Summary
誘発電位オペラントコンディショニングシステムは、感覚運動機能の科学的調査を支援し、神経筋障害の感覚運動リハビリテーションに影響を与える可能性のある標的を絞った神経行動トレーニングを実施できます。この記事では、その機能について説明し、運動機能の持続的な改善を達成するために単純な脊髄反射を修正する際のそのアプリケーションを示します。
Abstract
誘発電位オペラントコンディショニングシステム(EPOCS)は、神経筋障害のある人のオペラント刺激誘発性筋肉反応をコンディショニングするためのプロトコルを実装するソフトウェアツールであり、適切に適用すると感覚運動機能を改善することができます。EPOCSは、立っているときの表面筋電図(EMG)やトレッドミルを歩いているときの歩行サイクル測定など、特定のターゲット筋肉の状態を監視し、事前定義された条件が満たされると自動的にキャリブレーションされた刺激をトリガーします。これは、人が標的経路の興奮性を調節することを学ぶことを可能にする2つの形式のフィードバックを提供します。まず、ターゲット筋肉で進行中のEMG活動を継続的に監視し、コンディショニングに適した一貫したレベルの活動を生み出すように人を導きます。第二に、各刺激後の応答サイズの即時フィードバックを提供し、目標値に達したかどうかを示します。
その使用法を説明するために、この記事では、ヒラメ筋のホフマン反射(脊髄伸張反射の電気的に誘発された類似物)のサイズを小さくすることを学ぶことができるプロトコルについて説明します。この経路の興奮性をダウンコンディショニングすると、不完全な脊髄損傷による痙性歩行の人々の歩行を改善することができます。この記事では、機器のセットアップ方法を示します。刺激電極と記録電極の配置方法。フリーソフトウェアを使用して電極の配置を最適化し、直接運動と反射応答の動員曲線を測定し、オペラント条件付けなしで応答を測定し、反射を調整し、結果のデータを分析する方法。これは、複数のセッションで反射がどのように変化するか、および歩行がどのように改善されるかを示しています。また、システムを他の種類の誘発応答および他の種類の刺激、例えば経頭蓋磁気刺激に対する運動誘発電位にどのように適用できるかについても議論する。さまざまな臨床問題にどのように対処できるか。そして、それが健康と病気における感覚運動機能の調査研究をどのようにサポートできるか。
Introduction
過去10年間で、標的を絞った神経可塑性戦略が、神経障害のリハビリテーションのための新しいアプローチとして浮上してきました1,2。そのような戦略の1つは、誘発された可能性のオペラント条件付けです。これには、脳波(EEG)や表面筋電図(EMG)など、非侵襲的に測定できる電気生理学的反応を繰り返し誘発し、セラピストまたは研究者によって設定された基準レベルに対する各応答のサイズに関する即時のフィードバックを人に与えることが含まれます。時間が経つにつれて、このプロトコルは、応答を増減するように人を訓練し、その結果、移動やリーチアンドグラスプなどの行動において重要な中枢神経系部位への有益な変化を標的にすることができます。ターゲットを絞った変更はパフォーマンスにメリットをもたらし、さらに、動作全体を改善する広範な有益な変更につながるより良いプラクティスを可能にします。例えば、クローヌスが運動障害を伴わない不完全な脊髄損傷(iSCI)の人では、片足のヒラメ筋のホフマン反射を減少させるオペラントコンディショニングは、両脚の自発運動筋活動を改善し、それによって歩行速度を増加させ、左右ステップ対称性を回復します1,3,4,5 .別の例は、対パルス刺激であり、これは、経頭蓋磁気刺激に対する運動誘発電位(MEP)のサイズを持続的に増加させることができ、それによってiSCI6後の慢性的な手および腕の障害を有する人々の到達および把持機能を改善することができる。
このようなプロトコルを実装するには、複数の機能を実行する必要がある特別な目的のソフトウェアが必要です。具体的には、電気生理学的信号を継続的に取得、処理、および保存する必要があります。神経系の状態を継続的に監視し、厳しいリアルタイムの制約の下で適切に刺激をトリガーする必要があります。継続的な瞬間ごとのフィードバック、試行ごとのフィードバック、およびセッションごとのフィードバックを提供する必要があります。治験責任医師またはセラピストによるセットアップとチューニングをガイドするためのユーザーインターフェイスを提供する必要があります。そして最後に、信号データとメタ情報を標準化された形式で保存および整理する必要があります。
誘発電位オペラントコンディショニングシステム(EPOCS)は、この優れたニーズに対する私たちの答えです。内部的には、このソフトウェアは、世界中の何百もの研究所で使用されているオープンソースのニューロテクノロジープラットフォームであるBCI2000に基づいています7,8。EPOCSでは、BCI2000の通常のユーザインタフェースは隠され、誘発された潜在的なオペラント条件付けプロトコル用に最適化された合理化されたインタフェースに置き換えられています。
現在の記事とそれに付随するビデオは、1つの特定のプロトコルでのEPOCSの使用を示しています:ヒラメ筋のホフマン(H-)反射のサイズを縮小するためのオペラントコンディショニング。この応答は、膝ジャーク伸張反射の電気的に誘発された類似物である。H反射ダウンコンディショニングは、iSCI 9,10,11,12,13の動物およびiSCI、多発性硬化症、または脳卒中5,14,15のヒトにおけるクローナスの移動への影響を軽減し、それによって改善することが示されています。それは、動物および神経学的損傷の有無にかかわらず人々に有害な副作用なしに適用することができる16,17。
オペラント条件付けプロトコルは、それぞれが数秒間続く複数の試行を実行することによって機能します。1つの試行のイベントのシーケンスを 図1に概略的に示し、番号は次の機能を示します。
1.連続バックグラウンドEMGは、バイポーラ表面電極から記録されます ターゲット筋肉(ヒラメ筋)とその拮抗薬(前脛骨筋)。バックグラウンド・レベルは、スライディング・ウィンドウ内のハイパス・フィルタ信号の平均整流値として評価されます。
2.ターゲット筋肉のバックグラウンドEMGレベルは、バーの高さとして表示され、参加者の画面に継続的に更新されます。これにより、参加者はアクティビティを指定された範囲(ハッチング領域)内に維持できます。
3.ソフトウェアは電気刺激の適切な瞬間を判断し、それに応じて刺激装置をトリガーします。主な基準は、前回の刺激から少なくとも5秒が経過し、バックグラウンドEMGレベルが2秒間連続して指定された範囲にとどまっている必要があることです。
4.定電流刺激装置は、脛骨神経に経皮的に電気パルスを供給します(通常は単相性で、持続時間は1ミリ秒です)。
5.結果として生じる刺激ロック応答が記録されます。ソフトウェアは、特に関心のある2つのコンポーネントのサイズを計算します:運動軸索の直接刺激から生じる筋肉の活性化を反映する初期のM波。後のH反射は、脊髄18,19,20,21,22の反射弧を介して中継される信号を反映します。EPOCSでは、これらをそれぞれ参照応答とターゲット応答と呼びます。
6. 現在の試行の H 反射サイズは、試行の成功または失敗を定義する目的の基準レベルに対する 2 番目のバーの高さとして表示されます。ダウンコンディショニングの場合、H反射サイズが基準を下回った場合はバーが濃い緑色になり、そうでない場合は明るい赤になります(アップコンディショニングの場合はその逆)。同時に、累積成功率の数値表示がそれに応じて更新されます。一緒に、これらのグラフィカル表示要素は、オペラント条件付けが依存する即時の正または負の強化を提供します23。
図1:ヒラメ筋H反射のダウンコンディショニング時のEPOCSのコア機能の概略図。参加者は、背景EMGレベル、最新のH反射サイズ、現在の実行でこれまでに完了した試行の数75、および実行の成功試行の実行割合を示す大きなモニター画面を表示します。1回の試行における一連のイベントは、はじめにで説明されているように、番号1〜6で示されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ヒトH反射コンディショニングプロトコルは、通常、6つのベースラインセッションで構成され、その後、週3セッションの割合で10週間にわたって広がる24〜30のコンディショニングセッション、およびその後の3〜6か月にわたるいくつかのフォローアップセッションで構成されます14,16。各セッションは60〜90分続きます。
このプロトコルと他の関連プロトコルをサポートするために、EPOCSには5つの異なる動作モードがあり、それぞれがメインウィンドウの刺激テスト、自発的収縮、リクルートカーブ、コントロールトライアル、トレーニングトライアルというタブの1つで機能します。
刺激テストモードでは、ソフトウェアは数秒ごとに刺激をトリガーしますが、必ずしもターゲットの筋肉の状態に依存するわけではありません。応答信号は、各刺激の後に画面に表示されます。これにより、オペレーターは電極接続とEMG信号の品質を確認できます。刺激電極と記録電極の位置を最適化する。そして、個人の反応形態を確立すること。
自発的収縮モードでは、ソフトウェアはバックグラウンドEMGレベルを測定して表示しますが、参加者は電気刺激がない場合に可能な限り筋肉を収縮させることが奨励されます。一部のプロトコルでは、最大自発的収縮(MVC)でのEMGレベルは、バックグラウンドEMG基準を設定するための有用なリファレンスです。ここで示すプロトコルでは、安定した立ち姿勢がヒラメ筋の活動を十分に標準化するため、これは必要ありません。
リクルートカーブモードでは、刺激はバックグラウンドEMGレベル(画面に継続的に表示される)が正しい範囲に残っていることを条件とします。応答信号は、各刺激の後に画面に表示されます。また、応答のシーケンスは、実行の最後に分析できます。これにより、オペレーターは、対象の応答が表示される時間間隔の開始と終了を決定できます。コンディショニングの実行前と実行後の両方で、刺激強度と応答サイズの関係を決定する。コンディショニングに使用する刺激強度を決定します。
対照試験モードでは、刺激はバックグラウンドEMGレベル(画面に連続して表示される)に依存しますが、ターゲット応答サイズに関するフィードバックは提供されません。応答サイズの順序と分布を分析できます。このモードは、応答サイズのベースライン測定値を収集するために、またはクロスオーバーまたは被験者間の実験計画におけるオペラント条件付けと比較するための対照条件として使用できます。これは、各セッションの開始時にオペラント条件付けのパフォーマンス基準を設定するための基礎として役立ちます。
最後に、トレーニングトライアルモードでは、刺激はバックグラウンドEMGレベル(画面に連続して表示されます)に左右され、上記の図 1に示すように、ターゲット応答サイズを表示することで試行ごとの強化も提供されます。これは、オペラント条件付けが実行されるモードです。
次のセクションでは、神経学的損傷のない成人参加者のヒラメ筋H反射をダウンコンディショニングするためのプロトコルを示すことにより、5つのモードを読者にガイドします。
Protocol
ここに記載されているすべての手順は、ストラットンVAメディカルセンターの治験審査委員会によって承認されました(承認番号1584762-9)。ビデオの参加者は、この出版物での画像とEMG信号の使用についてインフォームドコンセントを与えました。
メモ: 太字の用語は、ハードウェアおよび/またはソフトウェアのグラフィカルユーザーインターフェイスに表示されるラベルを示します。
1.ソフトウェアのセットアップ
- 最新のソフトウェアインストーラを入手する手順については、https://neurotechcenter.org/epocs を参照してください。ダウンロードしたインストーラを使用してソフトウェアをインストールします。
- デジタイザに必要なドライバと製造元のソフトウェアがインストールされていることを確認します。特に、NI-DAQmxインストールに64ビットサポートが含まれていることを確認してください。
- NI-MAXアプリケーションを起動し、デバイスと インタフェースで使用するデバイスを選択して、その名前がDev1であることを確認します。次に、[ >電源投入状態の設定] で、ポート 0 の回線 7 の [ 回線状態 ] チェックボックスがオフ(ゼロ)になっていることを確認します。また、対応する トライステート チェックボックスがある場合はゼロにします。
- [プログラムの追加と削除] ツールを使用して、バックグラウンドでプロセッサ リソースを断続的に消費する可能性のある不要なソフトウェアを削除します。これは、リアルタイム信号処理の不具合につながる可能性があるためです。コンピューターの製造元が提供するソフトウェアアップデート/トラブルシューティングスイートは、深刻なパフォーマンスの問題を引き起こすことが知られているため、必ず削除してください。
メモ: 上記のソフトウェアのセットアップ手順は、特定のハードウェア構成に対して一度だけ実行する必要があります。
2.ハードウェアのセットアップ
- 以下で説明するように、入力と出力を調整するようにデジタイザーを設定します。
- 短芯絶縁電線を使用して、デジタル出力ポート0ライン7(古い機器では P0.7または 場合によってはDIO7 とマークされている)のスプリング端子を USER 出力用のスプリング端子にパッチします。
- メス/オス/メスBNCティーコネクタを USER 出力に接続します。 USER 出力を刺激装置の外部トリガー入力ポートに接続します。
- 1番目と2番目の増幅EMG信号ケーブルを、データ収集カードの1番目と2番目のアナログ入力チャンネルにそれぞれ接続します。これらはAI0とAI1、または古い機器ではACH0とACH1とマークされています。 USER出力から3番目のアナログ入力チャンネル(AI2またはACH2とマーク)に追加接続します。
- 定電流刺激装置を以下のように設定します。
注:プロトコルをさまざまな刺激装置のブランドやモデルに一般化できるようにするために、この記事では、特定の刺激装置モデルの自動制御のオプションを利用するのではなく、手動の刺激強度制御について説明します。- 刺激装置の電源を入れ、1ミリ秒の単相パルスを送達するように構成します。DS8Rモデルの場合、刺激強度がリアアナログ入力ではなく、フロントパネルまたはUSBインタフェースによって制御されることを確認してください。長い出力ケーブルを差し込み、刺激電極パッドに取り付けるスナップリードに接続します。
- 以下で説明するように、少なくとも2つのEMGチャンネルを供給するようにアナログアンプを設定します。
- 電源を入れます ampリファイア。すべてのチャンネル GAIN 値がデフォルト値の500であり、対応する VARIABLE ノブが最小値の1になっていることを確認します。
- ポータブルユニットをに接続します amp長いケーブルを使用してリファイア。2つの正方形の9Vバッテリーをポータブルユニットのバッテリーパックに挿入します。ポータブルユニットとバッテリーパックを参加者の腰にストラップで固定します。
3. 刺激電極と記録電極の準備
- 以前にメモしたランドマークまたは測定値を使用して、以前の参加者固有の電極位置を可能な限り再現します。電極が取り付けられる皮膚を準備し、アルコールパッドで拭いて余分な油を取り除き、ペーパータオルで拭いて古い角質を取り除きます。
- 脛骨神経を正確に刺激する位置に刺激電極を取り付け、総腓骨神経への影響を最小限に抑えます。より大きな(22 mm x 35 mm)電極を陽極として使用し、坐骨神経が脛骨神経と総腓骨神経に分岐する膝窩窩の頂点に配置します。カソード(22 mm x 22 mm)を、アノードの真下の膝の折り目に、電極の中心を3〜4 cm離して配置します。
- 次のように、EMG記録電極をバイポーラモンタージュでターゲット筋肉(ヒラメ筋)に取り付けます。
- 正しい位置を決定するには、まず、参加者がつま先で立つことと自然に立つことを交互に繰り返しながら触診して腓腹筋を見つけます。
- 最初の電極を腓腹筋の遠位境界の真下に置きます。2番目の電極を最初の電極の下に置き、電極の中心の間に5cmの間隔を空けます。両方の電極をアキレス腱と一直線に保ちます。
- EMG記録電極をアンタゴニスト筋(前脛骨筋)のバイポーラモンタージュに取り付けます。これを行うには、参加者がつま先を持ち上げる(背屈する)間に触診して筋肉を特定します。電極の中心を5cm垂直に離して、腓骨頭から足首までの約1/3の筋肉腹に電極を置きます。
- 膝蓋骨に接地電極を取り付けます。
- EMGを接続します amp次のようにリファイアリード。緑色のテープで留められたアクティブ電極をポータブルユニットのチャンネル1に接続し、赤いクリップをターゲットマッスル電極(ヒラメ筋)に接続し、緑色のクリップを接地電極に接続します。ブラックテープで留められたアクティブ電極をポータブルユニットのチャンネル2に接続し、クリップをアンタゴニスト筋電極(前脛骨筋)に接続します。
- バッテリーパックをポータブルユニットに接続します。
- 刺激スナップリードを刺激電極に接続します。
4. EPOCSソフトウェアの使用
- 治験責任医師と被験者(またはセラピストと患者)の両方がそれをはっきりと見ることができるようにモニターを配置します。
- EPOCS セッションを起動します。
注:セッションは、実験室または診療所への1回の訪問として定義され、通常は60〜90分続きます。- EPOCS アイコンをダブルクリックしてアプリケーションを起動します。参加者 ID コードを入力します(または以前に使用した ID のリストから選択します)。
- これが既存のセッションの続きである場合、たとえば、中断後にソフトウェアを再起動する必要がある場合は、[ セッションの続行]を押します。これは、指定された参加者のセッションが過去 3 時間以内に開始された場合にのみ使用できます。
- それ以外の場合は、[ 新しいセッションの開始] を押します。これにより、新しいデータフォルダが作成され、日付とタイムスタンプが付けられ、参加者IDがマークされます。
- 電極の位置と接触品質を確認し、必要に応じて調整します。
- [刺激テスト]タブが表示されていることを確認します。
- [設定]>[刺激]で、[刺激テストの最小間隔]を3秒に設定します。これは、通常使用の最小間隔とは別に設定され、通常は長くなり、約5秒になることに注意してください。[デジマイマ リンク] 設定は無効のままにします。
注意: 有効にすると、 Digitimer Link オプションを使用すると、特定の刺激モデルを使用するときに刺激強度をソフトウェアで制御できます。代わりに、現在のプロトコルは、刺激強度の手動制御を示しており、これは複数の刺激装置のメーカーとモデルに適用できます。 - 刺激装置のコントロールパネルで、刺激強度を5 mAに設定し、刺激を有効にします。
- 必要に応じて、歩行器で体重を部分的に支えて、参加者に立ってもらいます。
- 刺激を期待するように参加者に警告し、 開始 を押して新しい実行を開始します(つまり、新しいファイルへの信号の継続的な記録を開始します)。実行には順番に番号が付けられ、それらのファイルが互いに上書きされることはありません。
- 刺激の各繰り返しは試行と呼ばれます。各試験で誘発されたEMG応答がすぐに表示されます。標的筋(上部の青いトレース)と拮抗筋(下部の赤いトレース)で誘発されるM波とH反射を評価します。必要に応じて、応答がはっきりと現れるまで、電流を徐々に10mA以上に増やします。
- 刺激に最適な場所(つまり、最大のH反射をもたらす場所)を見つけるには、カソードを内側に、次に横方向に、次に半分の電極幅を内側に、次に横方向に、最後に完全な電極幅で上下に移動した後の誘発電位を比較します。
- 電極の位置をマークし、メモし、写真を撮って、将来のセッションでの位置変更に役立てます。可能であれば、ふくらはぎと膝の後ろの石膏模型を作り、マークを正確に再適用できるようにギプスに穴を開けます。
- 電極の最適な位置が見つかったら、再配置した電極を新しい電極と交換します。
- ヒラメ筋コンディショニングの場合は、[ 自発的収縮 ]タブをスキップします。
- 最大M波とH反射サイズ(M.max および H.max)をリクルートカーブ、すなわち刺激強度と反応の関係をグラフ化することによって。各セッションにおける対照試験または訓練試験の前後に、以下のように募集曲線を測定する。最初のセッションでは、リクルートメント曲線を使用して、コンディショニングプロセス全体で使用する適切な刺激強度の選択をガイドします。
- 採用曲線タブに切り替えます。
- [設定] > [EMG] で、刺激を有効にするためにターゲットとアンタゴニストのバックグラウンド EMG 値が範囲内にとどまらなければならない範囲を構成します。ヒラメ筋の場合、最大自発的収縮が測定されていないと仮定すると、範囲が立位中の自然な体重負荷によって生成されるEMGレベルを含むことを確認してください。バックグラウンドホールド期間を2秒に設定して、参加者が各刺激をトリガーするためにEMGを範囲内に継続的に維持する必要がある時間を指定します。
注: 対応する制限を課す必要がない場合は、上限または下限を空白のままにすることができます。 - 刺激装置を有効にし、強度をリクルート曲線測定に使用する最小値(5 mA)に設定します。(この値は一例であり、ケースバイケースで選択する必要があります-議論を参照してください)。
- これが参加者の最初のセッションである場合は、以下に説明するように、必要な期間、EMGを正しい範囲に保つ練習をできるようにします。
- 参加者を立った状態で、[ 開始]を押します。ターゲット筋肉の背景EMGレベルが、ターゲット範囲を示す影付きの領域に対するバーの高さとしてリアルタイムでどのように表示されるかを参加者に示します。
- バーを明るい赤から暗い緑に変えるには、両方の筋肉(ターゲットとアンタゴニスト)からの活動が必要な範囲内にある必要があることを参加者に説明します(ただし、アンタゴニストの活動レベルは直接示されていません)。
- 背景範囲を調整するには、[ 停止 ]、[ 設定]の順に押します。次に、新しい番号を入力し、[ OK]を押してから、もう一度 開始 します。練習走行が終了したら 、[停止 ]を押します。
- 参加者が立った状態で募集曲線を測定するには、[ 開始]を押します。選択した開始強度でH反射がすでに表示されている場合は、H反射が見えなくなるまで電流を徐々に減らします。次に、[ 停止 ]を押し、もう一度 [開始 ]を押して実行を開始します。
- 「試練完了」カウンターに細心の注意を払ってください。4回の試行ごとに、刺激強度を手動で2 mA増加させます。(この値は一例であり、ケースバイケースで選択する必要があります-議論を参照してください)。参加者が不快感を報告しない限り、M波サイズがプラトーに達するまで続けます。完了したら[停止]を押し、参加者に座って休むように勧めます。
- 各試行で使用された刺激強度の値をメモします。書き込まれたレコードを、ウィンドウの右上に表示される実行番号に関連付けます。実行の最後に、[ ログ ] タブを使用して、この情報を他のメモと共にセッション ログに手動で入力します。
注意: 刺激強度が手動で制御されている場合、この情報はソフトウェアによって記録されません。 - 解析ボタンを押して 解析 ウィンドウを開き、M波とH波を次のように定義できます。解析ウィンドウの上部ペインで、前回の実行における各試行からのターゲット-筋肉信号の刺激ロックオーバーレイを調べます。
- マウスを使用して、茶色の基準間隔と緑のターゲット間隔の開始と終了を調整します(H反射オペラント条件付けプロトコルでは、これらはそれぞれM波とH反射に対応します)。間隔が正しい場合は、赤い[ マークされたタイミングを使用] ボタンを押して、これらのパーソナライズされた間隔設定を将来の分析のために保存します。
- 分析ウィンドウの下半分にあるシーケンスペインで、結果の採用曲線を評価します。設定を調整して、ピークtoピークまたは平均補正振幅を表示し、連続した試行の結果を統合します。刺激電流は4試行ごとに増加するため、プールする試行回数を4に指定します。結果のMマックスとHマックスを記録します。
- これが参加者の最初のセッションである場合は、次のようにターゲットマッスルEMG記録場所を最適化します。
- ヒラメ筋電極を半分の電極幅(または筋肉の幅が十分に広い場合は完全な電極幅)だけ内側に移動します。次に、上記の手順を繰り返して、完全な採用曲線を収集し、結果のM maxとHmaxを記録します。
- ヒラメ電極を元の位置から横方向に同じ距離移動させ、再びリクルート曲線測定を実行してMmaxおよびHmaxを推定する。Hmaxを最大化する電極の位置を採用し、手順4.3.8のようにその位置をマーク、メモ、および写真撮影します。
- 最大に近いH反射(理想的にはH反射動員曲線の上昇(左)勾配)を誘発する刺激強度を選択しますが、目に見えるM波が必要であるという制約があります。この刺激強度値を刺激装置に設定し、将来のセッションのためにそれを記録します。また、対応するM波サイズにも注意してください(説明を参照)。
- 次のように、応答フィードバックを与えずにH反射サイズの分布を測定します。
- [トライアルの制御] タブに切り替えます。
- 参加者を立った状態で、[ 開始]を押します。前と同じように、上昇バーと下降バーによって提供されるフィードバックを使用して、背景の筋肉活動のレベルを必要な範囲内に維持するように参加者に指示します。
- これがベースラインまたはフォローアップセッションの場合は、選択した刺激強度で75回の試行を連続して実行します。これがコンディショニングセッションの場合は、20回の試行のみを実行します。規定の試行回数が経過したら、[ 停止 ]を押して実行を終了します。
- プレス 分析。前と同様に、上のパネルの試行ごとの応答波形のオーバーレイと、下の応答サイズの シーケンス を評価します。 [配布 ]という新しいタブも、 シーケンスの上部でデフォルトでアクティブになっています。H反射サイズの分布を示し、右側に要約統計量を示します。
- [ログ結果] を押して、要約統計量をセッション ログに追加します。
- これがベースラインセッションの場合は、上記の手順を繰り返して、それぞれ75回の試行を合計3回実行します。次に、ステップ4.8のクロージング採用曲線測定に進みます。
- これがコンディショニングセッションの場合は、[ ターゲットパーセンタイル ]を66に設定します。アップコンディショニングとダウンコンディショニングの基準レベルは、中央値とともに、赤い縦線で示されます。コンディショニングの基準を選択するには、 アップコン ディションまたは ダウンコンディション ボタンを押します。このプロトコルの場合は、[ ダウンコンディション]を押します。このアクションは自動的にログに記録され、分析ウィンドウが閉じます。
注:ダウンコンディショニングプロトコルでは、 ターゲットパーセンタイル 値66は、成功した試行が、応答サイズが以前に測定された分布の下位66%にある試行として定義されることを意味します。逆に、アップコンディショニングでは、成功とは、分布の上位66%に応答サイズを生成することを意味します。
- 以下に説明するようにオペラント条件付けを実行します。
- [ トレーニングトライアル] タブに切り替えます。
- 参加者を立った状態で、[ 開始]を押します。
- 参加者が以前にそれを見たことがない場合は、画面中央の新しいフィードバックバーに注意を引きます。ハッチングされたターゲット範囲に対する最新のH反射サイズを示していることを説明します。応答が目標範囲内にある場合、試行は成功としてカウントされ、バーは濃い緑色になります。範囲外にある場合、トライアルは失敗としてカウントされ、バーはより明るい赤になります。
- 実行全体を通して、参加者ができるだけ多くの成功した試験を実行するように動機付けます。実行された試行の数と、これまでに実行で成功した試行の割合が画面の右側に表示されます。75回の試行の後、 停止 を押して実行を終了します。
- 解析ボタンを押します。分析ウィンドウは、対照試験の場合と同じです。ここでも、[シーケンス]タブを使用して、M波が目的のサイズで一定であることを確認してください。
- 前と同様に、 分布 タブを選択した状態で、 ダウン条件 ボタンを使用して、次の実行のオペラント条件付け基準を更新します。オペラント条件付け手順をさらに2回繰り返し、それぞれ75回の試行の合計3回の実行を行います。
- セッションの最後に、ステップ4.5.1.-4.5.6のように別の採用曲線測定を実行します。
- 以下の説明に従ってセッションを終了します。
- [ ログ ] タブに追加のセッション メモを入力します。ログは、セッション固有のデータディレクトリ内の日付スタンプ付きのプレーンテキストファイルに入力されると、自動的に保存されます。ウィンドウを閉じます。データとログはすでに保存されています。
- 以前に記録したデータの解析ウィンドウに再度アクセスするには、 EPOCSオフライン 解析アイコンをダブルクリックし、解析する実行のデータファイルを選択します。生の信号が処理されるのを待ちます(これには1分以上かかる場合があります)。
注: データは BCI2000 形式で.datファイルとして保存されます。ファイル名は、セッションの日時、参加者ID、モード(刺激テストの場合はST、自発的収縮の場合はVC、リクルートメント曲線の場合はRC、対照試験の場合はCT、トレーニング試行の場合はTT)、および連続実行番号を示します。
5.複数の繰り返しセッションの実行
- 合計6つのベースラインセッション、24のコンディショニングセッション(または神経障害のある人の場合は30)、および4つのフォローアップセッションをスケジュールします。ベースラインセッションとコンディショニングセッションを週に3セッションの割合でスケジュールし、各セッションは90分以内で継続します。日周変動の影響を最小限に抑えるために、すべてのセッションが同じ時刻に実施されるように手配します。
- 6つのベースラインセッションのそれぞれで、最初の募集曲線の実行、75の対照試験の3つの実行、および最終的な募集曲線の実行を実施します。
- 24回(または30回)のコンディショニングセッションのそれぞれで、最初のリクルートカーブの実行、20のコントロールトライアルの1回の実行、75回のトレーニングトライアルの3回の実行、および最後のリクルートカーブの実行を実施します。
- 最後のコンディショニングセッションから10〜14日、1か月、2か月、および3か月後に4回のフォローアップセッションを実施します。研究の目標に応じて、これらはベースラインセッションまたはコンディショニングセッションと同じである可能性があります。
Representative Results
図2 は、M波とH反射の動員曲線の測定、および一定の刺激強度でのH反射サイズの分布の測定における上記のプロトコルの有効性を示しています。また、神経学的に障害のない参加者のH反射サイズの変化および不完全な脊髄損傷のある参加者の自発運動機能の改善におけるマルチセッションプロトコルの全体的な有効性も示しています。
図2A は、H反射オペラント条件付け中にリクルートカーブモードで実行された実行後の分析ウィンドウのスクリーンショットを示しています(プロトコルステップ4.5を参照)。ウィンドウの下半分( シーケンス ペイン)の横軸は試行回数を示しているため、刺激強度は左から右に増加します。H反射サイズ(緑色の円)は刺激強度の関数として上昇してから下降しますが、M波サイズ(茶色の三角形)は上昇してから飽和します。 図2B は、H反射オペラント条件付け中にコントロールトライアルモードまたはトレーニングトライアルモードで実行された実行後の分析ウィンドウのスクリーンショットを示しています(プロトコルステップ4.6およびステップ4.7を参照)。下のパネル(「分布」ペイン)では、H反射サイズのヒストグラムにより、その後のアップコンディショニングまたはダウンコンディショニングに適した基準レベルの選択が容易になります。 図2Cでは、神経学的に障害のない参加者のH反射サイズが、6つのベースラインセッション、24のコンディショニングセッション、および4つのフォローアップセッションにわたるセッション数の関数としてプロットされています。データは15人の参加者(男性8人、女性7人)から収集され、そのうち2人はアップコンディショニングアームとダウンコンディショニングアームの両方に参加しました。参加者は21〜55歳でした。参加者全員がインフォームドコンセントを行った。このプロトコルは、ニューヨーク州保健省の治験審査委員会(IRB)によって承認されました(承認番号05-058)。Thompson et al.16 はさらなる詳細を提供する。 図2D は、不完全な脊髄損傷後の慢性下肢障害を有する参加者におけるヒラメH反射ダウンコンディショニングの有益な効果を示す。コンディショニングの成功は、歩行対称性とベースラインに対する歩行速度の改善と関連していた。データは、インフォームドコンセントを与えた28〜68歳の13人の参加者(男性9人、女性4人)から収集されました。プロトコルは、ヘレンヘイズ病院のIRBによって承認されました(承認番号07-07)。Thompson et al.14 は、さらなる詳細を提供する。
図2:代表的な結果 。 (A)採用曲線分析ウィンドウのスクリーンショット。(B) コントロールトライアルまたはトレーニングトライアル分析ウィンドウのスクリーンショット。(C)無傷の参加者におけるヒラメ筋H反射のアップコンディショニングとダウンコンディショニングの対照効果。赤い上向きの三角形は、N = 6人の成功したアップコンディショニング参加者(8人中)からの平均H反射サイズを示しています。青い下向きの三角形は、N = 8人のダウンコンディショニングに成功した参加者(9人中)からの平均応答を示しています。エラーバーは標準誤差を示します。この画像はThompsonら16から修正されています。(D)不完全脊髄損傷後の慢性障害のある人の歩行速度と歩行対称性に対するヒラメ筋H反射ダウンコンディショニングの治療効果。バーは、H反射がダウンコンディショニングに成功したN = 6人の参加者と、対照条件(オペラント条件付けなし)のN = 4人の参加者、およびダウンコンディショニングプロトコルが反射サイズを縮小できなかったN = 3人の参加者の結果を対比しています。エラーバーは標準誤差を示します。各アスタリスクは、コンディショニング前とコンディショニング後の測定値を比較する対応のあるt検定で0.05未満の p値を示します。この画像はThompsonら14から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
上記のプロトコルは、神経障害のない典型的な成人におけるヒラメ筋H反射ダウンコンディショニングを実証するのに適しています。正確なパラメータ値は、特に障害の関数として、人によって異なる場合があります。参加者の動員曲線は、ビデオでは約25mAの刺激電流でMmaxに達しましたが、別の人は50mA以上を必要とする可能性があるため、募集曲線の測定中に電流がより大きなステップで増加します。また、より長いパルス幅が必要になる場合があります。第三者はより敏感で、より小さな現在の設定を必要とするかもしれません。プロトコルはまた、調整されている筋肉に応じて適応させる必要があります。例えば、橈骨屈筋24,25を標的とする場合、より低い電流設定が一般的に使用される。自発的収縮モードを使用して、バックグラウンドEMG制限のスケールを確立する必要があります。また、電極配置の最適化中と姿勢の最適化中の両方で、より注意を払う必要があり、試行間で一定に保つ必要があります。
このプロトコルは、刺激装置の電流設定と実際に神経に供給される電流の量との関係の変化に敏感であり、これは姿勢のわずかな変化、参加者の水和、および接着電極ゲルの乾燥によって影響を受ける可能性があります。H反射条件付けでは、M波サイズを有効刺激強度の指標として使用することで、この問題を軽減できます。これは、刺激によって興奮したヒラメ運動ニューロン遠心性軸索の数を反映しています。したがって、M波のサイズが一定に保たれている場合、刺激によって興奮する一次求心性軸索、すなわちH反射を誘発する軸索の数も一定に保たれることを意味します(Croneらも参照)。したがって、このM波はソフトウェアではリファレンス応答と呼ばれます。このため、ステップ 4.5.12 を実行します。ターゲットM波サイズを記録する必要があると述べています。実際には、公称電流を厳密に一定に保つよりも、この応答サイズをほぼ一定に保つことが重要です。解析ウィンドウのシーケンスタブでは、各実行におけるM波の恒常性を遡及的に検証できます。ヒラメ筋H反射コンディショニングの場合、これは多くの場合、問題を修正するのに十分です。より優れた制御のために、2番目のモニターをコンピューターに接続して、試行ごとの手動調整をガイドするリアルタイムのM波分析を表示することができます。この制御タスクの自動化は、進行中のプロジェクト27である。
日内変動は、人の電気生理学的反応にも影響を与える可能性があります28、29、30、31。このため、すべてのセッションを同じ時刻、つまり同じ3時間の時間枠内で実行することをお勧めします。
オペラント条件付けの成功は、H反射を定義するためにオペレーターが選択した時間間隔の精度に敏感である可能性があります。特に、間隔は広すぎてはいけません。正しい間隔定義の詳細なガイドラインは、現在の記事の範囲を超えています。これは、ソフトウェアの将来のバージョンで自動化される機能でもあります。
プロトコルの重要なステップはステップ4.5.6で、オペレータは固定回数の試行回数ごとに手動で刺激器電流を繰り返し増加させます。ここでの試行回数を誤ってカウントしたり、現在のダイヤルを誤って調整したりすると、結果として生じる募集曲線が歪む可能性があります。このユーザーエラーの可能性は、Digitimer Linkオプションを有効にして、特定の刺激装置モデルの電流調整を自動化することで軽減できます。
この記事では、EPOCSの潜在的な臨床応用の中で最も完全に開発されたH反射条件付けに焦点を当てました。既存のソフトウェアは、幅広い臨床普及に向けてこのプロトコルを磨くための継続的な取り組みにおいて研究者を支援します32。H反射コンディショニング以外にも、EPOCSは現在の形で、より多様な刺激方法や誘発反応に適用することができます。例えば、伸張反射を誘発する機械装置を同様にうまく引き起こすことができ、これもまた条件付けられ得る33、34、35であり得る。このアプローチは、個人の障害に適応できます。ある人では、ヒラメ筋H反射をダウンコンディショニングすると、痙性反射亢進が軽減され、移動が改善されます14。別の例では、前脛骨筋MEPのアップコンディショニングは、足の落下を軽減することによって移動を改善します36。
プロトコルの商業的実装を生み出す努力が進行中である間、元のソフトウェアは、標的となる神経可塑性の分野を拡大するために必要な柔軟性を提供するための研究ツールとして並行して維持されます。この柔軟性は、EPOCSの基盤となる広く確立されたBCI2000ソフトウェアプラットフォームのモジュール性と拡張性によって実現されています。これは、ソフトウェアエンジニアによる最小限の介入で、システムはさらに幅広い研究目的のために再構成できることを意味します。例えば、移動中のコンディショニングのために、後の分析のために追加の生体信号チャネルまたは追加のセンサ(例えば、フットスイッチおよびモーショントラッキングセンサ)を記録するように構成することができる。また、刺激のための追加の誘発基準を考慮するようにプログラムすることも(例えば、歩行サイクルの特定の部分でのみ刺激を誘発する)、または成功または失敗した試行で追加の強化刺激を誘発するようにプログラムすることもできる。カスタマイズ ファイルの例を示します。
標的神経可塑性はまだ揺籃期にあります。その未踏の道は、(上記のように)新しい治療アプローチの開発と、健康と病気の両方における病気の自然史と中枢神経系機能のメカニズムの解明の両方に大きな利益をもたらすと期待されています2,32,37。したがって、私たちは、この治療的および科学的可能性を実現するための重要なツールとしてEPOCSを維持し、サポートすることに取り組んでいます。
Disclosures
JRWとAKTは、H反射条件付けに関連する3つの特許の発明者です。他の著者は、報告すべき競合する金銭的利益または利益相反を持っていません。
Acknowledgments
この研究は、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)、Stratton Albany VA Medical Centerの支援を受けた。
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
- Thompson, A. K., Wolpaw, J. R.
- Wolpaw, J. R. What can the spinal cord teach us about learning and memory. Neuroscientist. 16 (5), 532-549 (2010).
- Thompson, A. K., Pomerantz, F. R., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of a spinal reflex can improve locomotion after spinal cord injury in humans. Journal of Neuroscience. 33 (6), 2365-2375 (2013).
- Chen, Y., et al. Locomotor impact of beneficial or nonbeneficial H-reflex conditioning after spinal cord injury. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1249-1258 (2014).
- Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. H-reflex conditioning during locomotion in people with spinal cord injury. Journal of Physiology. 599 (9), 2453-2469 (2021).
- Bunday, K. L., Perez, M. A. Motor recovery after spinal cord injury enhanced by strengthening corticospinal synaptic transmission. Current Biology. 22 (24), 2355-2361 (2012).
- Schalk, G., McFarland, D., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. BCI2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
- Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London, UK. (2010).
- Wolpaw, J. R., Braitman, D. J., Seegal, R. F. Adaptive plasticity in primate spinal stretch reflex: initial development. Journal of Neurophysiology. 50 (6), 1296-1311 (1983).
- Wolpaw, J. R. Operant conditioning of primate spinal reflexes: The H-reflex. Journal of Neurophysiology. 57 (2), 443-459 (1987).
- Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of H-reflex in freely moving rats. Journal of Neurophysiology. 73 (1), 411-415 (1995).
- Chen, Y., et al. Operant conditioning of H-reflex can correct a locomotor abnormality after spinal cord injury in rats. Journal of Neuroscience. 26 (48), 12537-12543 (2006).
- Chen, X. Y., Chen, L., Chen, Y., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of reciprocal inhibition in rat soleus muscle. Journal of Neurophysiology. 96 (4), 2144-2150 (2006).
- Thompson, A. K., Pomerantz, F. R., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of a spinal reflex can improve locomotion after spinal cord injury in humans. Journal of Neuroscience. 33 (6), 2365-2375 (2013).
- Thompson, A. K., Favale, B. M., Velez, J., Falivena, P. Operant up-conditioning of the tibialis anterior motor-evoked potential in multiple sclerosis: feasibility case studies. Neural Plasticity. , 4725393 (2018).
- Thompson, A. K., Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Acquisition of a simple motor skill: Task-dependent adaptation plus long-term change in the human soleus H-reflex. Journal of Neuroscience. 29 (18), 5784-5792 (2009).
- Makihara, Y., Segal, R. L., Wolpaw, J. R., Thompson, A. K. Operant conditioning of the soleus H-reflex does not induce long-term changes in the gastrocnemius H-reflexes and does not disturb normal locomotion in humans. Journal of Neurophysiology. 112 (6), 1439-1446 (2014).
- Hoffmann, P. Beitrag zur Kenntnis der menschlichen Reflexe mit besonderer Berücksichtigung der elektrischen Erscheinungen. Archiv für Anatomie, Physiologie und Wissenschaftliche Medicin. 1, 223-246 (1910).
- Magladery, J. W., McDougal, D. B. Electrophysiological studies of nerve and reflex activity in normal man, I: Identification of certain reflexes in the electromyogram and the conduction velocity of peripheral nerve fibers. Bulletin of the Johns Hopkins Hospital. 86, 265-289 (1950).
- Zehr, E. P. Considerations for use of the Hoffmann reflex in exercise studies. European Journal of Applied Physiology. 86 (5), 455-468 (2002).
- Misiaszek, J. E. The H-reflex as a tool in neurophysiology: Its limitations and uses in understanding nervous system function. Muscle & Nerve. 28 (2), 144-160 (2003).
- Pierrot Deseilligny, E., Burke, D. The Circuitry of the Human Spinal Cord: Its Role in Motor Control and Movement Disorders. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2012).
- Skinner, B. F. The Behavior of Organisms: An Experimental Analysis. , Appleton-Century-Crofts. New York, USA. (1938).
- Eftekhar, A., Norton, J. J. S., McDonough, C. M., Wolpaw, J. R. Retraining reflexes: Clinical translation of spinal reflex operant conditioning. Neurotherapeutics. 15 (3), 669-683 (2018).
- Norton, J., et al. Operant condition of the flexor carpi radialis H-reflex. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 101 (12), 145-146 (2020).
- Crone, C., Johnsen, L. L., Hultborn, H., Orsnes, G. B. Amplitude of the maximum motor response (Mmax) in human muscles typically decreases during the course of an experiment. Experimental Brain Research. 124 (2), 265-270 (1999).
- Devetzoglou-Toliou, S., et al. Recursive PID controller for automatically adjusting M-wave size during H-reflex operant conditioning. International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. 10, 1079-1082 (2021).
- Wolpaw, J. R., Seegal, R. F. Diurnal rhythm in the spinal stretch reflex. Brain Research. 244 (2), 365-369 (1982).
- Chen, X. Y., Wolpaw, J. R.
- Carp, J. S., Tennissen, A. M., Chen, X. Y., Wolpaw, J. R.
- Lagerquist, O., Zehr, E. P., Baldwin, E. R., Klakowicz, P. M., Collins, D. F. Diurnal changes in the amplitude of the Hoffmann reflex in the human soleus but not in the flexor carpi radialis muscle. Experimental Brain Research. 170, 1-6 (2006).
- Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of spinal reflexes: From basic science to clinical therapy. Frontiers in Integrative Neuroscience. 8, 25 (2014).
- Segal, R. L., Wolf, S. L. Operant conditioning of spinal stretch reflexes in patients with spinal cord injuries. Experimental Neurology. 130 (2), 202-213 (1994).
- Wolf, S. L., Segal, R. L. Reducing human biceps brachii spinal stretch reflex magnitude. Journal of Neurophysiology. 75 (4), 1637-1646 (1996).
- Mrachacz-Kersting, N., et al. Acquisition of a simple motor skill: Task-dependent adaptation and long-term changes in the human soleus stretch reflex. Journal of Neurophysiology. 122 (1), 435-446 (2019).
- Thompson, A. K., et al. Operant conditioning of the motor-evoked potential and locomotion in people with and without chronic incomplete spinal cord injury. Journal of Neurophysiology. 121 (3), 853-866 (2019).
- Thompson, A. K., et al. Effects of sensorimotor rhythm modulation on the human flexor carpi radialis H-reflex. Frontiers in Neuroscience. 12, 505 (2018).
