يساعد نظام التكييف الفعال المحتمل المستثار في التحقيق العلمي للوظيفة الحسية الحركية ويمكنه إدارة التدريب السلوكي العصبي المستهدف الذي يمكن أن يؤثر على إعادة التأهيل الحسي الحركي في الاضطرابات العصبية العضلية. تصف هذه المقالة قدراته وتوضح تطبيقه في تعديل منعكس العمود الفقري البسيط لتحقيق تحسن دائم في الوظيفة الحركية.
نظام تكييف التشغيل المحتمل المثار (EPOCS) هو أداة برمجية تنفذ بروتوكولات لتكييف استجابات العضلات التي يسببها التحفيز بشكل فعال لدى الأشخاص الذين يعانون من اضطرابات عصبية عضلية ، والتي بدورها يمكن أن تحسن الوظيفة الحسية الحركية عند تطبيقها بشكل مناسب. يراقب EPOCS حالة العضلات المستهدفة المحددة – على سبيل المثال ، من تخطيط كهربية العضل السطحي (EMG) أثناء الوقوف ، أو من قياسات دورة المشي أثناء المشي على جهاز المشي – ويؤدي تلقائيا إلى تحفيز معاير عند استيفاء شروط محددة مسبقا. يوفر شكلين من ردود الفعل التي تمكن الشخص من تعلم تعديل استثارة المسار المستهدف. أولا ، يراقب باستمرار نشاط EMG المستمر في العضلة المستهدفة ، ويوجه الشخص لإنتاج مستوى ثابت من النشاط مناسب للتكييف. ثانيا ، يوفر ملاحظات فورية لحجم الاستجابة بعد كل تحفيز ويشير إلى ما إذا كان قد وصل إلى القيمة المستهدفة.
لتوضيح استخدامه ، تصف هذه المقالة بروتوكولا يمكن للشخص من خلاله تعلم تقليل حجم منعكس هوفمان – التناظرية المستنبطة كهربائيا لمنعكس تمدد العمود الفقري – في العضلة الوحيدة. يمكن أن يؤدي تكييف استثارة هذا المسار إلى تحسين المشي لدى الأشخاص الذين يعانون من مشية تشنجية بسبب إصابة الحبل الشوكي غير المكتملة. توضح المقالة كيفية إعداد المعدات ؛ كيفية وضع أقطاب كهربائية محفزة وتسجيلها ؛ وكيفية استخدام البرنامج المجاني لتحسين وضع القطب ، وقياس منحنى التوظيف للاستجابات الحركية والانعكاسية المباشرة ، وقياس الاستجابة دون تكييف فعال ، وتكييف المنعكس ، وتحليل البيانات الناتجة. يوضح كيف يتغير رد الفعل على مدار جلسات متعددة وكيف يتحسن المشي. كما يناقش كيف يمكن تطبيق النظام على أنواع أخرى من الاستجابات المثارة وعلى أنواع أخرى من التحفيز ، على سبيل المثال ، الإمكانات الحركية المثارة للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة. كيف يمكن معالجة المشاكل السريرية المختلفة ؛ وكيف يمكن أن تدعم الدراسات البحثية للوظيفة الحسية الحركية في الصحة والمرض.
على مدى العقد الماضي ، ظهرت استراتيجيات المرونة العصبية المستهدفة كنهج جديد لإعادة تأهيل الإعاقات العصبية 1,2. إحدى هذه الاستراتيجيات هي التكييف الفعال للإمكانات المثارة. يستلزم ذلك استنباط الاستجابات الكهربية بشكل متكرر والتي يمكن قياسها بشكل غير جراحي – على سبيل المثال ، عن طريق تخطيط كهربية الدماغ (EEG) أو تخطيط كهربية العضل السطحي (EMG) – وإعطاء الشخص ملاحظات فورية حول حجم كل استجابة بالنسبة لمستوى المعيار الذي حدده المعالج أو المحقق. بمرور الوقت ، يدرب هذا البروتوكول الشخص على زيادة أو تقليل استجابته ، وبالتالي يمكنه استهداف التغيير المفيد في موقع الجهاز العصبي المركزي المهم في سلوك مثل الحركة أو الوصول والفهم. يفيد التغيير المستهدف الأداء ، بالإضافة إلى أنه يتيح ممارسة أفضل تؤدي إلى تغيير مفيد واسع النطاق يحسن السلوك بأكمله. على سبيل المثال ، في الأشخاص الذين يعانون من إصابة غير مكتملة في الحبل الشوكي (iSCI) والذين يضعف clonus الحركة ، فإن التكييف الفعال الذي يقلل من منعكس هوفمان في العضلة الوحيدة لساق واحدة يحسن نشاط العضلات الحركية في كلا الساقين ، وبالتالي زيادة سرعة المشي واستعادة تناسق الخطوة اليمنى / اليسرى1،3،4،5 . مثال آخر هو تحفيز النبض المزدوج ، والذي يمكن أن يزيد بشكل دائم من حجم الإمكانات المثارة الحركية (MEP) إلى التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة ، وبالتالي تحسين وظيفة الوصول والإمساك لدى الأشخاص الذين يعانون من ضعف مزمن في اليد والذراع بعد iSCI6.
يتطلب تنفيذ مثل هذه البروتوكولات برامج ذات أغراض خاصة يجب أن تؤدي وظائف متعددة. على وجه التحديد ، يجب أن تحصل باستمرار على الإشارات الكهربية وتعالجها وتحفظها ؛ يجب أن تراقب باستمرار حالة الجهاز العصبي وتحفز التحفيز بشكل مناسب في ظل قيود صارمة في الوقت الفعلي ؛ يجب أن توفر ملاحظات مستمرة لحظة بلحظة ، وتعليقات تجربة تلو الأخرى ، وتعليقات كل جلسة على حدة ؛ يجب أن توفر واجهة مستخدم لتوجيه الإعداد والضبط من قبل المحقق أو المعالج ؛ وأخيرا ، يجب عليه تخزين وتنظيم بيانات الإشارة والمعلومات الوصفية بتنسيق موحد.
نظام التكييف الفعال المحتمل (EPOCS) هو إجابتنا على هذه الحاجة المعلقة. تحت الغطاء ، يعتمد البرنامج على BCI2000 ، وهي منصة تقنية عصبية مفتوحة المصدر تستخدم في مئات المختبرات حول العالم 7,8. في EPOCS ، يتم إخفاء واجهة المستخدم المعتادة ل BCI2000 واستبدالها بواجهة مبسطة تم تحسينها لبروتوكولات التكييف الفعالة المحتملة المثارة.
توضح المقالة الحالية والفيديو المصاحب لها استخدام EPOCS في بروتوكول واحد معين: تكييف فعال لتقليل حجم منعكس هوفمان (H-) في العضلة الوحيدة. هذه الاستجابة هي التناظرية المستنبطة كهربائيا لمنعكس تمدد الركبة. لقد ثبت أن تكييف H-reflex السفلي يقلل من تأثير clonus على الحركة ، وبالتالي يحسن ، الحركة في الحيوانات مع iSCI9،10،11،12،13 وفي البشر الذين يعانون من iSCI أو التصلب المتعدد أو السكتة الدماغية5،14،15. يمكن تطبيقه دون آثار جانبية ضارة في الحيوانات والأشخاص الذين يعانون من أو بدون إصابة عصبية16,17.
يعمل بروتوكول التكييف الفعال عن طريق إجراء تجارب متعددة ، تستغرق كل منها عدة ثوان. يظهر تسلسل أحداث تجربة واحدة بشكل تخطيطي في الشكل 1 ، مع أرقام تشير إلى الوظائف التالية:
1. الخلفية المستمرة يتم تسجيل EMG من أقطاب سطحية ثنائية القطب فوق العضلة المستهدفة (النعل) ومضادها (الظنبوب الأمامي). يتم تقييم مستوى الخلفية على أنه متوسط القيمة المصححة للإشارة التي تمت تصفيتها عالية التمريرات في نافذة منزلقة.
2. يظهر مستوى EMG في الخلفية في العضلة المستهدفة على أنه ارتفاع شريط ، يتم تحديثه باستمرار على شاشة المشارك. هذا يساعد المشارك على الحفاظ على النشاط ضمن نطاق محدد (منطقة فقس).
3. يحكم البرنامج على اللحظة المناسبة للتحفيز الكهربائي ويطلق المحفز وفقا لذلك. المعايير الرئيسية هي أن 5 ثوان على الأقل يجب أن تكون قد انقضت منذ التحفيز السابق وأن مستوى EMG الخلفي يجب أن يظل في النطاق المحدد بشكل مستمر لمدة 2 ثانية.
4. يقوم محفز التيار المستمر بتوصيل نبضة كهربائية عبر الجلد إلى العصب الظنبوبي (عادة أحادي الطور ، لمدة 1 مللي ثانية).
5. يتم تسجيل الاستجابة المحفزة الناتجة. يحسب البرنامج أحجام مكونين لهما أهمية خاصة: الموجة M السابقة ، والتي تعكس تنشيط العضلات الناتج عن التحفيز المباشر للمحور الحركي. والمنعكس H اللاحق ، والذي يعكس الإشارة المنقولة عبر قوس منعكس في الحبل الشوكي18،19،20،21،22. يشير EPOCS إلى هذه على أنها الاستجابة المرجعية والاستجابة المستهدفة ، على التوالي.
6. يتم عرض حجم H-reflex للتجربة الحالية على أنه ارتفاع شريط ثان ، بالنسبة إلى مستوى المعيار المطلوب الذي يحدد تجربة ناجحة أو غير ناجحة. بالنسبة للتكييف السفلي ، يكون الشريط أخضر داكن إذا انخفض حجم H-reflex إلى ما دون المعيار ، أو أحمر فاتح إذا لم يحدث ذلك (بالعكس بالنسبة للتكييف). في الوقت نفسه ، يتم تحديث العرض الرقمي لمعدل النجاح التراكمي وفقا لذلك. معا ، توفر عناصر العرض الرسومية هذه التعزيز الإيجابي أو السلبي الفوري الذي يعتمد عليه التكييف الفعال23.
الشكل 1: رسم تخطيطي للوظائف الأساسية ل EPOCS أثناء التكييف السفلي لمنعكس H النعلي. يشاهد المشارك شاشة عرض كبيرة تعرض مستوى EMG في الخلفية ، وأحدث حجم H-reflex ، وعدد التجارب المكتملة حتى الآن في التشغيل الحالي البالغ 75 ، ونسبة تشغيل التجارب الناجحة للتشغيل. يشار إلى تسلسل الأحداث في تجربة واحدة بالأرقام من 1 إلى 6 ، كما هو موضح في المقدمة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
يتكون بروتوكول تكييف H-reflex البشري عادة من 6 جلسات أساسية ، تليها 24-30 جلسة تكييف موزعة على 10 أسابيع بمعدل 3 جلسات / أسبوع ، والعديد من جلسات المتابعة على مدار 3-6 أشهر اللاحقة14,16. تستغرق كل جلسة 60-90 دقيقة.
لدعم هذا البروتوكول بالإضافة إلى البروتوكولات الأخرى ذات الصلة ، لدى EPOCS خمسة أوضاع تشغيل متميزة ، يتم تقديم كل منها بواسطة إحدى علامات التبويب في نافذتها الرئيسية ، بعنوان اختبار التحفيز ، والانكماش الطوعي ، ومنحنى التوظيف ، وتجارب التحكم ، وتجارب التدريب.
في وضع اختبار التحفيز ، يقوم البرنامج بتشغيل حافز كل بضع ثوان ، وليس بالضرورة مشروطا بحالة العضلة المستهدفة. تظهر إشارات الاستجابة على الشاشة بعد كل مثير. يسمح ذلك للمشغل بالتحقق من جودة توصيلات القطب وإشارة EMG ؛ لتحسين موضع الأقطاب الكهربائية المحفزة والتسجيل ؛ وتأسيس مورفولوجيا استجابة الفرد.
في وضع الانقباض الطوعي ، يقيس البرنامج ويظهر مستوى EMG الخلفي بينما يتم تشجيع المشارك على انقباض العضلات قدر الإمكان ، في غياب التحفيز الكهربائي. في بعض البروتوكولات ، يعد مستوى EMG عند الحد الأقصى للانكماش الطوعي (MVC) مرجعا مفيدا لتحديد معايير EMG الأساسية. في البروتوكول الموضح هنا ، هذا ليس ضروريا ، لأن وضعية الوقوف المستقرة توحد نشاط العضلة الوحيدة بشكل كاف.
في وضع منحنى التوظيف ، يعتمد التحفيز على مستوى EMG الخلفي (الذي يظهر باستمرار على الشاشة) في النطاق الصحيح ؛ تظهر إشارات الاستجابة على الشاشة بعد كل حافز ؛ ويمكن تحليل تسلسل الاستجابات في نهاية الجري. وهذا يسمح للمشغل بتحديد بداية ونهاية الفترات الزمنية التي تظهر فيها الاستجابات ذات الاهتمام ؛ لتحديد العلاقة بين شدة التحفيز وحجم الاستجابة ، قبل وبعد تشغيل التكييف ؛ وتحديد شدة التحفيز التي سيتم استخدامها للتكييف.
في وضع تجارب التحكم ، يعتمد التحفيز على مستوى EMG في الخلفية (يظهر باستمرار على الشاشة) ، ولكن لا يتم تقديم أي ملاحظات حول حجم الاستجابة المستهدفة. يمكن تحليل تسلسل وتوزيع أحجام الاستجابة. يمكن استخدام هذا الوضع لجمع قياسات خط الأساس لحجم الاستجابة ، أو كشرط تحكم للمقارنة مع التكييف الفعال في التصميم التجريبي المتقاطع أو بين الموضوعات. يمكن أن يكون بمثابة أساس لوضع معيار الأداء للتكييف الفعال في بداية كل جلسة.
أخيرا ، في وضع التجارب التدريبية ، يعتمد التحفيز على مستوى EMG في الخلفية (يظهر باستمرار على الشاشة) ، ويتم أيضا توفير التعزيز التجريبي تلو الآخر من خلال إظهار حجم الاستجابة المستهدفة ، كما هو موضح أعلاه وموضح في الشكل 1. هذا هو الوضع الذي يتم فيه تنفيذ التكييف الفعال.
سيوجه القسم التالي القارئ خلال الأوضاع الخمسة من خلال توضيح بروتوكول التكييف السفلي لمنعكس H النعل في مشارك بالغ دون إصابة عصبية.
البروتوكول الموصوف أعلاه مناسب لإظهار تكييف H-reflex النعلي في شخص بالغ نموذجي دون إعاقة عصبية. قد تختلف قيم المعلمات الدقيقة من شخص لآخر وخاصة كدالة للضعف. في حين أن منحنى توظيف المشارك وصل إلى Mmax عند تيار محفز يبلغ حوالي 25 مللي أمبير في الفيديو ، قد يحتاج شخص آخر إلى 50 مللي أمبير أو أكثر ، لذلك سيتم زيادة التيار بخطوات أكبر أثناء قياس منحنى التوظيف. قد تتطلب أيضا مدة نبض أطول. قد يكون الشخص الثالث أكثر حساسية ويتطلب إعدادات تيار أصغر. يحتاج البروتوكول أيضا إلى التكيف وفقا للعضلة التي يتم تكييفها. على سبيل المثال ، عند استهداف عضلة الكاربي الشعاعيةالمثنية 24,25 ، يتم استخدام إعداد التيار المنخفض بشكل عام ؛ ينبغي استخدام وضع الانكماش الطوعي لوضع مقياس لحدود EMG الخلفية؛ ويجب توخي قدر أكبر من الحذر أثناء تحسين وضع القطب وأثناء تحسين الموقف ، والذي يجب بعد ذلك أن يظل ثابتا عبر التجارب.
البروتوكول حساس للاختلافات في العلاقة بين إعداد تيار المحفز وكمية التيار التي يتم توصيلها فعليا إلى العصب – قد يتأثر هذا باختلافات صغيرة في الموقف ، وترطيب المشارك ، وتجفيف هلام القطب اللاصق. في تكييف H-reflex ، يمكن تخفيف هذه المشكلة باستخدام حجم الموجة M كمؤشر على شدة التحفيز الفعالة. وهو يعكس عدد المحاور العصبية المتحركة الوحيدة الصادرة التي يثيرها المثير. وبالتالي ، إذا ظل حجم الموجة M ثابتا ، فهذا يعني أن عدد المحاور العصبية الأولية الواردة التي يثيرها التحفيز ، أي المحاور العصبية التي تثير منعكس H ، تظل ثابتة أيضا (انظر أيضا Crone et al.26). ومن ثم ، يشار إلى هذه الموجة M على أنها الاستجابة المرجعية في البرنامج. لهذا السبب ، الخطوة 4.5.12. يذكر أنه يجب تسجيل حجم الموجة M المستهدفة. في الواقع ، من المهم الحفاظ على حجم الاستجابة هذا ثابتا تقريبا بدلا من الحفاظ على التيار الاسمي ثابتا تماما. تسمح علامة التبويب Sequence في نافذة التحليل بالتحقق بأثر رجعي من ثبات M-wave على كل تشغيل ؛ بالنسبة لتكييف H-reflex النعل ، غالبا ما يكون هذا كافيا لتصحيح أي مشاكل. لمزيد من التحكم ، قد يتم توصيل شاشة ثانية بالكمبيوتر لعرض تحليلات M-wave في الوقت الفعلي التي توجه التعديل اليدوي لكل تجربة على حدة. أتمتة مهمة التحكم هذه هي مشروع مستمر27.
قد يؤثر الاختلاف النهاري أيضا على الاستجابات الكهربية للشخص28،29،30،31. لهذا السبب ، يوصى بإجراء جميع الجلسات في نفس الوقت من اليوم ، أي في نفس النافذة الزمنية 3 ساعات.
قد يكون نجاح التكييف الفعال حساسا لدقة الفاصل الزمني الذي يختاره المشغل لتحديد منعكس H ؛ على وجه الخصوص ، يجب ألا يكون الفاصل الزمني واسعا جدا. المبادئ التوجيهية التفصيلية لتعريف الفاصل الصحيح هي خارج نطاق المادة الحالية. هذه أيضا وظيفة سيتم أتمتتها في الإصدارات المستقبلية من البرنامج.
الخطوة الحاسمة في البروتوكول هي الخطوة 4.5.6 ، حيث يقوم المشغل يدويا بزيادة تيار المحفز بشكل متكرر بعد كل عدد ثابت من التجارب. يمكن أن يؤدي سوء حساب التجارب هنا أو سوء ضبط الاتصال الهاتفي الحالي إلى تشويه منحنى التوظيف الناتج. يمكن التخفيف من احتمال خطأ المستخدم هذا عن طريق تمكين خيار Digitimer Link ، والذي يسمح بأتمتة التعديل الحالي لنموذج محفز معين.
ركزت هذه المقالة على تكييف H-reflex ، لأنه الأكثر تطورا من بين التطبيقات السريرية المحتملة ل EPOCS. يساعد البرنامج الحالي الباحثين في الجهود المستمرة لصقل هذا البروتوكول نحو النشر السريري الواسع32. بالإضافة إلى تكييف H-reflex ، يمكن أيضا تطبيق EPOCS في شكله الحالي على مجموعة متنوعة من طرق التحفيز والاستجابات المثارة. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي بشكل جيد إلى تشغيل جهاز ميكانيكي يثير منعكس تمدد ، والذي قد يكون أيضا مشروطا33،34،35. هذا النهج قابل للتكيف مع إعاقات الفرد. في شخص واحد ، يعمل تكييف المنعكس H-reflex النعل على تحسين الحركة عن طريق تقليل فرط المنعكسات التشنجي14 ؛ في آخر ، يعمل تكييف MEP الأمامي للظنبوب على تحسين الحركة عن طريق التخفيف من انخفاض القدم36.
في حين أن الجهود جارية لإنتاج تنفيذ تجاري للبروتوكول ، سيتم الحفاظ على البرنامج الأصلي بالتوازي كأداة بحث لتوفير المرونة اللازمة لتوسيع مجال المرونة العصبية المستهدفة. يتم تمكين هذه المرونة من خلال نمطية وقابلية التوسع لمنصة برمجيات BCI2000 واسعة الانتشار والراسخة ، والتي تستند إليها EPOCS. هذا يعني أنه مع الحد الأدنى من التدخل من قبل مهندس البرمجيات ، يمكن إعادة تكوين النظام لمجموعة متنوعة من أغراض البحث. على سبيل المثال ، يمكن تهيئته لتسجيل قنوات إشارة بيولوجية إضافية أو مستشعرات إضافية لتحليلها لاحقا (على سبيل المثال ، مفاتيح القدم وأجهزة استشعار تتبع الحركة) للتكييف أثناء الحركة. يمكن أيضا برمجته للنظر في معايير تحفيز إضافية للتحفيز (على سبيل المثال ، تحفيز التحفيز فقط في جزء معين من دورة المشي) أو لتحفيز محفزات تعزيز إضافية في التجارب الناجحة أو غير الناجحة. يتم توفير أمثلة على ملفات التخصيص.
المرونة العصبية المستهدفة لا تزال في مهدها. من المتوقع أن توفر طرقها غير المستكشفة حتى الآن فوائد كبيرة لتطوير مناهج علاجية جديدة (كما نوقش أعلاه) ولتوضيح التاريخ الطبيعي للمرض وآليات وظيفة الجهاز العصبي المركزي في كل من الصحة والمرض2،32،37. لذلك ، نحن ملتزمون بالحفاظ على EPOCS ودعمه كأداة رئيسية لتحقيق هذه الإمكانات العلاجية والعلمية.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل من قبل 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) ، برنامج أبحاث إعادة التأهيل العصبي Doscher (AKT) ، ومركز ستراتون ألباني الطبي VA.
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 |