Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

מערכת ההתניה האופרנטית הפוטנציאלית המעוררת (EPOCS): כלי מחקר וטיפול מתפתח בהפרעות נוירומוסקולריות כרוניות

Published: August 25, 2022 doi: 10.3791/63736
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1, 1, 1,2, 3, 1, 1,2,4, 3
1National Center for Adaptive Neurotechnologies, Stratton VA Medical Center, 2Electrical & Computer Engineering Department, State University of New York at Albany, 3College of Health Professions, Medical University of South Carolina, 4Department of Biomedical Sciences, State University of New York at Albany

Summary

מערכת ההתניה האופרנטית הפוטנציאלית המעוררת מסייעת לחקירה מדעית של תפקוד סנסו-מוטורי ויכולה לנהל אימון נוירו-התנהגותי ממוקד שיכול להשפיע על שיקום סנסו-מוטורי בהפרעות נוירומוסקולריות. מאמר זה מתאר את יכולותיו וממחיש את יישומו בשינוי רפלקס פשוט בעמוד השדרה כדי להשיג שיפור מתמשך בתפקוד המוטורי.

Abstract

מערכת מיזוג אופרנטית פוטנציאלית מעוררת (EPOCS) היא כלי תוכנה המיישם פרוטוקולים לתגובות שרירים המופעלות על ידי גירוי אופרנטי אצל אנשים עם הפרעות נוירומוסקולריות, אשר בתורן יכולות לשפר את התפקוד הסנסו-מוטורי כאשר הן מיושמות כראוי. EPOCS מנטר את מצבם של שרירי מטרה ספציפיים – למשל, מאלקטרומיוגרפיה של פני השטח (EMG) בעמידה, או ממדידות מחזור הליכה תוך כדי הליכה על הליכון – ומפעיל באופן אוטומטי גירוי מכויל כאשר מתקיימים תנאים מוגדרים מראש. הוא מספק שתי צורות של משוב המאפשרות לאדם ללמוד לווסת את ההתרגשות של המסלול הממוקד. ראשית, הוא מנטר באופן רציף את פעילות ה-EMG השוטפת בשריר המטרה, ומנחה את האדם לייצר רמה עקבית של פעילות המתאימה להתניה. שנית, הוא מספק משוב מיידי על גודל התגובה לאחר כל גירוי ומציין אם הוא הגיע לערך היעד.

כדי להמחיש את השימוש בו, מאמר זה מתאר פרוטוקול שבאמצעותו אדם יכול ללמוד להקטין את גודלו של רפלקס הופמן – האנלוגיה החשמלית של רפלקס מתיחת עמוד השדרה – בשריר הסולאוס. התניה מטה של רגישות מסלול זה יכולה לשפר את ההליכה אצל אנשים עם הליכה ספסטית עקב פגיעה לא שלמה בחוט השדרה. המאמר מדגים כיצד להגדיר את הציוד; כיצד למקם אלקטרודות מגרה והקלטה; וכיצד להשתמש בתוכנה החופשית כדי לייעל את מיקום האלקטרודות, למדוד את עקומת הגיוס של תגובות מוטוריות ורפלקסיות ישירות, למדוד את התגובה ללא התניה אופרנטית, להתנות את הרפלקס ולנתח את הנתונים המתקבלים. הוא ממחיש כיצד הרפלקס משתנה במהלך מפגשים מרובים וכיצד ההליכה משתפרת. הוא גם דן באופן שבו ניתן ליישם את המערכת על סוגים אחרים של תגובות מעוררות ועל סוגים אחרים של גירוי, למשל, פוטנציאלים מעוררים מוטוריים לגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי; כיצד הוא יכול לטפל בבעיות קליניות שונות; וכיצד הוא יכול לתמוך במחקרים על תפקוד סנסו-מוטורי בבריאות ובמחלות.

Introduction

במהלך העשור האחרון, אסטרטגיות נוירופלסטיות ממוקדות התפתחו כגישה חדשה לשיקום ליקויים נוירולוגיים 1,2. אסטרטגיה אחת כזו היא התניה אופרנטית של פוטנציאל מעורר השראה. זה כרוך שוב ושוב לעורר תגובות אלקטרופיזיולוגיות שניתן למדוד באופן לא פולשני - למשל, על ידי אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) או אלקטרומיוגרפיה פני השטח (EMG) - ומתן משוב מיידי לאדם על גודלה של כל תגובה ביחס לרמת קריטריון שנקבעה על ידי המטפל או החוקר. עם הזמן, פרוטוקול זה מאמן את האדם להגדיל או להקטין את התגובה שלהם והוא יכול, כתוצאה מכך, למקד שינוי מועיל לאתר מערכת העצבים המרכזית כי הוא חשוב בהתנהגות כגון תנועה או להגיע ולתפוס. השינוי הממוקד מועיל לביצועים, ובנוסף, מאפשר תרגול טוב יותר שמוביל לשינוי מועיל נרחב המשפר את ההתנהגות כולה. לדוגמה, אצל אנשים עם פגיעה לא שלמה בחוט השדרה (iSCI) בהם clonus פוגע בתנועה, התניה אופרנטית המפחיתה את רפלקס הופמן בשריר הסולאוס של רגל אחת משפרת את פעילות שרירי התנועה בשתי הרגליים, ובכך מגבירה את מהירות ההליכה ומשחזרת את סימטריית הצעד הימני/שמאלי 1,3,4,5 . דוגמה נוספת היא זו של גירוי דופק זוגי, אשר יכול להגדיל באופן מתמשך את גודל הפוטנציאל המוטורי (MEP) לגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי, ובכך לשפר את תפקוד הושטת היד והאחיזה אצל אנשים עם פגיעה כרונית ביד ובזרוע לאחר iSCI6.

יישום פרוטוקולים כאלה דורש תוכנה ייעודית שחייבת לבצע פונקציות מרובות. באופן ספציפי, עליו לרכוש, לעבד ולשמור אותות אלקטרופיזיולוגיים ללא הרף; עליו לנטר באופן רציף את מצב מערכת העצבים ולהפעיל גירוי כראוי תחת אילוצים הדוקים בזמן אמת; עליו לספק משוב רציף רגע אחר רגע, משוב של ניסוי אחר משפט ומשוב של הפעלה אחר פגישה; עליו לספק ממשק משתמש כדי להנחות את ההגדרה והכוונון על ידי החוקר או המטפל; ולבסוף, עליו לאחסן ולארגן נתוני אותות ומטא-מידע בפורמט סטנדרטי.

מערכת ההתניה האופרנטית הפוטנציאלית המעוררת (EPOCS) היא התשובה שלנו לצורך יוצא דופן זה. מתחת למכסה המנוע, התוכנה מבוססת על BCI2000, פלטפורמת נוירוטכנולוגיה בקוד פתוח המשמשת במאות מעבדות ברחבי העולם 7,8. ב-EPOCS, ממשק המשתמש הרגיל של BCI2000 מוסתר ומוחלף בממשק יעיל הממוטב לפרוטוקולי מיזוג אופרנטיים פוטנציאליים.

המאמר הנוכחי והסרטון הנלווה לו ממחישים את השימוש ב-EPOCS בפרוטוקול אחד מסוים: התניה אופרנטית להקטנת גודל רפלקס הופמן (H-) בשריר הסולאוס. תגובה זו היא האנלוגיה החשמלית של רפלקס מתיחת הברכיים. הודגם כי התניה כלפי מטה של רפלקס H מפחיתה את ההשפעה של clonus על, ובכך לשפר את התנועה בבעלי חיים עם iSCI 9,10,11,12,13 ובבני אדם עם iSCI, טרשת נפוצה או שבץ 5,14,15. זה יכול להיות מיושם ללא תופעות לוואי שליליות בבעלי חיים ואנשים עם או בלי פגיעה נוירולוגית16,17.

פרוטוקול ההתניה האופרנטית פועל על ידי ביצוע ניסויים מרובים, שכל אחד מהם נמשך מספר שניות. רצף האירועים של ניסוי אחד מוצג באופן סכמטי באיור 1, כאשר מספרים מציינים את הפונקציות הבאות:

1. EMG ברקע רציף נרשם מאלקטרודות פני השטח הדו-קוטביות מעל שריר המטרה (סולאוס) והאנטגוניסט שלו (טיביאליס קדמי). רמת הרקע מוערכת כערך המתוקן הממוצע של האות המסונן במעבר גבוה בחלון הזזה.

2. רמת EMG ברקע בשריר המטרה מוצגת כגובה של סרגל, המתעדכנת באופן רציף על המסך של המשתתף. פעולה זו מסייעת למשתתף לשמור על הפעילות בטווח מסוים (אזור בקע).

3. התוכנה שופטת את הרגע המתאים לגירוי חשמלי ומפעילה את הגירוי בהתאם. הקריטריונים העיקריים הם שלפחות 5 שניות חייבות לחלוף מאז הגירוי הקודם ושרמת ה- EMG ברקע חייבת להישאר בטווח שצוין ברציפות במשך 2 שניות.

4. מגרה זרם קבוע מעביר פולס חשמלי באופן טרנס-עורי לעצב הטיביאלי (בדרך כלל מונופאזי, עם משך של 1 אלפיות השנייה).

5. התגובה הנעולה כתוצאה מהגירוי נרשמת. התוכנה מחשבת את הגדלים של שני מרכיבים בעלי עניין מיוחד: גל M מוקדם יותר, המשקף הפעלת שרירים הנובעת מגירוי ישיר של האקסון המוטורי; ורפלקס H מאוחר יותר, המשקף את האות המועבר דרך קשת רפלקס בחוט השדרה 18,19,20,21,22. EPOCS מתייחס אליהם כאל תגובת הייחוס ותגובת היעד, בהתאמה.

6. גודל רפלקס H עבור הניסוי הנוכחי מוצג כגובה של סרגל שני, יחסית לרמת קריטריון רצויה המגדירה ניסוי מוצלח או לא מוצלח. עבור מיזוג כלפי מטה, המוט הוא ירוק כהה אם גודל רפלקס H ירד מתחת לקריטריון, או אדום בוהק אם הוא לא (להיפך עבור מיזוג למעלה). במקביל, התצוגה המספרית של אחוזי ההצלחה המצטברים מתעדכנת בהתאם. יחד, רכיבי תצוגה גרפיים אלה מספקים את החיזוק החיובי או השלילי המיידי שעליו מסתמך ההתניה האופרנטית23.

Figure 1
איור 1: המחשה סכמטית של פונקציונליות הליבה של EPOCS במהלך התניה כלפי מטה של רפלקס H-סולאוס. המשתתף צופה במסך צג גדול המציג את רמת ה- EMG ברקע, את גודל רפלקס H האחרון, את מספר הניסויים שהושלמו עד כה בריצה הנוכחית של 75, ואת שיעור הריצה של ניסויים מוצלחים לריצה. רצף האירועים במשפט אחד מסומן במספרים 1-6, כמתואר במבוא. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

פרוטוקול התניה של H-reflex אנושי מורכב בדרך כלל מ-6 מפגשים בסיסיים, ולאחר מכן 24-30 מפגשי התניה המתפרשים על פני 10 שבועות בקצב של 3 מפגשים בשבוע, ומספר מפגשי מעקב במהלך 3-6 החודשים הבאים14,16. כל מפגש נמשך 60-90 דקות.

כדי לתמוך בפרוטוקול זה, כמו גם בפרוטוקולים קשורים אחרים, ל- EPOCS יש חמישה מצבי פעולה נפרדים, שכל אחד מהם מוגש על ידי אחת הכרטיסיות של החלון הראשי שלו, שכותרתו מבחן גירוי, התכווצות מרצון, עקומת גיוס, ניסויי בקרה ומבחני אימון.

במצב מבחן גירוי, התוכנה מפעילה גירוי כל כמה שניות, לא בהכרח מותנה במצב שריר המטרה. אותות התגובה מוצגים על המסך לאחר כל גירוי. זה מאפשר למפעיל לאמת את איכות חיבורי האלקטרודה ואת אות ה- EMG; כדי לייעל את המיקום של אלקטרודות מגרה והקלטה; ולקבוע את מורפולוגיית התגובה של הפרט.

במצב כיווץ מרצון, התוכנה מודדת ומציגה את רמת ה- EMG ברקע בעוד שהמשתתף מעודד לכווץ את השריר ככל האפשר, בהיעדר גירוי חשמלי. בפרוטוקולים מסוימים, רמת EMG בהתכווצות מרצון מקסימלית (MVC) היא התייחסות שימושית לקביעת קריטריוני EMG ברקע. בפרוטוקול שהודגם כאן, אין צורך בכך, שכן תנוחת עמידה יציבה מתקננת את פעילות שריר הסולאוס במידה מספקת.

במצב עקומת גיוס, הגירוי מותנה ברמת ה-EMG ברקע (המוצגת ברציפות על המסך) שנשארת בטווח הנכון; אותות תגובה מוצגים על המסך לאחר כל גירוי; וניתן לנתח את רצף התגובות בסוף ריצה. זה מאפשר למפעיל לקבוע את ההתחלה והסוף של מרווחי הזמן שבהם מופיעות תגובות העניין; כדי לקבוע את הקשר בין עוצמת הגירוי לבין גודל התגובה, הן לפני והן אחרי ההתניה פועלת; ולקבוע את עוצמת הגירוי שתשמש להתניה.

במצב 'ניסויי בקרה', הגירוי מותנה ברמת ה-EMG ברקע (מוצגת באופן רציף על המסך), אך לא ניתן משוב לגבי גודל תגובת היעד. ניתן לנתח את הרצף וההתפלגות של גדלי התגובה. ניתן להשתמש במצב זה כדי לאסוף מדידות בסיסיות של גודל התגובה, או כתנאי בקרה להשוואה מול התניה אופרנטית בתכנון ניסוי מוצלב או בין נבדקים. זה יכול לשמש בסיס לקביעת קריטריון הביצועים להתניה אופרנטית בתחילת כל מפגש.

לבסוף, במצב ניסויי אימון, הגירוי מותנה ברמת ה-EMG ברקע (מוצגת באופן רציף על המסך), וחיזוק ניסוי אחר ניסוי מסופק גם על ידי הצגת גודל תגובת המטרה, כפי שתואר לעיל ומוצג באיור 1. זהו המצב שבו מתבצעת התניה אופרנטית.

החלק הבא ינחה את הקורא דרך חמשת המצבים על ידי הדגמת הפרוטוקול להפחתת רפלקס ה- H-soleus אצל משתתף מבוגר ללא פגיעה נוירולוגית.

Protocol

כל ההליכים המתוארים כאן אושרו על ידי ועדת הביקורת המוסדית של המרכז הרפואי סטרטון VA (מספר אישור 1584762-9). המשתתף בסרטון נתן הסכמה מדעת לשימוש בתמונתו ובאותות EMG בפרסום זה.

הערה: המונחים המודגשים מציינים תוויות שאמורות להיות גלויות בחומרה ו/או בממשק המשתמש הגרפי של התוכנה.

1. הגדרת תוכנה

  1. עבור אל https://neurotechcenter.org/epocs לקבלת הוראות לקבלת מתקין התוכנה העדכני ביותר. התקן את התוכנה באמצעות תוכנית ההתקנה שהורדת.
  2. ודא שמנהלי ההתקנים הדרושים ותוכנת היצרן מותקנים עבור הדיגיטייזר. בפרט, ודא שהתקנת NI-DAQmx כוללת תמיכה ב- 64 סיביות.
  3. הפעל את יישום NI-MAX, בחר את ההתקן לשימוש תחת התקנים וממשקים וודא ששמו הוא Dev1. לאחר מכן, תחת קביעת תצורה > מצבי הפעלה, ודא שתיבת הסימון מצב קו עבור יציאה 0 שורה 7 אינה מסומנת (מאופסת). כמו כן, אפס את תיבת הסימון Tristate המתאימה, אם יש כזו.
  4. באמצעות הכלי הוספה או הסרה של תוכניות , הסר תוכנות מיותרות שעלולות לצרוך לסירוגין משאבי מעבד ברקע, מכיוון שהדבר עלול להוביל לתקלות בעיבוד אותות בזמן אמת. הקפד להסיר את כל חבילות עדכון התוכנה/פותר הבעיות שסופקו על-ידי יצרן המחשב, מכיוון שידוע שהן גורמות לבעיות ביצועים חמורות.
    הערה: יש לבצע את שלבי הגדרת התוכנה לעיל פעם אחת בלבד עבור תצורת חומרה נתונה.

2. הגדרת חומרה

  1. הגדר את הדיגיטייזר לתיאום קלט ופלט כמתואר להלן.
    1. באמצעות חתיכה קצרה של חוט מבודד ליבה מוצקה, תקן את מסוף הקפיץ עבור יציאת פלט דיגיטלית 0 קו 7 (מסומן P0.7-או אולי DIO7 על ציוד ישן יותר) למסוף הקפיץ עבור פלט USER .
    2. חבר מחבר BNC נקבה/זכר/נקבה לפלט המשתמש . חבר את פלט המשתמש ליציאת קלט ההדק החיצונית של הממריץ.
    3. חבר את כבלי האות EMG המוגברים הראשון והשני לערוצי הכניסה האנלוגיים הראשון והשני של כרטיס רכישת הנתונים, בהתאמה. אלה מסומנים AI0 ו- AI1 - או אולי ACH0 ו - ACH1 על ציוד ישן יותר. צור חיבור נוסף מפלט המשתמש בחזרה לערוץ הקלט האנלוגי השלישי (מסומן AI2 או ACH2).
  2. הגדר את מגרה הזרם הקבוע כמתואר להלן.
    הערה: כדי להפוך את הפרוטוקול לניתן להכללה למגוון מותגים ודגמים של מגרים, מאמר זה מתאר שליטה ידנית בעוצמת הגירוי במקום לנצל את האפשרות לשליטה אוטומטית בדגמי הממריצים המסוימים.
    1. הפעל את הגירוי והגדר אותו כך שיספק פולסים מונופאזיים של 1 אלפיות השנייה. בדגם DS8R, ודא שעוצמת הגירוי נשלטת על-ידי הלוח הקדמי או ממשק ה-USB, ולא באמצעות הקלט האנלוגי האחורי. חבר את כבל הפלט הארוך וחבר אותו למוליכי ההצמדה שיתחברו לרפידות האלקטרודה המגרות.
  3. הגדר את המגבר האנלוגי כך שיספק לפחות שני ערוצי EMG כמתואר להלן.
    1. הפעל את המגבר. ודא שכל ערכי GAIN של הערוץ נמצאים בערך ברירת המחדל שלהם של 500 וכפתורי ה- VARIABLE המתאימים מופנים לערך המינימלי של 1.
    2. חבר את היחידה הניידת למגבר באמצעות הכבל הארוך. הכנס שתי סוללות מרובעות של 9 וולט למארז הסוללות של היחידה הניידת. חברו את היחידה הניידת ואת מארז הסוללות סביב מותניו של המשתתף.

3. הכנת גירוי והקלטת אלקטרודות

  1. השתמש בכל ציוני הדרך או המדידות שצוינו בעבר כדי לשחזר מיקומי אלקטרודות קודמים ספציפיים למשתתפים באופן הדוק ככל האפשר. הכינו את העור למקום שבו האלקטרודות יהיו מחוברות על ידי ניגוב עם רפידות אלכוהול כדי להסיר עודפי שומן, ולאחר מכן נגבו במגבת נייר כדי להסיר עור מת.
  2. חברו את אלקטרודות הגירוי למקומם כדי לגרות את העצב הטיביאלי במדויק, עם השפעה מינימלית על העצב הפרונאלי הנפוץ. השתמש באלקטרודה הגדולה יותר (22 מ"מ x 35 מ"מ) כאנודה והנח אותה בקצה הפוסה הפופליטלית, שם העצב הסיאטי מסתעף לעצבים טיביאליים ופרונאליים נפוצים. מניחים את הקתודה (22 מ"מ על 22 מ"מ) בקמט הברך, ישירות מתחת לאנודה, עם הפרדה של 3-4 ס"מ בין מרכזי האלקטרודות.
  3. חבר את אלקטרודות ההקלטה של EMG במונטאז' דו קוטבי בשריר המטרה (סולאוס) באופן הבא.
    1. כדי לקבוע את המיקום הנכון, תחילה מצאו את שריר הגסטרוקנמיוס על ידי מישוש בזמן שהמשתתף מחליף בין עמידה על בהונות רגליו לבין עמידה טבעית.
    2. מניחים את האלקטרודה הראשונה ישירות מתחת לגבול הדיסטלי של בטן השריר gastrocnemius. מקם את האלקטרודה השנייה מתחת לראשון, עם מרווח של 5 ס"מ בין מרכזי האלקטרודה. שמור על שתי האלקטרודות בקו אחד עם גיד אכילס.
  4. חברו את אלקטרודות ההקלטה של EMG במונטאז' דו-קוטבי בשריר האנטגוניסט (tibialis anterior). כדי לעשות זאת, לזהות את השריר על ידי מישוש בזמן שהמשתתף מרים (dorsiflexes) את בהונותיהם. מניחים את האלקטרודות על בטן השריר, בערך 1/3 מהדרך למטה מהראש הפיבולרי לקרסול, עם הפרדה אנכית של 5 ס"מ בין מרכזי האלקטרודות.
  5. חברו אלקטרודת הארקה בפטלה.
  6. חבר את מוליכי מגבר EMG באופן הבא. חבר את האלקטרודה הפעילה המודבקת בירוק לערוץ 1 ביחידה הניידת וחבר את התפסים האדומים לאלקטרודות שריר המטרה (סולאוס) ואת התפס הירוק לאלקטרודת ההארקה. חבר את האלקטרודה הפעילה המודבקת בשחור לערוץ 2 ביחידה הניידת וחבר את הקליפסים לאלקטרודות השרירים האנטגוניסטיים (tibialis anterior).
  7. חבר את מארז הסוללות ליחידה הניידת.
  8. חבר את הצמדת הגירוי לאלקטרודות הגירוי.

4. שימוש בתוכנת EPOCS

  1. מקם את המוניטור כך שגם החוקר וגם הנושא (או המטפל והמטופל) יוכלו לראות אותו בבירור.
  2. הפעל הפעלת EPOCS.
    הערה: פגישה מוגדרת כביקור אחד במעבדה או במרפאה, שנמשך בדרך כלל 60-90 דקות.
    1. לחץ פעמיים על סמל EPOCS כדי להפעיל את היישום. הזן את קוד מזהה המשתתף (או בחר מתוך רשימת המזהים שהיו בשימוש בעבר).
    2. אם זהו המשך של הפעלה קיימת, לדוגמה, אם היה צורך להפעיל מחדש את התוכנה לאחר הפרעה, לחץ על המשך הפעלה. אפשרות זו תהיה זמינה רק אם הפעלה עבור המשתתף שצוין החלה ב-3 השעות האחרונות.
    3. אחרת, לחץ על התחל הפעלה חדשה. פעולה זו תיצור תיקיית נתונים חדשה, חותמת תאריך ושעה ומסומנת במזהה המשתתף.
  3. יש לוודא את מיקום האלקטרודה ואת איכות המגע ולהתאים לפי הצורך.
    1. ודא שהכרטיסייה בדיקת גירוי מוצגת.
    2. בהגדרות > גירוי, הגדר את מרווח הזמן המינימלי למבחן גירוי ל-3 שניות. שים לב שתצורה זו מוגדרת בנפרד ממרווח הזמן המינימלי לשימוש רגיל, שבדרך כלל יהיה ארוך יותר, בסביבות 5 שניות. השאר את ההגדרה קישור Digitimer מושבתת.
      הערה: כאשר אפשרות זו מופעלת, האפשרות Digitimer Link תאפשר שליטה בתוכנה על עוצמת הגירוי בעת שימוש במודלים מסוימים של מגרים. הפרוטוקול הנוכחי מדגים במקום זאת שליטה ידנית בעוצמת הגירוי, אשר ישימה על פני מספר יצרני ממריצים ומודלים.
    3. בלוח הבקרה של הגירוי, הגדר את עוצמת הגירוי ל-5 mA ואפשר גירוי.
    4. בקשו מהמשתתפים לעמוד, כשידיו תומכות באופן חלקי במשקלו על הליכון במידת הצורך.
    5. הזהר את המשתתף לצפות לגירוי, ולאחר מכן לחץ על התחל כדי להתחיל ריצה חדשה (כלומר, כדי להתחיל להקליט אותות באופן רציף לקובץ חדש). הריצות ימוספרו ברצף, והקבצים שלהן לעולם לא יחליפו זה את זה.
    6. כל חזרה על גירוי נקראת משפט. תגובות ה-EMG המועלות בכל ניסוי מוצגות באופן מיידי. להעריך את גל ה-M ואת רפלקס ה-H המתעוררים בשריר המטרה (העקבה העליונה, הכחולה) ובשריר האנטגוניסט (העקבה התחתונה, האדומה). במידת הצורך, הגדל את הזרם בהדרגה ל -10 mA או יותר, עד שהתגובות יופיעו בבירור.
    7. כדי למצוא את המיקום האופטימלי לגירוי (כלומר, המיקום שמניב את רפלקס ה-H הגדול ביותר), השווה את הפוטנציאלים המעוררים לאחר הזזת הקתודה ברוחב אלקטרודה מלא מבחינה מדיאלית ולאחר מכן לרוחב, לאחר מכן חצי רוחב אלקטרודה מדיאלי ואז לרוחב, ולבסוף על ידי רוחב אלקטרודה מלא למעלה ואז למטה.
    8. סמן, שים לב וצלם את מיקום האלקטרודות כדי לסייע במיקום מחדש במפגשים עתידיים. במידת האפשר, הכינו יציקת גבס של השוק וגב הברך וצרו חורים בגבס המאפשרים מריחה מדויקת של הסימנים.
    9. לאחר שנמצאו המיקומים האופטימליים לאלקטרודות, החלף את האלקטרודות שהוצבו מחדש באלקטרודות טריות.
  4. עבור התניה סוליאוס, דלג על הכרטיסייה כיווץ מרצון .
  5. מדידת הגדלים המרביים של גל M ורפלקס H (M.max ו-ח.max) על ידי שרטוט עקומת הגיוס, כלומר הקשר בין עוצמת הגירוי לתגובה. מדוד את עקומת הגיוס באופן הבא, לפני ואחרי ניסויי הבקרה או האימון בכל מפגש. בפגישה הראשונה, השתמש בעקומת הגיוס כדי להנחות את הבחירה של עוצמת גירוי מתאימה לשימוש לאורך כל תהליך ההתניה.
    1. עבור לכרטיסייה עקומת גיוס .
    2. ב'הגדרות' >- EMG, הגדר את הטווחים שערכי ה- EMG של היעד והרקע האנטגוניסטי חייבים להישאר בתוכם כדי לאפשר גירוי. עבור הסוליאוס, בהנחה שההתכווצות הרצונית המקסימלית לא נמדדה, פשוט ודא שהטווחים כוללים את רמות ה- EMG הנוצרות על ידי נשיאת משקל טבעית במהלך עמידה. הגדר את משך החזקת הרקע ל-2 שניות כדי להכתיב כמה זמן על המשתתף לשמור ברציפות על ה-EMG בטווח כדי להפעיל כל גירוי.
      הערה: המגבלות העליונות או התחתונות עשויות להישאר ריקות אם אין להטיל הגבלה מתאימה.
    3. הפעל את הגירוי והגדר את העוצמה לערך המינימלי שישמש במדידת עקומת הגיוס: 5 mA. (ערך זה הוא דוגמה ויש לבחור אותו על בסיס כל מקרה לגופו - ראה דיון.)
    4. אם זהו האימון הראשון של המשתתף, אפשרו לו לתרגל שמירה על ה-EMG בטווח הנכון למשך הזמן הנדרש כמתואר להלן.
      1. כאשר המשתתף עומד, לחץ על התחל. הדגימו למשתתף כיצד רמת ה-EMG ברקע בשריר המטרה מוצגת בזמן אמת כגובה המוט כנגד אזור מוצל המציג את טווח המטרה.
      2. הסבירו למשתתף שהפעילות משני השרירים (מטרה ואנטגוניסט) חייבת להיות בטווח הנדרש כדי להפוך את הסרגל מאדום בוהק לירוק כהה יותר (אם כי רמת הפעילות האנטגוניסטית אינה מוצגת ישירות).
      3. כדי לכוונן את טווחי הרקע, לחץ על עצור ואחריו על הגדרות; לאחר מכן, הזן את המספרים החדשים, לחץ על אישור ולאחר מכן התחל שוב. לחץ על עצור בסיום ריצת התרגול.
    5. כדי למדוד את עקומת הגיוס, כאשר המשתתף עומד, לחץ על התחל. אם רפלקס H כבר נראה בעוצמת ההתחלה שנבחרה, הפחת בהדרגה את הזרם עד שלא נראה עוד רפלקס H. לאחר מכן, לחץ על עצור ושוב לחץ על התחל כדי להתחיל את הריצה.
    6. שימו לב היטב לדלפק הניסויים שהושלמו . לאחר כל ארבעה ניסויים, הגדילו באופן ידני את עוצמת הגירוי ב-2 mA. (ערך זה הוא דוגמה ויש לבחור אותו על בסיס כל מקרה לגופו - ראה דיון.) המשך עד שגודל גל M מגיע לרמה, בתנאי שהמשתתף אינו מדווח על אי נוחות. לחץ על עצור בסיום והזמן את המשתתף לשבת לנוח.
    7. רשום לעצמך את ערכי עוצמת הגירוי המשמשים לכל ניסוי. שייך רשומות כתובות למספר ההפעלה המוצג בפינה השמאלית העליונה של החלון. בסוף כל הפעלה, הזן מידע זה באופן ידני ביומן ההפעלה, יחד עם הערות אחרות, באמצעות הכרטיסיה יומן .
      הערה: אם עוצמת הגירוי נשלטת באופן ידני, תוכנה לא תתעד מידע זה.
    8. לחץ על הלחצן Analysis כדי לפתוח את חלון הניתוח ולאפשר הגדרה של גלי M ו- H באופן הבא. בחלונית העליונה של חלון הניתוח, בחנו את שכבת העל הנעולה של אותות שרירי המטרה מכל ניסוי בריצה האחרונה.
    9. השתמש בעכבר כדי להתאים את ההתחלה והסוף של מרווחי היעד החומים והירוקים (בפרוטוקול מיזוג אופרנטי H-reflex, אלה מתאימים לגל M ולרפלקס H, בהתאמה). כאשר המרווחים נכונים, לחץ על האדום השתמש בתזמונים מסומנים כדי לשמור הגדרות מרווח מותאמות אישית אלה לניתוחים עתידיים.
    10. בחלונית רצף בחצי התחתון של חלון הניתוח, הערך את עקומת הגיוס המתקבלת. התאם את ההגדרות כדי להציג משרעת משיא לשיא או משרעת מתוקנת ממוצעת ולאגד תוצאות מניסויים עוקבים. מכיוון שזרם הגירוי הוגדל כל ארבעה ניסויים, ציין ניסויים למאגר: 4. הקלט אתM max ו- Hmax המתקבלים.
    11. אם זהו האימון הראשון של המשתתף, מטב את מיקומי הקלטת EMG של שרירי היעד באופן הבא.
      1. הזיזו את אלקטרודות הסולאוס באופן מדיאלי בחצי רוחב אלקטרודה (או ברוחב אלקטרודה מלא אם השריר רחב מספיק). לאחר מכן, חזור על השלבים לעיל כדי לאסוף עקומת גיוס מלאה ולרשום את M max ו- Hmax המתקבלים.
      2. הזיזו את אלקטרודות הסולאוס באותו מרחק לרוחב ממיקומן המקורי, ושוב בצעו מדידת עקומת גיוס כדי להעריך את M max ו-Hmax. אמצו את מיקום האלקטרודות שממקסם אתה-H max וסמן, שימו לב וצלמו את מיקומם כמו בשלב 4.3.8.
    12. בחר עוצמת גירוי שמעוררת רפלקס H קרוב למקסימום - באופן אידיאלי בשיפוע העולה (השמאלי) של עקומת הגיוס של רפלקס H - אך עם האילוץ שחייב להיות גל M נראה לעין. הגדר את ערך עוצמת הגירוי הזה על הגירוי וציין אותו למפגשים עתידיים. כמו כן, שים לב לגודל גל M המתאים (ראה דיון).
  6. מדוד את ההתפלגות של גדלי רפלקס H מבלי לתת משוב תגובה באופן הבא.
    1. עבור לכרטיסיה ' ניסויי בקרה' .
    2. כאשר המשתתף עומד, לחץ על התחל. כמו קודם, הנחו את המשתתף להשתמש במשוב שמספק המוט העולה והיורד כדי לשמור על רמת פעילות השרירים ברקע בטווח הנדרש.
    3. אם מדובר בפגישת בסיס או מעקב, בצעו 75 ניסויים ברצף בעוצמת הגירוי שנבחרה. אם מדובר בהתניה, בצעו 20 ניסיונות בלבד. לאחר מספר הניסיונות שנקבע, לחץ על Stop כדי לסיים את הריצה.
    4. ניתוח עיתונות. כמו קודם, הערך את שכבת העל של צורות גל תגובה של ניסוי אחר ניסוי בלוח העליון ואת רצף גדלי התגובה למטה. כרטיסייה חדשה בשם 'הפצה' מופעלת גם היא כברירת מחדל, בנוסף לרצף. הוא מציג את התפלגות גדלי רפלקס H, עם סטטיסטיקות סיכום מימין.
    5. לחץ על תוצאות יומן כדי לצרף את הנתונים הסטטיסטיים המסכמים ליומן ההפעלה.
    6. אם זוהי הפעלה בסיסית, חזור על השלבים שלעיל לקבלת סך של 3 ריצות של 75 גירסאות ניסיון כל אחת. לאחר מכן, דלג למדידת עקומת הגיוס הסוגרת בשלב 4.8.
    7. אם זוהי הפעלת התניה, הגדר את אחוזון היעד ל- 66. רמות קריטריון ההתניה למעלה ולמטה, יחד עם החציון, מוצגות על ידי הקווים האדומים האנכיים. בחר קריטריון להתניה על-ידי לחיצה על הלחצן מצב למעלה או מצב למטה . עבור פרוטוקול זה, לחץ על Down-Condition. פעולה זו תירשם באופן אוטומטי, וחלון הניתוח ייסגר.
      הערה: בפרוטוקול התניה כלפי מטה, ערך אחוזון יעד של 66 פירושו שניסוי מוצלח מוגדר כניסוי שבו גודל התגובה נמצא ב-66% התחתונים של ההתפלגות שנמדדה קודם לכן; לעומת זאת, בהתניה, הצלחה פירושה יצירת גודל תגובה ב-66% העליונים של ההתפלגות.
  7. בצע התניה אופרנטית כמתואר להלן.
    1. עבור לכרטיסיה ניסויי אימון .
    2. כאשר המשתתף עומד, לחץ על התחל.
    3. אם המשתתף לא ראה זאת בעבר, הפנה את תשומת לבו לסרגל המשוב החדש במרכז המסך. הסבר שהוא מראה את גודל רפלקס H העדכני ביותר ביחס לטווח היעד שבקע. אם התגובה נופלת בטווח היעד, הניסוי ייספר כמוצלח, והסרגל יהיה ירוק כהה. אם הוא נופל מחוץ לטווח, המשפט ייחשב כלא מוצלח, והסרגל יהיה אדום בוהק יותר.
    4. במהלך הריצה, הניעו את המשתתף לבצע כמה שיותר ניסויים מוצלחים. מספר הניסויים שבוצעו ושיעור הניסויים שהצליחו בריצה עד כה מוצגים בצד ימין של המסך. לאחר 75 ניסיונות, לחץ על עצור כדי לסיים את הריצה.
    5. לחץ על לחצן ניתוח . חלון הניתוח נראה זהה לזה של ניסויי בקרה. שוב, השתמש בכרטיסייה רצף כדי לוודא שגלי M נשארו קבועים בגודל הרצוי.
    6. כבעבר, כאשר הכרטיסיה הפצה נבחרה, השתמש בלחצן תנאי למטה כדי לעדכן את קריטריון ההתניה האופרנטית להפעלה הבאה. חזור על הליך ההתניה האופרנטית פי 2 יותר, ובסך הכל 3 ריצות של 75 ניסויים כל אחת.
  8. בסוף הפגישה יש לבצע מדידה נוספת של עקומת הגיוס כמו בשלבים 4.5.1.-4.5.6.
  9. סיים את ההפעלה כמתואר להלן.
    1. הקלד את כל הערות ההפעלה הנוספות בכרטיסיה יומן . יומן הרישום נשמר באופן אוטומטי כשהוא מתמלא בקובץ טקסט רגיל עם חותמת תאריך בספריית הנתונים הספציפית להפעלה. סגור את החלון. נתונים ויומנים כבר נשמרו.
    2. כדי לבקר שוב בחלון הניתוח עבור נתונים שנרשמו בעבר, לחץ פעמיים על הסמל EPOCS Offline Analysis ובחר את קובץ הנתונים לניתוח ההפעלה. המתן עד שהאותות הגולמיים יעובדו (פעולה זו עשויה להימשך דקה או יותר).
      הערה: הנתונים נשמרים כקבצי .dat בתבנית BCI2000. שם הקובץ מציין את התאריך והשעה של הפגישה, את מזהה המשתתף, את המצב (ST עבור מבחן גירוי, VC עבור כיווץ מרצון, RC עבור עקומת גיוס, CT עבור ניסויי בקרה ו- TT עבור ניסויי אימון), ואת מספר הריצה הרציף.

5. ביצוע מפגשים חוזרים מרובים

  1. קבעו בסך הכל 6 מפגשי בסיס, 24 מפגשי התניה (או 30, לאנשים עם לקות נוירולוגית) ו-4 מפגשי מעקב. תזמן את מפגשי הבסיס וההתניה בקצב של 3 מפגשים בשבוע, כאשר כל מפגש נמשך לא יותר מ-90 דקות. ארגן את כל המפגשים להתבצע באותה שעה של היום כדי למזער את ההשפעות של וריאציה יומית.
  2. בכל אחד מששת מפגשי הבסיס, ערכו ריצת עקומת גיוס ראשונית, 3 ריצות של 75 ניסויי בקרה וריצת עקומת גיוס סופית.
  3. בכל אחד מ-24 (או 30) מפגשי ההתניה, ערכו ריצת עקומת גיוס ראשונית, ריצה אחת של 20 ניסויי בקרה, 3 ריצות של 75 ניסויי אימון וריצת עקומת גיוס סופית.
  4. ערכו 4 פגישות מעקב ב-10-14 ימים, חודש, חודשיים ו-3 חודשים לאחר פגישת ההתניה האחרונה. בהתאם למטרות המחקר, אלה עשויים להיות זהים למפגשי בסיס, או למפגשי התניה.

Representative Results

איור 2 מראה את היעילות של הפרוטוקול הנ"ל במדידת עקומות גיוס M-wave ו-H-reflex ובמדידת התפלגות גדלי רפלקס H בעוצמת גירוי קבועה. הוא גם ממחיש את היעילות הכוללת של פרוטוקול ריבוי המפגשים בשינוי גודל רפלקס ה-H במשתתפים שאינם מדוכאים נוירולוגית ובשיפור תפקוד לוקומוטור במשתתפים עם פגיעה לא שלמה בחוט השדרה.

איור 2A מציג צילום מסך של חלון הניתוח לאחר ריצה שבוצעה במצב עקומת גיוס במהלך מיזוג אופרנטי H-reflex (ראה שלב פרוטוקול 4.5.). בחצי התחתון של החלון (החלונית רצף ), הציר האופקי מציג את מספר הניסיון – ולכן, עוצמת הגירוי עולה משמאל לימין. גודל רפלקס H (עיגולים ירוקים) עולה ואז יורד כפונקציה של עוצמת הגירוי, ואילו גודל גל M (משולשים חומים) עולה ואז רווי. איור 2B מציג צילום מסך של חלון הניתוח לאחר ריצה שבוצעה במצב ניסויי בקרה או ניסויי אימון במהלך מיזוג אופרנטי H-reflex (ראה שלב פרוטוקול 4.6. ושלב 4.7.). בחלונית התחתונה (החלונית "התפלגות"), ההיסטוגרמה של גדלי רפלקס H מאפשרת בחירה של רמת קריטריון מתאימה להתניה הבאה למעלה או למטה. באיור 2C, גודל רפלקס H במשתתפים שאינם פעילים נוירולוגית משורטט כפונקציה של מספר הפגישה על פני 6 מפגשים בסיסיים, 24 מפגשי התניה ו-4 מפגשי מעקב. הנתונים נאספו מ-15 משתתפים (8 גברים, 7 נשים) מתוכם 2 השתתפו בזרועות מיזוג למעלה ולמטה. המשתתפים היו בגילאי 21-55 שנים. כל המשתתפים נתנו הסכמה מדעת. הפרוטוקול אושר על ידי ועדת הבדיקה המוסדית (IRB) של מחלקת הבריאות של מדינת ניו יורק (אישור מספר 05-058). Thompson et al.16 מספקים פרטים נוספים. איור 2D מראה את ההשפעה החיובית של התניה כלפי מטה של סולאוס H-רפלקס במשתתפים עם פגיעה כרונית בגפיים התחתונות בעקבות פגיעה לא שלמה בחוט השדרה. התניה מוצלחת נקשרה לשיפור בסימטריית ההליכה ובמהירות ההליכה ביחס לקו הבסיס. הנתונים נאספו מ-13 משתתפים (9 גברים, 4 נשים) בגילאי 28-68 שנים, שנתנו הסכמה מדעת. הפרוטוקול אושר על ידי IRB של בית החולים הלן הייז (אישור מספר 07-07). Thompson et al.14 מספקים פרטים נוספים.

Figure 2
איור 2: תוצאות מייצגות . (A) צילום מסך של חלון ניתוח עקומת הגיוס. (ב) צילום מסך של חלון הניתוח 'ניסויי בקרה' או 'ניסויי הדרכה'. (C) השפעות מנוגדות של התניה למעלה ולמטה של רפלקס H-soleus במשתתפים שלא נפגעו. משולשים אדומים כלפי מעלה מראים גודל רפלקס H ממוצע מ- N = 6 משתתפים מותנים בהצלחה (מתוך 8); משולשים כחולים כלפי מטה מראים תגובות ממוצעות של N = 8 משתתפים שהותאמו בהצלחה כלפי מטה (מתוך 9). קווי שגיאה מציינים שגיאת תקן. תמונה זו שונתה מ- Thompson et al.16. (D) השפעה טיפולית של סולאוס H-רפלקס כלפי מטה על מהירות ההליכה וסימטריית ההליכה אצל אנשים עם ליקוי כרוני בעקבות פגיעה לא שלמה בחוט השדרה. תוצאות הניגודיות של הפסים עבור N = 6 משתתפים שרפלקסי H שלהם הותנו בהצלחה כלפי מטה כנגד N = 4 משתתפים ממצב הבקרה (ללא התניה אופרנטית) ו- N = 3 משתתפים שבהם פרוטוקול ההתניה כלפי מטה לא הצליח להקטין את גודל הרפלקס. קווי שגיאה מציינים שגיאת תקן. כל כוכבית מציינת ערך p מתחת ל-0.05 במבחן t זוגי, המשווה בין מדידות לפני לעומת מדידות לאחר התניה. תמונה זו שונתה מ- Thompson et al.14. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Discussion

הפרוטוקול שתואר לעיל מתאים להפגנת התניה כלפי מטה של סולאוס H-רפלקס במבוגר טיפוסי ללא פגיעה נוירולוגית. ערכי הפרמטרים המדויקים עשויים להשתנות מאדם לאדם ובמיוחד כפונקציה של ליקוי. בעוד שעקומת הגיוס של המשתתף הגיעה ל-Mmax בזרם מגרה של כ-25 mA בסרטון, אדם אחר עשוי לדרוש 50 mA או יותר, כך שהזרם יגדל בצעדים גדולים יותר במהלך מדידת עקומת הגיוס. הם עשויים גם לדרוש משך דופק ארוך יותר. אדם שלישי עשוי להיות רגיש יותר ולדרוש הגדרות נוכחיות קטנות יותר. הפרוטוקול גם צריך להיות מותאם על פי השריר כי הוא מותנה. לדוגמה, כאשר מתמקדים בשריר הרפיון הכופף24,25, נעשה שימוש בדרך כלל בהגדרת זרם נמוך יותר; יש להשתמש במצב כיווץ מרצון כדי לקבוע קנה מידה לגבולות הרקע-EMG; ויש לנקוט משנה זהירות הן במהלך האופטימיזציה של מיקום האלקטרודות והן במהלך אופטימיזציה של היציבה, אשר לאחר מכן יש לשמור על עקביות לאורך כל הניסויים.

הפרוטוקול רגיש לשינויים בקשר שבין הגדרת זרם הגירוי לבין כמות הזרם המועברת בפועל לעצב – הדבר עשוי להיות מושפע משינויים קטנים ביציבה, בהידרציה של המשתתף ובייבוש של ג'ל האלקטרודה הדביק. בהתניית H-רפלקס, ניתן למתן בעיה זו על ידי שימוש בגודל גל M כאינדיקטור לעוצמת גירוי יעילה. הוא משקף את מספר האקסונים השופעים של סולאוס מוטונורון הנרגשים על ידי הגירוי. לפיכך, אם גודל גל M נשמר קבוע, זה מרמז על כך שמספר האקסונים הראשוניים המתעוררים על ידי הגירוי, כלומר האקסונים המעוררים את רפלקס H, נשמר גם הוא קבוע (ראו גם Crone et al.26). לפיכך, גל M זה מכונה תגובת הייחוס בתוכנה. מסיבה זו, שלב 4.5.12. מזכיר כי יש לרשום את גודל גל M היעד. למעשה, חשוב יותר לשמור על גודל תגובה זה קבוע בערך מאשר לשמור על הזרם הנומינלי קבוע לחלוטין. לשונית הרצף של חלון הניתוח מאפשרת אימות רטרוספקטיבי של קביעות גל M בכל ריצה; עבור מיזוג סולאוס H-רפלקס, זה לעתים קרובות מספיק כדי לתקן את כל הבעיות. לקבלת שליטה רבה יותר, צג שני עשוי להיות מחובר למחשב כדי להציג ניתוח M-wave בזמן אמת המנחה את ההתאמה הידנית של ניסוי אחר ניסוי. אוטומציה של משימת בקרה זו היא פרויקט מתמשך27.

שונות יומית עשויה להשפיע גם על התגובות האלקטרופיזיולוגיות של האדם 28,29,30,31. מסיבה זו, מומלץ שכל המפגשים יבוצעו באותה שעה ביום, כלומר באותו חלון זמן של 3 שעות.

ההצלחה של התניה אופרנטית עשויה להיות רגישה לדיוק של מרווח הזמן שנבחר על ידי האופרטור כדי להגדיר את רפלקס H; בפרט, המרווח לא צריך להיות רחב מדי. הנחיות מפורטות להגדרת מרווח נכון הן מעבר להיקף המאמר הנוכחי. זוהי גם פונקציה שתהיה אוטומטית בגרסאות עתידיות של התוכנה.

שלב קריטי בפרוטוקול הוא שלב 4.5.6., שבו המפעיל מגדיל ידנית את זרם הגירוי שוב ושוב לאחר כל מספר קבוע של ניסויים. ספירה שגויה של הניסויים כאן או התאמה שגויה של החוגה הנוכחית עלולה להוביל לעיוות של עקומת הגיוס המתקבלת. ניתן למתן אפשרות זו של שגיאת משתמש על ידי הפעלת האפשרות Digitimer Link, המאפשרת אוטומציה של התאמת הזרם עבור דגם מגרה מסוים אחד.

מאמר זה התמקד במיזוג H-reflex, שכן הוא המפותח ביותר מבין היישומים הקליניים הפוטנציאליים של EPOCS. התוכנה הקיימת מסייעת לחוקרים במאמצים המתמשכים לחדד פרוטוקול זה לקראת הפצה קלינית רחבה32. מעבר להתניה של רפלקס H, EPOCS עשוי להיות מיושם גם בצורתו הנוכחית על מגוון רחב יותר של שיטות גירוי ותגובות מעוררות. לדוגמה, הוא יכול באותה מידה להפעיל מכשיר מכני שמעורר רפלקס מתיחה, אשר עשוי להיות מותנה גם33,34,35. הגישה ניתנת להתאמה לליקויים של הפרט; אצל אדם אחד, התניה כלפי מטה של רפלקס H-סולאוס משפרת את התנועה על ידי הפחתת היפררפלקסיה ספסטית14; באחרת, מיזוג מעלה של ה- MEP הקדמי של טיביאליס משפר את התנועה על ידי הקלה על צניחת כף הרגל36.

בעוד שמתקיימים מאמצים לייצר יישום מסחרי של הפרוטוקול, התוכנה המקורית תישמר במקביל ככלי מחקר כדי לספק את הגמישות הדרושה להרחבת תחום הנוירופלסטיות הממוקדת. גמישות זו מתאפשרת הודות למודולריות וליכולת ההרחבה של פלטפורמת התוכנה BCI2000 הנרחבת והמבוססת היטב, שעליה מבוססת EPOCS. משמעות הדבר היא שעם התערבות מינימלית של מהנדס תוכנה, המערכת ניתנת להגדרה מחדש למגוון רחב עוד יותר של מטרות מחקר. לדוגמה, ניתן להגדיר אותו להקלטת ערוצי biosignal נוספים או חיישנים נוספים לניתוח מאוחר יותר (למשל, מתגי רגליים וחיישני מעקב אחר תנועה) לצורך התניה במהלך תנועה. ניתן גם לתכנת אותו לשקול קריטריונים מעוררים נוספים לגירוי (למשל, הפעלת גירוי רק בחלק מסוים של מחזור ההליכה) או להפעיל גירויי חיזוק נוספים בניסויים מוצלחים או לא מוצלחים. קבצי התאמה אישית לדוגמה מסופקים.

נוירופלסטיות ממוקדת עדיין בחיתוליה. הדרכים שטרם נחקרו צפויות לספק יתרונות גדולים הן לפיתוח גישות טיפוליות חדשניות (כפי שפורט לעיל) והן להבהרת ההיסטוריה הטבעית של מחלות ומנגנוני תפקוד מערכת העצבים המרכזית הן בבריאות והן במחלה 2,32,37. לפיכך, אנו מחויבים לשמר ולתמוך ב-EPOCS ככלי מרכזי למימוש הפוטנציאל הטיפולי והמדעי הזה.

Disclosures

JRW ו-AKT הם ממציאים בשלושה פטנטים הקשורים להתניות H-רפלקס. למחברים האחרים אין אינטרסים כספיים מתחרים או ניגודי עניינים לדווח עליהם.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי 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), תוכנית המחקר לשיקום עצבי של Doscher (AKT), והמרכז הרפואי סטרטון אלבני VA.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. Targeted neuroplasticity for rehabilitation. Progress in Brain Research. 218, 157-172 (2015).
  2. Wolpaw, J. R. What can the spinal cord teach us about learning and memory. Neuroscientist. 16 (5), 532-549 (2010).
  3. Thompson, A. K., Pomerantz, F. R., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of a spinal reflex can improve locomotion after spinal cord injury in humans. Journal of Neuroscience. 33 (6), 2365-2375 (2013).
  4. Chen, Y., et al. Locomotor impact of beneficial or nonbeneficial H-reflex conditioning after spinal cord injury. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1249-1258 (2014).
  5. Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. H-reflex conditioning during locomotion in people with spinal cord injury. Journal of Physiology. 599 (9), 2453-2469 (2021).
  6. Bunday, K. L., Perez, M. A. Motor recovery after spinal cord injury enhanced by strengthening corticospinal synaptic transmission. Current Biology. 22 (24), 2355-2361 (2012).
  7. Schalk, G., McFarland, D., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. BCI2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
  8. Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London, UK. (2010).
  9. Wolpaw, J. R., Braitman, D. J., Seegal, R. F. Adaptive plasticity in primate spinal stretch reflex: initial development. Journal of Neurophysiology. 50 (6), 1296-1311 (1983).
  10. Wolpaw, J. R. Operant conditioning of primate spinal reflexes: The H-reflex. Journal of Neurophysiology. 57 (2), 443-459 (1987).
  11. Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of H-reflex in freely moving rats. Journal of Neurophysiology. 73 (1), 411-415 (1995).
  12. Chen, Y., et al. Operant conditioning of H-reflex can correct a locomotor abnormality after spinal cord injury in rats. Journal of Neuroscience. 26 (48), 12537-12543 (2006).
  13. Chen, X. Y., Chen, L., Chen, Y., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of reciprocal inhibition in rat soleus muscle. Journal of Neurophysiology. 96 (4), 2144-2150 (2006).
  14. Thompson, A. K., Pomerantz, F. R., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of a spinal reflex can improve locomotion after spinal cord injury in humans. Journal of Neuroscience. 33 (6), 2365-2375 (2013).
  15. Thompson, A. K., Favale, B. M., Velez, J., Falivena, P. Operant up-conditioning of the tibialis anterior motor-evoked potential in multiple sclerosis: feasibility case studies. Neural Plasticity. , 4725393 (2018).
  16. Thompson, A. K., Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Acquisition of a simple motor skill: Task-dependent adaptation plus long-term change in the human soleus H-reflex. Journal of Neuroscience. 29 (18), 5784-5792 (2009).
  17. Makihara, Y., Segal, R. L., Wolpaw, J. R., Thompson, A. K. Operant conditioning of the soleus H-reflex does not induce long-term changes in the gastrocnemius H-reflexes and does not disturb normal locomotion in humans. Journal of Neurophysiology. 112 (6), 1439-1446 (2014).
  18. Hoffmann, P. Beitrag zur Kenntnis der menschlichen Reflexe mit besonderer Berücksichtigung der elektrischen Erscheinungen. Archiv für Anatomie, Physiologie und Wissenschaftliche Medicin. 1, 223-246 (1910).
  19. Magladery, J. W., McDougal, D. B. Electrophysiological studies of nerve and reflex activity in normal man, I: Identification of certain reflexes in the electromyogram and the conduction velocity of peripheral nerve fibers. Bulletin of the Johns Hopkins Hospital. 86, 265-289 (1950).
  20. Zehr, E. P. Considerations for use of the Hoffmann reflex in exercise studies. European Journal of Applied Physiology. 86 (5), 455-468 (2002).
  21. Misiaszek, J. E. The H-reflex as a tool in neurophysiology: Its limitations and uses in understanding nervous system function. Muscle & Nerve. 28 (2), 144-160 (2003).
  22. Pierrot Deseilligny, E., Burke, D. The Circuitry of the Human Spinal Cord: Its Role in Motor Control and Movement Disorders. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2012).
  23. Skinner, B. F. The Behavior of Organisms: An Experimental Analysis. , Appleton-Century-Crofts. New York, USA. (1938).
  24. Eftekhar, A., Norton, J. J. S., McDonough, C. M., Wolpaw, J. R. Retraining reflexes: Clinical translation of spinal reflex operant conditioning. Neurotherapeutics. 15 (3), 669-683 (2018).
  25. Norton, J., et al. Operant condition of the flexor carpi radialis H-reflex. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 101 (12), 145-146 (2020).
  26. Crone, C., Johnsen, L. L., Hultborn, H., Orsnes, G. B. Amplitude of the maximum motor response (Mmax) in human muscles typically decreases during the course of an experiment. Experimental Brain Research. 124 (2), 265-270 (1999).
  27. Devetzoglou-Toliou, S., et al. Recursive PID controller for automatically adjusting M-wave size during H-reflex operant conditioning. International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. 10, 1079-1082 (2021).
  28. Wolpaw, J. R., Seegal, R. F. Diurnal rhythm in the spinal stretch reflex. Brain Research. 244 (2), 365-369 (1982).
  29. Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Circadian rhythm in rat H-reflex. Brain Research. 648 (1), 167-170 (1994).
  30. Carp, J. S., Tennissen, A. M., Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Diurnal H-reflex variation in mice. Experimental Brain Research. 168 (4), 517-528 (2006).
  31. Lagerquist, O., Zehr, E. P., Baldwin, E. R., Klakowicz, P. M., Collins, D. F. Diurnal changes in the amplitude of the Hoffmann reflex in the human soleus but not in the flexor carpi radialis muscle. Experimental Brain Research. 170, 1-6 (2006).
  32. Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of spinal reflexes: From basic science to clinical therapy. Frontiers in Integrative Neuroscience. 8, 25 (2014).
  33. Segal, R. L., Wolf, S. L. Operant conditioning of spinal stretch reflexes in patients with spinal cord injuries. Experimental Neurology. 130 (2), 202-213 (1994).
  34. Wolf, S. L., Segal, R. L. Reducing human biceps brachii spinal stretch reflex magnitude. Journal of Neurophysiology. 75 (4), 1637-1646 (1996).
  35. Mrachacz-Kersting, N., et al. Acquisition of a simple motor skill: Task-dependent adaptation and long-term changes in the human soleus stretch reflex. Journal of Neurophysiology. 122 (1), 435-446 (2019).
  36. Thompson, A. K., et al. Operant conditioning of the motor-evoked potential and locomotion in people with and without chronic incomplete spinal cord injury. Journal of Neurophysiology. 121 (3), 853-866 (2019).
  37. Thompson, A. K., et al. Effects of sensorimotor rhythm modulation on the human flexor carpi radialis H-reflex. Frontiers in Neuroscience. 12, 505 (2018).

Tags

מדעי המוח גיליון 186
מערכת ההתניה האופרנטית הפוטנציאלית המעוררת (EPOCS): כלי מחקר וטיפול מתפתח בהפרעות נוירומוסקולריות כרוניות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hill, N. J., Gupta, D., Eftekhar,… More

Hill, N. J., Gupta, D., Eftekhar, A., Brangaccio, J. A., Norton, J. J. S., McLeod, M., Fake, T., Wolpaw, J. R., Thompson, A. K. The Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS): A Research Tool and an Emerging Therapy for Chronic Neuromuscular Disorders. J. Vis. Exp. (186), e63736, doi:10.3791/63736 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter