Operant konditionering för neuromodulering

Syftet med denna studie är att undersöka neuromodulering som ett nytt tillvägagångssätt för att förbättra rehabilitering för personer som har nedsatt rörelseförmåga i övre extremiteterna efter neurologisk skada som stroke eller ryggmärgsskada. Nya bevis visar att djur och människor kan utöva kontroll över nivån av excitabilitet i nervbanor som bidrar till rörelse. Denna upptäckt har viktiga konsekvenser, eftersom den representerar en ny strategi för att förbättra motorisk kontroll hos människor på alla nivåer, inklusive de med neurologiska tillstånd. Operant konditionering är en välstuderad mekanism för inlärning, där modifiering av ett beteende kan åstadkommas genom konsekvensen av beteendet. Beteenden som belönas med positiv förstärkning visas oftare. Under de senaste åren har operant konditionering tillämpats på ryggradsreflexsvar hos möss, råttor, apor och människor. Bevis tyder på att det är möjligt att öka eller minska en neural krets excitabilitet genom att elektriskt stimulera en nerv eller ett område av hjärnan, sedan registrera muskelsvaret och belöna svar som ligger inom ett önskvärt område. Detta kan förändra nivån av vilande muskeltonus, liksom muskelns bidrag till avsiktliga rörelser och dess beredskap att reagera på oväntade störningar. Hittills har endast en forskargrupp tillämpat operant konditionering för att förbättra motorisk prestanda hos människor. Deras arbete har fokuserat på att modifiera ryggradsreflexer för en muskel i nedre extremiteterna och effekterna på gång. I det föreslagna projektet kommer vi att utöka användningen av operant konditionering till muskler i den övre extremiteten och till personer med rörelsestörningar efter stroke och ryggmärgsskada, och till en annan neural väg utöver ryggradsreflexen.

Denna studie kommer att inkludera procedurer som är nödvändiga för att mäta nervsystemets excitabilitet i nivå med ryggmärgen och i nivå med hjärnan. Spinal reflex excitabilitet kommer att kvantifieras genom att elektriskt stimulera en perifer nerv och registrera muskelsvaret (dvs. H-reflexen) med elektromyografi. Excitabiliteten hos den motoriska vägen från hjärna till muskel (kortikospinalkanalen) kommer att kvantifieras genom att stimulera ett specifikt område av hjärnan (den motoriska cortex) med transkraniell magnetisk stimulering och registrera muskelsvaret (dvs. Motorn framkallade potential) med elektromyografi. Dessutom kommer rörelseförsämringar i övre extremiteterna att bedömas genom att mäta muskeltonus, känsla, förmåga att generera kraft och prestanda på en datorbaserad handledsmotorstyrning. Hos försökspersoner som har neurologiska tillstånd kommer övre extremiteternas funktion att bedömas med hjälp av standardiserade tester, inklusive Fugl-Meyer en bedömning av den övre extremiteten, Action Research Arm Test och Box and Blocks Test. Denna studie kommer att testa effektiviteten av operant konditionering som en intervention för att modifiera neural excitabilitet. Efter baslinjetestning kommer försökspersonerna att delta i upp till 12 sessioner av skenintervention följt av upp till 24 sessioner med verklig operant konditioneringsintervention. Varje session kommer att innehålla 225 försök (3 set om 75), som varar i cirka 30 minuter. För varje försök under verklig intervention kommer en stimulans att levereras medan försökspersonen upprätthåller en låg nivå av muskelkontraktion, muskelns svar på stimulering kommer att registreras och omedelbar feedback kommer att visas på en datorskärm, som visar försökspersonen om deras muskelsvar var inom det önskade intervallet eller inte. Till exempel kommer en grön stapel att visas om muskelresponsen var "bra", annars kommer en röd stapel att visas. Ämnespersonens "procentiga framgång" kommer också att visas och uppdateras efter varje försök. Under skenintervention kommer alla procedurer att vara identiska förutom att ingen feedback kommer att ges till försökspersonen, och det kommer inte att finnas några instruktioner för att varken öka eller minska deras muskelsvar.

Hos friska människor kommer vi att sträva efter att flytta spinal reflex excitabilitet (H-reflexer) i en muskel i övre extremiteterna antingen uppåt eller nedåt, utvidgad på tidigare fynd som visar dessa effekter i en muskel i nedre extremiteter, utan effekt på normal rörelseförmåga (Thompson et al. al., 2009, Makihara et al., 2014). Även hos friska människor kommer vi att sträva efter att flytta excitabiliteten av vägen från hjärna till muskel antingen uppåt eller nedåt, med hjälp av operant konditionering av motoriska framkallade potentialer. Endast en tidigare studie (Majid et al., 2015) har visat en förskjutning nedåt, och de första studierna som undersöker förmågan att öka motorisk framkallade potentialer pågår för närvarande. Personer med neurologiska tillstånd har ofta onormalt ökad ryggradsreflex excitabilitet som påverkar vissa muskler, vilket resulterar i ökad tonus, stelhet och svårigheter att röra sig. Därför kommer vi att sträva efter att minska ryggradsreflexens excitabilitet i överaktiva muskler, genom att framkalla H-reflexer och belöna svar som ligger under en tröskel. Dessutom har personer med neurologiska tillstånd ofta störda förbindelser från hjärna till muskel, vilket resulterar i svaghet (minskad förmåga att generera kraft). Därför kommer vi att sträva efter att öka excitabiliteten för vägen från hjärna till muskel, genom att framkalla motoriska framkallade potentialer och belöna svar som ligger över en tröskel.