Indagare il comportamento di prevenzione legato al dolore utilizzando un paradigma robotico di raggiungimento del braccio

Summary

L’elusione è fondamentale per la disabilità del dolore cronico, ma mancano paradigmi adeguati per esaminare l’elusione legata al dolore. Pertanto, abbiamo sviluppato un paradigma che consente di indagare come il comportamento di evitamento correlato al dolore viene appreso (acquisizione), si diffonde ad altri stimoli (generalizzazione), può essere mitigato (estinzione) e come può successivamente riemergere (recupero spontaneo).

Abstract

Il comportamento di elusione è un fattore chiave per la transizione dal dolore acuto alla disabilità del dolore cronico. Tuttavia, ci è stata una mancanza di paradigmi ecologicamente validi per indagare sperimentalmente l’elusione legata al dolore. Per colmare questa lacuna, abbiamo sviluppato un paradigma (il paradigma robotico di portata del braccio) per indagare i meccanismi alla base dello sviluppo di comportamenti di elusione legati al dolore. I paradigmi di evitamento esistenti (principalmente nel contesto della ricerca sull’ansia) hanno spesso operativo l’elusione come risposta a basso costo istruita da sperimentatori, sovrapposta agli stimoli associati alla minaccia durante una procedura pavloviana di condizionamento della paura. Al contrario, il metodo attuale offre una maggiore validità ecologica in termini di apprendimento strumentale (acquisizione) di elusione e aggiungendo un costo alla risposta di elusione. Nel paradigma, i partecipanti eseguono movimenti di braccio da un punto di partenza a un bersaglio utilizzando un braccio robotico e scelgono liberamente tra tre diverse traiettorie di movimento per farlo. Le traiettorie di movimento differiscono nella probabilità di essere accoppiate con un doloroso stimolo elettrocutaneo e nello sforzo richiesto in termini di deviazione e resistenza. In particolare, lo stimolo doloroso può essere (parzialmente) evitato a costo di eseguire movimenti che richiedono un maggiore sforzo. Il comportamento di elusione è operativo come deviazione massima dalla traiettoria più breve in ogni prova. Oltre a spiegare come il nuovo paradigma può aiutare a comprendere l’acquisizione dell’elusione, descriviamo gli adattamenti del paradigma robotico di raggiungere il braccio per (1) esaminare la diffusione dell’elusione ad altri stimoli (generalizzazione), (2) modellare il trattamento clinico in laboratorio (estinzione dell’elusione usando la prevenzione della risposta), nonché (3) modellare la ricaduta e il ritorno dell’elusione dopo l’estinzione (recupero spontaneo). Data la maggiore validità ecologica e le numerose possibilità di estensioni e/ o adattamenti, il paradigma robotico di portata del braccio offre uno strumento promettente per facilitare l’indagine sul comportamento di elusione e per promuovere la nostra comprensione dei suoi processi sottostanti.

Introduction

Evitare è una risposta adattiva alla minaccia corporea che segnala il dolore. Tuttavia, quando il dolore diventa cronico, il dolore e l’elusione legata al dolore perdono il loro scopo adattivo. In linea con questo, il modello di prevenzione della paura del dolore^{cronico 1,2,3,4,5,6,7,8} postula che interpretazioni erronee del dolore come catastrofiche, innescano aumenti della paura del dolore, che motivano il comportamento di elusione. L’eccessivo evitamento può portare allo sviluppo e al mantenimento della disabilità del dolore cronico, a causa del disuso fisico e della^{diminuzione dell’impegno}nelle attività e nelle aspirazioni quotidiane^1,2,3,4,5,9. Inoltre, dato che l’assenza di dolore può essere erroneamente attribuita all’elusione piuttosto che al recupero, è possibile stabilire un ciclo autosufficiente di paura ed elusione^{legate al dolore 10}.

Nonostante il recente interesse per evitare la letteratura^{sull’ansia 11,12}, la ricerca sull’elusione nel settore del dolore è ancora agli inizi. La precedente ricerca sull’ansia, guidata dall’influente teoria dei due fattori¹³, ha generalmente assunto la paura di guidare l’elusione. Di conseguenza, i paradigmi di^{evitamento tradizionali 12 comportano} due fasi sperimentali, ognuna corrispondente a un fattore: la prima per stabilire la paura (condizionamento pavloviano¹⁴ fase), e la seconda per esaminare l’elusione^{(fase strumentale 15).} Durante il condizionamento pavloviano differenziale, uno stimolo neutro (stimolo condizionato, CS+; ad esempio, un cerchio) è accoppiato con uno stimolo intrinsecamente avverso (stimolo incondizionato, USA; ad esempio, una scossa elettrica), che produce naturalmente risposte non condizionate (UR, ad esempio, paura). Un secondo stimolo di controllo non è mai accoppiato con gli Stati Uniti (CS-; ad esempio, un triangolo). A seguito degli accoppiamenti dei CS con gli Stati Uniti, il CS+ susctiverà la paura in sé (risposte condizionate, RC) in assenza degli Stati Uniti. Il CS- arriva alla sicurezza del segnale e non attiverà i RC. Successivamente, durante il condizionamento strumentale, i partecipanti apprendono che le proprie azioni (risposte, R; ad esempio, pressione dei pulsanti) portano a determinate conseguenze (risultati; O, ad esempio, l’omissione di shock)^15,16. Se la risposta impedisce un esito negativo, aumenta la possibilità che tale risposta si ripeta; questo è indicato come rinforzo negativo¹⁵. Così, nella fase pavloviana dei paradigmi di evitamento tradizionali, i partecipanti imparano per la prima volta l’associazione CS-US. Successivamente, nella fase strumentale, viene introdotta una risposta di evitamento istruita da sperimentatori (R), annullando gli Stati Uniti se eseguita durante la presentazione cs, stabilendo un’associazione R-O. Pertanto, il CS diventa uno stimolo discriminante (S^D), indicando il momento appropriato per e motivando le prestazioni del condizionato R¹⁵. A parte alcuni esperimenti che mostrano il condizionamento strumentale dei rapporti^{sul dolore 17} e le espressioni facciali^{correlate al dolore 18}, le indagini sui meccanismi di apprendimento strumentale del dolore, in generale, sono limitate.

Sebbene il paradigma di elusione standard, descritto sopra, abbia chiarito molti dei processi sottostanti l’elusione, ha anche diverse^{limitazioni 5,19}. In primo luogo, non consente di esaminare l’apprendimento, o l’acquisizione, dell’elusione stessa, perché lo sperimentatore istruisce la risposta di elusione. Facendo in modo che i partecipanti scelgano liberamente tra più traiettorie e, quindi, apprendi quali risposte sono dolorose / sicure e quali traiettorie evitare / non evitare, modella più accuratamente la vita reale, dove l’elusione emerge come una risposta naturale al dolore⁹. In secondo luogo, nei paradigmi di evitamento tradizionali, la risposta di elusione della pressione dei pulsanti non ha alcun costo. Tuttavia, nella vita reale, evitare può diventare estremamente costoso per l’individuo. In effetti, evitare costi elevati disturba in particolare il funzionamento quotidiano⁵. Ad esempio, evitare il dolore cronico può limitare gravemente la vita sociale e lavorativa delle persone⁹. In terzo luogo, anche le risposte dicotomous come premere / non premere un pulsante non rappresentano molto bene la vita reale, dove si verificano diversi gradi di elusione. Nelle sezioni seguenti, descriviamo come il paradigma robotico di raggiungere il braccio²⁰ affronta queste limitazioni e come il paradigma di base può essere esteso a più nuove domande di ricerca.

Acquisizione di elusione
Nel paradigma, i partecipanti usano un braccio robotico per eseguire movimenti di braccio da un punto di partenza a un bersaglio. I movimenti sono impiegati come risposta strumentale perché assomigliano molto a stimoli specifici del dolore e che evocano la paura. Una palla rappresenta virtualmente i movimenti dei partecipanti sullo schermo (Figura 1), consentendo ai partecipanti di seguire i propri movimenti in tempo reale. Durante ogni prova, i partecipanti scelgono liberamente tra tre traiettorie di movimento, rappresentate sullo schermo da tre archi (T1-T3), che differiscono l’una dall’altra in termini di sforzo e con la probabilità che siano abbinate a un doloroso stimolo folgorato (cioè, stimolo del dolore). Lo sforzo viene manipolato come deviazione dalla traiettoria più breve possibile e aumenta la resistenza dal braccio robotico. In particolare, il robot è programmato in modo tale che la resistenza aumenti linearmente con la deviazione, il che significa che più partecipanti deviano, più forza devono esercitare sul robot. Inoltre, la somministrazione del dolore è programmata in modo tale che la traiettoria più breve e semplice (T1) sia sempre abbinata allo stimolo del dolore (dolore al 100% / nessuna deviazione o resistenza). Una traiettoria centrale (T2) è abbinata a una probabilità del 50% di ricevere lo stimolo del dolore, ma è necessario uno sforzo maggiore (deviazione moderata e resistenza). La traiettoria più lunga e più sforzosa (T3) non è mai abbinata allo stimolo del dolore ma richiede il massimo sforzo per raggiungere il bersaglio (0% di dolore / deviazione più grande, resistenza più forte). Il comportamento di evitamento è operativo come deviazione massima dalla traiettoria più breve (T1) per prova, che è una misura più continua di elusione, rispetto ad esempio, premendo o non premendo un pulsante. Inoltre, la risposta all’elusione va a costo di un maggiore sforzo. Inoltre, dato che i partecipanti scelgono liberamente tra le traiettorie di movimento e non sono esplicitamente informati sulle contingenze sperimentali R-O (traiettoria di movimento-dolore), il comportamento di evitamento viene acquisito strumentalmente. La paura auto-segnalata online del dolore legato al movimento e dell’aspettativa di dolore sono state raccolte come misure di paura condizionata verso le diverse traiettorie di movimento. L’aspettativa di dolore è anche un indice di consapevolezza di contingenza e valutazione delle^{minacce 21}. Questa combinazione di variabili consente di esaminare l’interazione tra paura, valutazioni delle minacce e comportamento di prevenzione. Utilizzando questo paradigma, abbiamo costantemente dimostrato l’acquisizione sperimentale di avoidance^20,22,23,24.

Generalizzazione dell’elusione
Abbiamo esteso il paradigma per indagare la generalizzazione dell’elusione²³, un possibile meccanismo che porta a un’eccessiva elusione. La generalizzazione della paura pavloviana si riferisce alla diffusione della paura a stimoli o situazioni (stimoli di generalizzazione, GS) simili al CS+ originale, con la paura che diminuisce con la diminuzione della somiglianza con il CS+ (gradiente di generalizzazione)^25,26,27,28. La generalizzazione della paura riduce al minimo la necessità di apprendere di nuovo le relazioni tra gli stimoli, consentendo una rapida individuazione di nuove minacce in ambienti in^{continua evoluzione 25,26,27,28}. Tuttavia, un’eccessiva generalizzazione porta alla paura di stimoli sicuri (GS simili a CS-), causando così inutili disagi^28,29. In linea con ciò, gli studi che utilizzano la generalizzazione della paura pavloviana mostrano costantemente che i pazienti con dolore cronico generalizzano eccessivamente la paura legata al dolore^{30,31,32,33,34}, mentre controlli sani mostrano una generalizzazione selettiva della paura. Tuttavia, laddove l’eccessiva paura causa disagio, l’eccessivo evitamento può culminare nella disabilità funzionale, a causa dell’evitare movimenti e attività sicuri e dell’aumento del disimpegno quotidiano^1,2,3,4,9. Nonostante il suo ruolo chiave nella disabilità del dolore cronico, la ricerca sulla generalizzazione dell’elusione è scarsa. Nel paradigma adattato per studiare la generalizzazione dell’elusione, i partecipanti acquisiscono prima l’elusione, seguendo la procedura descritta^{sopra 20}. In una successiva fase di generalizzazione, vengono introdotte tre nuove traiettorie di movimento in assenza dello stimolo del dolore. Queste traiettorie di generalizzazione (G1-G3) si trovano sullo stesso continuum delle traiettorie di acquisizione, simili a ciascuna di queste traiettorie, rispettivamente. In particolare, la traiettoria di generalizzazione G1 si trova tra T1 e T2, G2 tra T2 e T3 e G3 a destra di T3. In questo modo, è possibile esaminare la generalizzazione dell’elusione a nuove traiettorie sicure. In uno studio precedente, abbiamo mostrato la generalizzazione degli auto-rapporti, ma non l’elusione, probabilmente suggerendo diversi processi sottostanti per la generalizzazione della paura e dell’elusione legata al dolore²³.

Estinzione dell’elusione con prevenzione della risposta
Il metodo principale per trattare l’alta paura del movimento nel dolore muscoloscheletricho cronico è la terapia^{dell’esposizione 35}– la controparte clinica dell’estinzione pavloviana³⁶, cioè la riduzione delle RC attraverso ripetute esperienze con il CS + in assenza degli US³⁶. Durante l’esposizione per dolore cronico, i pazienti svolgono attività o movimenti temuti al fine di sconfermare credenze^{catastrofiche e aspettative di danno 34,37}. Poiché queste credenze non riguardano necessariamente il dolore di per sé, ma piuttosto la patologia sottostante, i movimenti non vengono sempre eseguiti indolori nella clinica³⁴. Secondo la teoria dell’apprendimento inibitorio^38,39, l’apprendimento dell’estinzione non cancella la memoria della paura originale (ad esempio, traiettoria-dolore del movimento); piuttosto, crea una nuova memoria di estinzione inibitoria (ad esempio, traiettoria di movimento- nessun dolore), che compete con la memoria paura originale per il^{recupero 40,41}. La nuova memoria inibitoria è più dipendente dal contesto rispetto alla memoria della paura^{originale 40,}ritenendo la memoria della paura estinta suscettibile al riemergere (ritorno della paura)^40,41,42. Ai pazienti viene spesso impedito di eseguire comportamenti di evitamento anche sottili durante il trattamento dell’esposizione (estinzione con prevenzione della risposta, RPE), per stabilire una vera e propria estinzione della paura prevenendo l’attribuzione errata della^{sicurezza all’elusione 10,43}.

Ritorno all’elusione
La ricaduta in termini di ritorno all’elusione è ancora comune nelle popolazioni cliniche, anche dopo^{l’estinzione della paura 43,44,45,46}. Sebbene siano stati trovati più meccanismi che hanno come risultato il ritorno della paura⁴⁷, si sa poco di quelli relativi all’elusione²². In questo manoscritto descriviamo specificamente il recupero spontaneo, cioè il ritorno della paura e dell’elusione dovuto al^{passare del tempo 40,47}. Il paradigma robotico del braccio è stato implementato in un protocollo di 2 giorni per indagare il ritorno dell’elusione. Durante il primo giorno, i partecipanti ricevono per la prima volta una formazione di acquisizione nel paradigma, come descritto^{sopra 20}. In una successiva fase RPE, ai partecipanti viene impedito di eseguire la risposta di elusione, cioè possono eseguire solo la traiettoria associata al dolore (T1) sotto estinzione. Durante il secondo giorno, per testare il recupero spontaneo, tutte le traiettorie sono di nuovo disponibili, ma in assenza di stimoli al dolore. Usando questo paradigma, abbiamo dimostrato che, un giorno dopo l’estinzione riuscita, l’elusione è^{tornata 22}.

Protocol

I protocolli qui presentati soddisfano i requisiti del comitato etico sociale e sociale del KU Leuven (numero di registrazione: S-56505) e del Comitato di revisione etica Psicologia e neuroscienze dell’Università di Maastricht (numeri di registrazione: 185_09_11_2017_S1 e 185_09_11_2017_S2_A1). 1. Preparare il laboratorio per una sessione di prova Prima della sessione di prova: inviare al partecipante una e-mail che lo informi sulla consegna degli stimoli del dolore, sul profilo gen…

Representative Results

L’acquisizione del comportamento di elusione è dimostrata dai partecipanti evitando di più (mostrando deviazioni massime più grandi dalla traiettoria più breve) al termine di una fase di acquisizione, rispetto all’inizio della fase di acquisizione(Figura 2, indicata da A)20, o rispetto a un gruppo di controllo Yoked (Figura 3)23,48. L’acquisizione d…

Discussion

Dato il ruolo chiave dell’elusione nella disabilità del dolore^{cronico 1,2,3,4,}5 e le^limitazioniaffrontate dai paradigmi di^{evitamento tradizionali 19}, è necessario che i metodi indaghino sul comportamento di prevenzione (legato al dolore). Il paradigma robotico di portata del braccio qui presentato affronta una serie di queste limitazi…

Materials

1 computer and computer screen	Intel Corporation	64-bit Intel Core	Running the experimental script
40 inch LCD screen	Samsung Group		Presenting the experimental script
Blender 2.79	Blender Foundation		3D graphics software for programming the graphics of the experiment
C#			Programming language used to program the experimental task
Conductive gel	Reckitt Benckiser	K-Y Gel	Facilitates conduction from the skin to the stimulation electrodes
Constant current stimulator	Digitimer Ltd	DS7A	Generates electrical stimulation
HapticMaster	Motekforce Link		Robotic arm
Matlab	MathWorks		For writing scripts for participant randomization schedule, and for extracting maximum deviation from shortest trajectory per trial
Qualtrics	Qualtrics		Web survey tool for psychological questionnaires
Rstudio	Rstudio Inc.		Statistical analyses
Sekusept Plus	Ecolab		Disinfectant solution for cleaning medical instruments
Stimulation electrodes	Digitimer Ltd	Bar stimulating electrode	Two reusable stainless steel disk electrodes; 8mm diameter with 30mm spacing
Tablet	AsusTek Computer Inc.	ASUS ZenPad 8.0	For providing responses to psychological trait questinnaires
Triple foot switch	Scythe	USB-3FS-2	For providing self-report measures on VAS scale
Unity 2017	Unity Technologies		Cross-platform game engine for writing the experimental script including presentations of electrocutaneous stimuli