Operant kondisjonering for nevromodulasjon

Hensikten med denne studien er å undersøke nevromodulasjon som en ny tilnærming for å forbedre rehabilitering for personer som har nedsatt bevegelsesevne i øvre lemmer etter nevrologisk skade som slag eller ryggmargsskade. Nye bevis viser at dyr og mennesker kan utøve kontroll over nivået av eksitabilitet i nevrale baner som bidrar til bevegelse. Denne oppdagelsen har viktige implikasjoner, siden den representerer en ny strategi for å forbedre motorisk kontroll hos mennesker på alle ferdighetsnivåer, inkludert de med nevrologiske tilstander. Operant kondisjonering er en godt studert mekanisme for læring, der endringen av en atferd kan forårsakes av konsekvensen av atferden. Atferd som belønnes med positiv forsterkning vises oftere. De siste årene har operant kondisjonering blitt brukt på spinalrefleksresponser hos mus, rotter, aper og mennesker. Bevis tyder på at det er mulig å øke eller redusere en nevrale krets eksitabilitet ved å elektrisk stimulere en nerve eller et område av hjernen, for deretter å registrere muskelresponsen og belønne responser som er innenfor et ønskelig område. Dette kan endre nivået av hvilende muskeltonus, samt muskelens bidrag til tilsiktede bevegelser og dens beredskap til å reagere på uventede forstyrrelser. Til dags dato har bare én forskningsgruppe brukt operant kondisjonering for å forbedre motorisk ytelse hos mennesker. Arbeidet deres har fokusert på å modifisere ryggmargsreflekser for en muskel i underekstremitetene og effekten på gange. I det foreslåtte prosjektet vil vi utvide bruken av operant kondisjonering til muskler i overekstremiteten og til personer med bevegelseshemning etter slag og ryggmargsskade, og til en annen nevrale vei i tillegg til ryggmargsrefleksen.

Denne studien vil inkludere prosedyrer som er nødvendige for å måle nervesystemets eksitabilitet på nivå med ryggmargen og på nivå med hjernen. Spinal refleks eksitabilitet vil kvantifiseres ved å elektrisk stimulere en perifer nerve og registrere muskelresponsen (dvs. H-refleksen) med elektromyografi. Eksitabiliteten til den motoriske banen fra hjerne til muskel (kortikospinalkanalen) vil kvantifiseres ved å stimulere et spesifikt område av hjernen (den motoriske cortex) med transkraniell magnetisk stimulering, og registrere muskelresponsen (dvs. Motoren fremkalte potensial) med elektromyografi. I tillegg vil bevegelseshemning i øvre lemmer bli vurdert ved å måle muskeltonus, følelse, evne til å generere kraft og ytelse på en datamaskinbasert håndleddsmotorkontrolloppgave. Hos personer som har nevrologiske tilstander, vil funksjonen i øvre lemmer bli vurdert ved bruk av standardiserte tester, inkludert Fugl-Meyer en vurdering av øvre ekstremitet, Action Research Arm Test og Box and Blocks Test. Denne studien vil teste effektiviteten av operant kondisjonering som en intervensjon for å modifisere neural eksitabilitet. Etter baseline-testing vil forsøkspersonene delta i opptil 12 økter med falsk intervensjon etterfulgt av opptil 24 økter med ekte operant kondisjoneringsintervensjon. Hver økt vil inkludere 225 forsøk (3 sett med 75), som varer i omtrent 30 minutter. For hvert forsøk under reell intervensjon vil en stimulus bli levert mens forsøkspersonen opprettholder et lavt nivå av muskelkontraksjon, muskelens respons på stimulering vil bli registrert, og umiddelbar tilbakemelding vil vises på en dataskjerm, som viser forsøkspersonen om muskelresponsen var innenfor ønsket område eller ikke. For eksempel vil en grønn strek vises hvis muskelresponsen var 'god', ellers vises en rød stolpe. Emnets "prosent suksess" vil også vises og oppdateres etter hver prøveperiode. Under falsk intervensjon vil alle prosedyrer være identiske bortsett fra at ingen tilbakemelding vil bli gitt til forsøkspersonen, og det vil ikke være noen instruksjoner for å enten øke eller redusere muskelresponsen.

Hos friske mennesker vil vi ta sikte på å forskyve spinal refleks eksitabilitet (H-reflekser) til en muskel i øvre ekstremitet enten oppover eller nedover, og utvide på tidligere funn som viser disse effektene i en muskel i underekstremiteten, uten effekt på normal bevegelsesevne (Thompson et al. al., 2009, Makihara et al., 2014). Også hos friske mennesker vil vi ta sikte på å skifte eksitabilitet av banen fra hjerne til muskel enten oppover eller nedover, ved å bruke operant kondisjonering av motorisk fremkalte potensialer. Bare én tidligere studie (Majid et al., 2015) har vist en nedadgående forskyvning, og de første studiene som undersøker evnen til å øke motoriske fremkalte potensialer er i gang. Personer med nevrologiske tilstander har ofte unormalt økt spinal refleks eksitabilitet som påvirker visse muskler, noe som resulterer i økt tonus, stivhet og vanskeligheter med å bevege seg. Derfor vil vi ta sikte på å redusere spinal refleks eksitabilitet i overaktive muskler, ved å fremkalle H-reflekser og belønne responser som er under en terskel. I tillegg har personer med nevrologiske tilstander ofte forstyrrede forbindelser fra hjerne til muskel, noe som resulterer i svakhet (redusert evne til å generere kraft). Derfor vil vi ta sikte på å øke eksitabiliteten til veien fra hjerne til muskel, ved å fremkalle motoriske fremkalte potensialer og belønnende responser som er over en terskel.