Uyarılmış Potansiyel Operasyonel Koşullandırma Sistemi, sensorimotor fonksiyonun bilimsel olarak araştırılmasına yardımcı olur ve nöromüsküler bozukluklarda sensorimotor rehabilitasyonu etkileyebilecek hedefli nörodavranışsal eğitimi uygulayabilir. Bu makalede, yetenekleri açıklanmakta ve motor fonksiyonda kalıcı iyileşme sağlamak için basit bir spinal refleksin modifiye edilmesindeki uygulaması gösterilmektedir.
Uyarılmış Potansiyel Operant Koşullandırma Sistemi (EPOCS), nöromüsküler bozukluğu olan kişilerde uyaranla tetiklenen kas tepkilerini operasyonel olarak koşullandırmak için protokoller uygulayan ve uygun şekilde uygulandığında sensorimotor fonksiyonu iyileştirebilen bir yazılım aracıdır. EPOCS, belirli hedef kasların durumunu izler – örneğin, ayakta dururken yüzey elektromiyografisinden (EMG) veya bir koşu bandında yürürken yürüyüş döngüsü ölçümlerinden – ve önceden tanımlanmış koşullar yerine getirildiğinde otomatik olarak kalibre edilmiş stimülasyonu tetikler. Bir kişinin hedeflenen yolun uyarılabilirliğini modüle etmeyi öğrenmesini sağlayan iki tür geri bildirim sağlar. İlk olarak, hedef kasta devam eden EMG aktivitesini sürekli olarak izler ve kişiyi şartlandırmaya uygun tutarlı bir aktivite seviyesi üretmeye yönlendirir. İkincisi, her stimülasyondan sonra yanıt boyutunun anında geri bildirimini sağlar ve hedef değere ulaşıp ulaşmadığını gösterir.
Kullanımını göstermek için, bu makalede, bir kişinin soleus kasındaki Hoffmann refleksinin (spinal stretch refleksinin elektriksel olarak ortaya çıkan analoğu) boyutunu azaltmayı öğrenebileceği bir protokol açıklanmaktadır. Bu yolun uyarılabilirliğinin aşağı koşullandırılması, eksik omurilik yaralanması nedeniyle spastik yürüyüşü olan kişilerde yürümeyi iyileştirebilir. Makale, ekipmanın nasıl kurulacağını göstermektedir; uyarıcı ve kayıt elektrotlarının nasıl yerleştirileceği; ve elektrot yerleşimini optimize etmek, doğrudan motor ve refleks yanıtlarının işe alım eğrisini ölçmek, operant koşullandırma olmadan yanıtı ölçmek, refleksi koşullandırmak ve elde edilen verileri analiz etmek için özgür yazılımın nasıl kullanılacağı. Refleksin birden fazla seansta nasıl değiştiğini ve yürüyüşün nasıl geliştiğini gösterir. Ayrıca, sistemin diğer uyarılmış tepki türlerine ve diğer stimülasyon türlerine, örneğin transkraniyal manyetik stimülasyona motor uyarılmış potansiyellere nasıl uygulanabileceğini tartışır; çeşitli klinik problemleri nasıl ele alabileceği; ve sağlık ve hastalıkta sensorimotor fonksiyon araştırma çalışmalarını nasıl destekleyebileceği.
Son on yılda, hedeflenen nöroplastisite stratejileri, nörolojik bozuklukların rehabilitasyonu için yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır 1,2. Böyle bir strateji, uyandırılmış bir potansiyelin operasyonel koşullandırılmasıdır. Bu, invaziv olmayan bir şekilde ölçülebilen elektrofizyolojik tepkilerin tekrar tekrar ortaya çıkmasını gerektirir – örneğin, elektroensefalografi (EEG) veya yüzey elektromiyografisi (EMG) – ve kişiye terapist veya araştırmacı tarafından belirlenen bir kriter seviyesine göre her yanıtın boyutu hakkında anında geri bildirim vermek. Zamanla, bu protokol kişiyi tepkilerini arttırmaya veya azaltmaya eğitir ve sonuç olarak, hareket veya uzan ve kavrama gibi bir davranışta önemli olan merkezi bir sinir sistemi bölgesine faydalı bir değişikliği hedefleyebilir. Hedeflenen değişiklik, performansa fayda sağlar ve ek olarak, tüm davranışı geliştiren yaygın faydalı değişime yol açan daha iyi uygulamalara olanak tanır. Örneğin, klonusun lokomotifi bozduğu tamamlanmamış omurilik yaralanması (iSCI) olan kişilerde, bir bacağın soleus kasındaki Hoffmann refleksini azaltan operant koşullandırma, her iki bacaktaki lokomotor kas aktivitesini iyileştirir, böylece yürüme hızını arttırır ve sağ / sol adım simetrisini geri kazandırır 1,3,4,5 . Başka bir örnek, transkraniyal manyetik stimülasyona motor uyarılmış potansiyelin (MEP) boyutunu kalıcı olarak artırabilen, böylece iSCI6’yı takiben kronik el ve kol bozukluğu olan kişilerde ulaşma ve kavrama işlevini iyileştirebilen eşleştirilmiş darbe stimülasyonudur.
Bu tür protokollerin uygulanması, birden fazla işlevi yerine getirmesi gereken özel amaçlı yazılımlar gerektirir. Özellikle, elektrofizyolojik sinyalleri sürekli olarak elde etmeli, işlemeli ve kaydetmelidir; sinir sisteminin durumunu sürekli olarak izlemeli ve sıkı gerçek zamanlı kısıtlamalar altında stimülasyonu uygun şekilde tetiklemelidir; sürekli an be an geri bildirim, deneme sürümü geri bildirim ve oturum oturum geri bildirim sağlamalıdır; araştırmacı veya terapist tarafından kurulum ve ayarlamaya rehberlik etmek için bir kullanıcı arayüzü sağlamalıdır; ve son olarak, sinyal verilerini ve meta bilgileri standartlaştırılmış bir biçimde depolamalı ve düzenlemelidir.
Uyandırılmış potansiyel çalışan koşullandırma sistemi (EPOCS), bu olağanüstü ihtiyaca cevabımızdır. Kaputun altında, yazılım dünya çapında yüzlerce laboratuvarda kullanılan açık kaynaklı bir nöroteknoloji platformu olan BCI2000’e dayanmaktadır 7,8. EPOCS’de, BCI2000’in normal kullanıcı arayüzü gizlenir ve uyarılmış potansiyel operasyonel koşullandırma protokolleri için optimize edilmiş aerodinamik bir arayüzle değiştirilir.
Mevcut makale ve beraberindeki video, EPOCS’nin belirli bir protokolde kullanımını göstermektedir: soleus kasındaki Hoffmann (H-) refleksinin boyutunu azaltmak için operant koşullandırma. Bu yanıt, diz sarsıntısı gerilme refleksinin elektriksel olarak ortaya çıkan analoğudur. H-refleks aşağı koşullandırmanın, iSCI 9,10,11,12,13’lü hayvanlarda ve iSCI, multipl skleroz veya inme 5,14,15’li insanlarda klonusun etkisini azalttığı ve böylece hareketi iyileştirdiği gösterilmiştir. Hayvanlarda ve nörolojik yaralanması olan veya olmayan kişilerde olumsuz yan etki olmaksızın uygulanabilir16,17.
Çalışan koşullandırma protokolü, her biri birkaç saniye süren birden fazla deneme gerçekleştirerek çalışır. Bir denemenin olay sırası, Şekil 1’de şematik olarak gösterilmiştir ve sayılar aşağıdaki işlevleri gösterir:
1. Sürekli arka plan EMG’si, bipolar yüzey elektrotlarından hedef kas (soleus) ve antagonisti (tibialis anterior) üzerinden kaydedilir. Arka plan seviyesi, sürgülü bir pencerede yüksek geçişli filtrelenmiş sinyalin ortalama düzeltilmiş değeri olarak değerlendirilir.
2. Hedef kastaki arka plan EMG seviyesi, katılımcının ekranında sürekli güncellenen bir çubuğun yüksekliği olarak gösterilir. Bu, katılımcının aktiviteyi belirli bir aralıkta (taranmış bölge) tutmasına yardımcı olur.
3. Yazılım, elektriksel stimülasyon için uygun anı değerlendirir ve uyarıcıyı buna göre tetikler. Temel kriterler, önceki stimülasyondan bu yana en az 5 sn geçmiş olması ve arka plan EMG seviyesinin 2 s boyunca sürekli olarak belirtilen aralıkta kalmış olmasıdır.
4. Sabit akımlı bir stimülatör, tibial sinire transkutan olarak bir elektrik darbesi gönderir (tipik olarak monofazik, 1 ms süreli).
5. Ortaya çıkan uyaran kilitli yanıt kaydedilir. Yazılım, özellikle ilgilenilen iki bileşenin boyutlarını hesaplar: motor aksonun doğrudan uyarılmasından kaynaklanan kas aktivasyonunu yansıtan önceki M-dalgası; ve daha sonra omurilikteki bir refleks yayı aracılığıyla iletilen sinyali yansıtan H-refleksi 18,19,20,21,22. EPOCS bunları sırasıyla referans yanıt ve hedef yanıt olarak ifade eder.
6. Mevcut deneme için H-refleks boyutu, başarılı veya başarısız bir denemeyi tanımlayan istenen bir kriter seviyesine göre ikinci bir çubuğun yüksekliği olarak görüntülenir. Aşağı koşullandırma için, H refleks boyutu kriterin altına düşerse çubuk koyu yeşildir veya düşmediyse parlak kırmızıdır (yukarı koşullandırma için tam tersi). Aynı zamanda, kümülatif başarı oranının sayısal gösterimi buna göre güncellenir. Birlikte, bu grafik gösterim öğeleri, edimsel koşullanmanın dayandığı anında pozitif veya negatif takviyeyi sağlar23.
Şekil 1: Soleus H-refleksinin aşağı koşullandırılması sırasında EPOCS’nin temel işlevselliğinin şematik gösterimi. Katılımcı, arka plan EMG seviyesini, en son H-refleks boyutunu, mevcut 75 çalıştırmada şimdiye kadar tamamlanan deneme sayısını ve çalışma için başarılı denemelerin çalışma oranını gösteren büyük bir monitör ekranını görüntüler. Bir denemedeki olayların sırası, Giriş’te açıklandığı gibi 1-6 sayılarıyla gösterilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Bir insan H-refleks koşullandırma protokolü tipik olarak 6 temel seanstan oluşur, bunu 3 seans / hafta oranında 10 haftaya yayılmış 24-30 şartlandırma seansı ve sonraki 3-6 ay boyunca birkaç takip seansıizler 14,16. Her seans 60-90 dakika sürer.
Bu protokolü ve diğer ilgili protokolleri desteklemek için EPOCS, her biri ana penceresinin sekmelerinden biri tarafından sunulan Stimulus Test, Gönüllü Kasılma, İşe Alım Eğrisi, Kontrol Denemeleri ve Eğitim Denemeleri başlıklı beş farklı çalışma moduna sahiptir.
Stimulus Test modunda, yazılım her birkaç saniyede bir, hedef kasın durumuna bağlı olmayan bir uyaranı tetikler. Yanıt sinyalleri her uyarandan sonra ekranda gösterilir. Bu, operatörün elektrot bağlantılarının ve EMG sinyalinin kalitesini doğrulamasını sağlar; uyarıcı ve kayıt elektrotlarının konumunu optimize etmek; ve bireyin tepki morfolojisini oluşturmak.
Gönüllü Kasılma modunda, yazılım arka plan EMG seviyesini ölçer ve gösterirken, katılımcının elektriksel stimülasyon yokluğunda kası mümkün olduğunca kasılmaya teşvik edilir. Bazı protokollerde, maksimum gönüllü kasılmadaki EMG seviyesi (MVC), arka plan EMG kriterlerini ayarlamak için yararlı bir referanstır. Burada gösterilen protokolde, bu gerekli değildir, çünkü stabil bir ayakta durma duruşu, soleus kasının aktivitesini yeterince standartlaştırır.
İşe Alım Eğrisi modunda, stimülasyon, doğru aralıkta kalan arka plan EMG seviyesine (ekranda sürekli olarak gösterilen) bağlıdır; yanıt sinyalleri her uyarandan sonra ekranda gösterilir; ve yanıtların sırası bir çalıştırmanın sonunda analiz edilebilir. Bu, operatörün ilgilenilen yanıtların göründüğü zaman aralıklarının başlangıcını ve bitişini belirlemesini sağlar; şartlandırma çalışmalarından önce ve sonra stimülasyon yoğunluğu ve tepki boyutu arasındaki ilişkiyi belirlemek; ve şartlandırma için kullanılacak stimülasyon yoğunluğunu belirlemek.
Kontrol Denemeleri modunda, stimülasyon arka plan EMG seviyesine bağlıdır (ekranda sürekli olarak gösterilir), ancak hedef yanıt boyutu hakkında hiçbir geri bildirim verilmez. Yanıt boyutlarının sırası ve dağılımı analiz edilebilir. Bu mod, yanıt boyutunun temel ölçümlerini toplamak için veya bir çapraz veya denekler arası deneysel tasarımda çalışan koşullandırmaya karşı karşılaştırma için bir kontrol koşulu olarak kullanılabilir. Her seansın başında çalışma koşullandırması için performans kriterini belirlemek için bir temel oluşturabilir.
Son olarak, Eğitim Denemeleri modunda, stimülasyon arka plan EMG seviyesine bağlıdır (ekranda sürekli olarak gösterilir) ve yukarıda açıklandığı ve Şekil 1’de gösterildiği gibi hedef yanıt boyutu gösterilerek deneme denemesi takviyesi de sağlanır. Bu, çalışma koşullandırmasının gerçekleştirildiği moddur.
Bir sonraki bölüm, nörolojik yaralanma olmayan yetişkin bir katılımcıda soleus H-refleksini aşağı koşullandırma protokolünü göstererek okuyucuya beş mod boyunca rehberlik edecektir.
Yukarıda tarif edilen protokol, nörolojik bozukluğu olmayan tipik bir yetişkinde soleus H-refleks aşağı koşullandırılmasını göstermek için uygundur. Kesin parametre değerleri kişiden kişiye ve özellikle bozulmanın bir fonksiyonu olarak değişebilir. Katılımcının işe alım eğrisi, videoda yaklaşık 25 mA’lık uyarıcı bir akımda Mmaksimuma ulaşırken, başka bir kişi 50 mA veya daha fazlasına ihtiyaç duyabilir, bu nedenle akım, işe alım eğrisi ölçümü sırasında daha büyük adımlarda artırılacaktır. Ayrıca daha uzun bir nabız süresi gerektirebilirler. Üçüncü bir kişi daha hassas olabilir ve daha küçük akım ayarları gerektirebilir. Protokolün ayrıca koşullandırılan kaslara göre uyarlanması gerekir. Örneğin, fleksör carpi radialis kası24,25’i hedeflerken, genellikle daha düşük bir akım ayarı kullanılır; Gönüllü Kasılma modu, arka plan-EMG sınırları için bir ölçek oluşturmak için kullanılmalıdır; ve hem elektrot yerleşiminin optimizasyonu sırasında hem de duruşun optimizasyonu sırasında daha fazla özen gösterilmelidir, bu da daha sonra denemeler boyunca sabit tutulmalıdır.
Protokol, uyarıcı akım ayarı ile sinire gerçekte verilen akım miktarı arasındaki ilişkideki değişikliklere duyarlıdır – bu, duruştaki küçük değişikliklerden, katılımcının hidrasyonundan ve yapışkan elektrot jelinin kurumasından etkilenebilir. H-refleks koşullandırmasında, bu sorun, etkili stimülasyon yoğunluğunun bir göstergesi olarak M-dalgası boyutu kullanılarak hafifletilebilir. Uyaran tarafından uyarılan soleus motoneuron efferent aksonların sayısını yansıtır. Bu nedenle, eğer M-dalgası boyutu sabit tutulursa, uyaran tarafından uyarılan birincil afferent aksonların sayısının, yani H-refleksini ortaya çıkaran aksonların sayısının da sabit tutulduğu anlamına gelir (ayrıca bakınız Crone ve ark.26). Bu nedenle, bu M-dalgası yazılımdaki referans yanıtı olarak adlandırılır. Bu nedenle, adım 4.5.12. hedef M-dalga boyutunun kaydedilmesi gerektiğinden bahseder. Aslında bu yanıt boyutunu kabaca sabit tutmak, nominal akımı kesinlikle sabit tutmaktan daha önemlidir. Analiz penceresinin Sıra sekmesi, her çalıştırmada M-dalgası sabitliğinin geriye dönük olarak doğrulanmasını sağlar; soleus H-refleks koşullandırması için, bu genellikle herhangi bir sorunu düzeltmek için yeterlidir. Daha fazla kontrol için, deneme deneme manuel ayarlamaya rehberlik eden gerçek zamanlı M dalgası analizlerini görüntülemek üzere bilgisayara ikinci bir monitör takılabilir. Bu kontrol görevinin otomasyonu devam eden bir projedir27.
Günlük varyasyon ayrıca bir kişinin elektrofizyolojik tepkilerini de etkileyebilir 28,29,30,31. Bu nedenle tüm seansların günün aynı saatinde, yani aynı 3 saatlik zaman dilimi içerisinde yapılması önerilir.
Çalışma koşullandırmasının başarısı, operatör tarafından H-refleksini tanımlamak için seçilen zaman aralığının doğruluğuna duyarlı olabilir; özellikle, aralık çok geniş olmamalıdır. Doğru aralık tanımı için ayrıntılı yönergeler geçerli makalenin kapsamı dışındadır. Bu aynı zamanda yazılımın gelecekteki sürümlerinde otomatikleştirilecek bir işlevdir.
Protokoldeki kritik bir adım, operatörün her sabit deneme sayısından sonra uyarıcı akımını manuel olarak tekrar tekrar arttırdığı 4.5.6. adımdır. Buradaki denemeleri yanlış saymak veya mevcut kadranı yanlış ayarlamak, ortaya çıkan işe alım eğrisinin bozulmasına neden olabilir. Bu kullanıcı hatası olasılığı, belirli bir uyarıcı modeli için mevcut ayarın otomasyonuna izin veren Digitimer Link seçeneği etkinleştirilerek azaltılabilir.
Bu makale, EPOCS’nin potansiyel klinik uygulamalarının en gelişmiş olanı olduğu için H-refleks koşullandırmasına odaklanmıştır. Mevcut yazılım, araştırmacılara bu protokolü geniş klinik yayılıma doğru ilerletmek için devam eden çabalarda yardımcı olmaktadır32. H-refleks koşullandırmasının ötesinde, EPOCS mevcut haliyle daha çeşitli stimülasyon yöntemlerine ve uyarılmış tepkilere de uygulanabilir. Örneğin,aynı zamanda 33,34,35 şartlandırılabilen bir gerilme refleksi ortaya çıkaran mekanik bir cihazı eşit derecede iyi tetikleyebilir. Yaklaşım, bireyin bozukluklarına uyarlanabilir; bir kişide, soleus H-refleksinin aşağı koşullandırılması, spastik hiperrefleksiyi azaltarak hareketi iyileştirir14; bir diğerinde, tibialis anterior MEP’nin yukarı koşullandırılması, ayak düşmesini hafifleterek hareketi iyileştirir36.
Protokolün ticari bir uygulamasını üretmek için çabalar devam ederken, orijinal yazılım, hedeflenen nöroplastisite alanını genişletmek için gerekli esnekliği sağlamak için bir araştırma aracı olarak paralel olarak korunacaktır. Bu esneklik, EPOCS’nin dayandığı yaygın ve köklü BCI2000 yazılım platformunun modülerliği ve genişletilebilirliği ile sağlanır. Bu, bir yazılım mühendisinin minimum müdahalesiyle, sistemin daha da çeşitli araştırma amaçları için yeniden yapılandırılabileceği anlamına gelir. Örneğin, hareket sırasında koşullandırma için ek biyosinyal kanalları veya daha sonraki analizler için ek sensörler (örneğin, ayak pedalı anahtarları ve hareket izleme sensörleri) kaydedecek şekilde yapılandırılabilir. Ayrıca, stimülasyon için ek tetikleyici kriterleri göz önünde bulundurmak (örneğin, yürüyüş döngüsünün yalnızca belirli bir bölümünde stimülasyonu tetiklemek) veya başarılı veya başarısız denemelerde ek takviye uyaranlarını tetiklemek üzere programlanabilir. Örnek özelleştirme dosyaları verilmiştir.
Hedeflenen nöroplastisite hala emekleme aşamasındadır. Henüz keşfedilmemiş yollarının, hem yeni terapötik yaklaşımlar geliştirmek (yukarıda tartışıldığı gibi) hem de hastalığın doğal tarihini ve hem sağlıkta hem de hastalıkta merkezi sinir sistemi fonksiyon mekanizmalarını aydınlatmak için büyük faydalar sağlaması beklenmektedir 2,32,37. Bu nedenle, EPOCS’yi bu terapötik ve bilimsel potansiyeli gerçekleştirmek için kilit bir araç olarak sürdürmeye ve desteklemeye kararlıyız.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma 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) ve Stratton Albany VA Tıp Merkezi tarafından desteklenmiştir.
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 |