Operant konditionering til neuromodulation

Formålet med denne undersøgelse er at undersøge neuromodulation som en ny tilgang til at forbedre rehabilitering for mennesker, der har nedsat bevægelighed i øvre lemmer efter neurologisk skade som slagtilfælde eller rygmarvsskade. Nye beviser viser, at dyr og mennesker kan udøve kontrol over niveauet af excitabilitet i nervebaner, der bidrager til bevægelse. Denne opdagelse har vigtige implikationer, da den repræsenterer en ny strategi til at forbedre motorisk kontrol hos mennesker på alle niveauer, inklusive dem med neurologiske tilstande. Operant konditionering er en velundersøgt mekanisme for læring, hvor ændringen af ​​en adfærd kan frembringes af konsekvensen af ​​adfærden. Adfærd, der belønnes med positiv forstærkning, vises oftere. I de senere år er operant konditionering blevet anvendt på spinale refleksresponser hos mus, rotter, aber og mennesker. Beviser tyder på, at det er muligt at øge eller mindske et neuralt kredsløbs excitabilitet ved elektrisk at stimulere en nerve eller et område af hjernen og derefter registrere muskelreaktionen og belønne reaktioner, der er inden for et ønskeligt område. Dette kan ændre niveauet af hvilende muskeltonus, såvel som musklens bidrag til bevidste bevægelser og dens parathed til at reagere på uventede forstyrrelser. Til dato har kun én forskergruppe anvendt operant konditionering for at forbedre motorisk ydeevne hos mennesker. Deres arbejde har fokuseret på at modificere spinale reflekser for en muskel i underekstremiteterne og virkningerne på gang. I det foreslåede projekt vil vi udvide brugen af ​​operant konditionering til muskler i overekstremiteterne og til personer med bevægelseshæmning efter slagtilfælde og rygmarvsskade, og til en anden neural vej udover spinalrefleksen.

Denne undersøgelse vil omfatte procedurer, der er nødvendige for at måle nervesystemets excitabilitet på rygmarvsniveau og på hjerneniveau. Spinal refleks excitabilitet vil blive kvantificeret ved elektrisk stimulering af en perifer nerve og registrering af muskelresponsen (dvs. H-refleksen) med elektromyografi. Excitabiliteten af ​​den motoriske vej fra hjerne til muskel (corticospinalkanalen) vil blive kvantificeret ved at stimulere et specifikt område af hjernen (den motoriske cortex) med transkraniel magnetisk stimulation og registrere muskelresponsen (dvs. Motoren fremkaldte potentiale) med elektromyografi. Derudover vil bevægelseshæmning i øvre lemmer blive vurderet ved at måle muskeltonus, sansning, evne til at generere kraft og ydeevne på en computerbaseret håndledsmotorkontrolopgave. Hos forsøgspersoner, der har neurologiske tilstande, vil overekstremitetsfunktionen blive vurderet ved hjælp af standardiserede tests, herunder Fugl-Meyer en vurdering af den øvre ekstremitet, Action Research Arm Test og Box and Blocks Test. Denne undersøgelse vil teste effektiviteten af ​​operant konditionering som en intervention til at modificere neural excitabilitet. Efter baseline-testning vil forsøgspersonerne deltage i op til 12 sessioner med falsk intervention efterfulgt af op til 24 sessioner med ægte operant konditionsintervention. Hver session vil omfatte 225 forsøg (3 sæt af 75), der varer omkring 30 minutter. For hvert forsøg under reel intervention vil der blive afgivet en stimulus, mens forsøgspersonen opretholder en muskelkontraktion på lavt niveau, musklens respons på stimulation vil blive registreret, og øjeblikkelig feedback vil blive vist på en computerskærm, der viser forsøgspersonen, om deres muskelrespons var inden for det ønskede område eller ej. For eksempel vil en grøn bjælke komme frem, hvis muskelresponsen var 'god', ellers vil en rød bjælke komme frem. Emnets 'procentvise succes' vil også blive vist og opdateret efter hvert forsøg. Under sham-intervention vil alle procedurer være identiske, bortset fra at der ikke gives feedback til forsøgspersonen, og der vil ikke være nogen instruktioner om at øge eller mindske deres muskelrespons.

Hos raske mennesker vil vi tilstræbe at ændre spinal refleks excitabilitet (H-reflekser) af en øvre ekstremitetsmuskel enten opad eller nedad, hvilket udvider tidligere resultater, der viser disse virkninger i en muskel i underekstremiteterne, uden effekt på normal bevægelsesevne (Thompson et al. al., 2009, Makihara et al., 2014). Også hos raske mennesker vil vi tilstræbe at flytte excitabiliteten af ​​vejen fra hjerne til muskel enten opad eller nedad ved at bruge operant konditionering af motorisk fremkaldte potentialer. Kun én tidligere undersøgelse (Majid et al., 2015) har vist et nedadgående skift, og de første undersøgelser, der undersøger evnen til at øge motorisk fremkaldte potentialer, er i gang. Mennesker med neurologiske tilstande har ofte unormalt øget spinal refleks excitabilitet, der påvirker visse muskler, hvilket resulterer i øget tonus, stivhed og bevægelsesbesvær. Derfor vil vi tilstræbe at reducere spinal refleks excitabilitet i overaktive muskler, ved at fremkalde H-reflekser og belønnende reaktioner, der er under en tærskel. Derudover har mennesker med neurologiske tilstande ofte forstyrrede forbindelser fra hjerne til muskel, hvilket resulterer i svaghed (formindsket evne til at generere kraft). Derfor vil vi sigte mod at øge excitabiliteten af ​​vejen fra hjerne til muskel ved at fremkalde motoriske fremkaldte potentialer og belønne responser, der er over en tærskel.