Operante Konditionierung für Neuromodulation

Der Zweck dieser Studie ist es, die Neuromodulation als neuen Ansatz zur Verbesserung der Rehabilitation von Menschen mit Bewegungseinschränkungen der oberen Extremitäten nach neurologischen Verletzungen wie Schlaganfall oder Rückenmarksverletzung zu untersuchen. Neuere Beweise zeigen, dass Tiere und Menschen den Grad der Erregbarkeit in Nervenbahnen, die zur Bewegung beitragen, kontrollieren können. Diese Entdeckung hat wichtige Auswirkungen, da sie eine neue Strategie zur Verbesserung der motorischen Kontrolle bei Menschen aller Fähigkeitsstufen darstellt, einschließlich derer mit neurologischen Erkrankungen. Die operante Konditionierung ist ein gut untersuchter Lernmechanismus, bei dem die Änderung eines Verhaltens durch die Konsequenz des Verhaltens herbeigeführt werden kann. Verhaltensweisen, die mit positiver Verstärkung belohnt werden, werden häufiger gezeigt. In den letzten Jahren wurde die operante Konditionierung auf spinale Reflexantworten bei Mäusen, Ratten, Affen und Menschen angewendet. Es gibt Hinweise darauf, dass es möglich ist, die Erregbarkeit eines neuronalen Schaltkreises zu erhöhen oder zu verringern, indem ein Nerv oder ein Bereich des Gehirns elektrisch stimuliert wird, dann die Muskelreaktion aufgezeichnet und Reaktionen belohnt werden, die innerhalb eines wünschenswerten Bereichs liegen. Dies kann das Niveau des Muskeltonus im Ruhezustand sowie den Beitrag des Muskels zu absichtlichen Bewegungen und seine Bereitschaft, auf unerwartete Störungen zu reagieren, verändern. Bisher hat nur eine Forschungsgruppe operante Konditionierung angewendet, um die motorische Leistungsfähigkeit von Menschen zu verbessern. Ihre Arbeit konzentrierte sich auf die Veränderung der spinalen Reflexe für einen Muskel der unteren Gliedmaßen und die Auswirkungen auf das Gehen. In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir die Anwendung der operanten Konditionierung auf die Muskeln der oberen Extremität und auf Menschen mit Bewegungseinschränkungen nach Schlaganfall und Rückenmarksverletzungen sowie auf einen anderen neuronalen Weg zusätzlich zum Spinalreflex ausdehnen.

Diese Studie wird Verfahren beinhalten, die notwendig sind, um die Erregbarkeit des Nervensystems auf der Ebene des Rückenmarks und auf der Ebene des Gehirns zu messen. Die spinale Reflexerregbarkeit wird quantifiziert, indem ein peripherer Nerv elektrisch stimuliert und die Muskelreaktion (dh der H-Reflex) mit Elektromyographie aufgezeichnet wird. Die Erregbarkeit der motorischen Bahn vom Gehirn zum Muskel (der kortikospinale Trakt) wird quantifiziert, indem ein bestimmter Bereich des Gehirns (der motorische Kortex) mit transkranieller Magnetstimulation stimuliert und die Muskelreaktion (d. h. Das motorisch evozierte Potential) mit Elektromyographie. Darüber hinaus wird die Beeinträchtigung der Bewegung der oberen Extremitäten durch Messung des Muskeltonus, der Empfindung, der Fähigkeit zur Krafterzeugung und der Leistung bei einer computergestützten Aufgabe zur motorischen Steuerung des Handgelenks bewertet. Bei Patienten mit neurologischen Erkrankungen wird die Funktion der oberen Extremitäten anhand standardisierter Tests bewertet, darunter der Fugl-Meyer-Test zur Bewertung der oberen Extremität, der Action Research Arm Test und der Box and Blocks Test. Diese Studie wird die Wirksamkeit der operanten Konditionierung als Intervention zur Modifizierung der neuronalen Erregbarkeit testen. Nach dem Basistest nehmen die Probanden an bis zu 12 Sitzungen Scheinintervention teil, gefolgt von bis zu 24 Sitzungen echter operanter Konditionierungsintervention. Jede Sitzung umfasst 225 Versuche (3 Sätze a 75), die etwa 30 Minuten dauern. Für jeden Versuch während einer realen Intervention wird ein Stimulus abgegeben, während die Testperson eine Muskelkontraktion auf niedrigem Niveau beibehält, die Reaktion des Muskels auf die Stimulation wird aufgezeichnet und eine sofortige Rückmeldung wird auf einem Computerbildschirm angezeigt, die der Testperson zeigt, ob ihre Muskelreaktion war im gewünschten Bereich oder nicht. Beispielsweise erscheint ein grüner Balken, wenn die Muskelreaktion „gut“ war, andernfalls erscheint ein roter Balken. Der „prozentuale Erfolg“ des Probanden wird ebenfalls angezeigt und nach jedem Versuch aktualisiert. Während der Scheinintervention sind alle Verfahren identisch, außer dass dem Probanden kein Feedback gegeben wird und es keine Anweisungen gibt, seine Muskelreaktionen zu verstärken oder zu verringern.

Bei gesunden Menschen zielen wir darauf ab, die spinale Reflexerregbarkeit (H-Reflexe) eines Muskels der oberen Extremität entweder nach oben oder nach unten zu verschieben, wobei wir frühere Befunde erweitern, die diese Effekte in einem Muskel der unteren Extremität zeigen, ohne Auswirkungen auf die normale Bewegungsfähigkeit (Thompson et al., 2009, Makihara et al., 2014). Auch bei gesunden Menschen werden wir darauf abzielen, die Erregbarkeit der Bahn vom Gehirn zum Muskel entweder nach oben oder nach unten zu verschieben, indem wir die operante Konditionierung von motorisch evozierten Potentialen verwenden. Nur eine frühere Studie (Majid et al., 2015) hat eine Verschiebung nach unten gezeigt, und die ersten Studien, die die Fähigkeit untersuchen, motorisch evozierte Potenziale zu erhöhen, sind derzeit im Gange. Menschen mit neurologischen Erkrankungen haben oft eine abnormal erhöhte spinale Reflexerregbarkeit, die bestimmte Muskeln betrifft, was zu einem erhöhten Tonus, Steifheit und Bewegungsschwierigkeiten führt. Daher werden wir darauf abzielen, die spinale Reflexerregbarkeit in überaktiven Muskeln zu reduzieren, indem wir H-Reflexe hervorrufen und Reaktionen belohnen, die unter einer Schwelle liegen. Darüber hinaus haben Menschen mit neurologischen Erkrankungen oft gestörte Verbindungen vom Gehirn zum Muskel, was zu Schwäche führt (verringerte Fähigkeit, Kraft zu erzeugen). Daher werden wir darauf abzielen, die Erregbarkeit des Signalwegs vom Gehirn zum Muskel zu erhöhen, indem wir motorisch evozierte Potenziale hervorrufen und Reaktionen belohnen, die über einer Schwelle liegen.