El sistema de condicionamiento operante potencial evocado (EPOCS): una herramienta de investigación y una terapia emergente para los trastornos neuromusculares crónicos

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 cerebrovascular^5,14,15. Puede ser aplicado sin efectos secundarios adversos en animales y personas con o sin lesión neurológica^16,17.

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 meses^14,16. 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.

Protocol

Todos los procedimientos descritos aquí fueron aprobados por la junta de revisión institucional del Stratton VA Medical Center (número de aprobación 1584762-9). El participante en el video dio su consentimiento informado para el uso de su imagen y señales EMG en esta publicación. NOTA: Los términos en negrita indican etiquetas que deben ser visibles en el hardware y/o en la interfaz gráfica de usuario del software. 1. Configuración del software Vaya a https://neurotechcenter.org/epocs para obtener instrucciones sobre cómo obtener el instalador de software más reciente. Instale el software utilizando el instalador descargado. Asegúrese de que los controladores necesarios y el software del fabricante estén instalados para el digitalizador. En particular, asegúrese de que la instalación de NI-DAQmx incluya soporte de 64 bits. Inicie la aplicación NI-MAX, seleccione el dispositivo que se utilizará en Dispositivos e interfaces y asegúrese de que su nombre sea Dev1. A continuación, en Configurar > estados de encendido, asegúrese de que la casilla Estado de línea del puerto 0 línea 7 esté desactivada (puesta a cero). Además, ponga a cero la casilla de verificación Tristate correspondiente, si hay una. Con la herramienta Agregar o quitar programas , elimine cualquier software innecesario que pueda consumir intermitentemente recursos del procesador en segundo plano, ya que esto puede provocar problemas técnicos en el procesamiento de la señal en tiempo real. Asegúrese de eliminar cualquier actualización de software / conjunto de problemas proporcionado por el fabricante de la computadora, ya que se sabe que causan graves problemas de rendimiento.NOTA: Los pasos de configuración de software anteriores solo deben realizarse una vez para una configuración de hardware determinada. 2. Configuración del hardware Configure el digitalizador para coordinar la entrada y la salida como se describe a continuación.Usando un trozo corto de cable aislado de núcleo sólido, conecte el terminal de resorte para el puerto de salida digital 0 línea 7 (marcado P0.7-o posiblemente DIO7 en equipos más antiguos) al terminal de resorte para la salida USER . Conecte un conector en T BNC hembra/macho/hembra a la salida USER . Conecte la salida USER al puerto de entrada de disparo externo del estimulador. Conecte el primer y segundo cable de señal EMG amplificado al primer y segundo canal de entrada analógica de la tarjeta de adquisición de datos, respectivamente. Estos están marcados AI0 y AI1, o posiblemente ACH0 y ACH1 en equipos más antiguos. Realice una conexión adicional desde la salida USER al tercer canal de entrada analógica (marcado AI2 o ACH2). Configure el estimulador de corriente constante como se describe a continuación.NOTA: Para que el protocolo sea generalizable a una variedad de marcas y modelos de estimuladores, este artículo describe el control manual de intensidad de estímulos en lugar de aprovechar la opción de control automático de los modelos de estimuladores particulares.Encienda el estimulador y configúrelo para que entregue pulsos monofásicos de 1 ms. Para el modelo DS8R, asegúrese de que la intensidad del estímulo se controla mediante el panel frontal o la interfaz USB, no a través de la entrada analógica trasera. Enchufe el cable de salida largo y conéctelo a los cables de presión que se conectarán a las almohadillas de electrodos estimulantes. Configure el amplificador analógico para entregar al menos dos canales EMG como se describe a continuación.Encienda el amplificador. Asegúrese de que todos los valores GAIN del canal estén en su valor predeterminado de 500 y que las perillas VARIABLE correspondientes se giren a su valor mínimo de 1. Conecte la unidad portátil al amplificador mediante el cable largo. Inserte dos baterías cuadradas de 9 V en la batería de la unidad portátil. Sujete la unidad portátil y la batería alrededor de la cintura del participante. 3. Preparación de electrodos de estimulación y registro Utilice cualquier punto de referencia o medida previamente anotado para recrear las posiciones de electrodos específicas del participante anterior lo más cerca posible. Prepare la piel donde se colocarán los electrodos limpiando con almohadillas de alcohol para eliminar el exceso de aceite, luego limpie con una toalla de papel para eliminar la piel muerta. Coloque los electrodos de estimulación en posición para estimular el nervio tibial con precisión, con un efecto mínimo sobre el nervio peroneo común. Use el electrodo más grande (22 mm x 35 mm) como ánodo y colóquelo en el ápice de la fosa poplítea donde el nervio ciático se ramifica en los nervios tibial y peroneo común. Coloque el cátodo (22 mm x 22 mm) en el pliegue de la rodilla, directamente debajo del ánodo, con una separación de 3-4 cm entre los centros del electrodo. Conecte los electrodos de registro EMG en un montaje bipolar en el músculo objetivo (sóleo) de la siguiente manera.Para determinar la ubicación correcta, primero encuentre el músculo gastrocnemio palpando mientras el participante alterna entre pararse sobre los dedos de los pies y pararse naturalmente. Coloque el primer electrodo directamente debajo del borde distal del vientre del músculo gastrocnemio. Coloque el segundo electrodo debajo del primero, con un espacio de 5 cm entre los centros del electrodo. Mantenga ambos electrodos en línea con el tendón de Aquiles. Conecte los electrodos de registro EMG en un montaje bipolar en el músculo antagonista (tibial anterior). Para hacer esto, identifique el músculo palpando mientras el participante levanta (dorsiflexa) los dedos de los pies. Coloque los electrodos en el vientre muscular, aproximadamente 1/3 del camino hacia abajo desde la cabeza del peroné hasta el tobillo, con una separación vertical de 5 cm entre los centros de los electrodos. Coloque un electrodo de tierra en la rótula. Conecte los cables del amplificador EMG de la siguiente manera. Enchufe el electrodo activo con cinta verde en el canal 1 de la unidad portátil y conecte los clips rojos a los electrodos del músculo objetivo (sóleo) y el clip verde al electrodo de tierra. Enchufe el electrodo activo con cinta adhesiva negra en el canal 2 de la unidad portátil y conecte los clips a los electrodos del músculo antagonista (tibial anterior). Conecte la batería a la unidad portátil. Conecte el broche de estimulación a los electrodos de estimulación. 4. Uso del software EPOCS Coloque el monitor de tal manera que tanto el investigador como el sujeto (o el terapeuta y el paciente) puedan verlo claramente. Inicie una sesión EPOCS.NOTA: Una sesión se define como una visita al laboratorio o clínica, que generalmente dura de 60 a 90 minutos.Haga doble clic en el icono EPOCS para iniciar la aplicación. Introduzca el código de identificación del participante (o elija de la lista de ID utilizados anteriormente). Si se trata de una continuación de una sesión existente, por ejemplo, si el software tuvo que reiniciarse después de una interrupción, pulse Continuar sesión. Esto solo estará disponible si se ha iniciado una sesión para el participante especificado en las últimas 3 h. De lo contrario, presione Iniciar nueva sesión. Esto creará una nueva carpeta de datos, con marca de fecha y hora y marcada con el ID del participante. Verifique la ubicación del electrodo y la calidad del contacto y ajuste según sea necesario.Asegúrese de que se muestra la pestaña Prueba de estímulo . En Configuración > estimulación, configure el intervalo mínimo para la prueba de estímulo en 3 s. Tenga en cuenta que esto se configura por separado del intervalo mínimo para uso normal, que normalmente será más largo, alrededor de 5 s. Deje desactivada la configuración Digitimer Link .NOTA: Cuando está habilitada, la opción Digitimer Link permitiría el control por software de la intensidad de la estimulación cuando se utilizan ciertos modelos de estimuladores. En cambio, el protocolo actual demuestra el control manual de la intensidad del estímulo, que es aplicable a través de múltiples marcas y modelos de estimuladores. En el panel de control del estimulador, ajuste la intensidad del estímulo a 5 mA y habilite la estimulación. Pida al participante que se ponga de pie, con las manos parcialmente apoyando su peso sobre un andador si es necesario. Advierta al participante que espere estimulación, luego presione Inicio para comenzar una nueva carrera (es decir, para comenzar a grabar señales continuamente en un nuevo archivo). Las ejecuciones se numerarán secuencialmente y sus archivos nunca se sobrescribirán entre sí. Cada repetición de estimulación se llama prueba. Las respuestas EMG obtenidas en cada ensayo se muestran inmediatamente. Evalúe la onda M y el reflejo H provocados en el músculo objetivo (la traza superior, azul) y el músculo antagonista (la traza roja inferior). Si es necesario, aumente la corriente gradualmente a 10 mA o más, hasta que las respuestas aparezcan claramente. Para encontrar la ubicación óptima para estimular (es decir, la ubicación que produce el reflejo H más grande), compare los potenciales evocados después de mover el cátodo un ancho de electrodo completo medialmente y luego lateralmente, seguido de un ancho de electrodo medio medialmente y luego lateralmente, y finalmente por un ancho de electrodo completo hacia arriba y luego hacia abajo. Marque, anote y fotografíe la posición de los electrodos para ayudar al reposicionamiento en futuras sesiones. Si es posible, haga un molde de yeso de la pantorrilla y la parte posterior de la rodilla y haga agujeros en el yeso que permitan que las marcas se vuelvan a aplicar con precisión. Una vez que se hayan encontrado las posiciones óptimas para los electrodos, reemplace los electrodos reposicionados con electrodos nuevos. Para el acondicionamiento del sóleo, omita la pestaña Contracción voluntaria . Mida los tamaños máximos de onda M y réflex H (M.max y H.max) trazando la curva de reclutamiento, es decir, la relación entre la intensidad del estímulo y la respuesta. Mida la curva de reclutamiento de la siguiente manera, antes y después de las pruebas de control o entrenamiento en cada sesión. En la primera sesión, utilice la curva de reclutamiento para guiar la selección de una intensidad de estimulación adecuada para su uso durante todo el proceso de acondicionamiento.Cambie a la pestaña Curva de reclutamiento . En Configuración > EMG, configure los rangos dentro de los cuales deben permanecer los valores de EMG de fondo objetivo y antagonista para habilitar la estimulación. Para el sóleo, suponiendo que no se haya medido la contracción voluntaria máxima, simplemente asegúrese de que los rangos abarquen los niveles de EMG generados por la carga de peso natural durante la posición. Establezca la duración de retención en segundo plano en 2 s para dictar cuánto tiempo el participante debe mantener continuamente el EMG dentro del rango para activar cada estímulo.NOTA: Los límites superior o inferior pueden dejarse en blanco si no se impone la restricción correspondiente. Habilite el estimulador y ajuste la intensidad al valor mínimo que se utilizará en la medición de la curva de reclutamiento: 5 mA. (Este valor es un ejemplo y debe elegirse caso por caso, consulte la discusión). Si esta es la primera sesión del participante, permítale practicar mantener el EMG en el rango correcto durante el tiempo requerido como se describe a continuación.Con el participante de pie, pulse Inicio. Demuestre al participante cómo el nivel de EMG de fondo en el músculo objetivo se muestra en tiempo real como la altura de la barra contra una región sombreada que muestra el rango objetivo. Explique al participante que la actividad de ambos músculos (objetivo y antagonista) debe estar dentro de sus rangos requeridos para cambiar la barra de un rojo brillante a un verde más oscuro (aunque el nivel de actividad del antagonista no se muestra directamente). Para ajustar los rangos de fondo, pulse Detener seguido de Configuración; a continuación, introduzca los nuevos números, pulse OK y, a continuación, vuelva a iniciar . Presione Detener cuando finalice la práctica. Para medir la curva de reclutamiento, con el participante de pie, presione Inicio. Si el reflejo H ya es visible a la intensidad inicial elegida, disminuya gradualmente la corriente hasta que el reflejo H ya no se vea. A continuación, presione Detener y vuelva a presionar Inicio para comenzar la ejecución. Preste mucha atención al contador Ensayos completados . Después de cada cuatro ensayos, aumente manualmente la intensidad de la estimulación en 2 mA. (Este valor es un ejemplo y debe elegirse caso por caso, consulte la discusión). Continúe hasta que el tamaño de la onda M alcance una meseta, siempre que el participante no informe molestias. Presione Detener cuando haya terminado e invite al participante a sentarse a descansar. Anote los valores de intensidad de estímulo utilizados para cada ensayo. Asocie los registros escritos con el número de ejecución que se muestra en la parte superior derecha de la ventana. Al final de cualquier ejecución, ingrese esta información manualmente en el registro de sesión, junto con cualquier otra nota, a través de la pestaña Registro .NOTA: Si la intensidad de la estimulación se controla manualmente, el software no registrará esta información. Pulse el botón Análisis para abrir la ventana de análisis y permitir la definición de las ondas M y H de la siguiente manera. En el panel superior de la ventana de análisis, examine la superposición bloqueada por estímulo de las señales del músculo objetivo de cada ensayo en la última ejecución. Utilice el ratón para ajustar el principio y el final de los intervalos de referencia marrón y objetivo verde (en el protocolo de condicionamiento operante del reflejo H, estos corresponden a la onda M y al reflejo H, respectivamente). Cuando los intervalos sean correctos, pulse los botones rojos Usar tiempos marcados para guardar estos ajustes de intervalo personalizados para futuros análisis. En el panel Secuencia de la mitad inferior de la ventana de análisis, evalúe la curva de reclutamiento resultante. Ajuste la configuración para ver la amplitud rectificada de pico a pico o media y para agrupar los resultados de ensayos consecutivos. Dado que la corriente de estímulo se incrementó cada cuatro ensayos, especifique Ensayos para agrupar: 4. Registre el M max y el Hmax resultantes. Si esta es la primera sesión del participante, optimice las ubicaciones de grabación de EMG del músculo objetivo de la siguiente manera.Mueva los electrodos del sóleo medialmente por medio ancho de electrodo (o un ancho de electrodo completo si el músculo es lo suficientemente ancho). Luego, repita los pasos anteriores para recopilar una curva de reclutamiento completa y registrar el M max y Hmax resultantes. Mueva los electrodos del sóleo a la misma distancia lateralmente de su posición original, y nuevamente realice una medición de la curva de reclutamiento para estimar M max y Hmax. Adopte el posicionamiento del electrodo que maximice Hmax y marque, anote y fotografíe sus posiciones como en el paso 4.3.8. Elija una intensidad de estímulo que provoque un reflejo H cercano al máximo, idealmente en la pendiente ascendente (izquierda) de la curva de reclutamiento del reflejo H, pero con la restricción de que debe haber una onda M visible. Establezca este valor de intensidad de estímulo en el estimulador y anótelo para futuras sesiones. Además, tenga en cuenta el tamaño de onda M correspondiente (ver discusión). Mida la distribución de los tamaños de los reflejos H sin dar retroalimentación de respuesta de la siguiente manera.Cambie a la pestaña Ensayos de control . Con el participante de pie, pulse Inicio. Como antes, indique al participante que use la retroalimentación proporcionada por la barra ascendente y descendente para mantener el nivel de actividad muscular de fondo dentro del rango requerido. Si se trata de una sesión basal o de seguimiento, realice 75 ensayos consecutivos a la intensidad de estímulo elegida. Si se trata de una sesión de acondicionamiento, realice solo 20 ensayos. Después del número prescrito de pruebas, presione Detener para finalizar la ejecución. Análisis de prensa. Como antes, evalúe la superposición de formas de onda de respuesta ensayo por ensayo en el panel superior y la secuencia de tamaños de respuesta a continuación. Una nueva pestaña llamada Distribución también está activada de forma predeterminada, encima de Secuencia. Muestra la distribución de los tamaños de reflejo H, con estadísticas resumidas a la derecha. Presione Resultados del registro para anexar las estadísticas de resumen al registro de sesión. Si se trata de una sesión de referencia, repita los pasos anteriores para un total de 3 series de 75 ensayos cada una. A continuación, vaya a la medición de la curva de reclutamiento de cierre en el paso 4.8. Si se trata de una sesión de acondicionamiento, establezca el percentil objetivo en 66. Los niveles de los criterios de acondicionamiento ascendente y descendente, junto con la mediana, se muestran mediante las líneas rojas verticales. Seleccione un criterio para el acondicionamiento pulsando el botón Condición ascendente o Condición descendente . Para este protocolo, presione Down-Condition. Esta acción se registrará automáticamente y la ventana de análisis se cerrará.NOTA: En un protocolo de acondicionamiento descendente, un valor de percentil objetivo de 66 significa que un ensayo exitoso se define como aquel en el que el tamaño de la respuesta está en el 66% inferior de la distribución medida anteriormente; Por el contrario, en el acondicionamiento ascendente, el éxito significa producir un tamaño de respuesta en el 66% superior de la distribución. Realice el acondicionamiento operante como se describe a continuación.Cambie a la pestaña Pruebas de entrenamiento . Con el participante de pie, pulse Inicio. Si el participante no lo ha visto antes, llame su atención sobre la nueva barra de comentarios en el centro de la pantalla. Explique que muestra el tamaño H-reflejo más reciente en relación con el rango objetivo eclosionado. Si la respuesta cae dentro del rango objetivo, la prueba se contará como exitosa y la barra será de color verde oscuro. Si cae fuera del rango, la prueba se contará como no exitosa y la barra será de un rojo más brillante. A lo largo de la carrera, motive al participante a realizar tantas pruebas exitosas como sea posible. El número de ensayos realizados y la proporción de ensayos que tuvieron éxito en la ejecución hasta el momento se muestran a la derecha de la pantalla. Después de 75 pruebas, presione Detener para finalizar la ejecución. Pulse el botón Análisis . La ventana de análisis tiene el mismo aspecto que para los ensayos de control. Nuevamente, use la pestaña Secuencia para verificar que las ondas M permanecieron constantes en el tamaño deseado. Como antes, con la ficha Distribución seleccionada, utilice el botón Condición descendente para actualizar el criterio de condicionamiento operante para la siguiente ejecución. Repita el procedimiento de acondicionamiento operante 2 veces más, para un total de 3 series de 75 ensayos cada una. Al final de la sesión, realice otra medición de la curva de reclutamiento como en los pasos 4.5.1.-4.5.6. Finalice la sesión como se describe a continuación.Escriba las notas de sesión adicionales en la pestaña Registro . El registro se guarda automáticamente a medida que se rellena en un archivo de texto sin formato con marca de fecha en el directorio de datos específico de la sesión. Cierre la ventana. Los datos y los registros ya se habrán guardado. Para volver a visitar la ventana de análisis de los datos registrados anteriormente, haga doble clic en el icono Análisis sin conexión de EPOCS y seleccione el archivo de datos para la ejecución que se va a analizar. Espere a que se procesen las señales sin procesar (esto puede tardar 1 minuto o más).NOTA: Los datos se guardan como archivos .dat en formato BCI2000. El nombre del archivo indica la fecha y hora de la sesión, el ID del participante, el modo (ST para la prueba de estímulo, VC para la contracción voluntaria, RC para la curva de reclutamiento, TC para los ensayos de control y TT para los ensayos de entrenamiento) y el número de ejecución secuencial. 5. Realizar múltiples sesiones repetidas Programe un total de 6 sesiones de referencia, 24 sesiones de acondicionamiento (o 30, para personas con deterioro neurológico) y 4 sesiones de seguimiento. Programe las sesiones de línea de base y acondicionamiento a una velocidad de 3 sesiones / semana, cada sesión no dure más de 90 minutos. Haga arreglos para que todas las sesiones se lleven a cabo a la misma hora del día para minimizar los efectos de la variación diurna. En cada una de las 6 sesiones de referencia, realice una ejecución inicial de la curva de reclutamiento, 3 ejecuciones de 75 pruebas de control y una ejecución final de la curva de reclutamiento. En cada una de las 24 (o 30) sesiones de acondicionamiento, realice una ejecución inicial de la curva de reclutamiento, 1 ejecución de 20 pruebas de control, 3 carreras de 75 pruebas de capacitación y una ejecución final de la curva de reclutamiento. Realice 4 sesiones de seguimiento a los 10-14 días, 1 mes, 2 meses y 3 meses después de la última sesión de acondicionamiento. Dependiendo de los objetivos del estudio, estos pueden ser idénticos a las sesiones de referencia o a las sesiones de acondicionamiento.

Representative Results

La Figura 2 muestra la efectividad del protocolo anterior en la medición de las curvas de reclutamiento de ondas M y reflejos H y en la medición de la distribución de los tamaños de los reflejos H a una intensidad de estimulación constante. También ilustra la efectividad general del protocolo de sesiones múltiples para cambiar el tamaño del reflejo H en participantes sin deterioro neurológico y para mejorar la función locomotora en participantes con lesión incompleta de la médula espinal. La Figura 2A muestra una captura de pantalla de la ventana de análisis después de una ejecución realizada en el modo Curva de reclutamiento durante el condicionamiento operante reflejo H (consulte el paso 4.5 del protocolo). En la mitad inferior de la ventana (el panel Secuencia ), el eje horizontal muestra el número de prueba, por lo tanto, la intensidad del estímulo aumenta de izquierda a derecha. El tamaño del reflejo H (círculos verdes) aumenta y luego disminuye en función de la intensidad del estímulo, mientras que el tamaño de la onda M (triángulos marrones) aumenta y luego se satura. La Figura 2B muestra una captura de pantalla de la ventana de análisis después de una ejecución realizada en modo Ensayos de control o Ensayos de entrenamiento durante el condicionamiento operante reflejo H (consulte los pasos 4.6. y 4.7 del protocolo). En el panel inferior (el panel “Distribución”), el histograma de los tamaños de reflejo H facilita la selección de un nivel de criterio apropiado para el posterior acondicionamiento hacia arriba o hacia abajo. En la Figura 2C, el tamaño del reflejo H en participantes sin deterioro neurológico se representa en función del número de sesiones en 6 sesiones basales, 24 sesiones de acondicionamiento y 4 sesiones de seguimiento. Se recopilaron datos de 15 participantes (8 hombres, 7 mujeres) de los cuales 2 participaron en los brazos de acondicionamiento ascendente y descendente. Los participantes tenían entre 21 y 55 años. Todos los participantes dieron su consentimiento informado. El protocolo fue aprobado por la junta de revisión institucional (IRB) del Departamento de Salud del Estado de Nueva York (número de aprobación 05-058). Thompson et al.16 proporcionan más detalles. La Figura 2D muestra el efecto beneficioso del acondicionamiento descendente del reflejo H sóleo en participantes con deterioro crónico de las extremidades inferiores después de una lesión incompleta de la médula espinal. El acondicionamiento exitoso se asoció con una mejoría en la simetría de la marcha y en la velocidad de marcha en relación con la línea de base. Los datos se recopilaron de 13 participantes (9 hombres, 4 mujeres) de 28 a 68 años de edad, que dieron su consentimiento informado. El protocolo fue aprobado por el IRB del Hospital Helen Hayes (número de aprobación 07-07). Thompson et al.14 proporcionan más detalles. Figura 2: Resultados representativos . (A) Captura de pantalla de la ventana de análisis de la curva de reclutamiento. (B) Captura de pantalla de la ventana de análisis de Ensayos de control o Ensayos de entrenamiento. (C) Efectos contrastantes del acondicionamiento hacia arriba y hacia abajo del reflejo H del sóleo en participantes no lesionados. Los triángulos rojos hacia arriba muestran un tamaño medio del reflejo H de N = 6 participantes con éxito condicionados hacia arriba (de 8); Los triángulos azules hacia abajo muestran respuestas medias de N = 8 participantes condicionados hacia abajo con éxito (de 9). Las barras de error indican un error estándar. Esta imagen ha sido modificada de Thompson et al.16. (D) Efecto terapéutico del acondicionamiento descendente del reflejo H sóleo sobre la velocidad de marcha y la simetría de la marcha en pacientes con deterioro crónico después de una lesión incompleta de la médula espinal. Los resultados de contraste de barras para N = 6 participantes cuyos reflejos H se acondicionaron con éxito contra N = 4 participantes de la condición de control (sin condicionamiento operante) y N = 3 participantes en los que el protocolo de acondicionamiento descendente no logró reducir el tamaño del reflejo. Las barras de error indican un error estándar. Cada asterisco indica un valor p inferior a 0,05 en una prueba t pareada que compara las mediciones previas con las posteriores al acondicionamiento. Esta imagen ha sido modificada de Thompson et al.14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

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 M_max 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 carpo^24,25, 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 condicionado^33,34,35. 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.

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