Operant Conditioning for Neuromodulation

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia neuromodulaatiota uutena lähestymistapana kuntoutuksen tehostamiseen ihmisille, joilla on yläraajojen liikevamma neurologisen vamman, kuten aivohalvauksen tai selkäydinvamman, jälkeen. Uudet todisteet osoittavat, että eläimet ja ihmiset voivat hallita liikettä edistävien hermopolkujen kiihtyvyystasoa. Tällä löydöllä on merkittäviä seurauksia, koska se edustaa uutta strategiaa parantaa moottorin hallintaa kaikentasoisilla ihmisillä, mukaan lukien neurologiset sairaudet. Operantti ehdollistaminen on hyvin tutkittu oppimismekanismi, jossa käyttäytymisen muutos voi saada aikaan käyttäytymisen seurauksia. Positiivisella vahvistuksella palkitut käytökset näkyvät useammin. Viime vuosina operanttia ehdollistamista on sovellettu selkäydinrefleksivasteisiin hiirillä, rotilla, apinoilla ja ihmisillä. Todisteet viittaavat siihen, että on mahdollista lisätä tai vähentää hermopiirin kiihtyneisyyttä stimuloimalla sähköisesti hermoa tai aivojen aluetta ja kirjaamalla sitten lihasvaste ja palkitseva vaste, jotka ovat toivotulla alueella. Tämä voi muuttaa lepolihasten sävyä sekä lihaksen panosta tahallisiin liikkeisiin ja valmiutta reagoida odottamattomiin häiriöihin. Tähän mennessä vain yksi tutkimusryhmä on soveltanut operanttia ilmastointia parantamaan ihmisten motorista suorituskykyä. Heidän työnsä on keskittynyt alaraajan lihasten selkäydinrefleksien muokkaamiseen ja vaikutuksiin kävelyyn. Laajennamme ehdotetussa hankkeessa operanttiehkäisyn käyttöä yläraajojen lihaksiin ja aivohalvauksen ja selkäydinvamman jälkeiseen liikuntavammaiseen sekä toiseen hermopolkuun selkäydinrefleksin lisäksi.

Tämä tutkimus sisältää toimenpiteitä, jotka ovat tarpeen hermoston kiihottumisen mittaamiseksi selkäytimen ja aivojen tasolla. Selkärangan refleksin kiihtyvyys kvantifioidaan stimuloimalla sähköisesti ääreishermoa ja tallentamalla lihasvaste (eli H-refleksi) elektromyografialla. Aivoista lihakseen (kortikospinaalitie) kulkevan motorisen reitin kiihtyvyys kvantifioidaan stimuloimalla tiettyä aivojen aluetta (motorista aivokuorta) transkraniaalisella magneettistimulaatiolla ja tallentamalla lihasvaste (esim. Moottorin herätetty potentiaali) elektromyografialla. Lisäksi yläraajojen liikkeen heikkenemistä arvioidaan mittaamalla lihasten sävyä, tunnetta, kykyä tuottaa voimaa ja suorituskykyä tietokonepohjaisessa rannemotoriikassa. Koehenkilöillä, joilla on neurologisia sairauksia, yläraajojen toiminta arvioidaan käyttämällä standardoituja testejä, mukaan lukien Fugl-Meyerin yläraajojen arviointi, toimintatutkimusvarsitesti sekä Box and Blocks -testi. Tässä tutkimuksessa testataan operanttien ehdollistamisen tehokkuutta interventiossa hermoston kiihottumisen muokkaamiseen. Perustestauksen jälkeen koehenkilöt osallistuvat jopa 12 valeinterventioon, jota seuraa jopa 24 todellista operanttia ehdollistavaa interventiokertaa. Jokainen istunto sisältää 225 koetta (3 sarjaa 75 kappaletta), jotka kestävät noin 30 minuuttia. Jokaisessa kokeessa todellisen interventiovaiheen aikana annetaan ärsyke, kun koehenkilö ylläpitää alhaista lihassupistusta, lihaksen vaste stimulaatioon tallennetaan ja välitön palaute näytetään tietokoneen näytöllä, joka näyttää, onko hänen lihasreaktionsa ollut halutulla alueella tai ei. Esimerkiksi vihreä palkki tulee näkyviin, jos lihaksen vaste oli "hyvä", muuten punainen palkki tulee näkyviin. Myös koehenkilön onnistumisprosentti näytetään ja päivitetään jokaisen kokeilun jälkeen. Valeintervention aikana kaikki toimenpiteet ovat identtisiä paitsi, että palautetta ei anneta koehenkilölle, eikä anneta ohjeita lihasten vasteen lisäämiseksi tai vähentämiseksi.

Terveillä ihmisillä pyrimme siirtämään yläraajojen lihaksen selkäydinrefleksien kiihtyneisyyttä (H-refleksit) joko ylös- tai alaspäin laajentaen aiempia löydöksiä, jotka osoittavat nämä vaikutukset alaraajan lihaksessa, ilman vaikutusta normaaliin liikekykyyn (Thompson et). al., 2009, Makihara et ai., 2014). Myös terveillä ihmisillä pyritään siirtämään aivoista lihaksiin kulkevan reitin kiihtyvyys joko ylöspäin tai alaspäin käyttämällä motoristen herätepotentiaalien operanttia ehdollistamista. Vain yksi aikaisempi tutkimus (Majid et al., 2015) on osoittanut siirtymisen alaspäin, ja ensimmäiset tutkimukset, jotka tutkivat kykyä lisätä motorisia herätepotentiaalia, ovat parhaillaan käynnissä. Ihmisillä, joilla on neurologisia sairauksia, on usein epätavallisesti lisääntynyt selkärangan refleksiherkkyys, joka vaikuttaa tiettyihin lihaksiin, mikä johtaa lisääntyneeseen sävyyn, jäykkyyteen ja liikkumisvaikeuksiin. Siksi pyrimme vähentämään selkärangan refleksien kiihtyneisyyttä yliaktiivisissa lihaksissa herättämällä H-refleksejä ja palkitsevia vasteita, jotka jäävät kynnyksen alapuolelle. Lisäksi neurologisista sairauksista kärsivillä ihmisillä on usein häiriöitä yhteyksissä aivoista lihaksiin, mikä johtaa heikkouteen (heikentynyt kyky tuottaa voimaa). Siksi pyrimme lisäämään aivoista lihakseen kulkevan reitin kiihtyneisyyttä herättämällä motorisia herättäviä potentiaalia ja palkitsemalla kynnyksen ylittäviä vasteita.