有针对性的接触行为选择网络的中风后在任务导向臂训练

文摘

选择动作(如),或者选择一个动作从一组选择,是一个重要的运动准备的过程,参与frontal-parietal网络。要求部门培训的卒中后可以用来进行运动规划过程和神经网络,支持它。本系列案件的目的是描述与任务导向相关的可行性和结果的手臂训练旨在吸引人的行为过程和相关的神经网络在三个慢性中风患者。三个参与者与轻度至中度汽车赤字完成13日至15日的面向任务的部门培训,包括为每个动作重复线索;信号指示运动方向、高度或距离。之前和之后的培训,个人完成了思维在功能性磁共振成像探针。行为绩效改进训练后(增加精度,减少反应时间)在所有参与者的大脑活动网络(背运动前区、顶叶、背外侧前额叶皮层)减少两个参与者。提高运动机能也发现在所有三个参与者,特别是在patient-reported感知困难和信心完成上肢功能任务。是可行的目标相关的行为过程和神经网络通过添加功能的要求,面向任务的部门培训三个患有轻度至中度卒中后运动障碍。

1。介绍

成功熟练电动机的性能任务涉及到各种运动准备过程除了运动执行。选择动作(如),或者选择一个动作从一组选择,是这些运动准备过程(1]。选择要执行的操作(例如,达到和拿起一杯水)指定必须发生的运动参数(例如,下行运动命令手臂和手)。虽然需要一定程度的行为选择所有熟练的动作,一个可以相对增加所要求的要求运动响应基于外部选择、抽象视觉规则(例如,选择拿起一杯水从低货架或高架子上基于外部线索)。任务条件,增加需求导致较长的运动准备阶段和一直被证明大脑额叶和顶叶区域网络参与背侧前运动皮层(PMd)认为是这个网络的关键节点(2- - - - - -5]。老年人和个人中风后进行一个类似的网络在性能的任务(6),然而,一些人也激活背外侧前额叶皮层(DLPFC),表明订婚期间认知资源的。因此,实践条件,包括要求在训练有潜力参与和改变运动前区和前额叶激活。

面向任务的训练,目标导向的实践、功能任务,是手臂和手卒中后康复的一个重要组成部分(7- - - - - -9]。而培训的数量(数量的运动重复)可能是一个坚毅的面向任务的部门培训的有效性的关键因素(10- - - - - -13),优化培训内容依旧不明。任务条件变化或练习指令可以改变行为的性能目标导向的任务(14- - - - - -18和调节神经激活19- - - - - -22在个人卒中后,然而,大多数研究在这一领域一直在横断面性质或利用实验室的任务可能不会转化为临床实践。在健康个体,实践条件,吸引更多的神经资源在练习可能导致更好的行为性能并降低大脑活动在保留23- - - - - -25),然而,这样的方法功能的手臂训练中风后尚未系统地调查。的要求面向任务的部门培训可能提供一个途径增加挑战的训练水平,要求额外的运动规划和增加接触的大脑区域支持(运动前区、顶叶和前额叶皮层)。

的线索来面向任务的部门培训可以提供机会目标行为过程和支持这一过程的脑区功能运动训练的上下文中旨在改善运动机能。我们选择增加要求培训这一运动的准备过程是重要的性能goal-direction行动(1),提供了一个清晰的、定义良好的实践条件的变化,和有一个健壮的文学在其神经关联(2- - - - - -5,26,27),包括PMd,大脑的这一区域被认为有助于卒中后运动功能(28- - - - - -31日]。本系列案件的目的是描述与任务导向相关的可行性和结果的手臂训练旨在吸引人的行为过程,神经网络通过增加为线索的每个动作重复三人与臂汽车赤字由于中风。

2。方法

2.1。参与者

三个右手主导个人患有慢性左半球中风是从当地社区招募。所有三个参与者完成了一样思维探针检查行为表现和大脑活动与contralesional右手前后三星期的训练阶段。临床评估的手臂运动机能也之前完成(两个基线评估1星期除外)和训练后在三星期的跟进。参与者提供书面知情同意协议的一项研究表明南卡罗莱纳大学的机构审查委员会批准(协议ID # Pro00032516)。

个人都有资格参与如果他们≥18岁,得了中风至少6个月前注册,是右手占主导地位32]中风之前,显示的证据上肢损伤所定义的一个上肢Fugl-Meyer (UEFM)电动机 (33)和/或至少15%的赤字的九孔挂钩测试(34)多受损的手相比少受损,并演示了一些如图所示的运动能力 和/或能力至少一块在盒子上&块测试(35]。个人被排除在外,如果他们有任何严重的医疗问题,严重的观念运动的失用症所定义的 测试的上肢失用症(36),hemispatial忽视了 行为疏忽测试星取消(37),重要的手臂疼痛干扰运动,禁忌症MRI扫描(如金属植入物或幽闭恐怖症),或其他non-stroke相关神经疾病的历史。

初始报告的摘要表中给出的三个参与者1。S1(54岁的白人男性)出现轻度运动障碍(基于UEFM电动机分数(38赤字]),右手臂功能,感觉赤字,没有失用症的测试上肢失用症(见附加图1病变位置)。S1报道使用手执行功能任务和困难减少信心完成功能任务要求的手臂和手。S2(67岁的白人男性)出现轻度运动障碍和相对温和的赤字在手臂功能;他没有感觉赤字或失用症。S2报道持续使用手执行功能任务和困难温和良好的信心在他的能力来完成功能的任务需要手臂和手。S3(63岁的非裔美国女性)有轻度至中度运动损伤和减少手臂功能;她没有感觉赤字或失用症。S3报道,使用较弱的手执行功能任务有点困难,报告中度至良好的信心在她的能力来完成功能任务的手臂和手。

2.2。面向任务的训练和行为选择的要求

面向任务的训练的干预涉及15 1.5小时会议(每周5次3周),专注于手臂和手功能注册物理治疗师。面向任务的部门培训涉及目标导向的重复练习,功能性运动(7,8]。任何功能任务,要求较弱的上肢运动可能包括;unimanual和用双手的任务是培训的一部分。专注于近端臂控制(即任务。,shoulder/elbow movement), hand grasp (gross grasp, fine motor), object manipulation (tool use, movement of objects within the hand), or the combination of proximal control and hand grasp/object manipulation [39]。培训设计个性化、挑战和进步。任务期间完成培训课程是基于运动能力水平和参与者的偏好和目标。电动机的难度训练是发展跨会话通过改变任务设置(例如,从到达中线跨越中线),任务要求(例如,增加的重量对象解除),和任务本身(例如,达到掌握总值,拿起一个杯子,拿起一枚硬币军掌握而持有额外的硬币在同一个手里)(39]。每会话参与者完成了4到5任务,所有培训完成10块。休息提供了任务之间或当所要求的参与者。

选择动作线索被添加到每一个动作重复在训练。信号被显示在一个屏幕正前方的参与者使用E-Prime 2.0.10(心理学软件工具、夏普斯堡、PA)和设计要求运动左翼和右翼之间选择,近在咫尺却远在天边,或高和低(图1;表2)。例如,在屏幕上给出的提示将直接参与者拿起杯子右边而不是左边的杯子。因此,个人必须参加,请记住规则提出了(提示显示正确,提示显示左),并选择一个响应的每一个动作重复。为了维护网络贯穿培训的参与,一个算法被用来提示进展困难(补充表1)。在培训的第一天,所有的参与者开始提示相同的映射中使用的思维探测器(5级:小square-large圆/大型square-small圆;图2)。如果参与者超过85%准确,本杆映射,介绍了一套新的线索/形状在下一个训练日(6级:三角形/广场、钻石/十字架,等等);如果参与者不到85%准确,他或她继续用同样的信号映射到这个精度级别。一旦参与者超过95%准确的新线索,提供了一套小说线索为每个任务练习在一个训练(7级)。最后,一旦参与者超过95%准确的在这个层次上,提供了一套新的线索为每个10-trial块实践训练期间(8级)。如果一个参与者很难4-cue映射在第一天的培训(< 70%准确的运动选择),作为线索的难度下降到一个2-cue映射在第二天(1级);没有一个系列三人在这种情况下需要这一步。

2.3。选择动作思维探针

运动训练前后期间,参与者完成了作为思维探针与受损的手检查一样行为表现和大脑活动。行为任务涉及左右移动操纵杆在两种不同条件下基于视觉提示。在选择条件下,个人左右移动基于抽象规则(图2)。当一个小广场或大圈所示,操纵杆向左运动了;一个大广场或小圆显示时,向右操纵杆运动了。执行条件,视觉线索是相同的,然而,个人在同一个方向操纵杆运动在这一实验中,不论大小/形状的提示(没有规则可循,最小的要求)。在这两种情况,给出了一个线索2秒;intertrial间隔2.0和3.5秒之间变化最小化预期反应前提示。数据从操纵杆运动进行了分析使用一个自定义的脚本在Matlab (MathWorks纳蒂克,马;见补充方法)。响应精度(正确的运动方向)、反应时间(RT;运动开始时间线索起始时间)和RT成本(选择RT-Execute RT; representing the relative increase in RT from the Execute condition to the Select condition for each individual) were compared from pretraining (Pre-TX) to posttraining (Post-TX). Prior to the intervention phase, participants practiced the AS behavioral task for four consecutive days (3 blocks of 24 trials in each condition on Day 1; 5 blocks of 24 trials in each condition on Days 2 to 4) for a separate research question on short-term practice [40];只有第一天的数据(Pre-TX)在这种情况下提出了系列,因为它最能代表最初的性能行为调查任务。

(Post-TX)之前(Pre-TX)和之后的运动训练,个人行为选择行为任务完成在3 t西门子棱镜核磁共振成像扫描仪20-channel头线圈和核磁共振兼容的操纵杆。核磁共振成像的数据可用操纵杆不是由于技术问题;因此,任务绩效量化使用收集的数据只是前MRI会话。在先前的研究在个人中风后使用相同的任务,选择和执行之间的相对性能条件相似在功能性磁共振成像在实验室和实践前(6]。功能性核磁共振图像在一块设计( 女士, 女士,56片,收购体素的大小 );24秒的运动(绿色线索)交替剩下24秒(红色提示)隔开一段固定(白色横8秒)。每个完成四个核磁共振,两个的选择条件和两个交替顺序执行条件;S2和S3完成执行首次运行而S1选择在第一个运行完成。大脑结构也获得图像,包括T1 ( , ,192片,1毫米³各向同性体素)和T2 ( , ,176片,1毫米³各向同性体素)结构损伤识别扫描和图像功能正常化。扩散加权图像( , ,68片,1.8毫米³各向同性体素,56 noncollinear方向, s /毫米²),用于收购的决心皮质脊髓束的完整性。

所有功能成像数据分析使用SPM12(维康基金会神经造影中心、伦敦、英国)。首先,结构的起源T1影像检查和重新定位到前连合。卷从每个fMRI运行重新维运动工件占第一卷。接下来,重新维图像coregistered参与者的结构性t1加权图像。参与者的结构性图像归一化与中风病变T1老年大脑模板蒙面使用临床工具箱SPM (41]。归一化参数被应用于所有的重新维图,为每个运行规范化功能卷。归一化图像重新取样2毫米³体素。图像被空间平滑的各向同性高斯滤波器的应用8毫米),和一个时间过滤器应用(1/128 Hz)去除低频混淆。请检查每个功能运行数据异常值由于过度头运动(> 2毫米翻译或之间> 0.2弧度旋转卷)或信号噪声( 从均值图像强度)使用工件检测工具的工具箱(http://www.nitrc.org/projects/artifact_detect);离群值时减量后统计分析。

一级统计分析进行单独为每个参与者使用一般线性模型(42,43]。对于每个运行,运动和休息时代是分开建模对固定后的对比。确定区域活跃在每个条件(执行,选择),运动与休息( );为每个条件都运行在所有对比权重都是一样的。所有六个方向的一阶导数的头部运动增加了不感兴趣的回归量占头运动数据的影响。检查激活的变化在行为选择网络在运动训练后,采用的分析。激活在每个区域的峰值(双边PMd、双边DLPFC和双边顶叶)在培训前选择被选为每个单独的(补充表2);没有进行的用于分析。激活在运动提取信号变化百分比(6毫米半径范围集中在峰值)在每天每个条件(执行,选择)(Pre-TX Post-TX)使用Marsbar工具箱(44]。

2.4。结果测量

面向任务的训练,包括需求的可行性研究通过选择线索发展的评估,选择精度,总运动重复每个会话。任务性能评估的变化表现为思维调查而变化的神经资源完成任务是评估所需大小的大脑活动在双边PMd, DLPFC和顶叶皮层。

手臂和手功能的临床措施的变化也发表的评估和比较值最小临床重要的区别(MCID),表明变化是有意义的,或最小可检测的变化(MDC)表明变化大于测量噪声,为每一个测量如果可用。三个主要的结果措施,行动研究机构测试(ARAT),盒子&块测试(基础体温),和中风的影响规模(SIS)领域,测量两次基线建立稳定的这些措施在培训之前,培训后,在三星期的跟进。ARAT [45)和《(35)上肢功能的措施的MCID 5.7 [46和一个MDC 647),分别。姐姐的手域(48)是一种patient-reported测量结果表明感知困难完成功能的任务更多的受损与分数范围从0(不能)到100(不困难);姐姐手的MCID域是17.9 [49]。二次措施包括UEFM电动机分数(33运动损伤评估的变化( (50),9洞高尔夫挂钩测试(34评估手指灵巧,手臂和手部运动的信心(CAHM)评估patient-reported信心完成功能部门任务的能力( (51])。CAHM是20块问卷,要求个人对他或她的自信程度执行一系列的功能任务涉及到较弱的胳膊或双臂在0到100(0表示“非常不确定/缺乏信心的”而100表示“非常确定/自信”是能够成功地执行一个任务)。

3所示。结果

3.1。运动训练的可行性,包括行为选择的要求

所有三个参与者容忍面向任务的手臂训练,包括要求。个人完成了至少13训练( ,错过了两次由于冲突与其他预约; ,错过了一次因病;和 ,完成所有会话)。提示在会议进展困难,个性化的为每一个参与者的准确性在训练(图3)。S2和S3都发展到最困难的信号水平(水平8:新的线索设置每个10-trial块)信号的准确性(正确的运动选择)90%以上跨会话。S1精度较低,尤其是在早期训练,但进展的线索困难在会话达到7级(新线索设置每个任务)。重复运动的人数保持在会话,即使为线索发展困难(图3)。意思是重复每个会话为S3(最低 )谁提供最大的运动障碍与S1水平( )和S2 ( )。

3.2。选择动作性能的变化响应运动训练和行为选择的要求

所有三个参与者改善行为表现如探测任务从Pre-TX Post-TX。在培训之前,正如所料,精度低,RT是更长的时间选择条件相比,执行条件(补充图2)。所有三个参与者显示增加选择条件训练后(图的准确性4)。开始在Pre-TX RT成本最低(0.455秒),S1 90 msce RT成本下降(选择RT-Execute RT)从Pre-TX Post-TX(图4)。S2和S3有类似的RT成本Pre-TX(~ 590毫秒)和S2显示更大的减少成本的下降(269毫秒)训练后比S3 (114 msec减少)。

前培训、运动前区、额叶,顶叶活动倾向于增加双边在完成选择条件相比,执行条件S1和S2 S3但保持相对不变(图5;补充图3)。培训后,激活的增加从执行到选择条件在运动少,大脑额叶,顶叶区域S1和S3。S2大脑活动的总体水平,最低最小改变激活当从执行培训前的选择条件;激活模式与培训这个人并没有改变。

3.3。运动机能的变化对运动训练和行为选择的要求

S1 ARAT或没有显示变化,该剧但确实显示减少的时间完成9洞高尔夫挂钩(7秒),灵巧的手指,训练后(表3)。S1还显示改善patient-reported感知困难完成任务的措施更加受损的手(SIS手域增加20分),增加了信心,完成基于上肢的功能任务(CAHM增加20分)。这些变化大于MCID值和报道的后续维护。S2在运动损伤小的改进(UEFM增加4分)和运动功能训练后(《增加5块),但这些变化不超过MCID值。这个人确实显示手指灵巧的改善后处理(9洞高尔夫挂钩时间减少13.4秒)但不是在随访。S2显示改善感知困难完成任务与受损的手(SIS手域增加20分),这个改进是在后续维护。S3在运动机能收益来衡量与ARAT训练后(增加7分),超过了MCID并在后续维护。改进的手指灵巧的9洞高尔夫挂钩也在后处理(减少4.5秒)和后续评估(减少10.3秒)。S3报道减少困难完成任务与受损的手(SIS手域增加35分)和增加信心完成功能任务与上肢(CAHM增加22分)。这些改进patient-reported结果措施大于MCID在跟进和维护。

4所示。讨论

总的来说,这是可行的添加要求面向任务的部门培训三个患有轻度至中度运动损伤由于中风。训练后,因为行为性能改善(增加精度,减少RT成本),而神经资源利用在降低了在双边运动前区、额叶,顶叶皮层、暗示训练模式是成功的在针对行为过程及其相关的神经网络在训练。提高运动机能也发现在所有三个参与者,特别是在patient-reported感知困难和信心,表明运动功能的改进是可能的存在增加了选择动作在训练的要求。

所有三个参与者显示改进后思维调查培训。行为表现在joystick-based任务改进从pre - posttraining(成本增加的准确性,减少RT)在所有三个参与者大脑活动在关键区域(运动前区、额叶和顶叶)减少两个参与者。总的来说,这些发现表明,这些人能够执行电动机准备更准确、更迅速的过程,利用更少的神经资源,训练后。Overactivation在个人中风后运动经常被报道,在简单的运动执行任务和应对任务需求的增加(21,52,53]。在健康个体,实践条件,吸引更多的神经资源在练习可能导致更好的行为性能并降低大脑活动在保留23- - - - - -25]。培训模式,要求添加到运动,增加脑卒中后激活在训练,如通过增加的要求,可能受益的行为表现和/或减少神经运动训练后所需的资源。

提高运动机能被发现尽管要求面向任务的培训。patient-reported结果的改善措施,认为困难完成手中的任务(SIS手域)和信心完成上肢功能任务(CAHM)被认为在所有三个个人训练后。改善运动机能更变量,但所有这三个参与者在至少一个改进的性能度量(9洞高尔夫挂钩,ARAT)。Patient-reported结果赤字措施可能更敏感比性能结果测量患者轻度运动障碍(54),尽管它可能改变这些自我报告措施是由社会和心理训练的影响(10]。总的来说,在运动功能测量与临床结果的措施是可能的在这三个情况下尽管要求培训。

面向任务的训练是手臂卒中后康复的一个关键方面。运动技能学习的原则已被认为是一个关键因素在卒中后实现的面向任务的训练8,55),然而,直接证据在实践条件变化的影响功能的上下文中手臂训练对大脑和行为是有限的。能力改变结构的面向任务的训练目标运动准备的过程及其相关的神经网络可以提供一种新颖的方式使用这个行为工具箱在训练。系列在当前情况下,要求被添加到每个动作重复,以使过程和大脑额叶和顶叶区域,已经被证明可以支持。我们选择这个运动的准备过程,因为它是重要的性能goal-direction行动(1),提供一个清晰的、定义良好的实践条件的变化和有一个健壮的文学在其神经关联(2- - - - - -5,26,27),包括PMd,大脑的这一区域被认为有助于卒中后运动功能(28- - - - - -31日]。然而,不同的需求可以被添加到培训针对其他motor-cognitive流程和大脑区域,如自主选择目标补充运动区(56- - - - - -58DLPFC[]或双重任务目标59- - - - - -61年]。这种有针对性的实践条件的变化可以让临床医生参与特定motor-cognitive流程及其神经关联除了电机执行系统中面向任务的训练。

这是一系列案件的三个患有轻度至中度运动损伤的慢性中风的康复阶段。这三个人容忍干预和显示性能和运动机能的变化。然而,这种方法的可行性和有效性超出这三个情况下不能确定。此外,可能影响的因素(即反应训练。,lesion location or clinical presentation) are not possible in this case series. All three individuals received task-oriented arm training with AS demands. It is possible that the task-oriented training contributed to changes in AS behavioral performance and changes in brain activation during AS. Studies on the effect of task-oriented training on AS or motor planning are limited to a single small pilot study involving constraint-induced movement therapy [62年]。不可能完全解决这两个特性(面向任务的训练,要求)在当前情况下系列。要求是进展保持一定程度的挑战在训练基于性能的准确性。在数据驱动的,这种方法可能不是最优的。两个参与者(S2和S3)达到最高水平的线索困难中途训练建议额外难度水平(例如,6信号)可能需要保持挑战一些人。

5。结论

总之,它是可行的添加要求功能面向任务的部门培训与轻度至中度运动功能障碍卒中后三人。改善,因行为表现训练后发现与神经减少资源必须完成一个任务。这些收益在性能恰好与运动功能的改善建议的要求培训不会影响到电动机获得这三个人。添加的要求任务导向臂训练可能会提供一个大道挑战马达准备过程除了电动机执行卒中后在功能训练。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持格兰特15 sdg24970011来自美国心脏协会。

补充材料

下列补充材料可供本文:操纵杆和脑成像数据分析方法,补充表清单的位置激活山峰,中风和补充数据显示病变位置、行为表现和成像数据。(补充材料)

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