Evoked Potential Operant Conditioning System hjälper vetenskaplig undersökning av sensorimotorisk funktion och kan administrera riktad neurobeteendeträning som kan påverka sensorimotorisk rehabilitering vid neuromuskulära störningar. Denna artikel beskriver dess kapacitet och illustrerar dess tillämpning vid modifiering av en enkel ryggradsreflex för att uppnå varaktig förbättring av motorfunktionen.
Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) är ett mjukvaruverktyg som implementerar protokoll för operant konditionering av stimulansutlösta muskelsvar hos personer med neuromuskulära störningar, vilket i sin tur kan förbättra sensorimotorisk funktion när den appliceras på rätt sätt. EPOCS övervakar tillståndet för specifika målmuskler – t.ex. från ytelektromyografi (EMG) medan du står eller från gångcykelmätningar när du går på ett löpband – och utlöser automatiskt kalibrerad stimulering när fördefinierade villkor är uppfyllda. Det ger två former av feedback som gör det möjligt för en person att lära sig att modulera den riktade vägens excitabilitet. För det första övervakar den kontinuerligt pågående EMG-aktivitet i målmuskeln och vägleder personen att producera en konsekvent aktivitetsnivå som är lämplig för konditionering. För det andra ger den omedelbar feedback om svarsstorleken efter varje stimulering och indikerar om den har nått målvärdet.
För att illustrera dess användning beskriver den här artikeln ett protokoll genom vilket en person kan lära sig att minska storleken på Hoffmann-reflexen-den elektriskt framkallade analogen av ryggradssträckreflexen-i soleusmuskeln. Nedkonditionering av denna vägs excitabilitet kan förbättra promenader hos personer med spastisk gång på grund av ofullständig ryggmärgsskada. Artikeln visar hur du ställer in utrustningen; hur man placerar stimulerande och inspelningselektroder; och hur man använder den fria programvaran för att optimera elektrodplaceringen, mäta rekryteringskurvan för direkta motor- och reflexsvar, mäta svaret utan operant konditionering, konditionera reflexen och analysera resulterande data. Det illustrerar hur reflexen förändras under flera sessioner och hur promenaden förbättras. Den diskuterar också hur systemet kan tillämpas på andra typer av framkallade svar och på andra typer av stimulering, t.ex. motoriska framkallade potentialer till transkraniell magnetisk stimulering; hur det kan ta itu med olika kliniska problem; och hur det kan stödja forskningsstudier av sensorimotorisk funktion vid hälsa och sjukdom.
Under det senaste decenniet har riktade neuroplasticitetsstrategier dykt upp som ett nytt tillvägagångssätt för rehabilitering av neurologiska funktionsnedsättningar 1,2. En sådan strategi är operant konditionering av en framkallad potential. Detta innebär att upprepade gånger framkalla elektrofysiologiska svar som kan mätas icke-invasivt – till exempel genom elektroencefalografi (EEG) eller ytelektromyografi (EMG) – och ge personen omedelbar feedback om storleken på varje svar i förhållande till en kriterienivå som fastställts av terapeuten eller utredaren. Med tiden tränar detta protokoll personen att öka eller minska sitt svar och kan följaktligen rikta fördelaktig förändring till en plats i centrala nervsystemet som är viktig i ett beteende som rörelse eller räckvidd och grepp. Den riktade förändringen gynnar prestanda och möjliggör dessutom bättre praxis som leder till omfattande fördelaktig förändring som förbättrar hela beteendet. Till exempel, hos personer med ofullständig ryggmärgsskada (iSCI) hos vilka klonus försämrar rörelse, förbättrar operant konditionering som minskar Hoffmann-reflexen i soleusmuskeln i ett ben lokomotorisk muskelaktivitet i båda benen, vilket ökar gånghastigheten och återställer höger / vänster stegsymmetri 1,3,4,5 . Ett annat exempel är parmonterad pulsstimulering, som varaktigt kan öka storleken på den motorframkallade potentialen (MEP) till transkraniell magnetisk stimulering och därigenom förbättra räckvidds- och greppfunktionen hos personer med kronisk hand- och armnedsättning efter iSCI6.
Implementering av sådana protokoll kräver specialprogramvara som måste utföra flera funktioner. Specifikt måste den kontinuerligt förvärva, bearbeta och spara elektrofysiologiska signaler; Den skall kontinuerligt övervaka nervsystemets tillstånd och på lämpligt sätt utlösa stimulering under snäva realtidsbegränsningar. Den måste tillhandahålla kontinuerlig ögonblick-för-ögonblick-feedback, feedback från prövning för prövning och feedback session för session. Det måste tillhandahålla ett användargränssnitt för att vägleda utredarens eller terapeutens inställning och inställning. och slutligen måste den lagra och organisera signaldata och metainformation i ett standardiserat format.
Det framkallade potentiella operantkonditioneringssystemet (EPOCS) är vårt svar på detta enastående behov. Under huven är programvaran baserad på BCI2000, en öppen källkodsplattform för neuroteknik som används i hundratals laboratorier runt om i världen 7,8. I EPOCS döljs BCI2000: s vanliga användargränssnitt och ersätts av ett strömlinjeformat gränssnitt som är optimerat för framkallade potentiella operantkonditioneringsprotokoll.
Den aktuella artikeln och dess medföljande video illustrerar användningen av EPOCS i ett visst protokoll: operant konditionering för att minska storleken på Hoffmann (H-) reflexen i soleusmuskeln. Detta svar är den elektriskt framkallade analogen av den reflexmässiga stretchreflexen. H-reflex nedkonditionering har visat sig minska påverkan av klonus på, och därmed förbättra, rörelse hos djur med iSCI 9,10,11,12,13 och hos människor med iSCI, multipel skleros eller stroke5,14,15. Det kan appliceras utan negativa biverkningar hos djur och personer med eller utan neurologisk skada16,17.
Det operanta konditioneringsprotokollet fungerar genom att utföra flera försök, var och en varar i flera sekunder. Händelseförloppet för en prövning visas schematiskt i figur 1, med siffror som anger följande funktioner:
1. Kontinuerlig bakgrunds-EMG registreras från bipolära ytelektroder över målmuskeln (soleus) och dess antagonist (tibialis anterior). Bakgrundsnivån utvärderas som det genomsnittliga rektifierade värdet för den högpassfiltrerade signalen i ett skjutfönster.
2. Bakgrunds-EMG-nivå i målmuskeln visas som höjden på en stapel, kontinuerligt uppdaterad på deltagarens skärm. Detta hjälper deltagaren att hålla aktiviteten inom ett visst intervall (kläckt område).
3. Programvaran bedömer lämpligt ögonblick för elektrisk stimulering och utlöser stimulatorn i enlighet därmed. De viktigaste kriterierna är att minst 5 s måste ha förflutit sedan föregående stimulering och att bakgrunds-EMG-nivån måste ha legat inom det angivna intervallet kontinuerligt i 2 s.
4. En konstantströmsstimulator levererar en elektrisk puls transkutant till tibialnerven (vanligtvis monofasisk, med 1 ms varaktighet).
5. Det resulterande stimulanslåsta svaret registreras. Programvaran beräknar storleken på två komponenter av särskilt intresse: den tidigare M-vågen, som återspeglar muskelaktivering till följd av direkt stimulering av motoraxonen; och den senare H-reflexen, som återspeglar signalen som vidarebefordras genom en reflexbåge i ryggmärgen 18,19,20,21,22. EPOCS hänvisar till dessa som referenssvar respektive målrespons.
6. H-reflexstorlek för den aktuella prövningen visas som höjden på en andra stapel, i förhållande till en önskad kriterienivå som definierar en framgångsrik eller misslyckad prövning. För nedkonditionering är stången mörkgrön om H-reflexstorleken föll under kriteriet, eller ljusröd om den inte gjorde det (vice versa för uppkonditionering). Samtidigt uppdateras den numeriska visningen av den kumulativa framgångsgraden i enlighet med detta. Tillsammans ger dessa grafiska visningselement den omedelbara positiva eller negativa förstärkning som operant konditionering bygger på23.
Figur 1: Schematisk illustration av EPOCS kärnfunktionalitet under nedkonditionering av soleus H-reflex. Deltagaren tittar på en stor bildskärm som visar bakgrunds-EMG-nivån, den senaste H-reflexstorleken, antalet försök som hittills slutförts i den aktuella körningen på 75 och den löpande andelen framgångsrika försök för körningen. Sekvensen av händelser i en rättegång betecknas med siffrorna 1-6, som beskrivs i introduktionen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Ett humant H-reflexkonditioneringsprotokoll består vanligtvis av 6 baslinjesessioner, följt av 24-30 konditioneringssessioner spridda över 10 veckor med en hastighet av 3 sessioner / vecka och flera uppföljningssessioner under de efterföljande 3-6 månaderna14,16. Varje pass varar 60-90 min.
För att stödja detta protokoll såväl som andra relaterade protokoll har EPOCS fem distinkta driftsätt, var och en betjänad av en av flikarna i dess huvudfönster, med titeln Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials och Training Trials.
I stimulanstestläge utlöser programvaran en stimulans med några sekunders mellanrum, inte nödvändigtvis beroende av målmuskelns tillstånd. Svarssignalerna visas på skärmen efter varje stimulans. Detta gör det möjligt för operatören att verifiera kvaliteten på elektrodanslutningarna och EMG-signalen; för att optimera positionen för de stimulerande och registrerande elektroderna; och att fastställa individens responsmorfologi.
I frivilligt kontraktionsläge mäter och visar programvaran bakgrunds-EMG-nivån medan deltagaren uppmuntras att dra ihop muskeln så mycket som möjligt, i avsaknad av elektrisk stimulering. I vissa protokoll är EMG-nivån vid maximal frivillig kontraktion (MVC) en användbar referens för att ställa in bakgrunds-EMG-kriterierna. I protokollet som demonstreras här är detta inte nödvändigt, eftersom en stabil stående hållning standardiserar soleusmuskelns aktivitet tillräckligt.
I rekryteringskurvläget är stimuleringen beroende av att bakgrunds-EMG-nivån (visas kontinuerligt på skärmen) förblir i rätt intervall; svarssignaler visas på skärmen efter varje stimulans; och svarssekvensen kan analyseras i slutet av en körning. Detta gör det möjligt för operatören att bestämma början och slutet av de tidsintervall där svaren av intresse visas. att bestämma förhållandet mellan stimuleringsintensitet och responsstorlek, både före och efter konditioneringskörningarna; och för att bestämma stimuleringsintensiteten som ska användas för konditionering.
I kontrollförsöksläget är stimuleringen beroende av bakgrunds-EMG-nivån (visas kontinuerligt på skärmen), men ingen feedback ges om målresponsstorleken. Sekvensen och fördelningen av svarsstorlekar kan analyseras. Detta läge kan användas för att samla in baslinjemätningar av responsstorlek, eller som ett kontrollvillkor för jämförelse mot operant konditionering i en crossover- eller mellan-ämnesexperimentell design. Det kan tjäna som grund för att ställa in prestandakriteriet för operant konditionering i början av varje session.
Slutligen, i träningsförsöksläge, är stimuleringen beroende av bakgrunds-EMG-nivån (visas kontinuerligt på skärmen), och trial-by-trial-förstärkning tillhandahålls också genom att visa målresponsstorleken, som beskrivs ovan och visas i figur 1. Detta är det läge där operant konditionering utförs.
Nästa avsnitt kommer att vägleda läsaren genom de fem lägena genom att demonstrera protokollet för nedkonditionering av soleus H-reflexen hos en vuxen deltagare utan neurologisk skada.
Protokollet som beskrivs ovan är lämpligt för att demonstrera soleus H-reflex nedkonditionering hos en typisk vuxen utan neurologisk försämring. De exakta parametervärdena kan variera från person till person och särskilt som en funktion av funktionsnedsättning. Medan deltagarens rekryteringskurva nådde Mmax vid en stimulerande ström på cirka 25 mA i videon, kan en annan person behöva 50 mA eller mer, så strömmen skulle ökas i större steg under rekryteringskurvans mätning. De kan också kräva en längre pulslängd. En tredje person kan vara känsligare och kräva mindre ströminställningar. Protokollet måste också anpassas efter muskeln som konditioneras. Till exempel, när man riktar in sig på flexor carpi radialis-muskeln24,25, används vanligtvis en lägre ströminställning; Läget för frivillig kontraktion bör användas för att fastställa en skala för bakgrunds-EMG-gränserna. och större försiktighet måste iakttas både under optimeringen av elektrodplaceringen och under optimeringen av hållningen, som sedan måste hållas konstant över försök.
Protokollet är känsligt för variationer i förhållandet mellan stimulatorströminställning och mängden ström som faktiskt levereras till nerven – detta kan påverkas av små variationer i hållning, hydrering av deltagaren och uttorkning av den självhäftande elektrodgelen. Vid H-reflexkonditionering kan detta problem mildras genom att använda M-vågstorlek som en indikator på effektiv stimuleringsintensitet. Det återspeglar antalet soleus motoneuron efferenta axoner upphetsade av stimulansen. Således, om M-vågstorleken hålls konstant, innebär det att antalet primära afferenta axoner som exciteras av stimulansen, dvs axonerna som framkallar H-reflexen, också hålls konstant (se även Crone et al.26). Därför kallas denna M-våg som referenssvaret i programvaran. Av denna anledning, steg 4.5.12. nämner att mål-M-vågstorleken ska registreras. Det är faktiskt viktigare att hålla denna svarsstorlek ungefär konstant än att hålla den nominella strömmen strikt konstant. Fliken Sekvens i analysfönstret möjliggör retrospektiv verifiering av M-vågbeständighet över varje körning. för soleus H-reflexkonditionering är detta ofta tillräckligt för att korrigera eventuella problem. För större kontroll kan en andra bildskärm anslutas till datorn för att visa M-wave-analyser i realtid som styr manuell justering av trial-by-trial. Automatisering av denna kontrolluppgift är ett pågående projekt27.
Dygnsvariation kan också påverka en persons elektrofysiologiska svar 28,29,30,31. Av denna anledning rekommenderas att alla sessioner utförs vid samma tid på dagen, dvs inom samma 3 timmars tidsfönster.
Framgången med operant konditionering kan vara känslig för noggrannheten i det tidsintervall som valts av operatören för att definiera H-reflexen; I synnerhet bör intervallet inte vara för brett. Detaljerade riktlinjer för korrekt intervalldefinition ligger utanför ramen för den aktuella artikeln. Detta är också en funktion som kommer att automatiseras i framtida versioner av programvaran.
Ett kritiskt steg i protokollet är steg 4.5.6., där operatören manuellt ökar stimulatorströmmen upprepade gånger efter varje fast antal försök. Felräkning av försöken här eller feljustering av den aktuella ratten kan leda till förvrängning av den resulterande rekryteringskurvan. Denna möjlighet till användarfel kan mildras genom att aktivera alternativet Digitimer Link, vilket möjliggör automatisering av den aktuella justeringen för en viss stimulatormodell.
Denna artikel har fokuserat på H-reflexkonditionering, eftersom den är den mest fullt utvecklade av de potentiella kliniska tillämpningarna av EPOCS. Den befintliga programvaran hjälper forskare i de pågående ansträngningarna att finslipa detta protokoll mot bred klinisk spridning32. Utöver H-reflexkonditionering kan EPOCS också tillämpas i sin nuvarande form på ett bredare utbud av stimuleringsmetoder och framkallade svar. Till exempel kan det lika bra utlösa en mekanisk anordning som framkallar en stretchreflex, som också kan konditioneras33,34,35. Tillvägagångssättet är anpassningsbart till en individs funktionsnedsättningar; hos en person förbättrar nedkonditionering av soleus H-reflex rörelse genom att minska spastisk hyperreflexi14; i en annan, up-konditionering tibialis främre MEP förbättrar rörelse genom att lindra fotfall36.
Medan ansträngningar pågår för att producera en kommersiell implementering av protokollet, kommer den ursprungliga programvaran att bibehållas parallellt som ett forskningsverktyg för att ge den nödvändiga flexibiliteten för att utöka området för riktad neuroplasticitet. Denna flexibilitet möjliggörs av modulariteten och utbyggbarheten hos den utbredda och väletablerade BCI2000-programvaruplattformen, som EPOCS bygger på. Detta innebär att systemet, med minimalt ingripande av en mjukvaruingenjör, kan konfigureras om för ett ännu bredare utbud av forskningsändamål. Till exempel kan den konfigureras för att spela in ytterligare biosignalkanaler eller ytterligare sensorer för senare analys (t.ex. fotomkopplare och rörelsespårningssensorer) för konditionering under rörelse. Det kan också programmeras att överväga ytterligare utlösande kriterier för stimulering (t.ex. utlösande stimulering endast vid en viss del av gångcykeln) eller att utlösa ytterligare förstärkningsstimuli vid framgångsrika eller misslyckade försök. Exempel på anpassningsfiler tillhandahålls.
Riktad neuroplasticitet är fortfarande i sin linda. Dess ännu outforskade vägar förväntas ge stora fördelar både för att utveckla nya terapeutiska metoder (som diskuterats ovan) och för att belysa sjukdomens naturliga historia och mekanismerna för centrala nervsystemets funktion i både hälsa och sjukdom 2,32,37. Vi är därför engagerade i att upprätthålla och stödja EPOCS som ett viktigt verktyg för att förverkliga denna terapeutiska och vetenskapliga potential.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW), NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT), NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW), NYS SCIRB C33279GG & C32236GG (JRW), NIH (NICHD) P2C HD086844 (S. Kautz), Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) och 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 |