass sowohl der Prüfer als auch das Subjekt (oder der Therapeut und der Patient) ihn deutlich sehen können.
- Starten Sie eine EPOCS-Sitzung.
HINWEIS: Eine Sitzung ist definiert als ein Besuch im Labor oder in der Klinik, der typischerweise 60-90 Minuten dauert.- Doppelklicken Sie auf das EPOCS-Symbol , um die Anwendung zu starten. Geben Sie den Teilnehmer-ID-Code ein (oder wählen Sie aus der Liste der zuvor verwendeten IDs aus).
- Wenn es sich um eine Fortsetzung einer bestehenden Sitzung handelt, z.B. wenn die Software nach einer Unterbrechung neu gestartet werden musste, drücken Sie Sitzung fortsetzen. Dies ist nur verfügbar, wenn in den letzten 3 h eine Sitzung für den angegebenen Teilnehmer gestartet wurde.
- Andernfalls drücken Sie Start New Session (Neue Sitzung starten). Dadurch wird ein neuer Datenordner erstellt, der mit einem Datums- und Zeitstempel versehen und mit der Teilnehmer-ID gekennzeichnet ist.
- Überprüfen Sie die Position der Elektrode und die Kontaktqualität und passen Sie sie bei Bedarf an.
- Stellen Sie sicher, dass die Registerkarte Stimulustest angezeigt wird.
- Konfigurieren Sie unter Einstellungen > Stimulation das Mindestintervall für den Stimulustest auf 3 s. Beachten Sie, dass dies separat vom Mindestintervall für den normalen Gebrauch konfiguriert wird, das in der Regel länger ist, etwa 5 s. Lassen Sie die Einstellung Digitimer Link deaktiviert.
HINWEIS: Wenn diese Option aktiviert ist, ermöglicht die Option Digitimer Link die Softwaresteuerung der Stimulationsintensität bei Verwendung bestimmter Stimulatormodelle. Das aktuelle Protokoll zeigt stattdessen die manuelle Steuerung der Stimulusintensität, die für mehrere Stimulatormarken und -modelle anwendbar ist. - Stellen Sie auf dem Bedienfeld des Stimulators die Stimulusintensität auf 5 mA ein und aktivieren Sie die Stimulation.
- Bitten Sie den Teilnehmer, zu stehen, wobei seine Hände sein Gewicht bei Bedarf teilweise auf einem Rollator stützen.
- Warnen Sie den Teilnehmer, dass er eine Stimulation erwartet, und drücken Sie dann Start , um einen neuen Lauf zu starten (d. H. Um Signale kontinuierlich in einer neuen Datei aufzuzeichnen). Läufe werden fortlaufend nummeriert, und ihre Dateien werden sich niemals gegenseitig überschreiben.
- Jede Wiederholung der Stimulation wird als Versuch bezeichnet. Die EMG-Reaktionen, die in jeder Studie hervorgerufen wurden, werden sofort gezeigt. Beurteilen Sie die M-Welle und den H-Reflex, die im Zielmuskel (obere, blaue Spur) und im Antagonistenmuskel (untere, rote Spur) ausgelöst werden. Falls erforderlich, erhöhen Sie den Strom schrittweise auf 10 mA oder mehr, bis die Antworten deutlich erscheinen.
- Um den optimalen Ort für die Stimulation zu finden (d.h. den Ort, der den größten H-Reflex ergibt), vergleichen Sie die evozierten Potentiale, nachdem die Kathode medial und dann lateral um eine volle Elektrodenbreite bewegt wurde, gefolgt von einer halben Elektrodenbreite medial und dann seitlich und schließlich von einer vollen Elektrodenbreite nach oben und dann nach unten.
- Markieren, notieren und fotografieren Sie die Position der Elektroden, um die Neupositionierung in zukünftigen Sitzungen zu unterstützen. Wenn möglich, machen Sie einen Gipsabdruck der Wade und der Kniekehle und machen Sie Löcher in den Gipsverband, damit die Markierungen wieder präzise aufgebracht werden können.
- Sobald die optimalen Positionen für die Elektroden gefunden wurden, ersetzen Sie die neu positionierten Elektroden durch frische Elektroden.
- Für die Soleus-Konditionierung überspringen Sie die Registerkarte Freiwillige Kontraktion .
- Messen Sie die maximalen M-Wellen- und H-Reflexgrößen (M.max und H.max), indem die Rekrutierungskurve, d. h. die Beziehung zwischen Reizintensität und Reaktion, dargestellt wird. Messen Sie die Rekrutierungskurve wie folgt, vor und nach den Kontroll- oder Trainingsversuchen in jeder Sitzung. Verwenden Sie in der ersten Sitzung die Rekrutierungskurve, um die Auswahl einer geeigneten Stimulationsintensität für den gesamten Konditionierungsprozess zu leiten.
- Wechseln Sie zur Registerkarte Rekrutierungskurve .
- Konfigurieren Sie unter Einstellungen > EMG die Bereiche, in denen die Ziel- und Antagonistenhintergrund-EMG-Werte bleiben müssen, um die Stimulation zu aktivieren. Für den Soleus, vorausgesetzt, die maximale freiwillige Kontraktion wurde nicht gemessen, stellen Sie einfach sicher, dass die Bereiche die EMG-Werte umfassen, die durch natürliche Gewichtsbelastung während des Stehens erzeugt werden. Stellen Sie die Hintergrundhaltedauer auf 2 s ein, um festzulegen, wie lange der Teilnehmer das EMG kontinuierlich in Reichweite halten muss, um jeden Stimulus auszulösen.
HINWEIS: Die obere oder untere Grenze kann leer gelassen werden, wenn keine entsprechende Einschränkung auferlegt werden soll. - Aktivieren Sie den Stimulator und stellen Sie die Intensität auf den Mindestwert ein, der bei der Messung der Rekrutierungskurve verwendet werden soll: 5 mA. (Dieser Wert ist ein Beispiel und sollte von Fall zu Fall gewählt werden - siehe Diskussion.)
- Wenn dies die erste Sitzung des Teilnehmers ist, lassen Sie ihn üben, das EMG für die erforderliche Dauer wie unten beschrieben im richtigen Bereich zu halten.
- Drücken Sie bei stehendem Teilnehmer auf Start. Demonstrieren Sie dem Teilnehmer, wie das Hintergrund-EMG-Niveau im Zielmuskel in Echtzeit als Höhe des Balkens gegen einen schattierten Bereich angezeigt wird, der den Zielbereich anzeigt.
- Erklären Sie dem Teilnehmer, dass die Aktivität beider Muskeln (Ziel und Antagonist) innerhalb der erforderlichen Bereiche liegen muss, um den Balken von einem hellen Rot in ein dunkleres Grün zu verwandeln (obwohl das Aktivitätsniveau des Antagonisten nicht direkt angezeigt wird).
- Um die Hintergrundbereiche anzupassen, drücken Sie Stopp gefolgt von Einstellungen. Geben Sie dann die neuen Zahlen ein, drücken Sie OK und starten Sie erneut. Drücken Sie Stopp , wenn der Übungslauf beendet ist.
- Um die Rekrutierungskurve zu messen , drücken Sie bei stehendem Teilnehmer Start. Wenn der H-Reflex bereits bei der gewählten Startintensität sichtbar ist, verringern Sie den Strom allmählich, bis der H-Reflex nicht mehr zu sehen ist. Drücken Sie dann Stop und erneut Start , um die Ausführung zu starten.
- Achten Sie genau auf den Zähler "Abgeschlossene Testversionen ". Erhöhen Sie nach jeweils vier Versuchen die Stimulationsintensität manuell um 2 mA. (Dieser Wert ist ein Beispiel und sollte von Fall zu Fall gewählt werden - siehe Diskussion.) Fahren Sie fort, bis die M-Wellengröße ein Plateau erreicht, vorausgesetzt, der Teilnehmer meldet keine Beschwerden. Drücken Sie Stopp , wenn Sie fertig sind, und laden Sie den Teilnehmer ein, sich zum Ausruhen hinzusetzen.
- Notieren Sie sich die Stimulusintensitätswerte, die für jeden Versuch verwendet werden. Ordnen Sie alle schriftlichen Datensätze der Laufnummer zu, die oben rechts im Fenster angezeigt wird. Geben Sie diese Informationen am Ende jeder Ausführung zusammen mit allen anderen Notizen über die Registerkarte Protokoll manuell in das Sitzungsprotokoll ein.
HINWEIS: Wenn die Stimulationsintensität manuell gesteuert wird, werden diese Informationen nicht von der Software aufgezeichnet. - Drücken Sie die Schaltfläche Analyse , um das Analysefenster zu öffnen und die Definition der M- und H-Wellen wie folgt zu ermöglichen. Untersuchen Sie im oberen Bereich des Analysefensters die stimulusgesperrte Überlagerung der Zielmuskelsignale aus jedem Versuch im letzten Durchlauf.
- Verwenden Sie die Maus, um den Anfang und das Ende der braunen Referenz- und grünen Zielintervalle einzustellen (im H-Reflex-Konditionierungsprotokoll entsprechen diese M-Welle bzw. H-Reflex). Wenn die Intervalle korrekt sind, drücken Sie die roten Schaltflächen Markierte Timings verwenden , um diese personalisierten Intervalleinstellungen für zukünftige Analysen zu speichern.
- Bewerten Sie im Bereich Sequenz in der unteren Hälfte des Analysefensters die resultierende Rekrutierungskurve. Passen Sie die Einstellungen an, um entweder die Spitze-zu-Spitze- oder die mittlere gleichgerichtete Amplitude anzuzeigen und Ergebnisse aus aufeinanderfolgenden Studien zu sammeln. Da der Reizstrom alle vier Versuche erhöht wurde, geben Sie Trials to Pool: 4 an. Notieren Sie die resultierenden M max und Hmax.
- Wenn dies die erste Sitzung des Teilnehmers ist, optimieren Sie die Zielmuskel-EMG-Aufnahmeorte wie folgt.
- Bewegen Sie die Soleus-Elektroden medial um eine halbe Elektrodenbreite (oder eine volle Elektrodenbreite, wenn der Muskel breit genug ist). Wiederholen Sie dann die obigen Schritte, um eine vollständige Rekrutierungskurve zu erstellen und die resultierenden M max und Hmax aufzuzeichnen.
- Bewegen Sie die Soleuselektroden den gleichen Abstand seitlich von ihrer ursprünglichen Position und führen Sie erneut eine Rekrutierungskurvenmessung durch, um M max und Hmax zu schätzen. Übernehmen Sie die Elektrodenpositionierung, die Hmax maximiert, und markieren, notierenund fotografieren Sie ihre Positionen wie in Schritt 4.3.8.
- Wählen Sie eine Reizintensität, die einen nahezu maximalen H-Reflex hervorruft - idealerweise auf der aufsteigenden (linken) Steigung der H-Reflex-Rekrutierungskurve - aber mit der Einschränkung, dass es eine sichtbare M-Welle geben muss. Stellen Sie diesen Stimulusintensitätswert auf dem Stimulator ein und notieren Sie ihn für zukünftige Sitzungen. Beachten Sie auch die entsprechende M-Wellengröße (siehe Diskussion).
- Messen Sie die Verteilung der H-Reflexgrößen ohne Antwortfeedback wie folgt.
- Wechseln Sie zur Registerkarte Control Trials .
- Drücken Sie bei stehendem Teilnehmer auf Start. Wie zuvor weisen Sie den Teilnehmer an, das Feedback des steigenden und fallenden Balkens zu verwenden, um das Niveau der Hintergrundmuskelaktivität innerhalb des erforderlichen Bereichs zu halten.
- Wenn es sich um eine Baseline- oder Follow-up-Sitzung handelt, führen Sie 75 Versuche nacheinander mit der gewählten Stimulusintensität durch. Wenn es sich um eine Konditionierungssitzung handelt, führen Sie nur 20 Versuche durch. Drücken Sie nach der vorgeschriebenen Anzahl von Versuchen auf Stopp , um den Lauf zu beenden.
- Presseanalyse. Bewerten Sie wie zuvor die Überlagerung der Trial-by-Trial-Antwortwellenformen im oberen Bereich und die Reihenfolge der Antwortgrößen darunter. Eine neue Registerkarte namens Verteilung ist ebenfalls standardmäßig aktiviert, zusätzlich zu Sequenz. Es zeigt die Verteilung der H-Reflexgrößen, mit zusammenfassenden Statistiken auf der rechten Seite.
- Drücken Sie auf Protokollergebnisse , um die Zusammenfassungsstatistik an das Sitzungsprotokoll anzuhängen.
- Wenn es sich um eine Basissitzung handelt, wiederholen Sie die obigen Schritte für insgesamt 3 Durchläufe mit jeweils 75 Versuchen. Fahren Sie dann mit der Messung der abschließenden Rekrutierungskurve in Schritt 4.8 fort.
- Wenn es sich um eine Konditionierungssitzung handelt, legen Sie das Zielperzentil auf 66 fest. Die Auf- und Abkonditionierungskriterien sowie der Median werden durch die vertikalen roten Linien angezeigt. Wählen Sie ein Kriterium für die Konditionierung aus, indem Sie auf die Schaltfläche Up-Condition oder Down-Condition klicken. Drücken Sie für dieses Protokoll auf Down-Condition. Diese Aktion wird automatisch protokolliert und das Analysefenster wird geschlossen.
HINWEIS: In einem Downkonditionierungsprotokoll bedeutet ein Zielperzentilwert von 66, dass ein erfolgreicher Versuch als ein Versuch definiert wird, bei dem die Antwortgröße in den unteren 66% der zuvor gemessenen Verteilung liegt. Umgekehrt bedeutet Erfolg bei der Hochkonditionierung, eine Antwortgröße in den oberen 66% der Distribution zu erzeugen.
- Führen Sie die operante Konditionierung wie unten beschrieben durch.
- Wechseln Sie zur Registerkarte Trainingstests .
- Drücken Sie bei stehendem Teilnehmer auf Start.
- Wenn der Teilnehmer es noch nicht gesehen hat, machen Sie ihn auf die neue Feedback-Leiste in der Mitte des Bildschirms aufmerksam. Erklären Sie, dass es die jüngste H-Reflexgröße relativ zum schraffierten Zielbereich anzeigt. Wenn das Ansprechen innerhalb des Zielbereichs liegt, wird die Studie als erfolgreich gezählt und der Balken ist dunkelgrün. Wenn es außerhalb des Bereichs liegt, wird der Versuch als erfolglos gezählt und der Balken wird heller rot sein.
- Motivieren Sie den Teilnehmer während des Laufs, so viele erfolgreiche Versuche wie möglich durchzuführen. Die Anzahl der durchgeführten Versuche und der Anteil der Versuche, die bisher im Lauf erfolgreich waren, werden auf der rechten Seite des Bildschirms angezeigt. Drücken Sie nach 75 Versuchen auf Stopp , um den Lauf zu beenden.
- Drücken Sie die Taste Analysis (Analyse ). Das Analysefenster sieht genauso aus wie bei Kontrollversuchen. Verwenden Sie erneut die Registerkarte Sequenz , um zu überprüfen, ob die M-Wellen in der gewünschten Größe konstant geblieben sind.
- Verwenden Sie wie zuvor bei ausgewählter Registerkarte Verteilung die Schaltfläche Down-Condition, um das operante Konditionierungskriterium für den nächsten Lauf zu aktualisieren. Wiederholen Sie den operanten Konditionierungsvorgang 2x mehr, für insgesamt 3 Durchläufe à 75 Versuche.
- Führen Sie am Ende der Sitzung eine weitere Messung der Rekrutierungskurve durch, wie in den Schritten 4.5.1.-4.5.6 beschrieben.
- Beenden Sie die Sitzung wie unten beschrieben.
- Geben Sie zusätzliche Sitzungsnotizen auf der Registerkarte Protokoll ein. Das Protokoll wird automatisch gespeichert, wenn es in einer Nur-Text-Datei mit Datumsstempel im sitzungsspezifischen Datenverzeichnis ausgefüllt wird. Schließen Sie das Fenster. Daten und Protokolle wurden bereits gespeichert.
- Um das Analysefenster für zuvor aufgezeichnete Daten erneut aufzurufen, doppelklicken Sie auf das Symbol EPOCS-Offline-Analyse und wählen Sie die Datendatei für den zu analysierenden Lauf aus. Warten Sie, bis die Rohsignale verarbeitet wurden (dies kann 1 Minute oder länger dauern).
HINWEIS: Die Daten werden als .dat Dateien im BCI2000-Format gespeichert. Der Dateiname gibt das Datum und die Uhrzeit der Sitzung, die Teilnehmer-ID, den Modus (ST für Stimulustest, VC für freiwillige Kontraktion, RC für Rekrutierungskurve, CT für Kontrollversuche und TT für Trainingsversuche) und die sequenzielle Laufnummer an.
5. Durchführen mehrerer Wiederholungssitzungen
- Planen Sie insgesamt 6 Baseline-Sitzungen, 24 Konditionierungssitzungen (oder 30 für Menschen mit neurologischen Beeinträchtigungen) und 4 Follow-up-Sitzungen. Planen Sie die Baseline- und Konditionssitzungen mit einer Rate von 3 Sitzungen / Woche, wobei jede Sitzung nicht länger als 90 Minuten dauert. Veranlassen Sie, dass alle Sitzungen zur gleichen Tageszeit durchgeführt werden, um die Auswirkungen von Tagesschwankungen zu minimieren.
- Führen Sie in jeder der 6 Baseline-Sitzungen einen ersten Rekrutierungskurvenlauf, 3 Durchläufe mit 75 Kontrollstudien und einen abschließenden Rekrutierungskurvenlauf durch.
- Führen Sie in jeder der 24 (oder 30) Konditionssitzungen einen ersten Rekrutierungskurvenlauf, 1 Lauf mit 20 Kontrollversuchen, 3 Läufe mit 75 Trainingsversuchen und einen abschließenden Rekrutierungskurvenlauf durch.
- Führen Sie 4 Follow-up-Sitzungen nach 10-14 Tagen, 1 Monat, 2 Monaten und 3 Monaten nach der letzten Konditionierungssitzung durch. Abhängig von den Zielen der Studie können diese mit Baseline-Sitzungen oder Konditionierungssitzungen identisch sein.
Representative Results
Abbildung 2 zeigt die Wirksamkeit des obigen Protokolls bei der Messung von M-Wellen- und H-Reflex-Rekrutierungskurven und bei der Messung der Verteilung der H-Reflexgrößen bei konstanter Stimulationsintensität. Es veranschaulicht auch die Gesamtwirksamkeit des Multi-Session-Protokolls bei der Veränderung der H-Reflexgröße bei neurologisch nicht beeinträchtigten Teilnehmern und bei der Verbesserung der Bewegungsfunktion bei Teilnehmern mit unvollständiger Rückenmarksverletzung.
Abbildung 2A zeigt einen Screenshot des Analysefensters nach einem Durchlauf im Rekrutierungskurvenmodus während der operanten H-Reflex-Konditionierung (siehe Protokollschritt 4.5.). In der unteren Hälfte des Fensters (im Bereich Sequenz) zeigt die horizontale Achse die Anzahl der Versuche an, daher steigt die Stimulusintensität von links nach rechts. Die H-Reflexgröße (grüne Kreise) steigt und fällt dann als Funktion der Reizintensität, während die M-Wellengröße (braune Dreiecke) steigt und dann sättigt. Abbildung 2B zeigt einen Screenshot des Analysefensters nach einem Durchlauf, der im Modus Control Trials oder Training Trials während der H-reflex operanten Konditionierung durchgeführt wurde (siehe Protokollschritt 4.6. und Schritt 4.7.). Im unteren Bereich (Bereich "Verteilung") erleichtert das Histogramm der H-Reflexgrößen die Auswahl einer geeigneten Kriterienebene für die anschließende Hoch- oder Downkonditionierung. In Abbildung 2C ist die H-Reflex-Größe bei neurologisch nicht beeinträchtigten Teilnehmern als Funktion der Sitzungsanzahl über 6 Baseline-Sitzungen, 24 Konditionierungssitzungen und 4 Follow-up-Sitzungen dargestellt. Die Daten wurden von 15 Teilnehmern (8 männlich, 7 weiblich) gesammelt, von denen 2 sowohl an der Auf- als auch an der Abwärtskonditionierung teilnahmen. Die Teilnehmer waren zwischen 21 und 55 Jahre alt. Alle Teilnehmer gaben ihre Einwilligung. Das Protokoll wurde vom Institutional Review Board (IRB) des New York State Department of Health genehmigt (Zulassungsnummer 05-058). Thompson et al.16 liefert weitere Details. Abbildung 2D zeigt die positive Wirkung der Soleus-H-Reflex-Downkonditionierung bei Teilnehmern mit chronischer Beeinträchtigung der unteren Extremitäten nach unvollständiger Rückenmarksverletzung. Eine erfolgreiche Konditionierung war mit einer Verbesserung der Gangsymmetrie und der Gehgeschwindigkeit relativ zur Grundlinie verbunden. Die Daten wurden von 13 Teilnehmern (9 männlich, 4 weiblich) im Alter von 28 bis 68 Jahren erhoben, die eine informierte Einwilligung gaben. Das Protokoll wurde vom IRB des Helen Hayes Hospital genehmigt (Zulassungsnummer 07-07). Thompson et al.14 liefert weitere Details.
Abbildung 2: Repräsentative Ergebnisse . (A) Screenshot des Analysefensters der Rekrutierungskurve. (B) Screenshot des Analysefensters Kontrollversuche oder Trainingsversuche. (C) Kontrastierende Effekte der Hoch- und Abwärtskonditionierung des Soleus-H-Reflexes bei unverletzten Teilnehmern. Rote nach oben gerichtete Dreiecke zeigen die mittlere H-Reflexgröße von N = 6 erfolgreich hochkonditionierten Teilnehmern (von 8); blaue Dreiecke nach unten zeigen mittlere Antworten von N = 8 erfolgreich herunterkonditionierten Teilnehmern (von 9). Fehlerindikatoren kennzeichnen Standardfehler. Dieses Bild wurde von Thompson et al.16 modifiziert. (D) Therapeutische Wirkung der Soleus-H-Reflex-Downkonditionierung auf Gehgeschwindigkeit und Gangsymmetrie bei Menschen mit chronischer Beeinträchtigung nach unvollständiger Rückenmarksverletzung. Die Balkenkontrastergebnisse für N = 6 Teilnehmer, deren H-Reflexe erfolgreich herunterkonditioniert wurden, gegen N = 4 Teilnehmer aus der Kontrollbedingung (keine operante Konditionierung) und N = 3 Teilnehmer, bei denen das Downkonditionierungsprotokoll die Reflexgröße nicht reduzieren konnte. Fehlerindikatoren kennzeichnen Standardfehler. Jedes Sternchen zeigt einen p-Wert unter 0,05 bei einem gepaarten t-Test an, der Messungen vor und nach der Konditionierung vergleicht. Dieses Bild wurde von Thompson et al.14 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Discussion
Das oben beschriebene Protokoll eignet sich zum Nachweis der Soleus-H-Reflex-Downkonditionierung bei einem typischen Erwachsenen ohne neurologische Beeinträchtigung. Die genauen Parameterwerte können von Person zu Person und insbesondere in Abhängigkeit von der Beeinträchtigung variieren. Während die Rekrutierungskurve des Teilnehmers bei einem stimulierenden Strom von etwa 25 mA im Video Mmax erreichte, könnte eine andere Person 50 mA oder mehr benötigen, so dass der Strom während der Messung der Rekrutierungskurve in größeren Schritten erhöht würde. Sie können auch eine längere Pulsdauer erfordern. Eine dritte Person ist möglicherweise empfindlicher und benötigt kleinere aktuelle Einstellungen. Das Protokoll muss auch an den Muskel angepasst werden, der konditioniert wird. Wenn beispielsweise der Musculus flexor carpi radialis24,25 anvisiert wird, wird im Allgemeinen eine niedrigere Stromeinstellung verwendet; der Modus der freiwilligen Kontraktion sollte verwendet werden, um eine Skala für die Hintergrund-EMG-Grenzwerte festzulegen; Und sowohl bei der Optimierung der Elektrodenplatzierung als auch bei der Optimierung der Körperhaltung, die dann über Versuche hinweg konstant gehalten werden muss, ist größere Vorsicht geboten.
Das Protokoll reagiert empfindlich auf Schwankungen in der Beziehung zwischen der Einstellung des Stimulatorstroms und der tatsächlich an den Nerv abgegebenen Strommenge - dies kann durch kleine Schwankungen in der Haltung, der Hydratation des Teilnehmers und dem Austrocknen des Klebegels beeinflusst werden. Bei der H-Reflex-Konditionierung kann dieses Problem gemildert werden, indem die M-Wellengröße als Indikator für die effektive Stimulationsintensität verwendet wird. Es spiegelt die Anzahl der soleus motoneuron efferenten Axone wider, die durch den Stimulus angeregt werden. Wenn also die M-Wellengröße konstant gehalten wird, bedeutet dies, dass die Anzahl der primären afferenten Axone, die durch den Reiz angeregt werden, d.h. die Axone, die den H-Reflex auslösen, ebenfalls konstant gehalten wird (siehe auch Crone et al.26). Daher wird diese M-Welle in der Software als Referenzantwort bezeichnet. Aus diesem Grund führen Sie Schritt 4.5.12 aus. erwähnt, dass die Zielgröße der M-Wellen aufgezeichnet werden sollte. Es ist eigentlich wichtiger, diese Antwortgröße ungefähr konstant zu halten, als den Nennstrom streng konstant zu halten. Die Registerkarte Sequenz des Analysefensters ermöglicht die retrospektive Überprüfung der M-Wellenkonstanz über jeden Durchlauf. bei der Soleus-H-Reflex-Konditionierung reicht dies oft aus, um eventuelle Probleme zu beheben. Für eine bessere Kontrolle kann ein zweiter Monitor an den Computer angeschlossen werden, um Echtzeit-M-Wellen-Analysen anzuzeigen, die die manuelle Anpassung von Versuch zu Versuch leiten. Die Automatisierung dieser Steuerungsaufgabe ist ein laufendes Projekt27.
Tagesschwankungen können auch die elektrophysiologischen Reaktionen einer Person beeinflussen 28,29,30,31. Aus diesem Grund wird empfohlen, alle Sitzungen zur gleichen Tageszeit, d.h. innerhalb desselben Zeitfensters von 3 Stunden, durchzuführen.
Der Erfolg der operanten Konditionierung kann von der Genauigkeit des Zeitintervalls abhängen, das der Bediener zur Definition des H-Reflexes gewählt hat. Insbesondere sollte das Intervall nicht zu breit sein. Detaillierte Richtlinien für die korrekte Intervalldefinition würden den Rahmen des vorliegenden Artikels sprengen. Dies ist auch eine Funktion, die in zukünftigen Versionen der Software automatisiert wird.
Ein kritischer Schritt im Protokoll ist Schritt 4.5.6., bei dem der Bediener den Stimulatorstrom nach jeder festgelegten Anzahl von Versuchen wiederholt erhöht. Eine Fehlzählung der Versuche hier oder eine falsche Einstellung des aktuellen Zifferblatts kann zu einer Verzerrung der resultierenden Rekrutierungskurve führen. Diese Möglichkeit von Benutzerfehlern kann durch Aktivieren der Option Digitimer Link verringert werden, die die Automatisierung der Stromanpassung für ein bestimmtes Stimulatormodell ermöglicht.
Dieser Artikel hat sich auf die H-Reflex-Konditionierung konzentriert, da sie die am weitesten entwickelte der potenziellen klinischen Anwendungen von EPOCS ist. Die vorhandene Software hilft Forschern bei den laufenden Bemühungen, dieses Protokoll in Richtung einer breiten klinischen Verbreitung zu verfeinern32. Über die H-Reflex-Konditionierung hinaus kann EPOCS in seiner jetzigen Form auch auf eine breitere Palette von Stimulationsmethoden und evozierten Reaktionen angewendet werden. Zum Beispiel kann es ebenso gut eine mechanische Vorrichtung auslösen, die einen Dehnreflex hervorruft, der auch konditioniert sein kann33,34,35. Der Ansatz ist an die Beeinträchtigungen eines Individuums anpassbar; bei einer Person verbessert die Downkonditionierung des Soleus H-Reflexes die Fortbewegung durch Verringerung der spastischen Hyperreflexie14; in einem anderen verbessert die Hochkonditionierung der Tibialis anterior MEP die Fortbewegung, indem sie den Fußabfall lindert36.
Während die Bemühungen um eine kommerzielle Implementierung des Protokolls fortgesetzt werden, wird die ursprüngliche Software parallel als Forschungswerkzeug beibehalten, um die notwendige Flexibilität zu bieten, um das Feld der gezielten Neuroplastizität zu erweitern. Diese Flexibilität wird durch die Modularität und Erweiterbarkeit der weit verbreiteten und etablierten Softwareplattform BCI2000 ermöglicht, auf der EPOCS basiert. Dies bedeutet, dass das System mit minimalem Eingriff eines Software-Ingenieurs für eine noch größere Vielfalt von Forschungszwecken neu konfigurierbar ist. Zum Beispiel kann es so konfiguriert werden, dass es zusätzliche Biosignalkanäle oder zusätzliche Sensoren für die spätere Analyse (z. B. Fußschalter und Bewegungsverfolgungssensoren) für die Konditionierung während der Fortbewegung aufzeichnet. Es kann auch so programmiert werden, dass es zusätzliche Triggerkriterien für die Stimulation berücksichtigt (z. B. Stimulation nur an einem bestimmten Teil des Gangzyklus auslöst) oder zusätzliche Verstärkungsreize bei erfolgreichen oder erfolglosen Versuchen auslöst. Beispiele für Anpassungsdateien werden bereitgestellt.
Die gezielte Neuroplastizität steckt noch in den Kinderschuhen. Es wird erwartet, dass seine noch unerforschten Wege sowohl für die Entwicklung neuartiger therapeutischer Ansätze (wie oben diskutiert) als auch für die Aufklärung des natürlichen Krankheitsverlaufs und der Mechanismen der Funktion des zentralen Nervensystems sowohl bei Gesundheit als auch bei Krankheit von großem Nutzen seinwerden 2,32,37. Wir setzen uns daher dafür ein, EPOCS als Schlüsselinstrument zur Realisierung dieses therapeutischen und wissenschaftlichen Potenzials zu erhalten und zu unterstützen.
Disclosures
JRW und AKT sind Erfinder von drei Patenten im Zusammenhang mit der H-Reflex-Konditionierung. Die anderen Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder Interessenkonflikte zu berichten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde unterstützt von NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW), NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT), NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW), NYS SCIRB C33279GG & C32236GG (JRW), NIH (NICHD) P2C HD086844 (S. Kautz), The Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) und Stratton Albany VA Medical Center.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alcohol swabs | any | For application to skin | |
| BNC cable (long) x 1 | any | Male BNC to male BNC, long enough to reach from digitizer to stimulator | |
| BNC cable (medium) x 2 | any | Male BNC to male BNC, long enough to reach from amplifier to digitizer | |
| BNC cable (short) x 1 | any | Male BNC to male BNC, short (to patch between two digitizer ports) | |
| BNC tee connector | any | Female-male-female BNC splitter | |
| Computer | Lenovo | ThinkStation P340 | A wide range of computing hardware is suitable, especially if using a USB digitizer (no PCI slots needed). Must run Windows 7+. Include standard keyboard & mouse. |
| Constant-current stimulator | Digitimer Ltd. | DS8R | The DS8R enjoys EPOCS automation support. If controlled manually, other constant-current stimulators may be used provided they have an external TTL trigger and can achieve a pulse duration of 1 ms or more. |
| Digitizer (option A) | National Instruments | USB-6212 | USB digitizer with integrated BNC connectors. |
| Digitizer (option B) | National Instruments | PCIe-6321 | PCIe digitizer—requires desktop computer with a free PCI slot, also cable and BNC terminal block (below) |
| Digitizer cable (for option B only) | National Instruments | SHC68-68-EPM | Connects PCIe digitizer to BNC terminal block |
| Digitizer terminal block (for option B only) | National Instruments | BNC-2090A | 19-inch-rack-mountable BNC terminal block |
| EMG amplifier system | Bortec Biomedical Ltd. | AMT-8 | Analog amplifier + portable unit + long transmission cable + battery pack + two 500-gain active electrode leads (1 bipolar, 1 bipolar with ground) |
| Monitor | any | Large enough for the participant to see clearly from the intended viewing distance. | |
| NeuroPlus electrodes (22 x 22 mm) x 6 | Vermont Medical Inc. | A10040-60 | Disposable self-adhesive silver/silver-chloride 22 x 22 mm surface-EMG electrodes. 6 needed per session (11 on participant's first session) |
| NeuroPlus electrode (22 x 35 mm) x 1 | Vermont Medical Inc. | A10041-60 | Disposable self-adhesive silver/silver-chloride 22 x 35 mm surface-EMG electrode. 1 needed per session. |
| Snap lead x 2 | any | EDR1220 | Leads for stimulating electrodes: 1.5mm DIN to button snap |
| Wire | any | 8–10 cm length of single-core insulated wire |
References
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