Quantitative Analysis of Kilohertz-Frequency Neurostimulation

Mainstream electrical stimulation therapies, e.g., spinal cord stimulation (SCS) and deep brain stimulation, use pulse trains that are delivered at rates no higher than 200 Hz. In recent years, stimulation of nerve fibers using kilohertz-frequency (KHF) signals has received increased attention due to the potential to penetrate deeper in the tissue and to the ability to block conduction of action potentials. As well, there are a growing number of clinical applications that use KHF waveforms, including transcutaneous electrical stimulation (TES) for overactive bladder and SCS for chronic pain. However, there is a lack of fundamental understanding of the mechanisms of action of KHF stimulation. The goal of this research was to analyze quantitatively KHF neurostimulation.

We implemented a multilayer volume conductor model of TES including dispersion and capacitive effects, and we validated the model with in vitro measurements in a phantom constructed from dispersive materials. We quantified the effects of frequency on the distribution of potentials and fiber excitation. We also quantified the effects of a novel transdermal amplitude modulated signal (TAMS) consisting of a non-zero offset sinusoidal carrier modulated by a square-pulse train. The model revealed that high-frequency signals generated larger potentials at depth than did low frequencies, but this did not translate into lower stimulation thresholds. Both TAMS and conventional rectangular pulses activated more superficial fibers in addition to the deeper, target fibers, and at no frequency did we observe an inversion of the strength-distance relationship. In addition, we performed in vivo experiments and applied direct stimulation to the sciatic nerve of cats and rats. We measured electromyogram and compound action potential activity evoked by pulses, TAMS and modified versions of TAMS in which we varied the amplitude of the carrier. Nerve fiber activation using TAMS showed no difference with respect to activation with conventional pulse for carrier frequencies of 20 kHz and higher, regardless the size of the carrier. Therefore, TAMS with carrier frequencies >20 kHz does not offer any advantage over conventional pulses, even with larger amplitudes of the carrier, and this has implications for design of waveforms for efficient and effective TES.

We developed a double cable model of a dorsal column (DC) fiber to quantify the responses of DC fibers to a novel KHF-SCS signal. We validated the model using in vivo recordings of the strength-duration relationship and the recovery cycle of single DC fibers. We coupled the fiber model to a model of SCS in human and applied the KHF-SCS signal to quantify thresholds for activation and conduction block for different fiber diameters at different locations in the DCs. Activation and block thresholds increased sharply as the fibers were placed deeper in the DCs, and decreased for larger diameter fibers. Activation thresholds were > 5 mA in all cases and up to five times higher than for conventional (~ 50 Hz) SCS. For fibers exhibiting persistent activation, the degree of synchronization of the firing activity to the KHF-SCS signal, as quantified using the vector strength, was low for a broad amplitude range, and the dissimilarity between the activities in pairs of fibers, as quantified using the spike time distance, was high and decreased for more closely positioned fibers. Conduction block thresholds were higher than 30 mA for all fiber diameters at any depth and well above the amplitudes used clinically (0.5 – 5 mA). KHF-SCS appears to activate few, large, superficial fibers, and the activated fibers fire asynchronously to the stimulation signal and to other activated fibers.

The outcomes of this work contribute to the understanding of KHF neurostimulation by establishing the importance of the tissue filtering properties on the distribution of potentials, assessing quantitatively the impact of KHF stimulation on nerve fiber excitation, and developing and validating a detailed model of a DC fiber to characterize the effects of KHF stimulation on DC axons. The results have implications for design of waveforms for efficient and effective nerve fiber stimulation in the peripheral and central nervous system.

Sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso

Työssä selvitettiin sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso. Selvitettäviä asioita olivat keskushermoston ja proteesin välisen hermokytkennän toteutustapa, sähkötoimisten käsiproteesien keskeiset tekniset ominaisuudet sekä käsiproteesin mekaaniset toteutustavat. Tutkimus suoritettiin kirjallisuustutkimuksena. Työhön valittiin esimerkkejä kaupallisesti saatavilla olevista käsiproteeseista jotka löytyivät internetistä hakemalla kaikkein edisty-neintä käsiproteesia. Työstä rajattiin pois proteesin suora kytkeminen keskushermostoon. Liikeinformaation välitys aivoilta proteesille onnistuu mittaamalla lihassähkökäyrä erilaisilla ihon ja lihasten päälle, ihon alle lihaksien yhteyteen tai suoraan hermojen yhteyteen asete-tuilla elektrodeilla. Lihassähkökäyrän mittaamisessa ihon pinnalta on ongelmana sähkömag-neettinen säteily, hiki, joka muuttaa ihon impedanssia ja elektrodien meneminen pois paikal-taan. Ihon alle asetettavat elektrodit kapseloituvat, mikä heikentää niiden toimintaa ja nii-den ihon läpi kulkevat johdot voivat altistaa kohdan infektioille tai takertua johonkin. Her-moihin suorassa kosketuksissa olevat elektrodit aiheuttavat lisäksi hermopinteen. Kohden-netulla uudelleenhermotuksella voidaan hermosyyt johtaa lihaksiin, jolloin lihaksista saa-daan biologiset vahvistimet lihassähkökäyrää varten tai korvaavalle ihoalueelle, johon koh-distuva kosketus tuottaa tuntemuksen käteen kohdistuvasta kosketuksesta. Käden menet-tämisen myötä menetettävät hermo-ohjaustiedot voivat osittain korvautua aivojen mukau-tuvuuden ansiosta, mikä mahdollistaa tekokäden käyttämisen oppimisen samalla tavoin kuin polkupyörällä ajon. Hermotakaisinkytkentä mahdollistaa proteesin paremman hallin-nan. On mahdollista valmistaa keinoihoa johon kohdistuva paine saa aikaan muutoksen sen sähköisissä ominaisuuksissa, mitä voidaan sitten käyttää varsinaisen hermoärsytyksen luo-van laitteen, kuten tynkää ärsyttävän täryttimen, ohjaamisessa. On mahdollista valmistaa keinolihaksia joiden avulla nivelten liike voidaan toteuttaa luonnollisen kaltaisilla rakenteilla ja jotka ovat jopa kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin aidot lihakset. Nykyteknologian avulla on mahdollista rakentaa käsiproteesi joka liikeradoiltaan, voimal-taan ja hermotakaisinkytkennän osalta vastaa lähes täydellisesti aitoa ihmiskättä. Haasteena on vielä kokeiluasteella oleva teknologian taso sekä korkea hinta.

Caractérisation d'une entité neurologique émergente au sein du cheptel ovin québécois

Cette étude vise à caractériser le «crampage», une entité relativement nouvelle dans l’industrie ovine au Québec. Les signes cliniques se manifestent au pas, par une hyperflexion (hanche, grasset, jarret), d’un ou des deux membres pelviens. Cinq agneaux naturellement affectés et cinq agneaux appariés cliniquement normaux ont été soumis à des examens physique, neurologique et orthopédique, à des techniques d’imagerie avancée (tomodensitométrie, résonance magnétique), à des tests électrodiagnostiques (électromyogramme, vitesses de conduction nerveuse motrice et sensitive) puis à une nécropsie. Des hématologies, biochimies ainsi que des analyses du liquide céphalorachidien ont également été réalisées. Les résultats ont été comparés entre les groupes (affectés/cliniquement normaux). Il a été constaté à la tomodensitométrie que la surface du canal vertébral mesurée au niveau de la deuxième vertèbre lombaire était inférieure dans le groupe des agneaux affectés (p=0.045). Aucune répercussion n’a été constatée sur le segment de moelle épinière correspondant. La racine S2, quant à elle, était plus grêle dans le groupe des agneaux affectés (p=0.01). À l’issue de cette étude, une cause orthopédique, musculaire ou neurologique consécutive à une lésion structurale de la moelle épinière a été écartée. Il pourrait s‘agir d’une atteinte sensitive de la racine S2 altérant la sensation dans le membre affecté, toutefois, une anomalie fonctionnelle cérébrale ou de la moelle épinière dans le renflement lombaire, est également à considérer. Sans anomalie musculaire, l’appellation «crampage» est inexacte. Nous proposons de la remplacer par des termes plus descriptifs comme «syndrome d’hyperflexion» ou «high stepping gait».

Caractérisation d'une entité neurologique émergente au sein du cheptel ovin québécois

Cette étude vise à caractériser le «crampage», une entité relativement nouvelle dans l’industrie ovine au Québec. Les signes cliniques se manifestent au pas, par une hyperflexion (hanche, grasset, jarret), d’un ou des deux membres pelviens. Cinq agneaux naturellement affectés et cinq agneaux appariés cliniquement normaux ont été soumis à des examens physique, neurologique et orthopédique, à des techniques d’imagerie avancée (tomodensitométrie, résonance magnétique), à des tests électrodiagnostiques (électromyogramme, vitesses de conduction nerveuse motrice et sensitive) puis à une nécropsie. Des hématologies, biochimies ainsi que des analyses du liquide céphalorachidien ont également été réalisées. Les résultats ont été comparés entre les groupes (affectés/cliniquement normaux). Il a été constaté à la tomodensitométrie que la surface du canal vertébral mesurée au niveau de la deuxième vertèbre lombaire était inférieure dans le groupe des agneaux affectés (p=0.045). Aucune répercussion n’a été constatée sur le segment de moelle épinière correspondant. La racine S2, quant à elle, était plus grêle dans le groupe des agneaux affectés (p=0.01). À l’issue de cette étude, une cause orthopédique, musculaire ou neurologique consécutive à une lésion structurale de la moelle épinière a été écartée. Il pourrait s‘agir d’une atteinte sensitive de la racine S2 altérant la sensation dans le membre affecté, toutefois, une anomalie fonctionnelle cérébrale ou de la moelle épinière dans le renflement lombaire, est également à considérer. Sans anomalie musculaire, l’appellation «crampage» est inexacte. Nous proposons de la remplacer par des termes plus descriptifs comme «syndrome d’hyperflexion» ou «high stepping gait».

Performance of a vertical slot fish pass for the sea lamprey Petromyzon marinus L. and habitat recolonization.

In 2011, a vertical-slot fish pass was built at the Coimbra Açude-Ponte dam (Mondego River, Portugal), approximately 45 km upstream from the river mouth. The performance of this infrastructure for sea lamprey passage was evaluated between 2011 and 2015 using several complementary methodologies, namely radio telemetry [conventional and electromyogram (EMG)], passive integrated transponder (PIT) telemetry and electrofishing surveys. During the study period, the electrofishing revealed a 29-fold increase in the abundance of larval sea lamprey upstream of the fish pass. Of the 20 radio-tagged individuals released downstream from the dam, 33% managed to find and successfully surpass the obstacle in less than 2 weeks, reaching the spawning areas located in the upstream stretch of the main river and in one important tributary. Fish pass efficiency was assessed with a PIT antenna installed in the last upstream pool and revealed a 31% efficiency, with differences between and within migratory seasons. Time of day and river flow significantly influenced the attraction efficiency of the fish pass, with lampreys negotiating it mainly during the night period and when discharge was below 50m3 s_1. Sea lampreys tagged with EMG transmitters took 3 h to negotiate the fish pass, during which high muscular effort was only registered during passage, or passage attempts, of the vertical slots. The use of complementary methodologies provided a comprehensive passage evaluation for sea lamprey, a species for which there is a considerable paucity of valuable data concerning behavioural, physiological and environmental influences on obstacle negotiation.