O Sistema de Condicionamento Operante de Potencial Evocado auxilia na investigação científica da função sensório-motora e pode administrar treinamento neurocomportamental direcionado que pode afetar a reabilitação sensório-motora em distúrbios neuromusculares. Este artigo descreve suas capacidades e ilustra sua aplicação na modificação de um reflexo espinhal simples para alcançar uma melhora duradoura na função motora.
O Sistema de Condicionamento Operante de Potencial Evocado (EPOCS) é uma ferramenta de software que implementa protocolos para condicionar operacionalmente as respostas musculares desencadeadas por estímulos em pessoas com distúrbios neuromusculares, o que, por sua vez, pode melhorar a função sensório-motora quando aplicado adequadamente. O EPOCS monitora o estado de músculos-alvo específicos – por exemplo, da eletromiografia de superfície (EMG) em pé ou de medições do ciclo de marcha ao caminhar em uma esteira – e aciona automaticamente a estimulação calibrada quando condições pré-definidas são atendidas. Ele fornece duas formas de feedback que permitem que uma pessoa aprenda a modular a excitabilidade do caminho alvo. Primeiro, ele monitora continuamente a atividade EMG contínua no músculo alvo, orientando a pessoa a produzir um nível consistente de atividade adequado para o condicionamento. Em segundo lugar, ele fornece feedback imediato do tamanho da resposta após cada estimulação e indica se atingiu o valor alvo.
Para ilustrar seu uso, este artigo descreve um protocolo através do qual uma pessoa pode aprender a diminuir o tamanho do reflexo de Hoffmann – o análogo eletricamente provocado do reflexo de estiramento espinhal – no músculo sóleo. O condicionamento descendente da excitabilidade desta via pode melhorar a caminhada em pessoas com marcha espástica devido a lesão incompleta da medula espinhal. O artigo demonstra como configurar o equipamento; como colocar eletrodos estimulantes e de gravação; e como usar o software livre para otimizar a colocação de eletrodos, medir a curva de recrutamento de respostas motoras e reflexas diretas, medir a resposta sem condicionamento operante, condicionar o reflexo e analisar os dados resultantes. Ele ilustra como o reflexo muda ao longo de várias sessões e como a caminhada melhora. Também discute como o sistema pode ser aplicado a outros tipos de respostas evocadas e a outros tipos de estimulação, por exemplo, potenciais evocados motores à estimulação magnética transcraniana; como pode resolver vários problemas clínicos; e como pode subsidiar pesquisas sobre a função sensório-motora na saúde e na doença.
Na última década, estratégias de neuroplasticidade direcionadas emergiram como uma nova abordagem para a reabilitação de comprometimentos neurológicos 1,2. Uma dessas estratégias é o condicionamento operante de um potencial evocado. Isso implica provocar repetidamente respostas eletrofisiológicas que podem ser medidas de forma não invasiva – por exemplo, por eletroencefalografia (EEG) ou eletromiografia de superfície (EMG) – e dar à pessoa feedback imediato sobre o tamanho de cada resposta em relação a um nível de critério definido pelo terapeuta ou investigador. Com o tempo, esse protocolo treina a pessoa para aumentar ou diminuir sua resposta e pode, consequentemente, direcionar uma mudança benéfica para um local do sistema nervoso central que é importante em um comportamento como locomoção ou alcance e preensão. A mudança direcionada beneficia o desempenho e, além disso, permite melhores práticas que levam a uma mudança benéfica generalizada que melhora todo o comportamento. Por exemplo, em pessoas com lesão medular incompleta (ICi) nas quais o clônus prejudica a locomoção, o condicionamento operante que reduz o reflexo de Hoffmann no músculo sóleo de uma perna melhora a atividade do músculo locomotor em ambas as pernas, aumentando a velocidade de caminhada e restaurando a simetria do passo direito/esquerdo 1,3,4,5 . Outro exemplo é o da estimulação de pulso pareado, que pode aumentar de forma duradoura o tamanho do potencial evocado motor (PEmáx) para a estimulação magnética transcraniana, melhorando assim a função de alcance e preensão em pessoas com comprometimento crônico da mão e do braço após a iSCI6.
A implementação de tais protocolos exige software de propósito especial que deve executar várias funções. Especificamente, ele deve continuamente adquirir, processar e salvar sinais eletrofisiológicos; deve monitorizar continuamente o estado do sistema nervoso e desencadear adequadamente a estimulação sob fortes restrições em tempo real; deve fornecer feedback contínuo momento a momento, feedback de avaliação a avaliação e feedback sessão a sessão; deve fornecer uma interface de utilizador para orientar a configuração e o ajustamento pelo investigador ou terapeuta; e, por fim, deve armazenar e organizar dados de sinal e meta-informação em um formato padronizado.
O sistema de condicionamento operante de potencial evocado (EPOCS) é a nossa resposta a esta necessidade excepcional. Sob o capô, o software é baseado no BCI2000, uma plataforma de neurotecnologia de código aberto que é usada em centenas de laboratórios em todo o mundo 7,8. No EPOCS, a interface de usuário usual do BCI2000 é oculta e substituída por uma interface simplificada que é otimizada para protocolos de condicionamento operante potenciais evocados.
O presente artigo e o vídeo que o acompanha ilustram o uso do EPOCS em um protocolo particular: o condicionamento operante para reduzir o tamanho do reflexo de Hoffmann (H-) no músculo sóleo. Esta resposta é o análogo eletricamente provocado do reflexo de alongamento instintivo. Demonstrou-se que o down-conditioning, do reflexo-H reduz o impacto do clônus e, assim, melhora a locomoção em animais com iSCI 9,10,11,12,13 e em humanos com ICi, esclerose múltipla ou acidente vascular cerebral 5,14,15. Pode ser aplicado sem efeitos colaterais adversos em animais e pessoas com ou sem lesão neurológica16,17.
O protocolo de condicionamento operante funciona executando vários ensaios, cada um com duração de vários segundos. A sequência de eventos de uma tentativa é mostrada esquematicamente na Figura 1, com números denotando as seguintes funções:
1. A EMG de fundo contínua é registrada a partir de eletrodos de superfície bipolar sobre o músculo alvo (sóleo) e seu antagonista (tibial anterior). O nível de fundo é avaliado como o valor médio retificado do sinal filtrado por passagem alta em uma janela deslizante.
2. O nível de EMG de fundo no músculo alvo é mostrado como a altura de uma barra, continuamente atualizada na tela do participante. Isso ajuda o participante a manter a atividade dentro de um intervalo especificado (região de eclosão).
3. O software julga o momento apropriado para a estimulação elétrica e aciona o estimulador de acordo. Os principais critérios são que pelo menos 5 s devem ter decorrido desde a estimulação anterior e que o nível EMG de fundo deve ter permanecido na faixa especificada continuamente por 2 s.
4. Um estimulador de corrente constante fornece um pulso elétrico transcutaneamente para o nervo tibial (tipicamente monofásico, com duração de 1 ms).
5. A resposta resultante do bloqueio de estímulo é registrada. O software calcula os tamanhos de dois componentes de particular interesse: a onda M anterior, que reflete a ativação muscular resultante da estimulação direta do axônio motor; e o reflexo H posterior, que reflete o sinal retransmitido através de um arco reflexo na medula espinhal 18,19,20,21,22. O EPOCS refere-se a estes como a resposta de referência e a resposta alvo, respetivamente.
6. O tamanho do reflexo H para o ensaio atual é exibido como a altura de uma segunda barra, em relação a um nível de critério desejado que define um ensaio bem-sucedido ou malsucedido. Para o condicionamento para baixo, a barra é verde escura se o tamanho do reflexo H caiu abaixo do critério, ou vermelho brilhante se não o fez (vice-versa para o condicionamento para cima). Simultaneamente, a exibição numérica da taxa de sucesso cumulativa é atualizada de acordo. Juntos, esses elementos gráficos de exibição fornecem o reforço positivo ou negativo imediato do qual o condicionamento operante depende23.
Figura 1: Ilustração esquemática da funcionalidade central do EPOCS durante o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo. O participante visualiza uma tela de monitor grande que mostra o nível de EMG de fundo, o tamanho mais recente do reflexo H, o número de ensaios concluídos até agora na execução atual de 75 e a proporção de ensaios bem-sucedidos para a corrida. A sequência de eventos em um ensaio é denotada pelos números 1-6, conforme descrito na Introdução. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Um protocolo de condicionamento do reflexo H humano geralmente consiste em 6 sessões basais, seguidas por 24-30 sessões de condicionamento espalhadas por 10 semanas a uma taxa de 3 sessões/semana e várias sessões de acompanhamento nos 3-6 meses subsequentes14,16. Cada sessão dura de 60 a 90 minutos.
Para apoiar este protocolo, bem como outros protocolos relacionados, o EPOCS possui cinco modos distintos de operação, cada um servido por uma das guias de sua janela principal, intitulada Teste de Estímulo, Contração Voluntária, Curva de Recrutamento, Ensaios de Controle e Ensaios de Treinamento.
No modo Teste de Estímulo, o software aciona um estímulo a cada poucos segundos, não necessariamente contingente ao estado do músculo alvo. Os sinais de resposta são mostrados na tela após cada estímulo. Isso permite que o operador verifique a qualidade das conexões do eletrodo e do sinal EMG; otimizar a posição dos eletrodos estimulantes e de gravação; e estabelecer a morfologia da resposta do indivíduo.
No modo de Contração Voluntária, o software mede e mostra o nível EMG de fundo, enquanto o participante é encorajado a contrair o músculo, tanto quanto possível, na ausência de estimulação elétrica. Em alguns protocolos, o nível de EMG na contração voluntária máxima (MVC) é uma referência útil para definir os critérios de EMG de fundo. No protocolo aqui demonstrado, isso não é necessário, pois uma postura estável em pé padroniza suficientemente a atividade do músculo sóleo.
No modo Curva de Recrutamento, a estimulação depende do nível EMG de fundo (mostrado continuamente na tela) permanecer na faixa correta; os sinais de resposta são mostrados na tela após cada estímulo; e a sequência de respostas pode ser analisada ao final de uma corrida. Isso permite que o operador determine o início e o fim dos intervalos de tempo em que as respostas de interesse aparecem; determinar a relação entre a intensidade da estimulação e o tamanho da resposta, antes e depois das corridas de condicionamento; e determinar a intensidade de estimulação a ser usada para condicionamento.
No modo Ensaios de Controle, a estimulação depende do nível EMG de fundo (mostrado continuamente na tela), mas nenhum feedback é dado sobre o tamanho da resposta alvo. A sequência e a distribuição dos tamanhos de resposta podem ser analisadas. Esse modo pode ser usado para coletar medidas basais do tamanho da resposta ou como condição de controle para comparação com o condicionamento operante em um delineamento experimental cruzado ou entre sujeitos. Pode servir de base para definir o critério de desempenho para o condicionamento operante no início de cada sessão.
Finalmente, no modo Training Trials, a estimulação depende do nível EMG de fundo (mostrado continuamente na tela), e o reforço de ensaio por ensaio também é fornecido mostrando o tamanho da resposta alvo, conforme descrito acima e mostrado na Figura 1. Este é o modo em que o condicionamento operante é realizado.
A próxima seção guiará o leitor através dos cinco modos, demonstrando o protocolo para o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo em um participante adulto sem lesão neurológica.
O protocolo descrito acima é adequado para demonstrar o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo em um adulto típico sem comprometimento neurológico. Os valores precisos dos parâmetros podem variar de pessoa para pessoa e, particularmente, em função da deficiência. Enquanto a curva de recrutamento do participante atingiu Mmax a uma corrente estimulante de cerca de 25 mA no vídeo, outra pessoa pode exigir 50 mA ou mais, de modo que a corrente seria aumentada em etapas maiores durante a medição da curva de recrutamento. Eles também podem exigir uma duração de pulso mais longa. Uma terceira pessoa pode ser mais sensível e exigir configurações atuais menores. O protocolo também precisa ser adaptado de acordo com o músculo que está sendo condicionado. Por exemplo, ao atingir o músculo flexor radial do carpo24,25, uma configuração de corrente mais baixa é geralmente usada; o modo de Contração Voluntária deve ser usado para estabelecer uma escala para os limites de EMG de fundo; e maior cuidado deve ser tomado tanto durante a otimização da colocação do eletrodo quanto durante a otimização da postura, que deve ser mantida constante em todos os ensaios.
O protocolo é sensível a variações na relação entre a configuração da corrente do estimulador e a quantidade de corrente realmente entregue ao nervo – isso pode ser afetado por pequenas variações na postura, hidratação do participante e secagem do gel do eletrodo adesivo. No condicionamento do reflexo H, esse problema pode ser mitigado usando o tamanho da onda M como um indicador da intensidade efetiva da estimulação. Reflete o número de axônios eferentes do motoneurônio sóleo excitados pelo estímulo. Assim, se o tamanho da onda M é mantido constante, isso implica que o número de axônios aferentes primários excitados pelo estímulo, ou seja, os axônios que provocam o reflexo H, também é mantido constante (ver também Crone et al.26). Assim, essa onda M é referida como a resposta de referência no software. Por esse motivo, etapa 4.5.12. menciona que o tamanho da onda M alvo deve ser registrado. Na verdade, é mais importante manter esse tamanho de resposta aproximadamente constante do que manter a corrente nominal estritamente constante. A guia Sequência da janela de análise permite a verificação retrospectiva da constância da onda M ao longo de cada execução; para o condicionamento do reflexo H do sóleo, isso geralmente é suficiente para corrigir quaisquer problemas. Para maior controle, um segundo monitor pode ser conectado ao computador para exibir análises de ondas M em tempo real que orientam o ajuste manual de teste a teste. A automação dessa tarefa de controle é um projeto em andamento27.
A variação diurna também pode afetar as respostas eletrofisiológicas de uma pessoa 28,29,30,31. Por esse motivo, recomenda-se que todas as sessões sejam realizadas no mesmo horário do dia, ou seja, dentro da mesma janela de tempo de 3 h.
O sucesso do condicionamento operante pode ser sensível à precisão do intervalo de tempo escolhido pelo operador para definir o reflexo H; em particular, o intervalo não deve ser demasiado grande. Diretrizes detalhadas para a definição correta do intervalo estão além do escopo do artigo atual. Esta também é uma função que será automatizada em versões futuras do software.
Uma etapa crítica no protocolo é a etapa 4.5.6., na qual o operador aumenta manualmente a corrente do estimulador repetidamente após cada número fixo de ensaios. A contagem incorreta dos ensaios aqui ou o ajuste incorreto do mostrador atual podem levar à distorção da curva de recrutamento resultante. Essa possibilidade de erro do usuário pode ser mitigada habilitando a opção Digitimer Link, que permite a automação do ajuste atual para um determinado modelo de estimulador.
Este artigo enfocou o condicionamento do reflexo H, pois é a mais desenvolvida das potenciais aplicações clínicas do EPOCS. O software existente auxilia os pesquisadores nos esforços contínuos para aprimorar esse protocolo em direção a uma ampla disseminação clínica32. Além do condicionamento do reflexo H, o EPOCS também pode ser aplicado em sua forma atual a uma variedade maior de métodos de estimulação e respostas evocadas. Por exemplo, pode igualmente acionar um dispositivo mecânico que provoca um reflexo de estiramento, que também pode ser condicionado33,34,35. A abordagem é adaptável às deficiências de um indivíduo; em uma pessoa, o condicionamento descendente do reflexo H do sóleo melhora a locomoção, reduzindo a hiperreflexia espástica14; em outro, o condicionamento ascendente da PEmáx tibial anterior melhora a locomoção, aliviando a queda do pé36.
Enquanto os esforços estão em andamento para produzir uma implementação comercial do protocolo, o software original será mantido em paralelo como uma ferramenta de pesquisa para fornecer a flexibilidade necessária para expandir o campo da neuroplasticidade direcionada. Essa flexibilidade é possibilitada pela modularidade e extensibilidade da plataforma de software BCI2000 generalizada e bem estabelecida, na qual o EPOCS se baseia. Isso significa que, com o mínimo de intervenção de um engenheiro de software, o sistema é reconfigurável para uma variedade ainda maior de propósitos de pesquisa. Por exemplo, ele pode ser configurado para gravar canais de biossinal adicionais ou sensores adicionais para análise posterior (por exemplo, pedestres e sensores de rastreamento de movimento) para condicionamento durante a locomoção. Também pode ser programado para considerar critérios adicionais de desencadeamento para estimulação (por exemplo, desencadear estimulação apenas em uma parte específica do ciclo da marcha) ou para desencadear estímulos de reforço adicionais em ensaios bem-sucedidos ou malsucedidos. Exemplos de arquivos de personalização são fornecidos.
A neuroplasticidade direcionada ainda está em sua infância. Espera-se que seus caminhos ainda inexplorados proporcionem grandes benefícios tanto para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas (como discutido acima) quanto para elucidar a história natural da doença e os mecanismos de função do sistema nervoso central tanto na saúde quanto na doença 2,32,37. Estamos, portanto, empenhados em manter e apoiar o EPOCS como uma ferramenta fundamental para a realização deste potencial terapêutico e científico.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pelo NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW), NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT), NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW), NYS SCIRB C33279GG & C32236GG (JRW), NIH (NICHD) P2C HD086844 (S. Kautz), The Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) e Stratton Albany VA Medical Center.
Alcohol swabs | any | For application to skin | |
BNC cable (long) x 1 | any | Male BNC to male BNC, long enough to reach from digitizer to stimulator | |
BNC cable (medium) x 2 | any | Male BNC to male BNC, long enough to reach from amplifier to digitizer | |
BNC cable (short) x 1 | any | Male BNC to male BNC, short (to patch between two digitizer ports) | |
BNC tee connector | any | Female-male-female BNC splitter | |
Computer | Lenovo | ThinkStation P340 | A wide range of computing hardware is suitable, especially if using a USB digitizer (no PCI slots needed). Must run Windows 7+. Include standard keyboard & mouse. |
Constant-current stimulator | Digitimer Ltd. | DS8R | The DS8R enjoys EPOCS automation support. If controlled manually, other constant-current stimulators may be used provided they have an external TTL trigger and can achieve a pulse duration of 1 ms or more. |
Digitizer (option A) | National Instruments | USB-6212 | USB digitizer with integrated BNC connectors. |
Digitizer (option B) | National Instruments | PCIe-6321 | PCIe digitizer—requires desktop computer with a free PCI slot, also cable and BNC terminal block (below) |
Digitizer cable (for option B only) | National Instruments | SHC68-68-EPM | Connects PCIe digitizer to BNC terminal block |
Digitizer terminal block (for option B only) | National Instruments | BNC-2090A | 19-inch-rack-mountable BNC terminal block |
EMG amplifier system | Bortec Biomedical Ltd. | AMT-8 | Analog amplifier + portable unit + long transmission cable + battery pack + two 500-gain active electrode leads (1 bipolar, 1 bipolar with ground) |
Monitor | any | Large enough for the participant to see clearly from the intended viewing distance. | |
NeuroPlus electrodes (22 x 22 mm) x 6 | Vermont Medical Inc. | A10040-60 | Disposable self-adhesive silver/silver-chloride 22 x 22 mm surface-EMG electrodes. 6 needed per session (11 on participant's first session) |
NeuroPlus electrode (22 x 35 mm) x 1 | Vermont Medical Inc. | A10041-60 | Disposable self-adhesive silver/silver-chloride 22 x 35 mm surface-EMG electrode. 1 needed per session. |
Snap lead x 2 | any | EDR1220 | Leads for stimulating electrodes: 1.5mm DIN to button snap |
Wire | any | 8–10 cm length of single-core insulated wire |