诱发电位操作性调节系统有助于对感觉运动功能的科学研究,并可以进行有针对性的神经行为训练,从而影响神经肌肉疾病中的感觉运动康复。本文描述了它的功能,并说明了它在改变简单脊柱反射以实现运动功能的持久改善方面的应用。
诱发电位操作性调节系统(EPOCS)是一种软件工具,用于在神经肌肉疾病患者中实施操作调节刺激触发的肌肉反应的方案,这反过来又可以在适当应用时改善感觉运动功能。EPOCS监测特定目标肌肉的状态,例如,站立时的表面肌电图(EMG)或在跑步机上行走时的步态周期测量,并在满足预定义条件时自动触发校准刺激。它提供两种形式的反馈,使人能够学会调节目标途径的兴奋性。首先,它持续监测目标肌肉中正在进行的肌电图活动,引导患者产生适合调理的一致活动水平。其次,它在每次刺激后提供反应大小的即时反馈,并指示它是否已达到目标值。
为了说明它的用法,本文描述了一种协议,通过该方案,一个人可以学习减小比目鱼肌中霍夫曼反射(脊柱拉伸反射的电诱发类似物)的大小。对这一通路的兴奋性进行下调调节可以改善由于不完全脊髓损伤而导致痉挛步态的人的行走。本文演示了如何设置设备;如何放置刺激和记录电极;以及如何使用免费软件优化电极放置,测量直接运动和反射反应的募集曲线,在没有操作性条件反射的情况下测量反应,调节反射并分析结果数据。它说明了反射如何在多次会话中变化以及步行如何改善。它还讨论了如何将该系统应用于其他类型的诱发反应和其他类型的刺激,例如,经颅磁刺激的运动诱发电位;它如何解决各种临床问题;以及它如何支持健康和疾病中感觉运动功能的研究。
在过去的十年中,有针对性的神经可塑性策略已成为神经损伤康复的新方法1,2。其中一种策略是对诱发电位的操作性条件反射。这需要反复引发可以无创测量的电生理反应 – 例如,通过脑电图(EEG)或表面肌电图(EMG) – 并立即反馈每个反应的大小相对于治疗师或研究者设定的标准水平。随着时间的推移,该协议训练患者增加或减少他们的反应,从而可以针对中枢神经系统部位的有益变化,这对于运动或伸手和抓握等行为很重要。有针对性的更改有利于绩效,此外,还可以实现更好的实践,从而带来广泛的有益更改,从而改善整个行为。例如,对于阵挛损害运动的不完全脊髓损伤 (iSCI) 患者,减少单腿比目鱼肌霍夫曼反射的操作性调理可改善双腿运动肌活动,从而提高行走速度并恢复左右步对称性1,3,4,5.另一个例子是配对脉冲刺激,它可以持久地增加经颅磁刺激的运动诱发电位(MEP)的大小,从而改善iSCI6后慢性手部和手臂损伤患者的伸手和抓握功能。
实现此类协议需要必须执行多种功能的专用软件。具体来说,它必须连续采集、处理和保存电生理信号;它必须持续监测神经系统的状态,并在严格的实时约束下适当地触发刺激;它必须提供持续的逐刻反馈、逐个试验的反馈和逐个会话的反馈;它必须提供一个用户界面来指导研究者或治疗师的设置和调整;最后,它必须以标准化格式存储和组织信号数据和元信息。
诱发电位操作调节系统(EPOCS)是我们对这一突出需求的回应。在引擎盖下,该软件基于 BCI2000,这是一个开源神经技术平台,在全球数百个实验室中使用7,8。在EPOCS中,BCI2000的常用用户界面被隐藏,取而代之的是针对诱发的潜在操作条件反射协议进行优化的简化界面。
本文及其随附的视频说明了EPOCS在一个特定方案中的使用:操作性条件反射以减小比目鱼肌中霍夫曼(H-)反射的大小。这种反应是下意识拉伸反射的电诱发类似物。H 反射下调理已被证明可以减少阵挛对 iSCI9,10,11,12,13 动物和 iSCI、多发性硬化症或卒中5,14,15 的人类运动的影响,从而改善运动。它可以在没有不良副作用的情况下应用于有或没有神经损伤的动物和人16,17。
操作性条件反射协议通过执行多个试验来发挥作用,每个试验持续几秒钟。 图1示意性地显示了一次试验的事件顺序,数字表示以下功能:
1.从靶肌肉(比目鱼)及其拮抗剂(胫骨前部)上的双极表面电极记录连续的背景肌电图。背景电平被评估为滑动窗口中高通滤波信号的平均整流值。
2. 目标肌肉中的背景肌电图水平显示为条形的高度,在参与者的屏幕上不断更新。这有助于参与者将活动保持在指定范围内(阴影区域)。
3.软件判断电刺激的适当时刻并相应地触发刺激器。主要标准是自上次刺激以来必须至少经过 5 秒,并且背景肌电图水平必须连续保持在指定范围内 2 秒。
4. 恒流刺激器经皮向胫神经传递电脉冲(通常为单相,持续时间为 1 ms)。
5. 记录由此产生的刺激锁定反应。该软件计算了两个特别感兴趣的组件的大小:早期的M波,它反映了由运动轴突的直接刺激引起的肌肉激活;以及后来的H反射,它反射通过脊髓18,19,20,21,22中的反射弧传递的信号。EPOCS分别将这些称为参考响应和目标响应。
6. 当前试验的 H 反射大小显示为第二个柱的高度,相对于定义成功或不成功试验的所需标准水平。对于下调理,如果 H 反射大小低于标准,则条形为深绿色,如果没有,则为亮红色(反之亦然)。同时,累积成功率的数字显示也会相应更新。这些图形显示元素共同提供了操作性条件反射所依赖的直接正或负强化23。
图 1:比目鱼 H 反射下调理期间 EPOCS 核心功能的示意图。 参与者查看一个大监视器屏幕,其中显示背景肌电图水平,最近的H反射大小,迄今为止在当前75个运行中完成的试验数量,以及运行成功试验的运行比例。如引言中所述,一项试验中的事件顺序用数字 1-6 表示。 请点击此处查看此图的大图。
人类 H 反射调理方案通常包括 6 次基线会议,然后以 3 次/周的速度在 10 周内进行 24-30 次预处理,以及随后 3-6 个月的几次随访14,16。每节持续60-90分钟。
为了支持该协议以及其他相关协议,EPOCS有五种不同的操作模式,每种模式都由其主窗口的一个选项卡提供服务,标题为刺激测试,自愿收缩,招募曲线,对照试验和训练试验。
在刺激测试模式下,软件每隔几秒钟触发一次刺激,不一定取决于目标肌肉的状态。响应信号在每次刺激后显示在屏幕上。这允许操作员验证电极连接和肌电图信号的质量;优化刺激和记录电极的位置;并建立个体的反应形态。
在自愿收缩模式下,软件测量并显示背景肌电图水平,同时鼓励参与者在没有电刺激的情况下尽可能收缩肌肉。在某些方案中,最大自愿收缩(MVC)时的肌电图水平是设置背景肌电图标准的有用参考。在这里演示的协议中,这不是必需的,因为稳定的站立姿势可以充分标准化比目鱼肌的活动。
在募集曲线模式下,刺激取决于背景肌电图水平(连续显示在屏幕上)保持在正确的范围内;每次刺激后,响应信号都会显示在屏幕上;并且可以在运行结束时分析响应序列。这允许操作员确定感兴趣的响应出现的时间间隔的开始和结束;确定调节运行前后刺激强度和反应大小之间的关系;并确定用于调理的刺激强度。
在对照试验模式下,刺激取决于背景肌电图水平(在屏幕上连续显示),但没有给出关于目标反应大小的反馈。可以分析响应大小的顺序和分布。该模式可用于收集响应大小的基线测量值,或作为对照条件,与交叉或受试者间实验设计中的操作性条件进行比较。它可以作为在每个会话开始时设置操作性条件反射性能标准的基础。
最后,在训练试验模式下,刺激取决于背景肌电图水平(在屏幕上连续显示),并且通过显示目标反应大小来提供逐个试验强化,如上所述,如图 1所示。这是执行操作性条件反射的模式。
下一节将通过演示在没有神经损伤的成年参与者中向下调节比目鱼 H 反射的方案来指导读者了解五种模式。
上述方案适用于在没有神经损伤的典型成人中展示比目鱼鱼 H 反射下调理。精确的参数值可能因人而异,特别是作为损伤的函数。虽然参与者的招募曲线在视频中以大约25 mA的刺激电流达到Mmax,但另一个人可能需要50 mA或更多,因此在招募曲线测量期间,电流将以更大的步长增加。它们可能还需要更长的脉冲持续时间。第三个人可能更敏感,需要较小的电流设置。该方案还需要根据正在调节的肌肉进行调整。例如,当针对桡侧腕屈肌24,25时,通常使用较低的电流设置;应使用自愿收缩模式来建立背景肌电图限制的量表;在优化电极放置和优化姿势期间必须更加小心,然后必须在试验中保持恒定。
该方案对刺激器电流设置与实际输送到神经的电流量之间关系的变化很敏感——这可能受到姿势、参与者水合作用和粘性电极凝胶干燥的微小变化的影响。在H反射条件反射中,这个问题可以通过使用M波大小作为有效刺激强度的指标来缓解。它反映了由刺激激发的比目鱼运动神经元传出轴突的数量。因此,如果M波大小保持不变,则意味着由刺激激发的初级传入轴突的数量,即引发H反射的轴突,也保持不变(另见Crone等人26)。因此,该M波在软件中被称为参考响应。为此,步骤4.5.12。提到应记录目标 M 波大小。实际上,保持该响应大小大致恒定比保持标称电流严格恒定更重要。分析窗口的序列选项卡允许对每次运行的 M 波恒常性进行回顾性验证;对于比目鱼 H 反射调节,这通常足以纠正任何问题。为了更好地控制,可以将第二台显示器连接到计算机,以显示实时M波分析,以指导逐个试验的手动调整。该控制任务的自动化是一个正在进行的项目27.
昼夜变化也可能影响一个人的电生理反应28,29,30,31。因此,建议在一天中的同一时间(即在相同的3小时时间窗口内)执行所有会话。
操作性条件反射的成功可能对操作员选择的时间间隔的准确性敏感,以定义 H 反射;特别是,间隔不应太宽。正确区间定义的详细准则超出了本文的范围。这也是软件未来版本中自动化的功能。
协议中的一个关键步骤是步骤4.5.6.,其中操作员在每次固定次数的试验后手动重复增加刺激器电流。错误计算此处的试验或错误调整当前刻度盘可能导致由此产生的招募曲线失真。通过启用 Digitimer Link 选项可以减少这种用户错误的可能性,该选项允许自动调整一个特定刺激器型号的电流。
本文重点介绍 H 反射条件反射,因为它是 EPOCS 潜在临床应用中发展最充分的。现有的软件帮助研究人员不断努力磨练该协议,以实现广泛的临床传播32。除了H反射条件反射之外,EPOCS还可以以目前的形式应用于更广泛的刺激方法和诱发反应。例如,它同样可以很好地触发引起拉伸反射的机械装置,该装置也可以是条件33,34,35。该方法适用于个人的障碍;在一个人中,向下调节比目鱼 H 反射通过减少痉挛性反射亢进来改善运动14;在另一项研究中,向上调节胫骨前部 MEP 通过缓解足部下垂来改善运动36.
虽然正在努力生产该协议的商业实施,但原始软件将作为研究工具并行维护,以提供必要的灵活性来扩展靶向神经可塑性领域。EPOCS所基于的广泛而成熟的BCI2000软件平台的模块化和可扩展性实现了这种灵活性。这意味着,在软件工程师最少的干预下,该系统可以重新配置,用于更广泛的研究目的。例如,可以将其配置为记录额外的生物信号通道或额外的传感器,以便以后进行分析(例如,脚踏开关和运动跟踪传感器),以便在运动期间进行调节。还可以对其进行编程以考虑刺激的其他触发标准(例如,仅在步态周期的特定部分触发刺激)或在成功或不成功的试验中触发额外的强化刺激。提供了示例自定义文件。
靶向神经可塑性仍处于起步阶段。其尚未开发的途径有望为开发新的治疗方法(如上所述)和阐明疾病的自然史以及健康和疾病中枢神经系统功能的机制提供巨大的益处2,32,37。因此,我们致力于维护和支持EPOCS,将其作为实现这一治疗和科学潜力的关键工具。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW),NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT),NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW),NYS SCIRB C33279GG和C32236GG (JRW),NIH (NICHD) P2C HD086844(S. Kautz),Doscher神经康复研究计划(AKT)和Stratton Albany VA医疗中心的支持。
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 |