L’Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) : un outil de recherche et une thérapie émergente pour les maladies neuromusculaires chroniques

Summary

Le système de conditionnement opérant potentiel évoqué facilite l’investigation scientifique de la fonction sensorimotrice et peut administrer un entraînement neurocomportemental ciblé qui peut avoir un impact sur la réadaptation sensorimotrice dans les troubles neuromusculaires. Cet article décrit ses capacités et illustre son application dans la modification d’un simple réflexe rachidien pour obtenir une amélioration durable de la fonction motrice.

Abstract

L’Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) est un outil logiciel qui met en œuvre des protocoles pour conditionner de manière opérante les réponses musculaires déclenchées par un stimulus chez les personnes atteintes de troubles neuromusculaires, ce qui peut à son tour améliorer la fonction sensorimotrice lorsqu’il est appliqué de manière appropriée. EPOCS surveille l’état de muscles cibles spécifiques – par exemple, à partir de l’électromyographie de surface (EMG) en position debout ou des mesures du cycle de marche en marchant sur un tapis roulant – et déclenche automatiquement une stimulation calibrée lorsque des conditions prédéfinies sont remplies. Il fournit deux formes de rétroaction qui permettent à une personne d’apprendre à moduler l’excitabilité de la voie ciblée. Tout d’abord, il surveille en permanence l’activité EMG en cours dans le muscle cible, guidant la personne pour produire un niveau constant d’activité adapté au conditionnement. Deuxièmement, il fournit une rétroaction immédiate de la taille de la réponse après chaque stimulation et indique si elle a atteint la valeur cible.

Pour illustrer son utilisation, cet article décrit un protocole par lequel une personne peut apprendre à diminuer la taille du réflexe d’Hoffmann – l’analogue électriquement provoqué du réflexe d’étirement de la colonne vertébrale – dans le muscle soléaire. Le conditionnement de l’excitabilité de cette voie peut améliorer la marche chez les personnes ayant une démarche spastique en raison d’une lésion incomplète de la moelle épinière. L’article montre comment configurer l’équipement; comment placer des électrodes stimulantes et d’enregistrement; et comment utiliser le logiciel libre pour optimiser le placement des électrodes, mesurer la courbe de recrutement des réponses motrices et réflexes directes, mesurer la réponse sans conditionnement opérant, conditionner le réflexe et analyser les données résultantes. Il illustre comment le réflexe change au fil des séances multiples et comment la marche s’améliore. Il traite également de la façon dont le système peut être appliqué à d’autres types de réponses évoquées et à d’autres types de stimulation, par exemple, les potentiels évoqués moteurs à la stimulation magnétique transcrânienne; comment il peut traiter divers problèmes cliniques; et comment il peut soutenir les études de recherche sur la fonction sensorimotrice dans la santé et la maladie.

Introduction

Au cours de la dernière décennie, des stratégies ciblées de neuroplasticité ont émergé comme une nouvelle approche pour la réhabilitation des déficiences neurologiques ^1,2. L’une de ces stratégies est le conditionnement opérant d’un potentiel évoqué. Cela implique de provoquer à plusieurs reprises des réponses électrophysiologiques qui peuvent être mesurées de manière non invasive – par exemple, par électroencéphalographie (EEG) ou électromyographie de surface (EMG) – et de donner à la personne une rétroaction immédiate sur la taille de chaque réponse par rapport à un niveau de critère fixé par le thérapeute ou l’investigateur. Au fil du temps, ce protocole entraîne la personne à augmenter ou à diminuer sa réponse et peut, par conséquent, cibler un changement bénéfique sur un site du système nerveux central qui est important dans un comportement tel que la locomotion ou la portée. Le changement ciblé améliore la performance et, en outre, permet une meilleure pratique qui conduit à un changement bénéfique généralisé qui améliore l’ensemble du comportement. Par exemple, chez les personnes atteintes d’une lésion médullaire incomplète (SICi) chez qui le clonus altère la locomotion, le conditionnement opérant qui réduit le réflexe de Hoffmann dans le muscle soléaire d’une jambe améliore l’activité musculaire locomotrice dans les deux jambes, augmentant ainsi la vitesse de marche et rétablissant la symétrie de pas droit / gauche 1,3,4,5 . Un autre exemple est celui de la stimulation par impulsions appariées, qui peut augmenter durablement la taille du potentiel évoqué moteur (MEP) à la stimulation magnétique transcrânienne, améliorant ainsi la fonction de portée et de préhension chez les personnes atteintes d’une déficience chronique des mains et des bras après iSCI⁶.

La mise en œuvre de tels protocoles nécessite un logiciel spécial qui doit exécuter plusieurs fonctions. Plus précisément, il doit continuellement acquérir, traiter et enregistrer des signaux électrophysiologiques; il doit surveiller en permanence l’état du système nerveux et déclencher une stimulation appropriée dans des contraintes strictes en temps réel; il doit fournir une rétroaction continue moment par moment, une rétroaction essai par essai et une rétroaction session par session; il doit fournir une interface utilisateur pour guider la configuration et le réglage par l’investigateur ou le thérapeute; et, enfin, il doit stocker et organiser les données de signal et les méta-informations dans un format normalisé.

Le système de conditionnement opérant potentiel évoqué (EPOCS) est notre réponse à ce besoin exceptionnel. Sous le capot, le logiciel est basé sur BCI2000, une plate-forme neurotechnologique open source utilisée dans des centaines de laboratoires à travers le monde ^7,8. Dans EPOCS, l’interface utilisateur habituelle de BCI2000 est masquée et remplacée par une interface simplifiée optimisée pour les protocoles de conditionnement opérationnels potentiels évoqués.

Le présent article et la vidéo qui l’accompagne illustrent l’utilisation d’EPOCS dans un protocole particulier: le conditionnement opérant pour réduire la taille du réflexe de Hoffmann (H-) dans le muscle soléaire. Cette réponse est l’analogue électriquement provoqué du réflexe d’étirement instinctif. Il a été démontré que le conditionnement du réflexe H réduit l’impact du clonus sur, et améliore ainsi, la locomotion chez les animaux atteints d’iSCI 9,10,11,12,13 et chez les humains atteints d’iSIC, de sclérose en plaques ou d’accident vasculaire cérébral 5,14,15. Il peut être appliqué sans effets secondaires indésirables chez les animaux et les personnes avec ou sans lésion neurologique^16,17.

Le protocole de conditionnement opérant fonctionne en effectuant plusieurs essais, chacun d’une durée de plusieurs secondes. La séquence des événements d’un essai est représentée schématiquement à la figure 1, avec des nombres désignant les fonctions suivantes :

1. L’EMG de fond continu est enregistré à partir d’électrodes de surface bipolaires sur le muscle cible (soléaire) et son antagoniste (tibial antérieur). Le niveau de fond est évalué comme la valeur moyenne rectifiée du signal filtré passe-haut dans une fenêtre coulissante.

2. Le niveau EMG de fond dans le muscle cible est affiché comme la hauteur d’une barre, continuellement mise à jour sur l’écran du participant. Cela aide le participant à maintenir l’activité dans une plage spécifiée (région hachurée).

3. Le logiciel juge le moment approprié pour la stimulation électrique et déclenche le stimulateur en conséquence. Les critères principaux sont qu’au moins 5 s doivent s’être écoulés depuis la stimulation précédente et que le niveau EMG de fond doit être resté dans la plage spécifiée de manière continue pendant 2 s.

4. Un stimulateur à courant constant délivre une impulsion électrique transcutanée au nerf tibial (généralement monophasique, avec une durée de 1 ms).

5. La réponse bloquée par stimulus qui en résulte est enregistrée. Le logiciel calcule la taille de deux composants particulièrement intéressants: l’onde M antérieure, qui reflète l’activation musculaire résultant de la stimulation directe de l’axone moteur; et le réflexe H ultérieur, qui reflète le signal relayé par un arc réflexe dans la moelle épinière 18,19,20,21,22. EPOCS les désigne comme la réponse de référence et la réponse cible, respectivement.

6. La taille du réflexe H pour l’essai en cours est affichée comme la hauteur d’une deuxième barre, par rapport à un niveau de critère souhaité qui définit un essai réussi ou infructueux. Pour le down-conditioning, la barre est vert foncé si la taille H-reflex est inférieure au critère, ou rouge vif si elle ne l’a pas fait (vice versa pour le conditionnement ascendant). Simultanément, l’affichage numérique du taux de réussite cumulé est mis à jour en conséquence. Ensemble, ces éléments d’affichage graphique fournissent le renforcement positif ou négatif immédiat sur lequel repose le conditionnement opérant²³.

Figure 1 : Illustration schématique de la fonctionnalité de base d’EPOCS lors du conditionnement négatif du réflexe H du soléaire. Le participant voit un grand écran de moniteur qui montre le niveau EMG de fond, la taille H-reflex la plus récente, le nombre d’essais terminés jusqu’à présent dans la course actuelle de 75 et la proportion d’essais réussis pour la course. La séquence des événements dans un essai est indiquée par les chiffres 1 à 6, comme décrit dans l’introduction. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Un protocole de conditionnement H-reflex humain se compose généralement de 6 séances de base, suivies de 24 à 30 séances de conditionnement réparties sur 10 semaines à raison de 3 séances / semaine, et de plusieurs séances de suivi au cours des 3 à 6 mois suivants^14,16. Chaque séance dure 60-90 min.

Pour prendre en charge ce protocole ainsi que d’autres protocoles connexes, EPOCS dispose de cinq modes de fonctionnement distincts, chacun servi par l’un des onglets de sa fenêtre principale, intitulé Test de stimulus, Contraction volontaire, Courbe de recrutement, Essais de contrôle et Essais de formation.

En mode Test de stimulation, le logiciel déclenche un stimulus toutes les quelques secondes, pas nécessairement en fonction de l’état du muscle cible. Les signaux de réponse sont affichés à l’écran après chaque stimulus. Cela permet à l’opérateur de vérifier la qualité des connexions d’électrodes et du signal EMG; optimiser la position des électrodes de stimulation et d’enregistrement; et d’établir la morphologie de la réponse de l’individu.

En mode Contraction volontaire, le logiciel mesure et affiche le niveau d’EMG de fond tandis que le participant est encouragé à contracter le muscle autant que possible, en l’absence de stimulation électrique. Dans certains protocoles, le niveau EMG à la contraction volontaire maximale (MVC) est une référence utile pour définir les critères EMG de base. Dans le protocole démontré ici, cela n’est pas nécessaire, car une posture debout stable standardise suffisamment l’activité du muscle soléaire.

En mode Courbe de recrutement, la stimulation dépend du niveau EMG de fond (affiché en continu à l’écran) restant dans la bonne plage ; les signaux de réponse sont affichés à l’écran après chaque stimulus; et la séquence des réponses peut être analysée à la fin d’une course. Cela permet à l’opérateur de déterminer le début et la fin des intervalles de temps dans lesquels les réponses d’intérêt apparaissent; déterminer la relation entre l’intensité de la stimulation et la taille de la réponse, avant et après les cycles de conditionnement; et de déterminer l’intensité de stimulation à utiliser pour le conditionnement.

En mode Essais témoins, la stimulation dépend du niveau EMG de fond (affiché en continu à l’écran), mais aucun retour n’est donné sur la taille de réponse cible. La séquence et la distribution des tailles de réponse peuvent être analysées. Ce mode peut être utilisé pour recueillir des mesures de base de l’ampleur de la réponse, ou comme condition de contrôle pour la comparaison avec le conditionnement opérant dans un plan expérimental croisé ou entre sujets. Il peut servir de base à la définition du critère de performance pour le conditionnement opérant au début de chaque session.

Enfin, en mode Essais d’entraînement, la stimulation dépend du niveau EMG de fond (affiché en continu à l’écran), et le renforcement essai par essai est également fourni en montrant la taille de réponse cible, comme décrit ci-dessus et illustré à la figure 1. C’est le mode dans lequel le conditionnement opérant est effectué.

La section suivante guidera le lecteur à travers les cinq modes en démontrant le protocole de conditionnement négatif du réflexe H soléaire chez un participant adulte sans lésion neurologique.

Protocol

Toutes les procédures décrites ici ont été approuvées par le comité d’examen institutionnel du Stratton VA Medical Center (numéro d’approbation 1584762-9). Le participant à la vidéo a donné son consentement éclairé pour l’utilisation de son image et des signaux EMG dans cette publication. REMARQUE : Les termes en gras indiquent les étiquettes qui doivent être visibles sur le matériel et/ou dans l’interface utilisateur graphique du logiciel. 1. Configuration du logiciel Accédez à https://neurotechcenter.org/epocs pour obtenir des instructions sur l’obtention du dernier programme d’installation du logiciel. Installez le logiciel à l’aide du programme d’installation téléchargé. Assurez-vous que les pilotes et les logiciels du fabricant nécessaires sont installés pour le numériseur. Assurez-vous notamment que l’installation de NI-DAQmx inclut la prise en charge 64 bits. Lancez l’application NI-MAX, sélectionnez le périphérique à utiliser sous Périphériques et interfaces, et assurez-vous que son nom est Dev1. Ensuite, sous Configurer > états de mise sous tension, assurez-vous que la case État de la ligne pour le port 0 ligne 7 est décochée (mise à zéro). En outre, mettez à zéro la case à cocher Tristate correspondante, s’il y en a une. À l’aide de l’outil Ajout/Suppression de programmes , supprimez tous les logiciels inutiles susceptibles de consommer par intermittence des ressources processeur en arrière-plan, car cela peut entraîner des problèmes dans le traitement du signal en temps réel. Assurez-vous de supprimer toutes les suites de mises à jour logicielles / utilitaires de résolution des problèmes fournies par le fabricant de l’ordinateur, car elles sont connues pour causer de graves problèmes de performances.REMARQUE: Les étapes d’installation du logiciel ci-dessus ne doivent être effectuées qu’une seule fois pour une configuration matérielle donnée. 2. Configuration du matériel Configurez le numériseur pour coordonner les entrées et les sorties comme décrit ci-dessous.À l’aide d’un court morceau de fil isolé à âme solide, fixez la borne à ressort pour le port de sortie numérique 0 ligne 7 (marquée P0.7 – ou éventuellement DIO7 sur les équipements plus anciens) à la borne du ressort pour la sortie USER . Connectez un connecteur en T BNC femelle/mâle/femelle à la sortie USER . Connectez la sortie USER au port d’entrée de déclenchement externe du stimulateur. Connectez respectivement les premier et deuxième câbles de signaux EMG amplifiés aux premier et deuxième canaux d’entrée analogiques de la carte d’acquisition de données. Ceux-ci sont marqués AI0 et AI1 – ou éventuellement ACH0 et ACH1 sur les équipements plus anciens. Établissez une connexion supplémentaire à partir de la sortie USER vers le troisième canal d’entrée analogique (marqué AI2 ou ACH2). Configurez le stimulateur à courant constant comme décrit ci-dessous.REMARQUE: Pour rendre le protocole généralisable à une variété de marques et de modèles de stimulateurs, cet article décrit le contrôle manuel de l’intensité du stimulus plutôt que de tirer parti de l’option de contrôle automatique des modèles de stimulateurs particuliers.Allumez le stimulateur et configurez-le pour qu’il délivre des impulsions monophasiques de 1 ms. Pour le modèle DS8R, assurez-vous que l’intensité du stimulus est contrôlée par le panneau avant ou l’interface USB, et non par l’entrée analogique arrière. Branchez le long câble de sortie et connectez-le aux fils encliquetables qui se fixeront aux électrodes stimulantes. Configurez l’amplificateur analogique pour fournir au moins deux canaux EMG comme décrit ci-dessous.Allumez l’amplificateur. Assurez-vous que toutes les valeurs GAIN de canal sont à leur valeur par défaut de 500 et que les boutons VARIABLE correspondants sont tournés vers leur valeur minimale de 1. Connectez l’unité portable à l’amplificateur à l’aide du long câble. Insérez deux piles carrées de 9 V dans la batterie de l’unité portable. Attachez l’unité portable et la batterie autour de la taille du participant. 3. Préparation des électrodes de stimulation et d’enregistrement Utilisez tous les repères ou mesures précédemment notés pour recréer le plus fidèlement possible les positions d’électrodes spécifiques aux participants précédents. Préparez la peau à l’endroit où les électrodes seront attachées en essuyant avec des tampons d’alcool pour éliminer l’excès d’huile, puis essuyez avec une serviette en papier pour éliminer les peaux mortes. Fixez les électrodes de stimulation en position pour stimuler le nerf tibial avec précision, avec un effet minimal sur le nerf péronier commun. Utilisez la plus grande électrode (22 mm x 35 mm) comme anode et placez-la au sommet de la fosse poplitée où le nerf sciatique se ramifie en nerfs tibial et péronier commun. Placez la cathode (22 mm x 22 mm) au pli du genou, directement sous l’anode, avec une séparation de 3-4 cm entre les centres d’électrodes. Fixez les électrodes d’enregistrement EMG dans un montage bipolaire au niveau du muscle cible (soléaire) comme suit.Pour déterminer l’emplacement correct, trouvez d’abord le muscle gastrocnémien en palpant pendant que le participant alterne entre se tenir debout sur ses orteils et se tenir debout naturellement. Placez la première électrode directement sous le bord distal du ventre du muscle gastrocnémien. Placez la deuxième électrode sous la première, avec un espacement de 5 cm entre les centres d’électrodes. Gardez les deux électrodes alignées avec le tendon d’Achille. Fixez les électrodes d’enregistrement EMG dans un montage bipolaire au niveau du muscle antagoniste (tibial antérieur). Pour ce faire, identifiez le muscle en palpant pendant que le participant soulève (dorsiflexes) ses orteils. Placez les électrodes sur le ventre musculaire, à environ 1/3 de la descente de la tête fibulaire à la cheville, avec une séparation verticale de 5 cm entre les centres d’électrodes. Fixez une électrode de masse à la rotule. Connectez les fils de l’amplificateur EMG comme suit. Branchez l’électrode active collée en vert sur le canal 1 de l’unité portable et connectez les clips rouges aux électrodes musculaires cibles (soléaire) et le clip vert à l’électrode de masse. Branchez l’électrode active scotchée en noir sur le canal 2 de l’unité portable et connectez les clips aux électrodes musculaires antagonistes (tibial antérieur). Connectez la batterie à l’unité portable. Connectez les conduites de stimulation aux électrodes de stimulation. 4. Utilisation du logiciel EPOCS Positionnez le moniteur de manière à ce que l’investigateur et le sujet (ou le thérapeute et le patient) puissent le voir clairement. Lancez une session EPOCS.REMARQUE: Une séance est définie comme une visite au laboratoire ou à la clinique, généralement d’une durée de 60 à 90 minutes.Double-cliquez sur l’icône EPOCS pour lancer l’application. Entrez le code d’identification du participant (ou choisissez dans la liste des ID précédemment utilisés). S’il s’agit de la continuation d’une session existante, par exemple, si le logiciel a dû être relancé à la suite d’une interruption, appuyez sur Continuer la session. Cela ne sera disponible que si une session pour le participant spécifié a été démarrée au cours des 3 dernières heures. Sinon, appuyez sur Démarrer une nouvelle session. Cela créera un nouveau dossier de données, horodaté et marqué avec l’ID du participant. Vérifiez l’emplacement de l’électrode et la qualité du contact et ajustez si nécessaire.Assurez-vous que l’onglet Test de stimulus est affiché. Dans Paramètres > Stimulation, configurez l’intervalle min. pour le test de stimulation sur 3 s. Notez que ceci est configuré séparément de l’intervalle min. pour une utilisation normale, qui sera généralement plus long, environ 5 s. Laissez le paramètre Digitimer Link désactivé.REMARQUE: Lorsqu’elle est activée, l’option Digitimer Link permet au logiciel de contrôler l’intensité de la stimulation lors de l’utilisation de certains modèles de stimulateurs. Le protocole actuel démontre plutôt le contrôle manuel de l’intensité du stimulus, qui est applicable à plusieurs marques et modèles de stimulateurs. Sur le panneau de commande du stimulateur, réglez l’intensité du stimulus sur 5 mA et activez la stimulation. Demandez au participant de se tenir debout, les mains soutenant partiellement son poids sur un déambulateur si nécessaire. Avertissez le participant de s’attendre à une stimulation, puis appuyez sur Démarrer pour commencer une nouvelle exécution (c’est-à-dire pour commencer à enregistrer des signaux en continu dans un nouveau fichier). Les exécutions seront numérotées séquentiellement et leurs fichiers ne se remplaceront jamais. Chaque répétition de stimulation est appelée un essai. Les réponses EMG obtenues dans chaque essai sont affichées immédiatement. Évaluer l’onde M et le réflexe H provoqués dans le muscle cible (la trace bleue supérieure) et le muscle antagoniste (la trace rouge inférieure). Si nécessaire, augmentez progressivement le courant jusqu’à 10 mA ou plus, jusqu’à ce que les réponses apparaissent clairement. Pour trouver l’emplacement optimal pour stimuler (c’est-à-dire l’emplacement qui donne le plus grand réflexe H), comparez les potentiels évoqués après avoir déplacé la cathode d’une largeur d’électrode complète médialement, puis latéralement, suivie d’une demi-largeur d’électrode médialement puis latéralement, et enfin d’une largeur d’électrode complète vers le haut puis vers le bas. Marquez, notez et photographiez la position des électrodes pour faciliter le repositionnement lors des sessions futures. Si possible, faites un moulage en plâtre du mollet et de l’arrière du genou et faites des trous dans le plâtre qui permettent de réappliquer les marques avec précision. Une fois que les positions optimales pour les électrodes ont été trouvées, remplacez les électrodes repositionnées par de nouvelles électrodes. Pour le conditionnement des soléaires, ignorez l’onglet Contraction volontaire . Mesurer les tailles maximales d’ondes M et de réflexes H (M.max et H.max) en traçant la courbe de recrutement, c’est-à-dire la relation entre l’intensité du stimulus et la réponse. Mesurer la courbe de recrutement comme suit, avant et après les essais de contrôle ou de formation à chaque session. Lors de la première séance, utilisez la courbe de recrutement pour guider la sélection d’une intensité de stimulation appropriée à utiliser tout au long du processus de conditionnement.Passez à l’onglet Courbe de recrutement . Dans Paramètres > EMG, configurez les plages dans lesquelles les valeurs EMG d’arrière-plan cible et antagoniste doivent rester pour activer la stimulation. Pour le soléaire, en supposant que la contraction volontaire maximale n’a pas été mesurée, il suffit de s’assurer que les fourchettes englobent les niveaux EMG générés par la mise en charge naturelle pendant la position debout. Réglez la durée de maintien en arrière-plan sur 2 s pour dicter combien de temps le participant doit continuellement maintenir l’EMG dans la plage pour déclencher chaque stimulus.NOTA: Les limites supérieure ou inférieure peuvent être laissées en blanc si aucune restriction correspondante ne doit être imposée. Activer le stimulateur et régler l’intensité à la valeur minimale à utiliser dans la mesure de la courbe de recrutement : 5 mA. (Cette valeur est un exemple et doit être choisie au cas par cas – voir la discussion.) S’il s’agit de la première séance du participant, permettez-lui de s’entraîner à maintenir l’EMG dans la plage correcte pendant la durée requise, comme décrit ci-dessous.Avec le participant debout, appuyez sur Démarrer. Montrez au participant comment le niveau d’EMG de fond dans le muscle cible est affiché en temps réel comme la hauteur de la barre par rapport à une région ombrée qui montre la plage cible. Expliquez au participant que l’activité des deux muscles (cible et antagoniste) doit se situer dans les plages requises pour faire passer la barre d’un rouge vif à un vert plus foncé (bien que le niveau d’activité de l’antagoniste ne soit pas indiqué directement). Pour régler les plages d’arrière-plan, appuyez sur Arrêter suivi de Paramètres; ensuite, entrez les nouveaux numéros, appuyez sur OK, puis sur Recommencer . Appuyez sur Arrêter lorsque la course d’entraînement est terminée. Pour mesurer la courbe de recrutement, avec le participant debout, appuyez sur Démarrer. Si le réflexe H est déjà visible à l’intensité de départ choisie, diminuez progressivement le courant jusqu’à ce que le réflexe H ne soit plus visible. Ensuite, appuyez sur Arrêter , puis à nouveau sur Démarrer pour commencer l’exécution. Portez une attention particulière au compteur Essais terminés . Tous les quatre essais, augmentez manuellement l’intensité de la stimulation de 2 mA. (Cette valeur est un exemple et doit être choisie au cas par cas – voir la discussion.) Continuez jusqu’à ce que la taille de l’onde M atteigne un plateau, à condition que le participant ne signale pas d’inconfort. Appuyez sur Arrêter lorsque vous avez terminé et invitez le participant à s’asseoir pour se reposer. Notez les valeurs d’intensité de stimulus utilisées pour chaque essai. Associez tous les enregistrements écrits au numéro d’exécution affiché en haut à droite de la fenêtre. À la fin de chaque exécution, entrez ces informations manuellement dans le journal de session, ainsi que toutes les autres notes, via l’onglet Journal .REMARQUE: Si l’intensité de la stimulation est contrôlée manuellement, cette information ne sera pas enregistrée par le logiciel. Appuyez sur le bouton Analyse pour ouvrir la fenêtre d’analyse et autoriser la définition des ondes M et H comme suit. Dans le volet supérieur de la fenêtre d’analyse, examinez la superposition verrouillée par stimulus des signaux musculaires cibles de chaque essai de la dernière exécution. Utilisez la souris pour ajuster le début et la fin des intervalles de référence marron et de cible verte (dans le protocole de conditionnement opérant H-reflex, ceux-ci correspondent respectivement à l’onde M et au réflexe H). Lorsque les intervalles sont corrects, appuyez sur les boutons rouges Utiliser les minutages marqués pour enregistrer ces paramètres d’intervalle personnalisés pour des analyses ultérieures. Dans le volet Séquence, dans la moitié inférieure de la fenêtre d’analyse, évaluez la courbe de recrutement résultante. Ajustez les paramètres pour afficher l’amplitude crête à crête ou moyenne rectifiée et pour regrouper les résultats des essais consécutifs. Étant donné que le courant de stimulus a été augmenté tous les quatre essais, précisez Essais à regrouper : 4. Enregistrez les résultats M max et Hmax. S’il s’agit de la première séance du participant, optimisez les emplacements d’enregistrement EMG du muscle cible comme suit.Déplacez les électrodes de soléaire médialement d’une demi-largeur d’électrode (ou d’une largeur d’électrode complète si le muscle est assez large). Ensuite, répétez les étapes ci-dessus pour rassembler une courbe de recrutement complète et enregistrer les résultats M max et Hmax. Déplacez les électrodes de soléaire à la même distance latéralement par rapport à leur position d’origine et effectuez à nouveau une mesure de la courbe de recrutement pour estimer M max et Hmax. Adoptez le positionnement de l’électrode qui maximise Hmax et marquez, notez et photographiez leurs positions comme à l’étape 4.3.8. Choisissez une intensité de stimulus qui provoque un réflexe H proche du maximum – idéalement sur la pente ascendante (gauche) de la courbe de recrutement du réflexe H – mais avec la contrainte qu’il doit y avoir une onde M visible. Définissez cette valeur d’intensité de stimulus sur le stimulateur et notez-la pour les sessions futures. Notez également la taille de l’onde M correspondante (voir discussion). Mesurez la distribution des tailles des réflexes H sans donner de rétroaction de réponse comme suit.Passez à l’onglet Essais de contrôle . Avec le participant debout, appuyez sur Démarrer. Comme précédemment, demandez au participant d’utiliser la rétroaction fournie par la barre montante et descendante pour maintenir le niveau d’activité musculaire de fond dans la plage requise. S’il s’agit d’une séance de référence ou de suivi, effectuez 75 essais successifs à l’intensité de stimulus choisie. S’il s’agit d’une séance de conditionnement, effectuez seulement 20 essais. Après le nombre prescrit d’essais, appuyez sur Arrêter pour terminer l’exécution. Analyse de presse. Comme précédemment, évaluez la superposition des formes d’onde de réponse essai par essai dans le panneau supérieur et la séquence des tailles de réponse ci-dessous. Un nouvel onglet appelé Distribution est également activé par défaut, au-dessus de Séquence. Il montre la distribution des tailles H-reflex, avec des statistiques sommaires à droite. Appuyez sur Résultats du journal pour ajouter les statistiques récapitulatives au journal de session. S’il s’agit d’une session de référence, répétez les étapes ci-dessus pour un total de 3 séries de 75 essais chacune. Ensuite, passez à la mesure de la courbe de recrutement de clôture à l’étape 4.8. S’il s’agit d’une séance de conditionnement, définissez le percentile cible sur 66. Les niveaux des critères de conditionnement ascendant et descendant, ainsi que la médiane, sont indiqués par les lignes rouges verticales. Sélectionnez un critère de conditionnement en appuyant sur le bouton Up-Condition ou Down-Condition . Pour ce protocole, appuyez sur Down-Condition. Cette action sera consignée automatiquement et la fenêtre d’analyse se fermera.REMARQUE : Dans un protocole de conditionnement négatif, une valeur centile cible de 66 signifie qu’un essai réussi est défini comme un essai dans lequel la taille de réponse se situe dans les 66 % inférieurs de la distribution précédemment mesurée ; À l’inverse, dans le conditionnement ascendant, le succès signifie produire une taille de réponse dans les 66% supérieurs de la distribution. Effectuer le conditionnement opérant comme décrit ci-dessous.Passez à l’onglet Essais de formation . Avec le participant debout, appuyez sur Démarrer. Si le participant ne l’a jamais vu auparavant, attirez son attention sur la nouvelle barre de commentaires au milieu de l’écran. Expliquez qu’il montre la taille du réflexe H la plus récente par rapport à la plage cible hachurée. Si la réponse se situe dans la plage cible, l’essai sera considéré comme réussi et la barre sera vert foncé. S’il tombe en dehors de la plage, l’essai sera considéré comme infructueux et la barre sera d’un rouge plus vif. Tout au long de la course, motivez le participant à effectuer autant d’essais réussis que possible. Le nombre d’essais réalisés et la proportion d’essais qui ont réussi jusqu’à présent sont indiqués à droite de l’écran. Après 75 essais, appuyez sur Arrêter pour terminer la course. Appuyez sur le bouton Analyse . La fenêtre d’analyse est la même que pour les essais témoins. Encore une fois, utilisez l’onglet Séquence pour vérifier que les ondes M sont restées constantes à la taille souhaitée. Comme précédemment, lorsque l’onglet Distribution est sélectionné, utilisez le bouton Condition d’arrêt pour mettre à jour le critère de conditionnement opérationnel pour la prochaine exécution. Répétez la procédure de conditionnement opérant 2 fois plus, pour un total de 3 séries de 75 essais chacune. À la fin de la session, effectuez une autre mesure de la courbe de recrutement comme aux étapes 4.5.1.-4.5.6. Terminez la session comme décrit ci-dessous.Saisissez des notes de session supplémentaires dans l’onglet Journal . Le journal est enregistré automatiquement lorsqu’il est rempli dans un fichier texte brut horodaté dans le répertoire de données spécifique à la session. Fermez la fenêtre. Les données et les journaux auront déjà été enregistrés. Pour revoir la fenêtre d’analyse des données précédemment enregistrées, double-cliquez sur l’icône EPOCS Offline Analysis (Analyse hors ligne EPOCS ) et sélectionnez le fichier de données à analyser. Attendez que les signaux bruts soient traités (cela peut prendre 1 min ou plus).Remarque : Les données sont enregistrées en tant que fichiers .dat au format BCI2000. Le nom du fichier indique la date et l’heure de la session, l’ID du participant, le mode (ST pour le test de stimulus, VC pour la contraction volontaire, RC pour la courbe de recrutement, CT pour les essais témoins et TT pour les essais d’entraînement) et le numéro d’exécution séquentiel. 5. Effectuer plusieurs sessions de répétition Planifiez un total de 6 séances de base, 24 séances de conditionnement (ou 30, pour les personnes atteintes de déficience neurologique) et 4 séances de suivi. Planifiez les séances de base et de conditionnement à raison de 3 séances/semaine, chaque séance ne durant pas plus de 90 min. Faites en sorte que toutes les séances se déroulent au même moment de la journée afin de minimiser les effets de la variation diurne. Dans chacune des 6 sessions de référence, effectuez une course initiale de la courbe de recrutement, 3 séries de 75 essais de contrôle et une courbe de recrutement finale. Dans chacune des 24 (ou 30) séances de conditionnement, effectuez une course initiale de la courbe de recrutement, 1 série de 20 essais de contrôle, 3 séries de 75 essais d’entraînement et une dernière course de courbe de recrutement. Effectuez 4 séances de suivi 10-14 jours, 1 mois, 2 mois et 3 mois après la dernière séance de conditionnement. Selon les objectifs de l’étude, ceux-ci peuvent être identiques aux séances de base ou aux séances de conditionnement.

Representative Results

La figure 2 montre l’efficacité du protocole ci-dessus dans la mesure des courbes de recrutement des ondes M et des réflexes H et dans la mesure de la distribution des tailles des réflexes H à intensité de stimulation constante. Il illustre également l’efficacité globale du protocole multi-séances pour modifier la taille du réflexe H chez les participants neurologiquement non altérés et pour améliorer la fonction locomotrice chez les participants présentant une lésion médullaire incomplète. La figure 2A montre une capture d’écran de la fenêtre d’analyse après une exécution effectuée en mode Courbe de recrutement pendant le conditionnement opérant H-reflex (voir l’étape de protocole 4.5.). Dans la moitié inférieure de la fenêtre (volet Séquence ), l’axe horizontal affiche le numéro d’essai, par conséquent, l’intensité du stimulus augmente de gauche à droite. La taille du réflexe H (cercles verts) augmente puis diminue en fonction de l’intensité du stimulus, tandis que la taille de l’onde M (triangles bruns) augmente puis sature. La figure 2B montre une capture d’écran de la fenêtre d’analyse après une exécution effectuée en mode Essais de contrôle ou Essais d’entraînement pendant le conditionnement opérant H-reflex (voir les étapes 4.6 et 4.7 du protocole). Dans le panneau inférieur (volet « Distribution »), l’histogramme des tailles H-reflex facilite la sélection d’un niveau de critère approprié pour le conditionnement ascendant ou descendant ultérieur. Dans la figure 2C, la taille du réflexe H chez les participants neurologiquement non altérés est représentée en fonction du nombre de séances sur 6 séances de base, 24 séances de conditionnement et 4 séances de suivi. Les données ont été recueillies auprès de 15 participants (8 hommes, 7 femmes), dont 2 ont participé à des groupes de conditionnement ascendant et descendant. Les participants étaient âgés de 21 à 55 ans. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé. Le protocole a été approuvé par le comité d’examen institutionnel (IRB) du Département de la santé de l’État de New York (numéro d’approbation 05-058). Thompson et coll.16 fournissent de plus amples détails. La figure 2D montre l’effet bénéfique du conditionnement du réflexe H soléaire chez les participants atteints d’une déficience chronique des membres inférieurs à la suite d’une lésion incomplète de la moelle épinière. Un conditionnement réussi a été associé à une amélioration de la symétrie de la marche et de la vitesse de marche par rapport à la ligne de base. Les données ont été recueillies auprès de 13 participants (9 hommes, 4 femmes) âgés de 28 à 68 ans, qui ont donné leur consentement éclairé. Le protocole a été approuvé par la CISR de l’hôpital Helen Hayes (numéro d’approbation 07-07). Thompson et coll.14 fournissent de plus amples détails. Figure 2 : Résultats représentatifs. (A) Capture d’écran de la fenêtre d’analyse de la courbe de recrutement. (B) Capture d’écran de la fenêtre d’analyse des essais de contrôle ou des essais de formation. (C) Effets contrastés du conditionnement ascendant et descendant du réflexe H du soléaire chez les participants non blessés. Les triangles rouges ascendants montrent la taille moyenne du réflexe H de N = 6 participants reconditionnés avec succès (sur 8); Les triangles bleus vers le bas montrent les réponses moyennes de N = 8 participants avec succès conditionnés à la baisse (sur 9). Les barres d’erreur indiquent une erreur standard. Cette image a été modifiée à partir de Thompson et al.16. (D) Effet thérapeutique du conditionnement descendant du réflexe H soléaire sur la vitesse de marche et la symétrie de la marche chez les personnes atteintes d’une déficience chronique à la suite d’une lésion incomplète de la moelle épinière. Les barres contrastent les résultats pour N = 6 participants dont les réflexes H ont été déconditionnés avec succès contre N = 4 participants de la condition de contrôle (pas de conditionnement opérant) et N = 3 participants chez qui le protocole de conditionnement négatif n’a pas réussi à réduire la taille des réflexes. Les barres d’erreur indiquent une erreur standard. Chaque astérisque indique une valeur de p inférieure à 0,05 sur un test t apparié comparant les mesures pré- et post-conditionnement. Cette image a été modifiée à partir de Thompson et al.14. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Le protocole décrit ci-dessus convient pour démontrer le conditionnement du réflexe H soléaire chez un adulte typique sans déficience neurologique. Les valeurs précises des paramètres peuvent varier d’une personne à l’autre et en particulier en fonction de la déficience. Alors que la courbe de recrutement du participant a atteint M_max à un courant stimulant d’environ 25 mA dans la vidéo, une autre personne pourrait avoir besoin de 50 mA ou plus, de sorte que le courant serait augmenté par étapes plus importantes lors de la mesure de la courbe de recrutement. Ils peuvent également nécessiter une durée d’impulsion plus longue. Une troisième personne peut être plus sensible et nécessiter des réglages de courant plus petits. Le protocole doit également être adapté en fonction du muscle conditionné. Par exemple, lorsque l’on cible le muscle fléchisseur carpi radialis^24,25, un réglage de courant plus faible est généralement utilisé; le mode de contraction volontaire devrait être utilisé pour établir une échelle pour les limites de l’EMG de fond; Et une plus grande prudence doit être prise à la fois lors de l’optimisation du placement des électrodes et lors de l’optimisation de la posture, qui doit ensuite être maintenue constante tout au long des essais.

Le protocole est sensible aux variations de la relation entre le réglage du courant du stimulateur et la quantité de courant réellement délivrée au nerf – cela peut être affecté par de petites variations de posture, l’hydratation du participant et le dessèchement du gel d’électrode adhésive. Dans le conditionnement H-reflex, ce problème peut être atténué en utilisant la taille de l’onde M comme indicateur de l’intensité de stimulation efficace. Il reflète le nombre d’axones efférents du motoneurone soléaire excités par le stimulus. Ainsi, si la taille de l’onde M est maintenue constante, cela implique que le nombre d’axones afférents primaires excités par le stimulus, c’est-à-dire les axones qui provoquent le réflexe H, est également maintenu constant (voir aussi Crone et ^al.26). Par conséquent, cette onde M est appelée réponse de référence dans le logiciel. Pour cette raison, l’étape 4.5.12. mentionne que la taille cible de l’onde M doit être enregistrée. Il est en fait plus important de garder cette taille de réponse à peu près constante que de maintenir le courant nominal strictement constant. L’onglet Séquence de la fenêtre d’analyse permet de vérifier rétrospectivement la constance de l’onde M à chaque exécution ; pour le conditionnement réflexe H soléaire, cela suffit souvent à corriger les problèmes. Pour un meilleur contrôle, un deuxième moniteur peut être connecté à l’ordinateur pour afficher des analyses d’ondes M en temps réel qui guident le réglage manuel essai par essai. L’automatisation de cette tâche de contrôle est un projet en cours²⁷.

La variation diurne peut également affecter les réponses électrophysiologiques d’une personne 28,29,30,31. Pour cette raison, il est recommandé que toutes les séances soient effectuées au même moment de la journée, c’est-à-dire dans la même fenêtre de temps de 3 heures.

Le succès du conditionnement opérant peut être sensible à la précision de l’intervalle de temps choisi par l’opérateur pour définir le réflexe H ; En particulier, l’intervalle ne doit pas être trop large. Les directives détaillées pour une définition correcte de l’intervalle dépassent le cadre de l’article actuel. Il s’agit également d’une fonction qui sera automatisée dans les futures versions du logiciel.

Une étape critique du protocole est l’étape 4.5.6., dans laquelle l’opérateur augmente manuellement le courant du stimulateur à plusieurs reprises après chaque nombre fixe d’essais. Un mauvais comptage des essais ici ou un mauvais ajustement du cadran actuel peut entraîner une distorsion de la courbe de recrutement qui en résulte. Cette possibilité d’erreur de l’utilisateur peut être atténuée en activant l’option Digitimer Link, qui permet d’automatiser le réglage actuel pour un modèle de stimulateur particulier.

Cet article s’est concentré sur le conditionnement H-reflex, car il s’agit de la plus développée des applications cliniques potentielles d’EPOCS. Le logiciel existant aide les chercheurs dans leurs efforts continus pour affiner ce protocole en vue d’une large diffusion clinique³². Au-delà du conditionnement H-reflex, EPOCS peut également être appliqué sous sa forme actuelle à une plus grande variété de méthodes de stimulation et de réponses évoquées. Par exemple, il peut tout aussi bien déclencher un dispositif mécanique qui provoque un réflexe d’étirement, qui peut également être conditionné^33,34,35. L’approche est adaptable aux déficiences d’une personne; chez une personne, le conditionnement négatif du réflexe H du soléaire améliore la locomotion en réduisant l’hyperréflexie spastique¹⁴; dans un autre, le conditionnement du tibial antérieur MEP améliore la locomotion en atténuant la chute^{du pied 36}.

Alors que des efforts sont en cours pour produire une mise en œuvre commerciale du protocole, le logiciel original sera maintenu en parallèle en tant qu’outil de recherche pour fournir la flexibilité nécessaire pour élargir le domaine de la neuroplasticité ciblée. Cette flexibilité est rendue possible par la modularité et l’extensibilité de la plate-forme logicielle BCI2000, largement répandue et bien établie, sur laquelle EPOCS est basé. Cela signifie qu’avec une intervention minimale d’un ingénieur logiciel, le système est reconfigurable pour une plus grande variété d’objectifs de recherche. Par exemple, il peut être configuré pour enregistrer des canaux de biosignal supplémentaires ou des capteurs supplémentaires pour une analyse ultérieure (par exemple, des pédales de commande et des capteurs de suivi de mouvement) pour le conditionnement pendant la locomotion. Il peut également être programmé pour considérer des critères de déclenchement supplémentaires pour la stimulation (par exemple, déclencher la stimulation seulement à une partie particulière du cycle de marche) ou pour déclencher des stimuli de renforcement supplémentaires lors d’essais réussis ou infructueux. Des exemples de fichiers de personnalisation sont fournis.

La neuroplasticité ciblée en est encore à ses balbutiements. Ses avenues encore inexplorées devraient offrir de grands avantages à la fois pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques (comme discuté ci-dessus) et pour élucider l’histoire naturelle de la maladie et les mécanismes de la fonction du système nerveux central dans la santé et la maladie 2,32,37. Nous nous engageons donc à maintenir et à soutenir EPOCS en tant qu’outil clé pour réaliser ce potentiel thérapeutique et scientifique.

Materials

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