Richtingsmodulatie van spiersynergie na een beroerte

Inleiding: De functie van de bovenste extremiteit na een beroerte is aangetast en wordt gekenmerkt door een abnormaal, stereotiep en ongecoördineerd bewegingspatroon. Verminderde neurale aandrijving in het beschadigde corticospinale systeem, waardoor de agonisten minder gaan vuren, spasticiteit, verminderde motorische coördinatie. Een beter begrip van de manier waarop onze hersenen bewegingen van ledematen controleren en reguleren, via het ruggenmerg, kan meer geavanceerde revalidatietechnieken verbeteren.

Het huidige concept in motorische controle suggereert dat de hersenschors de activering van een afzonderlijk aantal functionele eenheden binnen de hersenstam en het ruggenmerg moduleert en synchroniseert. Deze neurale functionele eenheden, d.w.z. spiersynergieën, vergemakkelijken, indien lineair gecombineerd, de productie van diverse ledemaatbewegingen. Dit controlemechanisme kan in grote mate de manier verklaren waarop het CZS de dimensionaliteit van het enorme aantal vrijheidsgraden dat in het CZS is ingebed, reduceert tot een afzonderlijk aantal spiersynergieën. Daarom vereist de uitvoering van een beweging alleen het lineair combineren van deze synergieën en reguleert het de activeringsintensiteit langs het tijdsdomein.

Het bestaan ​​van een dergelijk controlemechanisme trok de aandacht van zowel clinici als wetenschappers om de eigenschappen ervan te gebruiken om motorisch herstel na een beroerte te verbeteren. Daarom zijn er onderzoeken ontstaan ​​om te onderzoeken hoe corticale schade de synchronisatie van synergieën beïnvloedt, en ook of het de interne structuur van de synergieën verandert. Ondanks talrijke studies op dit gebied, is er geen consensus over de invloed van een beroerte op dit controlemechanisme en de mate van correlatie tussen de mate van stoornis en de synergiestructuur. De doelstellingen van het onderzoek zijn het vergelijken van de synergiestructuur en de MAP in handreikende bewegingen in meerdere richtingen tussen personen na een beroerte en gezonde personen, en om een ​​verband te leggen tussen deze eigenschappen en de motorische stoornissen bij personen na een beroerte.

methoden:

Deelnemers: Twaalf gezonde vrijwilligers (controlegroep) en 20 personen na een beroerte (studiegroep) zullen deelnemen aan het onderzoek. Inclusiecriteria voor de onderzoeksgroep zijn personen boven de 20 jaar die een unilaterale herseninfarct hebben doorgemaakt, met hemiparese. Uitsluitingscriteria voor het onderzoek zijn sensorische afasie, unilaterale verwaarlozing en aanwezigheid van andere neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson of de ziekte van Alzheimer.

Uitrusting: Het Hand-reaching Spatial Device (HRSD) is een aanpasbare, eenvoudige tool die standaardisatie van handaanwijsbewegingen voor 9 verschillende richtingen tussen verschillende deelnemers mogelijk maakt. Het is samengesteld uit twee verticale staven waaraan drie halfronde planken zijn bevestigd. Elke plank bevat drie beweegbare aanwijspennen die naar links en rechts kunnen worden versteld om de variabele armlengte van elke deelnemer aan te passen. De onderste plank bevond zich 10 cm boven de tafel, de middelste bevond zich 35 cm boven de tafel en de hoogste 55 cm boven de tafel. Voor elke deelnemer bevond de HRSD zich op de maximale handbereikafstand vóór de geteste schouder. De zijpennen bevonden zich aan beide zijden in een hoek van 45 graden ten opzichte van het schoudergewricht. De opstelling van de doelen op de HRSD is ontworpen om de meeste handreikende bewegingen te dekken.

Oppervlakte-EMG's werden geregistreerd (Trigno 8, Delsys, Boston, MA) van 8 spieren van de schoudergordel en arm: trapezius (TRS); deltaspier anterieure (AD), mediale (MD) en posterieure vezels (PD); en grote borstspier (PECT); infraspinatus (IS); biceps (BI); triceps (TRI). Elektroden werden geplaatst in overeenstemming met de richtlijnen van het Surface Electromyography for the Non-Invasive Assessment of Muscles-European Community Project (SENIAM) [34]. Maximale vrijwillige contracties (MVC's) werden uitgevoerd voorafgaand aan het verzamelen van gegevens om de juiste plaatsing van de elektroden te verifiëren en voor normalisatie. Rustperioden van een minuut volgden op elke MVC om de mogelijkheid van vermoeidheid te beperken. EMG-signalen werden door een band gefilterd (20-450 Hz) en bemonsterd bij 2000 Hz.

Protocol: De MVC werd gemeten door middel van standaard spiertesten [35]. Vervolgens ging de deelnemer voor een tafel zitten met zijn onderarm in een comfortabele houding. De HRSD bevond zich zoals hierboven vermeld. Deelnemers werd gevraagd om 5 keer naar elk doel te wijzen volgens de gesproken aanwijzingen die elke 10 seconden door de EMG-software werden geactiveerd, gedurende 45 aanwijsbewegingen. De volgorde van het richten van doelen was constant voor alle deelnemers.

Gegevensanalyse EMG-voorverwerking Gegevensanalyse werd uitgevoerd met behulp van Matlab (The MathWorks, Inc.). EMG's werden vernederd, gevolgd door RMS-berekening met behulp van een overlappend venster van 50 monsters (25 milliseconden rond elk tijdstip). Gemiddelde basislijn-EMG's voor elke proef werden afgetrokken van de gemiddelde gegevens voor de volgorde van reikbewegingen. Vandaar dat de EMG-gegevens voor elke proef, een vector waarvan de dimensie 8 was (het aantal geregistreerde spieren), overeenkwam met het genereren van actieve kracht buiten enige resterende basislijnspieractiviteit. De EMG-gegevens werden genormaliseerd in overeenstemming met de maximale isometrische contractie (MVC) voor elke spier.

Het NMF-algoritme dat oorspronkelijk werd gebruikt door Lee en Seung (1999 en 2001), werd toegepast om spiersynergieën en hun activeringsgewichten te identificeren. Een EMG-patroon geregistreerd in handreikende bewegingen werd gemodelleerd als een lineaire combinatie van een reeks N-spiersynergieën, die elk het relatieve niveau van activering over 8 spieren specificeerden, en geactiveerd door een in de tijd variërende activeringscoëfficiënt:

V^(M×T)≈W^(M×N)∙H^(N×T) (4) Waarbij V de EMG-datasetmatrix is ​​met M als het aantal spieren (8 spieren), T als het aantal van tijdmonsters is W de synergiematrix en H de coëfficiëntenmatrix. W is m×n is een matrix met n synergieën, m is het aantal spieren en H is de n×t matrix van synergie-activeringscoëfficiënten. Elke kolom van W vertegenwoordigt dus de gewichten van elke spier voor een enkele synergie, en elke rij van H geeft aan hoeveel de overeenkomstige synergie werd geactiveerd of gebruikt om kracht te genereren. In dit model is het mogelijk dat elke spier tot meer dan één synergie behoort en dus kan het EMG van een enkele spier worden toegeschreven aan gelijktijdige of sequentiële activaties van verschillende spiersynergieën.

Om het optimale aantal synergieën voor de hele groep te bepalen, werden de EMG-gegevens van alle doelen voor elke deelnemer aaneengeschakeld. Vervolgens werden de EMG's van het hele monster aaneengeschakeld voordat de NMF werd toegepast. Het optimale aantal synergieën (d) werd gedefinieerd als het aantal synergieën dat de hoogste van de totale variantie van de gegevens vastlegde, wat suggereert dat aanvullende synergieën slechts kleine resterende hoeveelheden variatie vastlegden die toe te schrijven zijn aan ruis. Met deze procedure konden we het optimale aantal synergieën voor het hele monster schatten om elke reikbeweging in de ruimte uit te voeren, ongeacht de richting van de beweging.

Het NMF-algoritme vereiste dat het aantal geëxtraheerde synergieën werd gespecificeerd voordat het algoritme werd toegepast. Daarom werd voor elke dataset de VAF berekend terwijl het aantal synergieën werd gewijzigd van 1 in 7. De VAF werd berekend met behulp van de vergelijking:

VAF(H)=100%×(1-(|(|V-WH|)|_2^2)/(|(|V|)|_2^2 )) (6) Waarbij V de oorspronkelijke matrix is, en W en H zijn de afgeleide, ontbonden matrices.

Generalisatie van bewegingsrichtingen

Het doel in dit stadium van de analyse was om vast te stellen of er een reeks discrete aantal synergieën bestaat die elke reikbeweging in de ruimte beheersen. Daarom werd onderzocht hoe beweging in bepaalde richtingen bewegingen in andere richtingen kon verklaren. De EMG-gegevens voor elke bewegingsrichting werden afzonderlijk samengevoegd over de 8 spieren en samengevoegd voor het hele monster. Op die manier zou de afgeleide reeks synergieën rekening moeten houden met de variantie tussen verschillende onderwerpen, maar ook specifiek voor die richting alleen. De NMF werd voor elke bewegingsrichting afzonderlijk toegepast volgens de formule:

V_i≈W_i∙H_i (7) waarbij i het doelnummer is, dat overeenkomt met een specifieke bewegingsrichting in de ruimte. In deze analysefase werd V_i (de EMG-matrix) gegeven als invoer voor elk doel, i∈[1,9], en werden de matrices W_i,H_i iteratief bijgewerkt. De studieprocedure omvatte het bereiken van 9 verschillende doelrichtingen in de ruimte, waardoor we verder konden onderzoeken of er een enkele reeks synergieën was die bewegingen in andere richtingen zou kunnen verklaren.

Dit werd gedaan door een kruisvalidatietechniek te gebruiken tussen de V_i-matrices en de W_j-matrices door een aangepaste versie van het NMF-algoritme toe te passen, gevolgd door overeenkomstige VAF-berekening waarbij het aantal synergieën (d) werd gewijzigd van slechts 3 naar 5, en niet van 1 t/m 7 op basis van de resultaten van het NMF voor alle deelnemers en voor alle doelen, zoals beschreven in de resultatensectie. In de gewijzigde versie van het algoritme werden zowel V_i als W_j (de synergiematrix) als input gegeven. Alleen de H_(i,j)-coëfficiëntenmatrix van doel i werd bijgewerkt en uitgevoerd.

Het kruisvalidatieproces van de gemodificeerde NMF werd uitgevoerd voor elke combinatie van een datamatrix V_i (van doel i) en een synergiematrix W_j (van doel j), resulterend in 9×9 matrices H_ji. Voor elke i,j∈[1,9] ontbinden we V_i zodat W_j H_ji≈V_i.

De referentieset van spiersynergieën werd gekozen door de VAF te berekenen voor elk van de 9×9 factorisaties:

VAF(H_ij )=100%×(1-(|(|V_i-W_j H_ij |)|_2^2)/(|(|V_i |)|_2^2 )) (8) ervan uitgaande dat consistent hoge waarden van VAF (H_ij) voor een specifieke V_i kan erop duiden dat de synergieën die worden verkregen uit bewegingen in deze richting, bewegingen in andere richtingen nauwkeurig kunnen verklaren.

Zo werd voor elk vooraf bepaald aantal synergieën (d) een 9×9-matrix ontvangen waarin elke cel de verantwoording van een bepaalde synergie (rij) aan een gespecificeerde richting (kolom) vertegenwoordigde. Elke rij in de resulterende matrix vertegenwoordigde de algehele "prestatie" van de juiste reeks synergieën, en dus werd de rij met de hoogste gemiddelde VAF gekozen voor de volgende analysefase.

Richtingmodulatie van spiersynergieën Nadat de reeks synergieën (W_j ) was gekozen, waarbij de activeringscoëfficiënten voor elk doel waren ingesteld (H_ij,when i∈[9,1]), werd bepaald welke synergieën dominant zijn voor elk van de richtingen. Voor elk aantal synergieën werd de gemiddelde activeringscoëfficiënt van elke synergie voor elke richting berekend. Het instellen van het aantal synergieën op bijvoorbeeld 4 resulteerde in 9 vectoren (één voor elke bewegingsrichting) van 4 waarden, die de 4 synergieën vertegenwoordigen. Vervolgens werd de gemiddelde amplitude van elk van de synergieën over de bewegingsrichting en tussen bewegingen in verschillende richtingen over synergieën gemeten.