O Sistema de Condicionamento Operante de Potencial Evocado (EPOCS): Uma Ferramenta de Pesquisa e uma Terapia Emergente para Distúrbios Neuromusculares Crônicos

Summary

O Sistema de Condicionamento Operante de Potencial Evocado auxilia na investigação científica da função sensório-motora e pode administrar treinamento neurocomportamental direcionado que pode afetar a reabilitação sensório-motora em distúrbios neuromusculares. Este artigo descreve suas capacidades e ilustra sua aplicação na modificação de um reflexo espinhal simples para alcançar uma melhora duradoura na função motora.

Abstract

O Sistema de Condicionamento Operante de Potencial Evocado (EPOCS) é uma ferramenta de software que implementa protocolos para condicionar operacionalmente as respostas musculares desencadeadas por estímulos em pessoas com distúrbios neuromusculares, o que, por sua vez, pode melhorar a função sensório-motora quando aplicado adequadamente. O EPOCS monitora o estado de músculos-alvo específicos – por exemplo, da eletromiografia de superfície (EMG) em pé ou de medições do ciclo de marcha ao caminhar em uma esteira – e aciona automaticamente a estimulação calibrada quando condições pré-definidas são atendidas. Ele fornece duas formas de feedback que permitem que uma pessoa aprenda a modular a excitabilidade do caminho alvo. Primeiro, ele monitora continuamente a atividade EMG contínua no músculo alvo, orientando a pessoa a produzir um nível consistente de atividade adequado para o condicionamento. Em segundo lugar, ele fornece feedback imediato do tamanho da resposta após cada estimulação e indica se atingiu o valor alvo.

Para ilustrar seu uso, este artigo descreve um protocolo através do qual uma pessoa pode aprender a diminuir o tamanho do reflexo de Hoffmann – o análogo eletricamente provocado do reflexo de estiramento espinhal – no músculo sóleo. O condicionamento descendente da excitabilidade desta via pode melhorar a caminhada em pessoas com marcha espástica devido a lesão incompleta da medula espinhal. O artigo demonstra como configurar o equipamento; como colocar eletrodos estimulantes e de gravação; e como usar o software livre para otimizar a colocação de eletrodos, medir a curva de recrutamento de respostas motoras e reflexas diretas, medir a resposta sem condicionamento operante, condicionar o reflexo e analisar os dados resultantes. Ele ilustra como o reflexo muda ao longo de várias sessões e como a caminhada melhora. Também discute como o sistema pode ser aplicado a outros tipos de respostas evocadas e a outros tipos de estimulação, por exemplo, potenciais evocados motores à estimulação magnética transcraniana; como pode resolver vários problemas clínicos; e como pode subsidiar pesquisas sobre a função sensório-motora na saúde e na doença.

Introduction

Na última década, estratégias de neuroplasticidade direcionadas emergiram como uma nova abordagem para a reabilitação de comprometimentos neurológicos ^1,2. Uma dessas estratégias é o condicionamento operante de um potencial evocado. Isso implica provocar repetidamente respostas eletrofisiológicas que podem ser medidas de forma não invasiva – por exemplo, por eletroencefalografia (EEG) ou eletromiografia de superfície (EMG) – e dar à pessoa feedback imediato sobre o tamanho de cada resposta em relação a um nível de critério definido pelo terapeuta ou investigador. Com o tempo, esse protocolo treina a pessoa para aumentar ou diminuir sua resposta e pode, consequentemente, direcionar uma mudança benéfica para um local do sistema nervoso central que é importante em um comportamento como locomoção ou alcance e preensão. A mudança direcionada beneficia o desempenho e, além disso, permite melhores práticas que levam a uma mudança benéfica generalizada que melhora todo o comportamento. Por exemplo, em pessoas com lesão medular incompleta (ICi) nas quais o clônus prejudica a locomoção, o condicionamento operante que reduz o reflexo de Hoffmann no músculo sóleo de uma perna melhora a atividade do músculo locomotor em ambas as pernas, aumentando a velocidade de caminhada e restaurando a simetria do passo direito/esquerdo 1,3,4,5 . Outro exemplo é o da estimulação de pulso pareado, que pode aumentar de forma duradoura o tamanho do potencial evocado motor (PEmáx) para a estimulação magnética transcraniana, melhorando assim a função de alcance e preensão em pessoas com comprometimento crônico da mão e do braço após a iSCI⁶.

A implementação de tais protocolos exige software de propósito especial que deve executar várias funções. Especificamente, ele deve continuamente adquirir, processar e salvar sinais eletrofisiológicos; deve monitorizar continuamente o estado do sistema nervoso e desencadear adequadamente a estimulação sob fortes restrições em tempo real; deve fornecer feedback contínuo momento a momento, feedback de avaliação a avaliação e feedback sessão a sessão; deve fornecer uma interface de utilizador para orientar a configuração e o ajustamento pelo investigador ou terapeuta; e, por fim, deve armazenar e organizar dados de sinal e meta-informação em um formato padronizado.

O sistema de condicionamento operante de potencial evocado (EPOCS) é a nossa resposta a esta necessidade excepcional. Sob o capô, o software é baseado no BCI2000, uma plataforma de neurotecnologia de código aberto que é usada em centenas de laboratórios em todo o mundo ^7,8. No EPOCS, a interface de usuário usual do BCI2000 é oculta e substituída por uma interface simplificada que é otimizada para protocolos de condicionamento operante potenciais evocados.

O presente artigo e o vídeo que o acompanha ilustram o uso do EPOCS em um protocolo particular: o condicionamento operante para reduzir o tamanho do reflexo de Hoffmann (H-) no músculo sóleo. Esta resposta é o análogo eletricamente provocado do reflexo de alongamento instintivo. Demonstrou-se que o down-conditioning, do reflexo-H reduz o impacto do clônus e, assim, melhora a locomoção em animais com iSCI 9,10,11,12,13 e em humanos com ICi, esclerose múltipla ou acidente vascular cerebral 5,14,15. Pode ser aplicado sem efeitos colaterais adversos em animais e pessoas com ou sem lesão neurológica^16,17.

O protocolo de condicionamento operante funciona executando vários ensaios, cada um com duração de vários segundos. A sequência de eventos de uma tentativa é mostrada esquematicamente na Figura 1, com números denotando as seguintes funções:

1. A EMG de fundo contínua é registrada a partir de eletrodos de superfície bipolar sobre o músculo alvo (sóleo) e seu antagonista (tibial anterior). O nível de fundo é avaliado como o valor médio retificado do sinal filtrado por passagem alta em uma janela deslizante.

2. O nível de EMG de fundo no músculo alvo é mostrado como a altura de uma barra, continuamente atualizada na tela do participante. Isso ajuda o participante a manter a atividade dentro de um intervalo especificado (região de eclosão).

3. O software julga o momento apropriado para a estimulação elétrica e aciona o estimulador de acordo. Os principais critérios são que pelo menos 5 s devem ter decorrido desde a estimulação anterior e que o nível EMG de fundo deve ter permanecido na faixa especificada continuamente por 2 s.

4. Um estimulador de corrente constante fornece um pulso elétrico transcutaneamente para o nervo tibial (tipicamente monofásico, com duração de 1 ms).

5. A resposta resultante do bloqueio de estímulo é registrada. O software calcula os tamanhos de dois componentes de particular interesse: a onda M anterior, que reflete a ativação muscular resultante da estimulação direta do axônio motor; e o reflexo H posterior, que reflete o sinal retransmitido através de um arco reflexo na medula espinhal 18,19,20,21,22. O EPOCS refere-se a estes como a resposta de referência e a resposta alvo, respetivamente.

6. O tamanho do reflexo H para o ensaio atual é exibido como a altura de uma segunda barra, em relação a um nível de critério desejado que define um ensaio bem-sucedido ou malsucedido. Para o condicionamento para baixo, a barra é verde escura se o tamanho do reflexo H caiu abaixo do critério, ou vermelho brilhante se não o fez (vice-versa para o condicionamento para cima). Simultaneamente, a exibição numérica da taxa de sucesso cumulativa é atualizada de acordo. Juntos, esses elementos gráficos de exibição fornecem o reforço positivo ou negativo imediato do qual o condicionamento operante depende²³.

Figura 1: Ilustração esquemática da funcionalidade central do EPOCS durante o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo. O participante visualiza uma tela de monitor grande que mostra o nível de EMG de fundo, o tamanho mais recente do reflexo H, o número de ensaios concluídos até agora na execução atual de 75 e a proporção de ensaios bem-sucedidos para a corrida. A sequência de eventos em um ensaio é denotada pelos números 1-6, conforme descrito na Introdução. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Um protocolo de condicionamento do reflexo H humano geralmente consiste em 6 sessões basais, seguidas por 24-30 sessões de condicionamento espalhadas por 10 semanas a uma taxa de 3 sessões/semana e várias sessões de acompanhamento nos 3-6 meses subsequentes^14,16. Cada sessão dura de 60 a 90 minutos.

Para apoiar este protocolo, bem como outros protocolos relacionados, o EPOCS possui cinco modos distintos de operação, cada um servido por uma das guias de sua janela principal, intitulada Teste de Estímulo, Contração Voluntária, Curva de Recrutamento, Ensaios de Controle e Ensaios de Treinamento.

No modo Teste de Estímulo, o software aciona um estímulo a cada poucos segundos, não necessariamente contingente ao estado do músculo alvo. Os sinais de resposta são mostrados na tela após cada estímulo. Isso permite que o operador verifique a qualidade das conexões do eletrodo e do sinal EMG; otimizar a posição dos eletrodos estimulantes e de gravação; e estabelecer a morfologia da resposta do indivíduo.

No modo de Contração Voluntária, o software mede e mostra o nível EMG de fundo, enquanto o participante é encorajado a contrair o músculo, tanto quanto possível, na ausência de estimulação elétrica. Em alguns protocolos, o nível de EMG na contração voluntária máxima (MVC) é uma referência útil para definir os critérios de EMG de fundo. No protocolo aqui demonstrado, isso não é necessário, pois uma postura estável em pé padroniza suficientemente a atividade do músculo sóleo.

No modo Curva de Recrutamento, a estimulação depende do nível EMG de fundo (mostrado continuamente na tela) permanecer na faixa correta; os sinais de resposta são mostrados na tela após cada estímulo; e a sequência de respostas pode ser analisada ao final de uma corrida. Isso permite que o operador determine o início e o fim dos intervalos de tempo em que as respostas de interesse aparecem; determinar a relação entre a intensidade da estimulação e o tamanho da resposta, antes e depois das corridas de condicionamento; e determinar a intensidade de estimulação a ser usada para condicionamento.

No modo Ensaios de Controle, a estimulação depende do nível EMG de fundo (mostrado continuamente na tela), mas nenhum feedback é dado sobre o tamanho da resposta alvo. A sequência e a distribuição dos tamanhos de resposta podem ser analisadas. Esse modo pode ser usado para coletar medidas basais do tamanho da resposta ou como condição de controle para comparação com o condicionamento operante em um delineamento experimental cruzado ou entre sujeitos. Pode servir de base para definir o critério de desempenho para o condicionamento operante no início de cada sessão.

Finalmente, no modo Training Trials, a estimulação depende do nível EMG de fundo (mostrado continuamente na tela), e o reforço de ensaio por ensaio também é fornecido mostrando o tamanho da resposta alvo, conforme descrito acima e mostrado na Figura 1. Este é o modo em que o condicionamento operante é realizado.

A próxima seção guiará o leitor através dos cinco modos, demonstrando o protocolo para o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo em um participante adulto sem lesão neurológica.

Protocol

Todos os procedimentos aqui descritos foram aprovados pelo conselho de revisão institucional do Stratton VA Medical Center (número de aprovação 1584762-9). O participante do vídeo deu consentimento informado para o uso de sua imagem e sinais EMG nesta publicação. NOTA: Os termos em negrito indicam rótulos que devem estar visíveis no hardware e/ou na interface gráfica do usuário do software. 1. Configuração do software Vá para https://neurotechcenter.org/epocs para obter instruções sobre como obter o instalador de software mais recente. Instale o software usando o instalador baixado. Certifique-se de que os drivers necessários e o software do fabricante estejam instalados para o digitalizador. Em particular, certifique-se de que a instalação do NI-DAQmx inclua suporte a 64 bits. Inicie o aplicativo NI-MAX, selecione o dispositivo a ser usado em Dispositivos e interfaces e certifique-se de que seu nome seja Dev1. Em seguida, em Configurar > Estados de Inicialização, verifique se a caixa de seleção Estado da Linha da porta 0 linha 7 está desmarcada (zerada). Além disso, zere a caixa de seleção Tristate correspondente, se houver uma. Usando a ferramenta Adicionar ou Remover Programas , remova qualquer software desnecessário que possa consumir intermitentemente recursos do processador em segundo plano, pois isso pode levar a falhas no processamento de sinais em tempo real. Certifique-se de remover todos os conjuntos de atualização/resolução de problemas de software fornecidos pelo fabricante do computador, uma vez que estes são conhecidos por causarem sérios problemas de desempenho.Observação : as etapas de configuração de software acima só precisam ser executadas uma vez para uma determinada configuração de hardware. 2. Configuração de hardware Configure o digitalizador para coordenar a entrada e a saída conforme descrito abaixo.Usando um pequeno pedaço de fio isolado de núcleo sólido, corrija o terminal de mola para a porta de saída digital 0 linha 7 (marcada como P0.7 ou possivelmente DIO7 em equipamentos mais antigos) para o terminal de mola para saída do USUÁRIO . Conecte um conector de tee BNC fêmea/macho/fêmea à saída USER . Conecte a saída USER à porta de entrada de gatilho externa do estimulador. Conecte o primeiro e o segundo cabos de sinal EMG amplificados ao primeiro e segundo canais de entrada analógica da placa de aquisição de dados, respectivamente. Estes são marcados como AI0 e AI1 – ou possivelmente ACH0 e ACH1 em equipamentos mais antigos. Faça uma conexão adicional da saída USER de volta para o terceiro canal de entrada analógico (marcado como AI2 ou ACH2). Configure o estimulador de corrente constante conforme descrito abaixo.NOTA: Para tornar o protocolo generalizável para uma variedade de marcas e modelos de estimuladores, este artigo descreve o controle manual da intensidade do estímulo em vez de aproveitar a opção de controle automático dos modelos específicos do estimulador.Ligue o estimulador e configure-o para fornecer pulsos monofásicos de 1 ms. Para o modelo DS8R, certifique-se de que a intensidade do estímulo é controlada pelo painel frontal ou interface USB, não através da entrada analógica traseira. Conecte o cabo de saída longo e conecte-o aos cabos de encaixe que se conectarão às almofadas de eletrodo estimulantes. Configure o amplificador analógico para fornecer pelo menos dois canais EMG, conforme descrito abaixo.Ligue o amplificador. Certifique-se de que todos os valores de GAIN do canal estejam em seu valor padrão de 500 e que os botões VARIABLE correspondentes estejam voltados para seu valor mínimo de 1. Conecte a unidade portátil ao amplificador usando o cabo longo. Insira duas baterias quadradas de 9 V na bateria da unidade portátil. Prenda a unidade portátil e a bateria ao redor da cintura do participante. 3. Preparação de eletrodos de estimulação e gravação Use quaisquer pontos de referência ou medições previamente anotados para recriar as posições anteriores dos eletrodos específicos do participante o mais próximo possível. Prepare a pele onde os eletrodos serão anexados limpando com almofadas de álcool para remover o excesso de óleo, em seguida, limpe com uma toalha de papel para remover a pele morta. Anexe os eletrodos de estimulação na posição de estimular o nervo tibial com precisão, com efeito mínimo no nervo fibular comum. Use o eletrodo maior (22 mm x 35 mm) como ânodo e coloque-o no ápice da fossa poplítea, onde o nervo ciático se ramifica nos nervos tibial e fibular comum. Coloque o cátodo (22 mm x 22 mm) na prega do joelho, diretamente abaixo do ânodo, com uma separação de 3-4 cm entre os centros dos eletrodos. Anexe os eletrodos de gravação EMG em uma montagem bipolar no músculo alvo (sóleo) da seguinte forma.Para determinar a localização correta, primeiro encontre o músculo gastrocnêmio palpando enquanto o participante alterna entre ficar de pé nos dedos dos pés e ficar de pé naturalmente. Coloque o primeiro eletrodo diretamente abaixo da borda distal da barriga do músculo gastrocnêmio. Coloque o segundo eletrodo abaixo do primeiro, com um espaçamento de 5 cm entre os centros do eletrodo. Mantenha ambos os eletrodos alinhados com o tendão de Aquiles. Anexe os eletrodos de gravação EMG em uma montagem bipolar no músculo antagonista (tibial anterior). Para fazer isso, identifique o músculo palpando enquanto o participante levanta (dorsiflexa) os dedos dos pés. Coloque os eletrodos na barriga muscular, cerca de 1/3 do caminho para baixo da cabeça fibular até o tornozelo, com uma separação vertical de 5 cm entre os centros dos eletrodos. Anexe um eletrodo terra na patela. Conecte os cabos do amplificador EMG da seguinte maneira. Conecte o eletrodo ativo de fita verde no canal 1 da unidade portátil e conecte os clipes vermelhos aos eletrodos do músculo alvo (sóleo) e o clipe verde ao eletrodo de aterramento. Conecte o eletrodo ativo preto no canal 2 da unidade portátil e conecte os clipes aos eletrodos do músculo antagonista (tibial anterior). Conecte a bateria à unidade portátil. Conecte o snap de estimulação leva aos eletrodos de estimulação. 4. Utilização do software EPOCS Posicione o monitor de tal forma que tanto o investigador quanto o sujeito (ou o terapeuta e o paciente) possam vê-lo claramente. Inicie uma sessão EPOCS.NOTA: Uma sessão é definida como uma visita ao laboratório ou clínica, normalmente com duração de 60-90 minutos.Clique duas vezes no ícone EPOCS para iniciar o aplicativo. Insira o código de ID do participante (ou escolha na lista de IDs usados anteriormente). Se esta for uma continuação de uma sessão existente, por exemplo, se o software tiver que ser reiniciado após uma interrupção, pressione Continuar sessão. Isso só estará disponível se uma sessão para o participante especificado tiver sido iniciada nas últimas 3 h. Caso contrário, pressione Iniciar Nova Sessão. Isso criará uma nova pasta de dados, com data e hora marcados com o ID do participante. Verifique a localização do eletrodo e a qualidade do contato e ajuste conforme necessário.Verifique se a guia Teste de estímulo é exibida. Em Configurações > Estimulação, configure o Intervalo Mínimo para Teste de Estímulo para 3 s. Observe que isso é configurado separadamente do Intervalo Mínimo para Uso Normal, que normalmente será mais longo, em torno de 5 s. Deixe a configuração Digitimer Link desativada.NOTA: Quando ativada, a opção Digitimer Link permitiria o controle por software da intensidade da estimulação ao usar determinados modelos de estimuladores. O protocolo atual, em vez disso, demonstra o controle manual da intensidade do estímulo, que é aplicável em várias marcas e modelos de estimuladores. No painel de controle do estimulador, defina a intensidade do estímulo para 5 mA e habilite a estimulação. Peça ao participante que fique de pé, com as mãos parcialmente apoiando seu peso em um andador, se necessário. Avise o participante para esperar estimulação e, em seguida, pressione Iniciar para iniciar uma nova corrida (ou seja, para começar a gravar sinais continuamente em um novo arquivo). As execuções serão numeradas sequencialmente e seus arquivos nunca substituirão uns aos outros. Cada repetição de estimulação é chamada de ensaio. As respostas EMG provocadas em cada ensaio são mostradas imediatamente. Avalie a onda M e o reflexo H provocados no músculo alvo (o traço superior azul) e no músculo antagonista (o traço inferior e vermelho). Se necessário, aumente a corrente gradualmente para 10 mA ou mais, até que as respostas apareçam claramente. Para encontrar o local ideal para estimular (ou seja, o local que produz o maior reflexo H), compare os potenciais evocados depois de mover o cátodo uma largura total do eletrodo medialmente e depois lateralmente, seguido por uma largura de meio eletrodo medialmente e depois lateralmente e, finalmente, por uma largura total do eletrodo para cima e depois para baixo. Marque, observe e fotografe a posição dos eletrodos para auxiliar no reposicionamento em sessões futuras. Se possível, faça um molde de gesso da panturrilha e da parte de trás do joelho e faça furos no molde que permitam que as marcas sejam reaplicadas com precisão. Uma vez que as posições ideais para os eletrodos tenham sido encontradas, substitua os eletrodos reposicionados por eletrodos frescos. Para condicionamento sóleo, pule a guia Contração Voluntária . Meça os tamanhos máximos de onda M e reflexo H (M.max e H.max) mapeando a curva de recrutamento, ou seja, a relação entre intensidade do estímulo e resposta. Meça a curva de recrutamento da seguinte forma, antes e depois dos ensaios de controle ou treinamento em cada sessão. Na primeira sessão, use a curva de recrutamento para orientar a seleção de uma intensidade de estimulação apropriada para uso durante todo o processo de condicionamento.Alterne para a guia Curva de Recrutamento . Em Configurações > EMG, configure os intervalos nos quais os valores de EMG de fundo do alvo e antagonista devem permanecer para permitir a estimulação. Para o sóleo, supondo que a contração voluntária máxima não tenha sido medida, basta garantir que as faixas abranjam os níveis de EMG gerados pela sustentação natural de peso durante a posição em pé. Defina a Duração da Retenção em Segundo Plano como 2 s para ditar por quanto tempo o participante deve manter continuamente o EMG no intervalo para acionar cada estímulo.NOTA: Os limites superior ou inferior podem ser deixados em branco se não for imposta qualquer restrição correspondente. Ativar o estimulador e definir a intensidade para o valor mínimo a ser utilizado na medição da curva de recrutamento: 5 mA. (Esse valor é um exemplo e deve ser escolhido caso a caso, veja a discussão.) Se esta for a primeira sessão do participante, permita que ele pratique manter o EMG no intervalo correto pela duração necessária, conforme descrito abaixo.Com o participante em pé, pressione Iniciar. Demonstre ao participante como o nível EMG de fundo no músculo alvo é mostrado em tempo real como a altura da barra contra uma região sombreada que mostra o intervalo de destino. Explique ao participante que a atividade de ambos os músculos (alvo e antagonista) deve estar dentro de seus intervalos necessários para transformar a barra de um vermelho brilhante para um verde mais escuro (embora o nível de atividade do antagonista não seja mostrado diretamente). Para ajustar os intervalos de fundo, pressione Parar seguido de Configurações; em seguida, insira os novos números, pressione OK e, em seguida, Iniciar novamente. Pressione Stop quando a execução da prática for concluída. Para medir a curva de recrutamento, com o participante em pé, pressione Iniciar. Se o reflexo H já estiver visível na intensidade inicial escolhida, diminua gradualmente a corrente até que o reflexo H não seja mais visto. Em seguida, pressione Parar e pressione novamente Iniciar para iniciar a execução. Preste muita atenção ao contador Trials Completed . Após cada quatro tentativas, aumente manualmente a intensidade da estimulação em 2 mA. (Esse valor é um exemplo e deve ser escolhido caso a caso, veja a discussão.) Continue até que o tamanho da onda M atinja um platô, desde que o participante não relate desconforto. Pressione Parar quando terminar e convide o participante a se sentar para descansar. Anote os valores de intensidade do estímulo utilizados para cada ensaio. Associe todos os registros gravados ao número de execução mostrado no canto superior direito da janela. No final de qualquer execução, insira essas informações manualmente no log da sessão, juntamente com quaisquer outras anotações, por meio da guia Log .NOTA: Se a intensidade da estimulação estiver sendo controlada manualmente, essas informações não serão registradas pelo software. Pressione o botão Análise para abrir a janela de análise e permitir a definição das ondas M e H da seguinte maneira. No painel superior da janela de análise, examine a sobreposição bloqueada por estímulo dos sinais do músculo-alvo de cada ensaio na última execução. Use o mouse para ajustar o início e o fim dos intervalos de referência marrom e alvo verde (no protocolo de condicionamento operante do reflexo H, estes correspondem à onda M e ao reflexo H, respectivamente). Quando os intervalos estiverem corretos, pressione os botões vermelhos Usar Intervalos Marcados para salvar essas configurações de intervalo personalizadas para análises futuras. No painel Sequência na metade inferior da janela de análise, avalie a curva de recrutamento resultante. Ajuste as configurações para exibir a amplitude de pico a pico ou a média retificada e para agrupar os resultados de tentativas consecutivas. Como a corrente de estímulo foi aumentada a cada quatro tentativas, especifique Trials to Pool: 4. Registre o M maxe o H max resultantes. Se esta for a primeira sessão do participante, otimize os locais de gravação EMG do músculo-alvo da seguinte maneira.Mova os eletrodos sóleo medialmente por meia largura de eletrodo (ou uma largura total do eletrodo se o músculo for largo o suficiente). Em seguida, repita as etapas acima para reunir uma curva de recrutamento completa e registrar o M max eo H max resultantes. Mova os eletrodos de sóleo a mesma distância lateralmente de sua posição original e execute novamente uma medição de curva de recrutamento para estimar M max e Hmax. Adote o posicionamento do eletrodo que maximiza Hmax e marque, anote e fotografe suas posições como na etapa 4.3.8. Escolha uma intensidade de estímulo que provoque um reflexo H próximo do máximo – idealmente na inclinação ascendente (esquerda) da curva de recrutamento do reflexo H – mas com a restrição de que deve haver uma onda M visível. Defina esse valor de intensidade de estímulo no estimulador e anote-o para sessões futuras. Além disso, observe o tamanho da onda M correspondente (veja a discussão). Meça a distribuição dos tamanhos do reflexo H sem dar feedback de resposta da seguinte forma.Alterne para a guia Avaliações de Controle . Com o participante em pé, pressione Iniciar. Como antes, instrua o participante a usar o feedback fornecido pela barra ascendente e descendente para manter o nível de atividade muscular de fundo dentro da faixa necessária. Se esta for uma sessão de linha de base ou de acompanhamento, realize 75 ensaios sucessivos na intensidade do estímulo escolhida. Se esta for uma sessão de condicionamento, realize apenas 20 ensaios. Após o número prescrito de tentativas, pressione Parar para encerrar a execução. Análise de Imprensa. Como antes, avalie a sobreposição de formas de onda de resposta de ensaio a ensaio no painel superior e a Sequência de tamanhos de resposta abaixo. Uma nova guia chamada Distribuição também é ativada por padrão, em cima de Sequência. Ele mostra a distribuição dos tamanhos do reflexo H, com estatísticas resumidas à direita. Pressione Resultados do Log para acrescentar as estatísticas de resumo ao log da sessão. Se esta for uma sessão de linha de base, repita as etapas acima para um total de 3 execuções de 75 ensaios cada. Em seguida, pule para a medição da curva de recrutamento de fechamento na etapa 4.8. Se esta for uma sessão de condicionamento, defina o Percentil de Destino como 66. Os níveis de critério de condicionamento para cima e para baixo, juntamente com a mediana, são mostrados pelas linhas vermelhas verticais. Selecione um critério para condicionamento pressionando o botão Up-Condition ou Down-Condition . Para este protocolo, pressione Down-Condition. Essa ação será registrada automaticamente e a janela de análise será fechada.NOTA: Em um protocolo de down-condicionamento, um valor de Percentil de Destino de 66 significa que um ensaio bem-sucedido é definido como aquele em que o tamanho da resposta está nos 66% inferiores da distribuição medida anteriormente; por outro lado, no up-conditioning, o sucesso significa produzir um tamanho de resposta nos 66% superiores da distribuição. Execute o condicionamento operante conforme descrito abaixo.Alterne para a guia Avaliações de Treinamento . Com o participante em pé, pressione Iniciar. Se o participante não o viu antes, chame a atenção para a nova barra de feedback no meio da tela. Explique-lhes que ele mostra o tamanho mais recente do reflexo H em relação ao intervalo alvo eclodido. Se a resposta estiver dentro do intervalo alvo, o teste será contado como bem-sucedido e a barra será verde escura. Se ele estiver fora do intervalo, o teste será contado como malsucedido e a barra será um vermelho mais brilhante. Ao longo da corrida, motive o participante a realizar o maior número possível de ensaios bem-sucedidos. O número de ensaios realizados e a proporção de ensaios que foram bem sucedidos na corrida até agora são mostrados à direita da tela. Após 75 avaliações, pressione Parar para encerrar a execução. Pressione o botão Análise . A janela de análise parece a mesma que para ensaios de controle. Novamente, use a guia Sequência para verificar se as ondas M permaneceram constantes no tamanho desejado. Como antes, com a guia Distribuição selecionada, use o botão Condição Negativa para atualizar o critério de condicionamento operante para a próxima execução. Repita o procedimento de condicionamento operante 2x mais, para um total de 3 execuções de 75 ensaios cada. No final da sessão, execute outra medição da curva de recrutamento, como nas etapas 4.5.1.-4.5.6. Termine a sessão conforme descrito abaixo.Digite quaisquer anotações de sessão adicionais na guia Log . O log é salvo automaticamente à medida que é preenchido em um arquivo de texto sem formatação com carimbo de data no diretório de dados específico da sessão. Feche a janela. Os dados e logs já terão sido salvos. Para revisitar a janela de análise de dados gravados anteriormente, clique duas vezes no ícone Análise Offline do EPOCS e selecione o arquivo de dados para a execução a ser analisada. Aguarde até que os sinais brutos sejam processados (isso pode levar 1 minuto ou mais).Observação : dados são salvos como arquivos .dat no formato BCI2000. O nome do arquivo indica a data e a hora da sessão, o ID do participante, o modo (ST para teste de estímulo, CV para contração voluntária, CR para curva de recrutamento, TC para ensaios de controle e TT para ensaios de treinamento) e o número de execução sequencial. 5. Executando várias sessões repetidas Agende um total de 6 sessões de linha de base, 24 sessões de condicionamento (ou 30, para pessoas com comprometimento neurológico) e 4 sessões de acompanhamento. Agende as sessões de linha de base e condicionamento a uma taxa de 3 sessões / semana, cada sessão com duração não superior a 90 minutos. Organize para que todas as sessões sejam realizadas ao mesmo tempo do dia para minimizar os efeitos da variação diurna. Em cada uma das 6 sessões de linha de base, realize uma corrida inicial da Curva de Recrutamento , 3 execuções de 75 Ensaios de Controle e uma execução final da Curva de Recrutamento . Em cada uma das 24 (ou 30) sessões de condicionamento, realize uma corrida inicial da Curva de Recrutamento , 1 corrida de 20 Ensaios de Controle, 3 corridas de 75 Ensaios de Treinamento e uma corrida final da Curva de Recrutamento . Realizar 4 sessões de acompanhamento em 10-14 dias, 1 mês, 2 meses e 3 meses após a última sessão de condicionamento. Dependendo dos objetivos do estudo, estes podem ser idênticos às sessões de linha de base ou às sessões de condicionamento.

Representative Results

A Figura 2 mostra a eficácia do protocolo acima na mensuração das curvas de recrutamento das ondas M e do reflexo H e na mensuração da distribuição dos tamanhos dos reflexos H na intensidade constante da estimulação. Também ilustra a eficácia geral do protocolo multi-sessão na alteração do tamanho do reflexo H em participantes neurologicamente não prejudicados e na melhoria da função locomotora em participantes com lesão medular incompleta. A Figura 2A mostra uma captura de tela da janela de análise após uma execução executada no modo Curva de Recrutamento durante o condicionamento operante do reflexo H (consulte a etapa 4.5 do protocolo). Na metade inferior da janela (o painel Sequência ), o eixo horizontal mostra o número do teste – portanto, a intensidade do estímulo aumenta da esquerda para a direita. O tamanho do reflexo H (círculos verdes) sobe e depois cai em função da intensidade do estímulo, enquanto o tamanho da onda M (triângulos marrons) sobe e satura. A Figura 2B mostra uma captura de tela da janela de análise após uma execução executada no modo Control Trials ou Training Trials durante o condicionamento operante do reflexo H (consulte a etapa 4.6. e a etapa 4.7 do protocolo). No painel inferior (o painel “Distribuição”), o histograma de tamanhos de reflexo H facilita a seleção de um nível de critério apropriado para o subsequente condicionamento para cima ou para baixo. Na Figura 2C, o tamanho do reflexo H em participantes neurologicamente não prejudicados é plotado em função do número da sessão em 6 sessões de linha de base, 24 sessões de condicionamento e 4 sessões de acompanhamento. Os dados foram coletados de 15 participantes (8 do sexo masculino, 7 do sexo feminino), dos quais 2 participaram de braços de condicionamento para cima e para baixo. Os participantes tinham entre 21 e 55 anos. Todos os participantes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido. O protocolo foi aprovado pelo comitê de revisão institucional (IRB) do Departamento de Saúde do Estado de Nova York (número de aprovação 05-058). Thompson et al.16 fornecem mais detalhes. A Figura 2D mostra o efeito benéfico do condicionamento descendente do reflexo H do sóleo em participantes com comprometimento crônico dos membros inferiores após lesão incompleta da medula espinhal. O condicionamento bem-sucedido foi associado a uma melhora na simetria da marcha e na velocidade de caminhada em relação à linha de base. Os dados foram coletados de 13 participantes (9 do sexo masculino, 4 do sexo feminino) com idades entre 28 e 68 anos, que assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido. O protocolo foi aprovado pelo IRB do Hospital Helen Hayes (aprovação número 07-07). Thompson et al.14 fornecem mais detalhes. Figura 2: Resultados representativos . (A) Captura de tela da janela de análise da curva de recrutamento. (B) Captura de tela da janela de análise Ensaios de Controle ou Ensaios de Treinamento. (C) Efeitos contrastantes do condicionamento para cima e para baixo do reflexo H do sóleo em participantes não lesionados. Triângulos vermelhos para cima mostram o tamanho médio do reflexo H de N = 6 participantes com sucesso condicionados para cima (de 8); triângulos azuis para baixo mostram respostas médias de N = 8 participantes com sucesso condicionados para baixo (de 9). As barras de erro denotam erro padrão. Esta imagem foi modificada de Thompson et al.16. (D) Efeito terapêutico do condicionamento descendente do reflexo H do sóleo na velocidade de caminhada e simetria da marcha em pessoas com comprometimento crônico após lesão medular incompleta. Os resultados de contraste de barras para N = 6 participantes cujos reflexos H foram condicionados com sucesso contra N = 4 participantes da condição de controle (sem condicionamento operante) e N = 3 participantes nos quais o protocolo de condicionamento descendente não conseguiu reduzir o tamanho do reflexo. As barras de erro denotam erro padrão. Cada asterisco indica um valor de p abaixo de 0,05 em um teste t pareado comparando medidas pré versus pós-condicionamento. Esta imagem foi modificada de Thompson et al.14. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

O protocolo descrito acima é adequado para demonstrar o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo em um adulto típico sem comprometimento neurológico. Os valores precisos dos parâmetros podem variar de pessoa para pessoa e, particularmente, em função da deficiência. Enquanto a curva de recrutamento do participante atingiu M_max a uma corrente estimulante de cerca de 25 mA no vídeo, outra pessoa pode exigir 50 mA ou mais, de modo que a corrente seria aumentada em etapas maiores durante a medição da curva de recrutamento. Eles também podem exigir uma duração de pulso mais longa. Uma terceira pessoa pode ser mais sensível e exigir configurações atuais menores. O protocolo também precisa ser adaptado de acordo com o músculo que está sendo condicionado. Por exemplo, ao atingir o músculo flexor radial do carpo^24,25, uma configuração de corrente mais baixa é geralmente usada; o modo de Contração Voluntária deve ser usado para estabelecer uma escala para os limites de EMG de fundo; e maior cuidado deve ser tomado tanto durante a otimização da colocação do eletrodo quanto durante a otimização da postura, que deve ser mantida constante em todos os ensaios.

O protocolo é sensível a variações na relação entre a configuração da corrente do estimulador e a quantidade de corrente realmente entregue ao nervo – isso pode ser afetado por pequenas variações na postura, hidratação do participante e secagem do gel do eletrodo adesivo. No condicionamento do reflexo H, esse problema pode ser mitigado usando o tamanho da onda M como um indicador da intensidade efetiva da estimulação. Reflete o número de axônios eferentes do motoneurônio sóleo excitados pelo estímulo. Assim, se o tamanho da onda M é mantido constante, isso implica que o número de axônios aferentes primários excitados pelo estímulo, ou seja, os axônios que provocam o reflexo H, também é mantido constante (ver também Crone et ^al.26). Assim, essa onda M é referida como a resposta de referência no software. Por esse motivo, etapa 4.5.12. menciona que o tamanho da onda M alvo deve ser registrado. Na verdade, é mais importante manter esse tamanho de resposta aproximadamente constante do que manter a corrente nominal estritamente constante. A guia Sequência da janela de análise permite a verificação retrospectiva da constância da onda M ao longo de cada execução; para o condicionamento do reflexo H do sóleo, isso geralmente é suficiente para corrigir quaisquer problemas. Para maior controle, um segundo monitor pode ser conectado ao computador para exibir análises de ondas M em tempo real que orientam o ajuste manual de teste a teste. A automação dessa tarefa de controle é um projeto em andamento²⁷.

A variação diurna também pode afetar as respostas eletrofisiológicas de uma pessoa 28,29,30,31. Por esse motivo, recomenda-se que todas as sessões sejam realizadas no mesmo horário do dia, ou seja, dentro da mesma janela de tempo de 3 h.

O sucesso do condicionamento operante pode ser sensível à precisão do intervalo de tempo escolhido pelo operador para definir o reflexo H; em particular, o intervalo não deve ser demasiado grande. Diretrizes detalhadas para a definição correta do intervalo estão além do escopo do artigo atual. Esta também é uma função que será automatizada em versões futuras do software.

Uma etapa crítica no protocolo é a etapa 4.5.6., na qual o operador aumenta manualmente a corrente do estimulador repetidamente após cada número fixo de ensaios. A contagem incorreta dos ensaios aqui ou o ajuste incorreto do mostrador atual podem levar à distorção da curva de recrutamento resultante. Essa possibilidade de erro do usuário pode ser mitigada habilitando a opção Digitimer Link, que permite a automação do ajuste atual para um determinado modelo de estimulador.

Este artigo enfocou o condicionamento do reflexo H, pois é a mais desenvolvida das potenciais aplicações clínicas do EPOCS. O software existente auxilia os pesquisadores nos esforços contínuos para aprimorar esse protocolo em direção a uma ampla disseminação clínica³². Além do condicionamento do reflexo H, o EPOCS também pode ser aplicado em sua forma atual a uma variedade maior de métodos de estimulação e respostas evocadas. Por exemplo, pode igualmente acionar um dispositivo mecânico que provoca um reflexo de estiramento, que também pode ser condicionado^33,34,35. A abordagem é adaptável às deficiências de um indivíduo; em uma pessoa, o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo melhora a locomoção, reduzindo a hiperreflexia espástica¹⁴; em outro, o condicionamento ascendente da PEmáx tibial anterior melhora a locomoção, aliviando a queda do pé³⁶.

Enquanto os esforços estão em andamento para produzir uma implementação comercial do protocolo, o software original será mantido em paralelo como uma ferramenta de pesquisa para fornecer a flexibilidade necessária para expandir o campo da neuroplasticidade direcionada. Essa flexibilidade é possibilitada pela modularidade e extensibilidade da plataforma de software BCI2000 generalizada e bem estabelecida, na qual o EPOCS se baseia. Isso significa que, com o mínimo de intervenção de um engenheiro de software, o sistema é reconfigurável para uma variedade ainda maior de propósitos de pesquisa. Por exemplo, ele pode ser configurado para gravar canais de biossinal adicionais ou sensores adicionais para análise posterior (por exemplo, pedestres e sensores de rastreamento de movimento) para condicionamento durante a locomoção. Também pode ser programado para considerar critérios adicionais de desencadeamento para estimulação (por exemplo, desencadear estimulação apenas em uma parte específica do ciclo da marcha) ou para desencadear estímulos de reforço adicionais em ensaios bem-sucedidos ou malsucedidos. Exemplos de arquivos de personalização são fornecidos.

A neuroplasticidade direcionada ainda está em sua infância. Espera-se que seus caminhos ainda inexplorados proporcionem grandes benefícios tanto para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas (como discutido acima) quanto para elucidar a história natural da doença e os mecanismos de função do sistema nervoso central tanto na saúde quanto na doença 2,32,37. Estamos, portanto, empenhados em manter e apoiar o EPOCS como uma ferramenta fundamental para a realização deste potencial terapêutico e científico.

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