Summary
유발 된 잠재적 조작 적 컨디셔닝 시스템은 감각 운동 기능에 대한 과학적 조사를 돕고 신경근 장애에서 감각 운동 재활에 영향을 줄 수있는 표적 신경 행동 훈련을 시행 할 수 있습니다. 이 기사에서는 그 기능을 설명하고 운동 기능의 지속적인 개선을 달성하기 위해 간단한 척추 반사를 수정하는 응용 프로그램을 설명합니다.
Abstract
유발 된 잠재적 조작 적 컨디셔닝 시스템 (EPOCS)은 신경근 장애가있는 사람들의 자극 유발 근육 반응을 조작 적으로 조절하기위한 프로토콜을 구현하는 소프트웨어 도구로, 적절하게 적용될 때 감각 운동 기능을 향상시킬 수 있습니다. EPOCS는 특정 목표 근육의 상태(예: 서 있는 동안의 표면 근전도(EMG) 또는 트레드밀을 걷는 동안의 보행 주기 측정)를 모니터링하고 사전 정의된 조건이 충족되면 자동으로 보정된 자극을 트리거합니다. 그것은 사람이 목표 경로의 흥분성을 조절하는 법을 배울 수 있도록 두 가지 형태의 피드백을 제공합니다. 첫째, 대상 근육에서 진행 중인 EMG 활동을 지속적으로 모니터링하여 사람이 컨디셔닝에 적합한 일관된 수준의 활동을 생성하도록 안내합니다. 둘째, 각 자극 후 반응 크기에 대한 즉각적인 피드백을 제공하고 목표 값에 도달했는지 여부를 나타냅니다.
그 사용법을 설명하기 위해이 기사에서는 사람이 솔레 우스 근육에서 호프만 반사 (척추 스트레칭 반사의 전기적으로 유도 된 유사체)의 크기를 줄이는 방법을 배울 수있는 프로토콜을 설명합니다. 이 경로의 흥분성을 하향 조정하면 불완전한 척수 손상으로 인해 경련성 보행이 있는 사람들의 보행을 개선할 수 있습니다. 이 문서에서는 장비를 설정하는 방법을 보여 줍니다. 자극 및 기록 전극을 배치하는 방법; 자유 소프트웨어를 사용하여 전극 배치를 최적화하고, 직접 모터 및 반사 반응의 모집 곡선을 측정하고, 조작적 조건화 없이 응답을 측정하고, 반사를 조절하고, 결과 데이터를 분석하는 방법. 여러 세션에서 반사가 어떻게 변하고 걷기가 어떻게 개선되는지 보여줍니다. 또한 시스템이 다른 종류의 유발 반응 및 다른 종류의 자극, 예를 들어 경두개 자기 자극에 대한 운동 유발 전위에 어떻게 적용될 수 있는지에 대해 논의합니다. 다양한 임상 문제를 해결할 수있는 방법; 건강과 질병의 감각 운동 기능에 대한 연구를 어떻게 지원할 수 있는지.
Introduction
지난 10 년 동안 표적 신경 가소성 전략은 신경 장애 1,2의 재활을위한 새로운 접근법으로 등장했습니다. 그러한 전략 중 하나는 유발 된 잠재력의 조작 적 조건화입니다. 이것은 예를 들어 뇌파 검사 (EEG) 또는 표면 근전도 검사 (EMG)에 의해 비 침습적으로 측정 할 수있는 전기 생리 학적 반응을 반복적으로 유도하고 치료사 또는 조사자가 설정 한 기준 수준과 관련하여 각 반응의 크기에 대한 즉각적인 피드백을 제공합니다. 시간이 지남에 따라이 프로토콜은 사람이 반응을 높이거나 낮추도록 훈련시키고 결과적으로 이동 또는 도달 및 파악과 같은 행동에서 중요한 중추 신경계 부위에 유익한 변화를 목표로 삼을 수 있습니다. 목표 변경은 성과에 도움이 되며, 또한 전체 동작을 개선하는 광범위한 유익한 변경으로 이어지는 더 나은 관행을 가능하게 합니다. 예를 들어, clonus가 운동을 손상시키는 불완전 척수 손상 (iSCI) 환자의 경우, 한쪽 다리의 솔 루스 근육에서 호프만 반사를 감소시키는 조작 적 컨디셔닝은 양쪽 다리의 운동 근육 활동을 개선하여 보행 속도를 높이고 오른쪽 / 왼쪽 단계 대칭을 복원합니다 1,3,4,5 . 또 다른 예는 쌍 펄스 자극으로, 경두개 자기 자극에 대한 운동 유발 전위(MEP)의 크기를 지속적으로 증가시켜 iSCI6 이후 만성 손과 팔 장애가 있는 사람들의 도달 및 파악 기능을 향상시킬 수 있습니다.
이러한 프로토콜을 구현하려면 여러 기능을 수행해야 하는 특수 용도의 소프트웨어가 필요합니다. 특히 전기 생리 학적 신호를 지속적으로 수집, 처리 및 저장해야합니다. 신경계의 상태를 지속적으로 모니터링하고 엄격한 실시간 제약 하에서 적절하게 자극을 유발해야합니다. 지속적인 순간별 피드백, 시행 별 피드백 및 세션 별 피드백을 제공해야합니다. 조사자 또는 치료사의 설정 및 조정을 안내하는 사용자 인터페이스를 제공해야 합니다. 마지막으로 신호 데이터와 메타 정보를 표준화된 형식으로 저장하고 구성해야 합니다.
유발 된 잠재적 조작 적 조건화 시스템 (EPOCS)은이 뛰어난 요구에 대한 우리의 해답입니다. 내부적으로 소프트웨어는 전 세계 수백 개의 실험실에서 사용되는 오픈 소스 신경 기술 플랫폼 인 BCI2000을 기반으로합니다 7,8. EPOCS에서 BCI2000의 일반적인 사용자 인터페이스는 숨겨져 있으며 잠재적 조작적 컨디셔닝 프로토콜에 최적화된 간소화된 인터페이스로 대체됩니다.
현재 기사와 함께 제공되는 비디오는 하나의 특정 프로토콜에서 EPOCS의 사용을 보여줍니다 : 솔레 우스 근육에서 호프만 (H-) 반사의 크기를 줄이기위한 조작 적 조건화. 이 반응은 무릎 저크 스트레치 반사의 전기적으로 유도 된 아날로그입니다. H-반사 하향 조절은 iSCI 9,10,11,12,13이 있는 동물과 iSCI, 다발성 경화증 또는 뇌졸중5,14,15가 있는 인간의 운동에 대한 클로너스의 영향을 줄이고 이를 개선하는 것으로 나타났습니다. 신경 학적 손상이 있거나없는 동물 및 사람에게 부작용없이 적용될 수 있습니다16,17.
조작적 조건화 프로토콜은 각각 몇 초 동안 지속되는 여러 시도를 수행하여 작동합니다. 한 시행의 이벤트 순서는 그림 1에 개략적으로 나와 있으며 숫자는 다음 기능을 나타냅니다.
1. 연속 배경 EMG는 표적 근육 (soleus)과 그 길항제 (경골 전방)의 양극성 표면 전극에서 기록됩니다. 배경 레벨은 슬라이딩 윈도우에서 고역 통과 필터링 신호의 평균 정류 값으로 평가됩니다.
2. 목표 근육의 배경 EMG 수준은 참가자의 화면에 지속적으로 업데이트되는 막대의 높이로 표시됩니다. 이렇게 하면 참가자가 지정된 범위(해치 영역) 내에서 활동을 유지하는 데 도움이 됩니다.
3. 소프트웨어는 전기 자극을위한 적절한 순간을 판단하고 그에 따라 자극기를 트리거합니다. 주요 기준은 이전 자극 이후 최소 5초가 경과해야 하고 배경 EMG 수준이 2초 동안 지속적으로 지정된 범위에 남아 있어야 한다는 것입니다.
4. 정전류 자극기는 경골 신경에 경피적으로 전기 펄스를 전달합니다(일반적으로 단상, 1ms 지속 시간).
5. 결과 자극 고정 반응이 기록됩니다. 이 소프트웨어는 특히 관심있는 두 가지 구성 요소의 크기를 계산합니다 : 운동 축삭의 직접적인 자극으로 인한 근육 활성화를 반영하는 초기 M 파; 그리고 척수 18,19,20,21,22의 반사 아크를 통해 전달되는 신호를 반사하는 후기 H- 반사. EPOCS는 이들을 각각 기준 반응과 표적 반응으로 지칭합니다.
6. 현재 시행의 H-반사 크기는 성공 또는 실패한 시행을 정의하는 원하는 기준 수준을 기준으로 두 번째 막대의 높이로 표시됩니다. 다운 컨디셔닝의 경우 H- 반사 크기가 기준 아래로 떨어지면 막대가 짙은 녹색이고 그렇지 않은 경우 밝은 빨간색입니다 (업 컨디셔닝의 경우 그 반대). 동시에 누적 성공률의 숫자 표시가 그에 따라 업데이트됩니다. 함께, 이들 그래픽 디스플레이 요소들은 조작적 조건화가 의존하는 즉각적인 긍정 또는 부정 보강을 제공한다(23).
그림 1: 솔레우스 H-반사의 다운컨디셔닝 중 EPOCS의 핵심 기능에 대한 개략도. 참가자는 배경 EMG 수준, 가장 최근의 H-reflex 크기, 현재 75번의 실행에서 지금까지 완료된 시도 수 및 실행에 대한 성공적인 시도의 실행 비율을 보여주는 대형 모니터 화면을 봅니다. 한 시험에서 사건의 순서는 소개에 설명 된대로 숫자 1-6으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
인간 H-반사 컨디셔닝 프로토콜은 일반적으로 6개의 기준선 세션으로 구성되며, 그 다음에는 주당 3세션의 비율로 10주에 걸쳐 24-30개의 컨디셔닝 세션과 이후 3-6개월에 걸친 여러 후속 세션으로 구성됩니다14,16. 각 세션은 60-90 분 동안 지속됩니다.
이 프로토콜 및 기타 관련 프로토콜을 지원하기 위해 EPOCS에는 5가지 고유한 작동 모드가 있으며, 각 모드는 자극 테스트, 자발적 수축, 모집 곡선, 대조 시험 및 교육 시험이라는 기본 창의 탭 중 하나에서 제공됩니다.
자극 테스트 모드에서 소프트웨어는 몇 초마다 자극을 트리거하며 반드시 대상 근육의 상태에 따라 달라지는 것은 아닙니다. 반응 신호는 각 자극 후에 화면에 표시됩니다. 이를 통해 작업자는 전극 연결 및 EMG 신호의 품질을 확인할 수 있습니다. 자극 및 기록 전극의 위치를 최적화하는 단계; 개인의 반응 형태를 확립합니다.
자발적 수축 모드에서 소프트웨어는 배경 EMG 수준을 측정하고 표시하며 참가자는 전기 자극이 없을 때 가능한 한 근육을 수축하도록 권장됩니다. 일부 프로토콜에서, 최대 자발적 수축(MVC)에서의 근전도 수준은 배경 근전도 기준을 설정하기 위한 유용한 기준이다. 여기에 설명 된 프로토콜에서는 안정적인 서있는 자세가 솔레 우스 근육의 활동을 충분히 표준화하기 때문에 필요하지 않습니다.
채용 곡선 모드에서 자극은 올바른 범위에 남아 있는 배경 EMG 수준(화면에 지속적으로 표시됨)에 따라 달라집니다. 응답 신호는 각 자극 후에 화면에 표시됩니다. 그리고 응답의 순서는 실행의 끝에서 분석될 수 있다. 이를 통해 운영자는 관심있는 응답이 나타나는 시간 간격의 시작과 끝을 결정할 수 있습니다. 자극 강도와 반응 크기 사이의 관계를 결정하기 위해, 컨디셔닝이 실행되기 전과 후에 모두; 컨디셔닝에 사용할 자극 강도를 결정합니다.
제어 시험 모드에서 자극은 배경 EMG 수준(화면에 계속 표시됨)에 따라 달라지지만 대상 반응 크기에 대한 피드백은 제공되지 않습니다. 반응 크기의 순서 및 분포가 분석될 수 있다. 이 모드는 반응 크기의 기준 측정값을 수집하거나 교차 또는 피험자 간 실험 설계에서 조작적 조건화와 비교하기 위한 제어 조건으로 사용할 수 있습니다. 각 세션의 시작에서 조작적 조건화에 대한 성능 기준을 설정하기 위한 기초가 될 수 있습니다.
마지막으로, 훈련 시험 모드에서 자극은 배경 EMG 수준(화면에 지속적으로 표시됨)에 따라 달라지며, 위에서 설명하고 그림 1에 표시된 대로 목표 응답 크기를 표시하여 시행별 강화도 제공됩니다. 조작적 조건화가 수행되는 모드입니다.
다음 섹션에서는 신경 학적 손상없이 성인 참가자의 단독 H- 반사를 다운 컨디셔닝하는 프로토콜을 시연함으로써 독자를 5 가지 모드로 안내합니다.
Protocol
여기에 설명 된 모든 절차는 Stratton VA Medical Center의 기관 검토위원회 (승인 번호 1584762-9)의 승인을 받았습니다. 비디오의 참가자는이 간행물에서 이미지 및 EMG 신호 사용에 대해 정보에 입각 한 동의를 제공했습니다.
주: 굵게 표시된 용어는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 그래픽 사용자 인터페이스에 표시되어야 하는 레이블을 나타냅니다.
1. 소프트웨어 설정
- https://neurotechcenter.org/epocs 로 이동하여 최신 소프트웨어 설치 프로그램을 구하는 방법에 대한 지침을 확인하십시오. 다운로드한 설치 프로그램을 사용하여 소프트웨어를 설치합니다.
- 디지타이저에 필요한 드라이버와 제조업체의 소프트웨어가 설치되어 있는지 확인하십시오. 특히, NI-DAQmx 설치에 64비트 지원이 포함되어 있는지 확인하십시오.
- NI-MAX 어플리케이션을 실행하고 디바이스 및 인터페이스에서 사용할 디바이스를 선택한 다음 이름이 Dev1인지 확인하십시오. 그런 다음 > 전원 켜기 상태 구성에서 포트 0 라인 7의 라인 상태 확인란이 선택 취소(비워짐)되어 있는지 확인합니다. 또한 해당 Tristate 확인란이 있는 경우 0을 지정합니다.
- 프로그램 추가/제거 도구를 사용하면 실시간 신호 처리에 결함이 발생할 수 있으므로 백그라운드에서 프로세서 리소스를 간헐적으로 소비할 수 있는 불필요한 소프트웨어를 제거합니다. 컴퓨터 제조업체에서 제공하는 소프트웨어 업데이트/문제 해결사는 심각한 성능 문제를 일으키는 것으로 알려져 있으므로 제거해야 합니다.
주: 위의 소프트웨어 설정 단계는 지정된 하드웨어 구성에 대해 한 번만 수행하면 됩니다.
2. 하드웨어 설정
- 아래 설명된 대로 입력 및 출력을 조정하도록 디지타이저를 설정합니다.
- 솔리드 코어 절연 와이어의 짧은 조각을 사용하여 디지털 출력 포트 0 라인 7(구형 장비에서는 P0.7 또는 DIO7 로 표시됨)의 스프링 단자를 USER 출력용 스프링 터미널에 패치합니다.
- 암/수/암 BNC 티 커넥터를 USER 출력에 연결합니다. USER 출력을 자극기의 외부 트리거 입력 포트에 연결합니다.
- 첫 번째 및 두 번째 증폭된 EMG 신호 케이블을 각각 데이터 수집 카드의 첫 번째 및 두 번째 아날로그 입력 채널에 연결합니다. 이들은 AI0 및 AI1로 표시되거나 구형 장비에서는 ACH0 및 ACH1로 표시됩니다. USER 출력에서 세 번째 아날로그 입력 채널(AI2 또는 ACH2로 표시)로 다시 연결합니다.
- 아래 설명된 대로 정전류 자극기를 설정합니다.
참고: 프로토콜을 다양한 자극기 브랜드 및 모델로 일반화할 수 있도록 이 문서에서는 특정 자극기 모델의 자동 제어 옵션을 활용하는 대신 수동 자극 강도 제어에 대해 설명합니다.- 자극기를 켜고 1ms 단상 펄스를 전달하도록 구성합니다. DS8R 모델의 경우 자극 강도가 후면 아날로그 입력이 아닌 전면 패널 또는 USB 인터페이스에 의해 제어되는지 확인하십시오. 긴 출력 케이블을 연결하고 자극 전극 패드에 부착될 스냅 리드에 연결합니다.
- 아래 설명된 대로 최소 2개의 EMG 채널을 전달하도록 아날로그 증폭기를 설정합니다.
- 앰프를 켭니다. 모든 채널 이득 값이 기본값 500이고 해당 VARIABLE 노브가 최소값 1로 설정되었는지 확인하십시오.
- 긴 케이블을 사용하여 휴대용 장치를 앰프에 연결하십시오. 두 개의 정사각형 9V 배터리를 휴대용 장치의 배터리 팩에 삽입합니다. 휴대용 장치와 배터리 팩을 참가자의 허리에 묶습니다.
3. 자극 준비 및 전극 기록
- 이전에 언급한 랜드마크 또는 측정값을 사용하여 이전 참가자별 전극 위치를 최대한 가깝게 재현합니다. 알코올 패드로 닦아 전극이 부착 될 피부를 준비하여 과도한 기름을 제거한 다음 종이 타월로 닦아 죽은 피부를 제거하십시오.
- 자극 전극을 제자리에 부착하여 총 비골 신경에 미치는 영향을 최소화하면서 경골 신경을 정확하게 자극합니다. 더 큰 (22mm x 35mm) 전극을 양극으로 사용하고 좌골 신경이 경골과 총 비골 신경으로 분기되는 무릎 관절와의 정점에 놓습니다. 음극 (22mm x 22mm)을 양극 바로 아래의 무릎 주름에 놓고 전극 중심 사이에 3-4cm 간격을 둡니다.
- EMG 기록 전극을 다음과 같이 표적 근육(soleus)에 양극성 몽타주로 부착합니다.
- 정확한 위치를 결정하려면 먼저 참가자가 발가락에 서있는 것과 자연스럽게 서있는 것을 번갈아 가며 촉지하여 비복근 근육을 찾으십시오.
- 첫 번째 전극을 비복근 근육 배의 원위 경계 바로 아래에 놓습니다. 두 번째 전극을 첫 번째 전극 아래에 놓고 전극 중심 사이에 5cm 간격을 둡니다. 두 전극을 모두 아킬레스건과 일직선으로 유지하십시오.
- EMG 기록 전극을 길항근(전경골)의 양극성 몽타주에 부착합니다. 이렇게하려면 참가자가 발가락을 들어 올리는 동안 (배측 굴곡) 촉진하여 근육을 식별하십시오. 전극 중심 사이에 수직 간격이 5cm인 비골 머리에서 발목까지 약 1/3 정도 아래로 근육 배에 전극을 놓습니다.
- 슬개골에 접지 전극을 부착하십시오.
- 다음과 같이 EMG 증폭기 리드를 연결합니다. 녹색 테이프 활성 전극을 휴대용 장치의 채널 1에 연결하고 빨간색 클립을 대상 근육 전극(soleus)에 연결하고 녹색 클립을 접지 전극에 연결합니다. 검은 색 테이프 활성 전극을 휴대용 장치의 채널 2에 연결하고 클립을 길항제 근육 전극 (전방 경골)에 연결합니다.
- 배터리 팩을 휴대용 장치에 연결합니다.
- 자극 스냅 리드를 자극 전극에 연결합니다.
4. EPOCS 소프트웨어 사용
- 조사자와 피험자 (또는 치료사와 환자)가 명확하게 볼 수 있도록 모니터를 배치하십시오.
- EPOCS 세션을 시작합니다.
알림: 세션은 실험실 또는 클리닉을 한 번 방문하는 것으로 정의되며 일반적으로 60-90분 동안 지속됩니다.- EPOCS 아이콘을 두 번 클릭하여 응용 프로그램을 시작합니다. 참가자 ID 코드를 입력하거나 이전에 사용한 ID 목록에서 선택합니다.
- 기존 세션의 연속인 경우, 예를 들어 중단 후 소프트웨어를 다시 시작해야 하는 경우 세션 계속을 누릅니다. 지정된 참가자에 대한 세션이 지난 3시간 동안 시작된 경우에만 사용할 수 있습니다.
- 그렇지 않으면 새 세션 시작을 누릅니다. 이렇게 하면 날짜 및 시간 스탬프가 찍히고 참가자 ID로 표시된 새 데이터 폴더가 생성됩니다.
- 전극 위치와 접촉 품질을 확인하고 필요에 따라 조정하십시오.
- 자극 테스트 탭이 표시되는지 확인합니다.
- 자극 > 설정에서 자극 테스트의 최소 간격을 3초로 구성합니다. 이는 일반 사용을 위한 최소 간격과 별도로 구성되며 일반적으로 약 5초로 더 깁니다. 디지타이머 링크 설정을 비활성화된 상태로 둡니다.
알림: 활성화되면 Digitimer Link 옵션을 사용하면 특정 자극기 모델을 사용할 때 자극 강도를 소프트웨어로 제어할 수 있습니다. 대신 현재 프로토콜은 자극 강도의 수동 제어를 보여 주며, 이는 여러 자극기 제조업체 및 모델에 적용 할 수 있습니다. - 자극기 제어판에서 자극 강도를 5mA로 설정하고 자극을 활성화합니다.
- 참가자에게 필요한 경우 손으로 보행기에 체중을 부분적으로 지탱하면서 일어서도록 요청하십시오.
- 참가자에게 자극을 기대하도록 경고한 다음 시작을 눌러 새 실행을 시작합니다(즉, 새 파일에 지속적으로 신호 녹음 시작). 실행은 순차적으로 번호가 매겨지며 해당 파일은 서로 덮어쓰지 않습니다.
- 자극의 각 반복을 시험이라고합니다. 각 시험에서 유도된 EMG 반응은 즉시 표시됩니다. 표적 근육(위쪽, 파란색 흔적)과 길항근(아래쪽, 빨간색 추적)에서 유도된 M-파 및 H-반사를 평가합니다. 필요한 경우 응답이 명확하게 나타날 때까지 전류를 10mA 이상으로 점진적으로 증가시킵니다.
- 자극을위한 최적의 위치 (즉, 가장 큰 H- 반사를 산출하는 위치)를 찾으려면 음극을 전체 전극 너비를 내측으로 이동 한 다음 측면으로 이동 한 후 유발 된 전위를 비교한 다음 절반 전극 폭을 내측으로 이동 한 다음 측면으로, 마지막으로 전체 전극 폭을 위아래로 이동합니다.
- 향후 세션에서 위치를 변경하는 데 도움이 되도록 전극의 위치를 표시, 메모 및 사진으로 표시합니다. 가능하면 종아리와 무릎 뒤쪽의 석고 캐스트를 만들고 캐스트에 구멍을 뚫어 자국을 정확하게 다시 적용 할 수 있습니다.
- 전극의 최적 위치를 찾으면 재배치된 전극을 새 전극으로 교체하십시오.
- 단독 컨디셔닝의 경우 자발적 수축 탭을 건너뜁니다.
- 최대 M-파 및 H-반사 크기(M.max 및 H.max) 모집 곡선, 즉 자극 강도와 반응 간의 관계를 차트로 표시합니다. 각 세션에서 대조군 또는 훈련 시험 전후에 다음과 같이 모집 곡선을 측정합니다. 첫 번째 세션에서는 모집 곡선을 사용하여 컨디셔닝 과정 전반에 걸쳐 사용할 적절한 자극 강도를 선택하도록 안내합니다.
- 채용 곡선 탭으로 전환합니다.
- >EMG 설정에서 자극을 활성화하기 위해 대상 및 길항제 배경 EMG 값이 유지되어야 하는 범위를 구성합니다. 솔레우스의 경우, 최대 자발적 수축이 측정되지 않았다고 가정할 때, 범위가 서 있는 동안 자연적인 체중 부하에 의해 생성된 EMG 수준을 포함하는지 간단히 확인하십시오. 백그라운드 유지 시간을 2초로 설정하여 참가자가 각 자극을 트리거하기 위해 EMG를 범위 내에 지속적으로 유지해야 하는 시간을 지정합니다.
알림: 해당 제한이 적용되지 않는 경우 상한 또는 하한을 비워 둘 수 있습니다. - 자극기를 활성화하고 강도를 모집 곡선 측정에 사용할 최소값(5mA)으로 설정합니다. (이 값은 예제이며 사례별로 선택해야 합니다. 토론을 참조하십시오.)
- 참가자의 첫 번째 세션인 경우 아래 설명된 대로 필요한 기간 동안 EMG를 올바른 범위로 유지하는 연습을 하게 하십시오.
- 참가자가 서 있는 상태에서 시작을 누릅니다. 대상 근육의 배경 EMG 수준이 목표 범위를 보여주는 음영 영역에 대한 막대의 높이로서 실시간으로 어떻게 표시되는지 참가자에게 보여줍니다.
- 참가자에게 두 근육 (표적 및 길항제)의 활동은 막대를 밝은 빨간색에서 어두운 녹색으로 바꾸는 데 필요한 범위 내에 있어야한다고 설명합니다 (길항제 활동 수준은 직접 표시되지 않음).
- 배경 범위를 조정하려면 중지 를 누른 다음 설정을 누릅니다. 그런 다음 새 번호를 입력하고 OK를 누른 다음 다시 시작을 누릅니다. 연습 실행이 완료되면 중지 를 누릅니다.
- 참가자가 서 있는 상태에서 모집 곡선을 측정하려면 시작을 누릅니다. H- 반사가 이미 선택한 시작 강도로 보이는 경우 H- 반사가 더 이상 보이지 않을 때까지 전류를 점차적으로 줄이십시오. 그런 다음 중지 를 누르고 다시 시작을 눌러 실행을 시작합니다.
- 시험 완료 카운터에 세심한 주의를 기울이십시오. 4번의 시도 후 수동으로 자극 강도를 2mA씩 높입니다. (이 값은 예제이며 사례별로 선택해야 합니다. 토론을 참조하십시오.) 참가자가 불편 함을보고하지 않는 한 M 파 크기가 고원에 도달 할 때까지 계속하십시오. 완료되면 중지를 누르고 참가자가 휴식을 취하도록 초대합니다.
- 각 시행에 사용된 자극 강도 값을 기록해 둡니다. 기록된 레코드를 창의 오른쪽 상단에 표시된 실행 번호와 연결합니다. 실행이 끝나면 로그 탭을 통해 다른 메모와 함께 이 정보를 세션 로그에 수동으로 입력합니다.
알림: 자극 강도를 수동으로 제어하는 경우 이 정보는 소프트웨어에 의해 기록되지 않습니다. - 분석 버튼을 눌러 분석 창을 열고 다음과 같이 M파 및 H파의 정의를 허용합니다. 분석 창의 위쪽 창에서 마지막 실행의 각 시도에서 얻은 목표-근육 신호의 자극 고정 오버레이를 검사합니다.
- 마우스를 사용하여 갈색 참조 및 녹색 목표 간격의 시작과 끝을 조정합니다(H-반사 조작 조건화 프로토콜에서 이들은 각각 M-파 및 H-반사에 해당함). 간격이 올바르면 빨간색 표시된 시간 사용 버튼을 눌러 향후 분석을 위해 개인화된 간격 설정을 저장합니다.
- 분석 창의 아래쪽에 있는 시퀀스 창에서 결과 모집 곡선을 평가합니다. 피크 대 피크 또는 평균 정류 진폭을 보고 연속 시행의 결과를 통합하도록 설정을 조정합니다. 자극 전류는 4번의 시행마다 증가했기 때문에 풀링할 시행: 4를 지정합니다. 결과Mmax 및Hmax를 기록한다.
- 참가자의 첫 번째 세션인 경우 다음과 같이 목표 근육 EMG 기록 위치를 최적화합니다.
- 솔레 우스 전극을 절반 전극 폭 (또는 근육이 충분히 넓은 경우 전체 전극 폭)만큼 내측으로 움직입니다. 그런 다음 위의 단계를 반복하여 전체 모집 곡선을 수집하고 결과 M max 및 Hmax를 기록합니다.
- 솔레우스 전극을 원래 위치에서 측면으로 동일한 거리만큼 이동시키고 다시 모집 곡선 측정을 수행하여 Mmax 및Hmax를 추정합니다. Hmax를 최대화하는 전극 위치를 채택하고 4.3.8단계에서와 같이 위치를 표시, 메모 및 촬영합니다.
- 최대에 가까운 H-반사를 유도하는 자극 강도를 선택하되(이상적으로는 H-반사 모집 곡선의 오름차순(왼쪽) 기울기에서) 가시적인 M-파가 있어야 한다는 제약이 있습니다. 자극기에서 이 자극 강도 값을 설정하고 향후 세션을 위해 기록해 두십시오. 또한 해당 M 파 크기를 기록하십시오 (토론 참조).
- 다음과 같이 반응 피드백을 제공하지 않고 H-반사 크기의 분포를 측정합니다.
- 대조 시험 탭으로 전환합니다.
- 참가자가 서 있는 상태에서 시작을 누릅니다. 이전과 마찬가지로 참가자에게 상승 및 하강 바에서 제공하는 피드백을 사용하여 배경 근육 활동 수준을 필요한 범위 내로 유지하도록 지시합니다.
- 이것이 기준선 또는 후속 세션인 경우 선택한 자극 강도로 연속적으로 75번의 시험을 수행합니다. 컨디셔닝 세션인 경우 20번의 시도만 수행하십시오. 정해진 횟수의 시도 후 중지 를 눌러 실행을 종료합니다.
- 언론 분석. 이전과 마찬가지로 상단 패널에서 시행별 응답 파형의 오버레이와 아래의 응답 크기 시퀀스 를 평가합니다. 배포라는 새 탭도 기본적으로 시퀀스 위에 활성화됩니다. 오른쪽에 요약 통계와 함께 H- 반사 크기의 분포를 보여줍니다.
- 로그 결과를 눌러 요약 통계를 세션 로그에 추가합니다.
- 기준 세션인 경우 위의 단계를 반복하여 각각 75번의 시행을 총 3회 실행합니다. 그런 다음 4.8단계의 마감 모집 곡선 측정으로 건너뜁니다.
- 컨디셔닝 세션인 경우 목표 백분위수를 66으로 설정합니다. 상향 및 하향 조절 기준 수준은 중앙값과 함께 빨간색 세로선으로 표시됩니다. 업컨디션(Up-Condition) 또는 다운(Down-Condition ) 버튼을 눌러 컨디셔닝 기준을 선택합니다. 이 프로토콜의 경우 다운 컨디션을 누릅니다. 이 작업은 자동으로 기록되고 분석 창이 닫힙니다.
참고: 다운컨디셔닝 프로토콜에서 목표 백분위수 값 66은 성공적인 시행이 응답 크기가 이전에 측정된 분포의 하위 66%에 있는 것으로 정의됨을 의미합니다. 반대로, 상향 조정에서 성공은 분포의 상위 66%에 반응 크기를 생성하는 것을 의미합니다.
- 아래에 설명된 대로 조작적 조건화를 수행합니다.
- 학습 시험 탭으로 전환합니다.
- 참가자가 서 있는 상태에서 시작을 누릅니다.
- 참가자가 이전에 본 적이 없는 경우 화면 중앙에 있는 새 피드백 표시줄에 주의를 기울입니다. 해칭 된 목표 범위와 관련된 가장 최근의 H- 반사 크기를 보여줍니다. 응답이 목표 범위 내에 있으면 시행이 성공한 것으로 계산되고 막대는 짙은 녹색으로 표시됩니다. 범위를 벗어나면 시도가 실패한 것으로 간주되고 막대가 더 밝은 빨간색으로 표시됩니다.
- 실행하는 동안 참가자가 가능한 한 많은 성공적인 시험을 수행하도록 동기를 부여하십시오. 수행된 시행 횟수와 지금까지 실행에 성공한 시행의 비율이 화면 오른쪽에 표시됩니다. 75회 시행 후 중지 를 눌러 실행을 종료합니다.
- 분석 버튼을 누릅니다. 분석 창은 대조 시험과 동일하게 표시됩니다. 다시 시퀀스 탭을 사용하여 M-파가 원하는 크기로 일정하게 유지되었는지 확인합니다.
- 이전과 마찬가지로 분포 탭을 선택한 상태에서 다운-컨디셔 닝 버튼을 사용하여 다음 실행을 위해 조작적 조건화 기준을 업데이트합니다. 조작적 조건화 절차를 2배 더 반복하여 각각 75번의 시행을 총 3회 실행합니다.
- 세션이 끝나면 4.5.1.-4.5.6단계와 같이 다른 모집 곡선 측정을 수행합니다.
- 아래 설명된 대로 세션을 완료합니다.
- 로그 탭에 추가 세션 노트를 입력합니다. 로그는 세션별 데이터 디렉토리의 날짜가 찍힌 일반 텍스트 파일에 채워질 때 자동으로 저장됩니다. 창을 닫습니다. 데이터와 로그는 이미 저장되어 있습니다.
- 이전에 기록된 데이터의 분석 창을 다시 방문하려면 EPOCS 오프라인 분석 아이콘을 두 번 클릭하고 분석할 실행에 대한 데이터 파일을 선택합니다. 원시 신호가 처리될 때까지 기다립니다(1분 이상 걸릴 수 있음).
참고: 데이터는 BCI2000 형식의 .dat 파일로 저장됩니다. 파일 이름은 세션의 날짜 및 시간, 참가자 ID, 모드(자극 테스트의 경우 ST, 자발적 수축의 경우 VC, 모집 곡선의 경우 RC, 대조 시험의 경우 CT, 훈련 시도의 경우 TT) 및 순차 실행 번호를 나타냅니다.
5. 여러 반복 세션 수행
- 총 6개의 기준 세션, 24개의 컨디셔닝 세션(또는 신경 장애가 있는 사람의 경우 30개) 및 4개의 후속 세션을 예약합니다. 기준선 및 컨디셔닝 세션을 주당 3 세션의 비율로 예약하며 각 세션은 90 분을 넘지 않습니다. 주간 변동의 영향을 최소화하기 위해 모든 세션이 하루 중 같은 시간에 진행되도록 준비하십시오.
- 6개의 기준 세션 각각에서 초기 채용 곡선 실행, 3개의 대조 시험 75회 실행 및 최종 채용 곡선 실행을 수행합니다.
- 24개(또는 30개)의 컨디셔닝 세션 각각에서 초기 모집 곡선 실행, 1개의 제어 시험 20개 실행, 3개의 교육 시험 중 75개 실행 및 최종 모집 곡선 실행을 수행합니다.
- 마지막 컨디셔닝 세션 후 10-14일, 1개월, 2개월, 3개월에 4번의 후속 세션을 실시합니다. 연구의 목표에 따라 기준 세션 또는 컨디셔닝 세션과 동일 할 수 있습니다.
Representative Results
그림 2 는 M- 파 및 H- 반사 모집 곡선을 측정하고 일정한 자극 강도에서 H- 반사 크기의 분포를 측정하는 위의 프로토콜의 효과를 보여줍니다. 또한 신경학적으로 장애가 없는 참가자의 H-반사 크기를 변경하고 불완전한 척수 손상이 있는 참가자의 운동 기능을 개선하는 데 있어 다중 세션 프로토콜의 전반적인 효과를 보여줍니다.
그림 2A 는 H-reflex 조작 컨디셔닝 동안 모집 곡선 모드에서 수행된 실행 후 분석 창의 스크린샷을 보여줍니다(프로토콜 단계 4.5 참조). 창의 아래쪽 절반( 시퀀스 창)에서 가로 축은 시행 횟수를 표시하므로 자극 강도가 왼쪽에서 오른쪽으로 증가합니다. H-반사 크기(녹색 원)는 자극 강도의 함수로 상승했다가 떨어지는 반면, M-파 크기(갈색 삼각형)는 상승한 다음 포화됩니다. 그림 2B 는 H-reflex 조작적 컨디셔닝 동안 제어 시험 또는 훈련 시험 모드에서 수행된 실행 후 분석 창의 스크린샷을 보여줍니다(프로토콜 단계 4.6. 및 단계 4.7 참조). 하단 패널("분포" 창)에서 H-반사 크기의 히스토그램은 후속 상향 또는 하향 조절을 위한 적절한 기준 수준의 선택을 용이하게 합니다. 그림 2C에서 신경학적으로 장애가 없는 참가자의 H-반사 크기는 6개의 기준 세션, 24개의 컨디셔닝 세션 및 4개의 후속 세션에 걸쳐 세션 번호의 함수로 표시됩니다. 데이터는 15명의 참가자(남성 8명, 여성 7명)로부터 수집되었으며 그 중 2명은 상향 및 하향 조절 팔에 모두 참여했습니다. 참가자는 21-55 세였습니다. 모든 참가자는 정보에 입각 한 동의를했습니다. 이 프로토콜은 뉴욕 주 보건부의 기관 검토위원회 (IRB) (승인 번호 05-058)의 승인을 받았습니다. Thompson et al.16 은 더 자세한 내용을 제공합니다. 그림 2D 는 불완전한 척수 손상 후 만성 하지 장애가 있는 참가자에서 단독 H-반사 하향 조절의 유익한 효과를 보여줍니다. 성공적인 컨디셔닝은 보행 대칭 및 기준선에 대한 보행 속도의 개선과 관련이 있습니다. 데이터는 정보에 입각 한 동의를 한 28-68 세의 13 명의 참가자 (남성 9 명, 여성 4 명)로부터 수집되었습니다. 이 프로토콜은 헬렌 헤이즈 병원의 IRB (승인 번호 07-07)에 의해 승인되었습니다. Thompson et al.14 는 더 자세한 내용을 제공합니다.
그림 2: 대표 결과 . (A) 채용 곡선 분석 창의 스크린샷. (B) 대조 시험 또는 훈련 시험 분석 창의 스크린 샷. (C) 부상을 입지 않은 참가자에서 단독 H- 반사의 상향 및 하향 조절의 대조 효과. 빨간색 상향 삼각형은 N = 6 명의 성공적으로 상향 조절 된 참가자 (8 명 중)의 평균 H- 반사 크기를 보여줍니다. 파란색 하향 삼각형은 N = 8 성공적으로 하향 조절 된 참가자 (9 명 만점)의 평균 응답을 보여줍니다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 이미지는 Thompson et al.16에서 수정되었습니다. (D) 불완전 척수 손상 후 만성 장애가 있는 사람들의 보행 속도 및 보행 대칭에 대한 단독 H-반사 하향 조절의 치료 효과. 막대는 H- 반사가 성공적으로 하향 조절 된 N = 6 명의 참가자와 대조 조건 (조작 적 조건화 없음)의 N = 4 명의 참가자 및 다운 컨디셔닝 프로토콜이 반사 크기를 줄이지 못한 N = 3 명의 참가자에 대한 결과를 대조합니다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 각 별표는 사전 컨디셔닝 측정값과 사후 컨디셔닝 측정값을 비교하는 쌍체 t-검정에서 0.05 미만의 p-값을 나타냅니다. 이 이미지는 Thompson et al.14에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
위에서 설명한 프로토콜은 신경 장애가없는 전형적인 성인에서 단독 H- 반사 다운 컨디셔닝을 입증하는 데 적합합니다. 정확한 매개 변수 값은 사람마다 다를 수 있으며 특히 장애의 함수로 다를 수 있습니다. 비디오에서 참가자의 모집 곡선은 약 25mA의 자극 전류에서 Mmax에 도달했지만 다른 사람은 50mA 이상이 필요할 수 있으므로 모집 곡선 측정 중에 전류가 더 큰 단계로 증가합니다. 또한 더 긴 펄스 지속 시간이 필요할 수도 있습니다. 세 번째 사람은 더 민감할 수 있으며 더 작은 현재 설정이 필요할 수 있습니다. 프로토콜은 또한 조절되는 근육에 따라 조정되어야합니다. 예를 들어, 굴곡근 카르피 요골 근육(24, 25)을 표적화할 때, 더 낮은 전류 설정이 일반적으로 사용되며; 자발적 수축 모드는 배경 EMG 제한에 대한 척도를 설정하는 데 사용해야 합니다. 그리고 전극 배치를 최적화하는 동안과 자세를 최적화하는 동안 더 많은 주의를 기울여야 하며, 이는 시험 전반에 걸쳐 일정하게 유지되어야 합니다.
이 프로토콜은 자극기 전류 설정과 실제로 신경에 전달되는 전류의 양 사이의 관계 변화에 민감하며, 이는 자세의 작은 변화, 참가자의 수분 공급 및 접착 전극 젤의 건조에 의해 영향을받을 수 있습니다. H-반사 컨디셔닝에서 이 문제는 M-파 크기를 효과적인 자극 강도의 지표로 사용하여 완화할 수 있습니다. 그것은 자극에 의해 흥분된 솔레우스 운동 뉴런 원심성 축삭의 수를 반영합니다. 따라서 M- 파 크기가 일정하게 유지되면 자극에 의해 여기되는 1 차 구 심성 축삭, 즉 H- 반사를 유도하는 축삭의 수도 일정하게 유지됨을 의미합니다 (Crone et al.26 참조). 따라서 이 M파를 소프트웨어에서 기준 응답이라고 합니다. 이러한 이유로 4.5.12 단계. 목표 M 파 크기를 기록해야한다고 언급합니다. 실제로 공칭 전류를 엄격하게 일정하게 유지하는 것보다 이 응답 크기를 대략적으로 일정하게 유지하는 것이 더 중요합니다. 분석 창의 시퀀스 탭에서는 각 실행에 대한 M-파 불변성을 후향적으로 확인할 수 있습니다. 솔레 우스 H- 반사 컨디셔닝의 경우, 이것은 종종 문제를 해결하기에 충분합니다. 제어를 강화하기 위해 두 번째 모니터를 컴퓨터에 부착하여 시험별 수동 조정을 안내하는 실시간 M-wave 분석을 표시할 수 있습니다. 이 제어 작업의 자동화는 진행중인 프로젝트27입니다.
주간 변화는 또한 사람의 전기 생리 학적 반응에 영향을 미칠 수 있습니다 28,29,30,31. 이러한 이유로, 모든 세션은 하루 중 동일한 시간, 즉 동일한 3시간 시간 윈도우 내에 수행되는 것이 좋습니다.
조작적 조건화의 성공은 H-반사를 정의하기 위해 연산자가 선택한 시간 간격의 정확도에 민감할 수 있습니다. 특히 간격이 너무 넓어서는 안됩니다. 올바른 간격 정의에 대한 자세한 지침은 현재 문서의 범위를 벗어납니다. 이것은 또한 소프트웨어의 향후 버전에서 자동화 될 기능입니다.
프로토콜의 중요한 단계는 4.5.6단계로, 작업자는 고정된 횟수의 시도 후에 자극기 전류를 반복적으로 수동으로 증가시킵니다. 여기에서 시험을 잘못 계산하거나 현재 다이얼을 잘못 조정하면 결과 모집 곡선이 왜곡될 수 있습니다. 이러한 사용자 오류 가능성은 하나의 특정 자극기 모델에 대한 전류 조정을 자동화할 수 있는 Digitimer Link 옵션을 활성화하여 완화할 수 있습니다.
이 기사는 EPOCS의 잠재적 임상 응용 프로그램 중 가장 완벽하게 개발된 H-반사 컨디셔닝에 중점을 두었습니다. 기존 소프트웨어는 광범위한 임상 보급을 위해 이 프로토콜을 연마하기 위한 지속적인 노력에서 연구자를 돕습니다32. H- 반사 컨디셔닝 외에도 EPOCS는 현재 형태로 더 다양한 자극 방법 및 유발 반응에 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 스트레치 반사를 유도하는 기계 장치를 동등하게 잘 트리거 할 수 있으며, 이는 또한 조절 될 수 있습니다33,34,35. 이 접근 방식은 개인의 장애에 적응할 수 있습니다. 한 사람의 경우, 단독 H- 반사를 다운 컨디셔닝하면 경련성 과다 반사를 줄임으로써 운동이 향상됩니다14; 다른 한편으로, 경골 전방 MEP의 상향 조절은 발 낙하36을 완화함으로써 운동을 개선한다.
프로토콜의 상업적 구현을 위한 노력이 진행 중인 동안, 원래 소프트웨어는 표적 신경 가소성 분야를 확장하는 데 필요한 유연성을 제공하는 연구 도구로 병렬로 유지될 것입니다. 이러한 유연성은 EPOCS의 기반이 되는 광범위하고 잘 구축된 BCI2000 소프트웨어 플랫폼의 모듈성과 확장성을 통해 가능합니다. 즉, 소프트웨어 엔지니어의 개입을 최소화하면 훨씬 더 다양한 연구 목적으로 시스템을 재구성 할 수 있습니다. 예를 들어, 추가 생체신호 채널 또는 추후 분석을 위한 추가 센서(예를 들어, 풋 스위치 및 모션 추적 센서)를 기록하도록 구성될 수 있다. 또한 자극에 대한 추가 트리거링 기준(예: 보행 주기의 특정 부분에서만 자극 트리거)을 고려하거나 성공 또는 실패한 시험에서 추가 강화 자극을 트리거하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 예제 사용자 지정 파일이 제공됩니다.
표적 신경 가소성은 아직 초기 단계에 있습니다. 아직 탐험되지 않은 길은 새로운 치료법 (위에서 논의한 바와 같이)을 개발하고 건강과 질병모두에서 질병의 자연사와 중추 신경계 기능의 메커니즘을 밝히는 데 큰 이점을 제공 할 것으로 예상됩니다 2,32,37. 따라서 우리는 이러한 치료 및 과학적 잠재력을 실현하기 위한 핵심 도구로서 EPOCS를 유지하고 지원하기 위해 최선을 다하고 있습니다.
Disclosures
JRW와 AKT는 H-반사 컨디셔닝과 관련된 세 가지 특허에 대한 발명가입니다. 다른 저자는 보고할 재정적 이해관계나 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 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), Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) 및 Stratton Albany VA Medical Center의 지원을 받았습니다.
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 |
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