Оперантное кондиционирование для нейромодуляции

Целью данного исследования является изучение нейромодуляции как нового подхода к улучшению реабилитации людей с нарушениями движений верхних конечностей после неврологических травм, таких как инсульт или травма спинного мозга. Новые данные показывают, что животные и люди могут контролировать уровень возбудимости нервных путей, которые способствуют движению. Это открытие имеет важные последствия, поскольку оно представляет собой новую стратегию улучшения двигательного контроля у людей всех уровней способностей, включая людей с неврологическими заболеваниями. Оперантное обусловливание — это хорошо изученный механизм научения, при котором модификация поведения может быть вызвана следствием поведения. Поведение, которое вознаграждается положительным подкреплением, проявляется чаще. В последние годы оперантное обусловливание было применено к спинальным рефлекторным реакциям у мышей, крыс, обезьян и людей. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что можно увеличить или уменьшить возбудимость нервной цепи путем электрической стимуляции нерва или области мозга с последующей записью мышечного ответа и вознаграждением ответов, которые находятся в желаемом диапазоне. Это может изменить уровень мышечного тонуса в покое, а также вклад мышц в преднамеренные движения и их готовность реагировать на неожиданные возмущения. На сегодняшний день только одна исследовательская группа применила оперантное обусловливание для улучшения двигательной активности людей. Их работа была сосредоточена на изменении спинальных рефлексов мышц нижних конечностей и влиянии на ходьбу. В предлагаемом проекте мы расширим использование оперантного обусловливания на мышцы верхней конечности и людей с двигательными нарушениями после инсульта и повреждения спинного мозга, а также на другой нервный путь в дополнение к спинальному рефлексу.

Это исследование будет включать процедуры, необходимые для измерения возбудимости нервной системы на уровне спинного мозга и на уровне головного мозга. Возбудимость спинального рефлекса будет количественно оцениваться путем электрической стимуляции периферического нерва и регистрации мышечного ответа (т.е. Н-рефлекса) с помощью электромиографии. Возбудимость двигательного пути от мозга к мышце (корково-спинномозговой тракт) будет количественно оцениваться путем стимуляции определенной области мозга (моторной коры) с помощью транскраниальной магнитной стимуляции и записи мышечного ответа (т. Двигательный вызванный потенциал) с электромиографией. Кроме того, нарушение движений верхних конечностей будет оцениваться путем измерения мышечного тонуса, чувствительности, способности генерировать силу и выполнения компьютерной задачи по контролю моторики запястья. У субъектов с неврологическими заболеваниями функция верхних конечностей будет оцениваться с использованием стандартизированных тестов, включая оценку верхней конечности по методу Фугля-Мейера, тест руки исследования действий и тест ящика и блоков. В этом исследовании будет проверена эффективность оперантного обусловливания как вмешательства, направленного на изменение нервной возбудимости. После базового тестирования испытуемые будут участвовать в 12 сеансах фиктивного вмешательства, за которыми следуют до 24 сеансов реального вмешательства в оперантное обусловливание. Каждая сессия будет включать 225 попыток (3 подхода по 75) продолжительностью около 30 минут. Для каждого испытания во время реального вмешательства будет подаваться стимул, в то время как субъект поддерживает низкий уровень мышечного сокращения, реакция мышцы на стимуляцию будет записываться, а на экране компьютера будет отображаться немедленная обратная связь, показывающая субъекту, была ли его мышечная реакция в желаемом диапазоне или нет. Например, зеленая полоса появится, если мышечная реакция была «хорошей», в противном случае появится красная полоса. «Процент успеха» субъекта также будет отображаться и обновляться после каждого испытания. Во время фиктивного вмешательства все процедуры будут идентичными, за исключением того, что субъекту не будет предоставлена ​​обратная связь, и не будет никаких инструкций по увеличению или уменьшению их мышечных реакций.

У здоровых людей мы будем стремиться сместить возбудимость спинномозговых рефлексов (Н-рефлексы) мышц верхних конечностей вверх или вниз, расширяя предыдущие результаты, показывающие эти эффекты в мышцах нижних конечностей, без влияния на нормальную двигательную способность (Thompson et al. и др., 2009; Макихара и др., 2014). Также у здоровых людей мы будем стремиться сместить возбудимость пути от мозга к мышце либо вверх, либо вниз, используя оперантное обусловливание двигательных вызванных потенциалов. Только одно предшествующее исследование (Majid et al., 2015) продемонстрировало сдвиг вниз, и в настоящее время проводятся первые исследования, изучающие способность увеличивать моторные вызванные потенциалы. У людей с неврологическими заболеваниями часто наблюдается аномально повышенная рефлекторная возбудимость позвоночника, влияющая на определенные мышцы, что приводит к повышению тонуса, скованности и затруднению движения. Поэтому мы будем стремиться снизить возбудимость спинальных рефлексов в сверхактивных мышцах, вызывая H-рефлексы и поощряя ответы, которые ниже порога. Кроме того, у людей с неврологическими заболеваниями часто нарушается связь между мозгом и мышцами, что приводит к слабости (уменьшенной способности генерировать силу). Поэтому мы будем стремиться увеличить возбудимость пути от мозга к мышце, вызывая двигательные вызванные потенциалы и поощряя ответы, превышающие порог.