El Sistema de Condicionamiento Operante de Potencial Evocado ayuda a la investigación científica de la función sensoriomotora y puede administrar entrenamiento neuroconductual dirigido que puede afectar la rehabilitación sensoriomotora en trastornos neuromusculares. Este artículo describe sus capacidades e ilustra su aplicación en la modificación de un reflejo espinal simple para lograr una mejora duradera en la función motora.
El Sistema de Acondicionamiento Operante de Potencial Evocado (EPOCS) es una herramienta de software que implementa protocolos para condicionar operantemente las respuestas musculares activadas por estímulos en personas con trastornos neuromusculares, que a su vez pueden mejorar la función sensoriomotora cuando se aplica adecuadamente. EPOCS monitorea el estado de músculos objetivo específicos, por ejemplo, de electromiografía de superficie (EMG) mientras está de pie, o de mediciones del ciclo de la marcha mientras camina en una cinta de correr, y activa automáticamente la estimulación calibrada cuando se cumplen las condiciones predefinidas. Proporciona dos formas de retroalimentación que permiten a una persona aprender a modular la excitabilidad de la vía objetivo. Primero, monitorea continuamente la actividad EMG en curso en el músculo objetivo, guiando a la persona a producir un nivel constante de actividad adecuado para el acondicionamiento. En segundo lugar, proporciona retroalimentación inmediata del tamaño de la respuesta después de cada estimulación e indica si ha alcanzado el valor objetivo.
Para ilustrar su uso, este artículo describe un protocolo a través del cual una persona puede aprender a disminuir el tamaño del reflejo de Hoffmann, el análogo provocado eléctricamente del reflejo de estiramiento espinal, en el músculo sóleo. El acondicionamiento descendente de la excitabilidad de esta vía puede mejorar la marcha en personas con marcha espástica debido a una lesión incompleta de la médula espinal. El artículo muestra cómo configurar el equipo; cómo colocar electrodos estimulantes y de registro; y cómo usar el software gratuito para optimizar la colocación de electrodos, medir la curva de reclutamiento de las respuestas motoras y reflejas directas, medir la respuesta sin condicionamiento operante, condicionar el reflejo y analizar los datos resultantes. Ilustra cómo cambia el reflejo en múltiples sesiones y cómo mejora la marcha. También discute cómo el sistema se puede aplicar a otros tipos de respuestas evocadas y a otros tipos de estimulación, por ejemplo, potenciales evocados motores a la estimulación magnética transcraneal; cómo puede abordar diversos problemas clínicos; y cómo puede apoyar los estudios de investigación de la función sensoriomotora en la salud y la enfermedad.
Durante la última década, las estrategias de neuroplasticidad dirigidas han surgido como un nuevo enfoque para la rehabilitación de deficiencias neurológicas 1,2. Una de esas estrategias es el condicionamiento operante de un potencial evocado. Esto implica provocar repetidamente respuestas electrofisiológicas que pueden medirse de manera no invasiva, por ejemplo, mediante electroencefalografía (EEG) o electromiografía de superficie (EMG), y dar a la persona retroalimentación inmediata sobre el tamaño de cada respuesta en relación con un nivel de criterio establecido por el terapeuta o investigador. Con el tiempo, este protocolo entrena a la persona para aumentar o disminuir su respuesta y, en consecuencia, puede dirigir un cambio beneficioso a un sitio del sistema nervioso central que es importante en un comportamiento como la locomoción o alcanzar y agarrar. El cambio específico beneficia el rendimiento y, además, permite una mejor práctica que conduce a un cambio beneficioso generalizado que mejora todo el comportamiento. Por ejemplo, en personas con lesión incompleta de la médula espinal (LMEi) en las que el clon afecta la locomoción, el condicionamiento operante que reduce el reflejo de Hoffmann en el músculo sóleo de una pierna mejora la actividad muscular locomotora en ambas piernas, aumentando así la velocidad al caminar y restaurando la simetría del paso derecho / izquierdo 1,3,4,5 . Otro ejemplo es el de la estimulación de pulso pareado, que puede aumentar de forma duradera el tamaño del potencial evocado motor (MEP) a la estimulación magnética transcraneal, mejorando así la función de alcance y agarre en personas con deterioro crónico de la mano y el brazo después de iSCI6.
La implementación de tales protocolos exige un software de propósito especial que debe realizar múltiples funciones. Específicamente, debe adquirir, procesar y guardar continuamente señales electrofisiológicas; debe controlar continuamente el estado del sistema nervioso y activar la estimulación adecuadamente bajo estrictas restricciones en tiempo real; debe proporcionar retroalimentación continua momento a momento, retroalimentación prueba por prueba y retroalimentación sesión por sesión; debe proporcionar una interfaz de usuario para guiar la configuración y el ajuste por parte del investigador o terapeuta; y, por último, debe almacenar y organizar los datos de la señal y la metainformación en un formato estandarizado.
El sistema de condicionamiento operante de potencial evocado (EPOCS) es nuestra respuesta a esta necesidad excepcional. Bajo el capó, el software se basa en BCI2000, una plataforma de neurotecnología de código abierto que se utiliza en cientos de laboratorios de todo el mundo 7,8. En EPOCS, la interfaz de usuario habitual de BCI2000 se oculta y se reemplaza por una interfaz optimizada que está optimizada para protocolos de condicionamiento operante potenciales evocados.
El presente artículo y el video que lo acompaña ilustran el uso de EPOCS en un protocolo particular: el condicionamiento operante para reducir el tamaño del reflejo de Hoffmann (H-) en el músculo sóleo. Esta respuesta es el análogo provocado eléctricamente del reflejo de estiramiento instintivo. Se ha demostrado que el acondicionamiento descendente del reflejo H reduce el impacto del clonus en la locomoción en animales con ICMi 9,10,11,12,13 y en humanos con LMEi, esclerosis múltiple o accidente cerebrovascular5,14,15. Puede ser aplicado sin efectos secundarios adversos en animales y personas con o sin lesión neurológica16,17.
El protocolo de condicionamiento operante funciona realizando múltiples ensayos, cada uno de los cuales dura varios segundos. La secuencia de eventos de un ensayo se muestra esquemáticamente en la Figura 1, con números que denotan las siguientes funciones:
1. La EMG de fondo continua se registra a partir de electrodos de superficie bipolares sobre el músculo objetivo (sóleo) y su antagonista (tibial anterior). El nivel de fondo se evalúa como el valor rectificado medio de la señal filtrada de paso alto en una ventana deslizante.
2. El nivel de EMG de fondo en el músculo objetivo se muestra como la altura de una barra, actualizada continuamente en la pantalla del participante. Esto ayuda al participante a mantener la actividad dentro de un rango específico (región eclosionada).
3. El software juzga el momento apropiado para la estimulación eléctrica y activa el estimulador en consecuencia. Los criterios principales son que deben haber transcurrido al menos 5 s desde la estimulación anterior y que el nivel de EMG de fondo debe haber permanecido en el rango especificado continuamente durante 2 s.
4. Un estimulador de corriente constante administra un pulso eléctrico transcutáneo al nervio tibial (típicamente monofásico, con 1 ms de duración).
5. Se registra la respuesta bloqueada por estímulo resultante. El software calcula los tamaños de dos componentes de particular interés: la onda M anterior, que refleja la activación muscular resultante de la estimulación directa del axón motor; y el reflejo H posterior, que refleja la señal transmitida a través de un arco reflejo en la médula espinal 18,19,20,21,22. EPOCS se refiere a estos como la respuesta de referencia y la respuesta objetivo, respectivamente.
6. El tamaño del reflejo H para el ensayo actual se muestra como la altura de una segunda barra, en relación con un nivel de criterio deseado que define un ensayo exitoso o no exitoso. Para el acondicionamiento descendente, la barra es verde oscuro si el tamaño del reflejo H cayó por debajo del criterio, o rojo brillante si no lo hizo (viceversa para el acondicionamiento ascendente). Simultáneamente, la visualización numérica de la tasa de éxito acumulado se actualiza en consecuencia. Juntos, estos elementos de visualización gráfica proporcionan el refuerzo positivo o negativo inmediato en el que se basa el condicionamiento operante23.
Figura 1: Ilustración esquemática de la funcionalidad central de EPOCS durante el acondicionamiento descendente del reflejo H del sóleo. El participante ve una gran pantalla de monitor que muestra el nivel de EMG de fondo, el tamaño H-reflex más reciente, el número de ensayos completados hasta ahora en la ejecución actual de 75 y la proporción de ensayos exitosos para la carrera. La secuencia de eventos en un ensayo se denota con los números 1-6, como se describe en la Introducción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Un protocolo de acondicionamiento del reflejo H humano consiste típicamente en 6 sesiones de referencia, seguidas de 24-30 sesiones de acondicionamiento repartidas en 10 semanas a una tasa de 3 sesiones / semana, y varias sesiones de seguimiento durante los siguientes 3-6 meses14,16. Cada sesión dura 60-90 min.
Para apoyar este protocolo, así como otros protocolos relacionados, EPOCS tiene cinco modos distintos de operación, cada uno servido por una de las pestañas de su ventana principal, titulada Prueba de estímulo, Contracción voluntaria, Curva de reclutamiento, Ensayos de control y Ensayos de entrenamiento.
En el modo de prueba de estímulo, el software activa un estímulo cada pocos segundos, no necesariamente dependiendo del estado del músculo objetivo. Las señales de respuesta se muestran en la pantalla después de cada estímulo. Esto permite al operador verificar la calidad de las conexiones de los electrodos y la señal EMG; optimizar la posición de los electrodos de estimulación y registro; y establecer la morfología de la respuesta del individuo.
En el modo de contracción voluntaria, el software mide y muestra el nivel de EMG de fondo, mientras que se anima al participante a contraer el músculo tanto como sea posible, en ausencia de estimulación eléctrica. En algunos protocolos, el nivel de EMG en la contracción voluntaria máxima (MVC) es una referencia útil para establecer los criterios de EMG de fondo. En el protocolo demostrado aquí, esto no es necesario, ya que una postura estable de pie estandariza suficientemente la actividad del músculo sóleo.
En el modo de curva de reclutamiento, la estimulación depende de que el nivel de EMG de fondo (que se muestra continuamente en la pantalla) permanezca en el rango correcto; las señales de respuesta se muestran en la pantalla después de cada estímulo; y la secuencia de respuestas puede analizarse al final de una ejecución. Esto permite al operador determinar el inicio y el final de los intervalos de tiempo en los que aparecen las respuestas de interés; determinar la relación entre la intensidad de la estimulación y el tamaño de la respuesta, tanto antes como después de las ejecuciones de acondicionamiento; y determinar la intensidad de estimulación que se utilizará para el acondicionamiento.
En el modo de ensayos de control, la estimulación depende del nivel de EMG de fondo (que se muestra continuamente en la pantalla), pero no se da retroalimentación sobre el tamaño de la respuesta objetivo. Se puede analizar la secuencia y distribución de los tamaños de respuesta. Este modo se puede utilizar para recopilar mediciones de referencia del tamaño de la respuesta, o como condición de control para la comparación contra el condicionamiento operante en un diseño experimental cruzado o entre sujetos. Puede servir como base para establecer el criterio de rendimiento para el condicionamiento operante al comienzo de cada sesión.
Finalmente, en el modo de ensayos de entrenamiento, la estimulación depende del nivel de EMG de fondo (que se muestra continuamente en la pantalla), y el refuerzo ensayo por ensayo también se proporciona al mostrar el tamaño de la respuesta objetivo, como se describió anteriormente y se muestra en la Figura 1. Este es el modo en que se realiza el condicionamiento operante.
La siguiente sección guiará al lector a través de los cinco modos demostrando el protocolo para acondicionar el reflejo H del sóleo en un participante adulto sin lesión neurológica.
El protocolo descrito anteriormente es adecuado para demostrar el acondicionamiento descendente del reflejo H del sóleo en un adulto típico sin deterioro neurológico. Los valores precisos de los parámetros pueden variar de persona a persona y particularmente en función de la deficiencia. Mientras que la curva de reclutamiento del participante alcanzó Mmax a una corriente estimulante de alrededor de 25 mA en el video, otra persona podría requerir 50 mA o más, por lo que la corriente aumentaría en pasos más grandes durante la medición de la curva de reclutamiento. También pueden requerir una duración de pulso más larga. Una tercera persona podría ser más sensible y requerir configuraciones actuales más pequeñas. El protocolo también debe adaptarse de acuerdo con el músculo que se está acondicionando. Por ejemplo, cuando se dirige al músculo flexor radial del carpo24,25, generalmente se usa un ajuste de corriente más bajo; el modo de contracción voluntaria debe utilizarse para establecer una escala para los límites de fondo-EMG; y se debe tener mayor cuidado tanto durante la optimización de la colocación de los electrodos como durante la optimización de la postura, que luego debe mantenerse constante a lo largo de los ensayos.
El protocolo es sensible a las variaciones en la relación entre el ajuste de la corriente del estimulador y la cantidad de corriente realmente entregada al nervio, esto puede verse afectado por pequeñas variaciones en la postura, la hidratación del participante y el secado del gel adhesivo del electrodo. En el condicionamiento reflejo H, este problema se puede mitigar utilizando el tamaño de la onda M como un indicador de la intensidad efectiva de la estimulación. Refleja el número de axones eferentes de motoneurona sóleo excitados por el estímulo. Por lo tanto, si el tamaño de la onda M se mantiene constante, implica que el número de axones aferentes primarios excitados por el estímulo, es decir, los axones que provocan el reflejo H, también se mantiene constante (ver también Crone et al.26). Por lo tanto, esta onda M se conoce como la respuesta de referencia en el software. Por esta razón, el paso 4.5.12. menciona que se debe registrar el tamaño de onda M objetivo. En realidad, es más importante mantener este tamaño de respuesta aproximadamente constante que mantener la corriente nominal estrictamente constante. La pestaña Secuencia de la ventana de análisis permite la verificación retrospectiva de la constancia de la onda M en cada ejecución; para el acondicionamiento del reflejo H del sóleo, esto es a menudo suficiente para corregir cualquier problema. Para un mayor control, se puede conectar un segundo monitor a la computadora para mostrar análisis de onda M en tiempo real que guían el ajuste manual prueba por prueba. La automatización de esta tarea de control es un proyecto en curso27.
La variación diurna también puede afectar las respuestas electrofisiológicas de una persona 28,29,30,31. Por esta razón, se recomienda que todas las sesiones se realicen a la misma hora del día, es decir, dentro de la misma ventana de tiempo de 3 h.
El éxito del condicionamiento operante puede ser sensible a la precisión del intervalo de tiempo elegido por el operador para definir el reflejo H; En particular, el intervalo no debe ser demasiado amplio. Las directrices detalladas para la definición correcta del intervalo están más allá del alcance del presente artículo. Esta es también una función que se automatizará en futuras versiones del software.
Un paso crítico en el protocolo es el paso 4.5.6., en el que el operador aumenta manualmente la corriente del estimulador repetidamente después de cada número fijo de ensayos. Contar mal las pruebas aquí o ajustar mal el dial actual puede conducir a la distorsión de la curva de reclutamiento resultante. Esta posibilidad de error del usuario se puede mitigar habilitando la opción Digitimer Link, que permite la automatización del ajuste de corriente para un modelo de estimulador en particular.
Este artículo se ha centrado en el condicionamiento del reflejo H, ya que es la más desarrollada de las posibles aplicaciones clínicas de EPOCS. El software existente ayuda a los investigadores en los esfuerzos continuos para perfeccionar este protocolo hacia una amplia diseminación clínica32. Más allá del condicionamiento del reflejo H, EPOCS también se puede aplicar en su forma actual a una variedad más amplia de métodos de estimulación y respuestas evocadas. Por ejemplo, también puede desencadenar un dispositivo mecánico que provoca un reflejo de estiramiento, que también puede estar condicionado33,34,35. El enfoque es adaptable a las deficiencias de un individuo; en una persona, el acondicionamiento descendente del reflejo H del sóleo mejora la locomoción al reducir la hiperreflexia espástica14; en otro, el acondicionamiento ascendente del tibial anterior MEP mejora la locomoción al aliviar la caída del pie36.
Si bien se están realizando esfuerzos para producir una implementación comercial del protocolo, el software original se mantendrá en paralelo como una herramienta de investigación para proporcionar la flexibilidad necesaria para expandir el campo de la neuroplasticidad dirigida. Esta flexibilidad es posible gracias a la modularidad y extensibilidad de la plataforma de software BCI2000, en la que se basa EPOCS. Esto significa que, con una intervención mínima de un ingeniero de software, el sistema es reconfigurable para una variedad aún más amplia de propósitos de investigación. Por ejemplo, se puede configurar para registrar canales de bioseñal adicionales o sensores adicionales para su posterior análisis (por ejemplo, interruptores de pie y sensores de seguimiento de movimiento) para el acondicionamiento durante la locomoción. También se puede programar para considerar criterios desencadenantes adicionales para la estimulación (p. ej., desencadenar la estimulación solo en una parte particular del ciclo de la marcha) o para desencadenar estímulos de refuerzo adicionales en ensayos exitosos o fallidos. Se proporcionan archivos de personalización de ejemplo.
La neuroplasticidad dirigida todavía está en su infancia. Se espera que sus vías aún inexploradas proporcionen grandes beneficios tanto para desarrollar nuevos enfoques terapéuticos (como se discutió anteriormente) como para dilucidar la historia natural de la enfermedad y los mecanismos de la función del sistema nervioso central tanto en la salud como en la enfermedad 2,32,37. Por lo tanto, estamos comprometidos a mantener y apoyar EPOCS como una herramienta clave para realizar este potencial terapéutico y científico.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW), NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT), NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW), NYS SCIRB C33279GG y C32236GG (JRW), NIH (NICHD) P2C HD086844 (S. Kautz), The Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) y Stratton Albany VA Medical Center.
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 |