本视频展示了通过临床和定量评估，在运动不完全性脊髓损伤（SCI）个体中，急性口服给予5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）后，反射活动、自主肌力和行走能力的调节情况。
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摘要
摘要
脊髓损伤（SCI）是一种致残性疾病，会导致随意运动控制能力严重受损。在医学状况稳定后，脊髓损伤的恢复通常需要长期康复治疗。尽管在损伤早期，许多患者的主要康复目标是恢复行走能力，但运动不完全性脊髓损伤患者——即保留部分随意运动控制功能者——可能具备足够的残余下行传导通路以实现这一目标。然而，尽管采取了物理干预措施，诸如肌力减弱以及被称为痉挛或阵发性痉挛的异常不自主反射活动等运动功能障碍，仍被认为会限制行走功能的恢复。传统观点认为，纠正与脊髓损伤相关的异常运动反射将为患者带来功能上的改善。例如，医生和治疗师常采用特定的药物或物理干预手段来减轻痉挛或阵发性痉挛，但目前仍缺乏充分的实证数据表明这些策略能够有效改善行走能力。
在过去几十年中，不断积累的数据表明，某些神经调节剂（包括模拟或增强单胺类物质作用的药物，如5-羟色胺（5HT）和去甲肾上腺素（NE））能够在脊髓损伤（SCI）的动物模型中启动或增强行走行为。有趣的是，这些药物中的许多（尤其是5HT激动剂）可显著提高脊髓的兴奋性，从而进一步增加这些动物的反射活动。与传统的人类脊髓损伤后恢复理论相悖，基础科学实验的实验证据表明，这种反射亢进以及运动行为的产生是平行地由神经调节输入（5HT）驱动的，并且可能对脊髓损伤后的功能恢复具有必要性。
将这一源于基础科学研究的新概念应用于促进人类脊髓损伤（SCI）后的功能恢复，看似顺理成章，但其研究发现的直接转化却极具挑战性。具体而言，在动物模型中，通过植入导管可将特异性的5HT激动剂化合物直接递送至脊髓神经环路。然而，将该技术转化至人类应用时，受限于目前缺乏针对5HT受体亚型的特异性外科技术或安全有效的药理学制剂，难以开展人体临床试验。不过，口服临床上常用的5HT能药物（如选择性5-羟色胺再摄取抑制剂，SSRIs），可能是提高中枢5HT浓度、促进人类行走功能恢复的一种可行策略。目前尚缺乏系统性的量化研究，以阐明这些SSRIs如何调节脊髓损伤后的人体运动行为，特别是针对肌力、反射以及行走能力恢复的影响。
本视频演示旨在系统且定量地评估急性口服SSRI类药物后，人类脊髓损伤（SCI）患者反射活动、自主肌力及行走能力的调节情况。本研究在单日内给予药物，以评估该患者群体运动功能的即时效应，而长期研究则涉及重复给药并结合强化的物理干预措施。
方案
为了评估选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）单次口服给药（10 mg草酸艾司西酞普兰，Lexapro，Forest Pharmaceuticals, Inc.）对运动不完全性脊髓损伤个体运动活动的影响，采用双盲、随机、安慰剂对照的交叉设计。作为纳入标准的一部分，受试者需停用所有抗抑郁药物、抗痉挛药物以及其他已知与SSRI存在相互作用的药物，洗脱期为14天。
每项实验方案均需两小时，包括临床评估、定量静态评估和定量动态评估。给药后需等待4.5小时（达到血浆浓度峰值的时间）7。在给药后，使用与用药前测试相同的实验设置和范式对受试者进行重新测试。在完成第一种药物（SSRI或安慰剂）的用药前和用药后测试后，两次测试条件之间至少间隔7天（药物半衰期约为27小时）。
第一部分：临床评估
改良 Ashworth 评分
使用改良Ashworth量表（mAsh）对股四头肌和腘绳肌群的肌张力进行量化评估。
- 受试者仰卧于软垫上。
- 痉挛反射按0-4分的整数等级评分，并包含“1+”等级。评分标准依据下表（表1）。
- 评估股四头肌痉挛时，将患者下肢抬离垫面，通过支撑大腿和踝部使其完全伸展，对侧下肢保持伸展状态。通过快速被动屈曲膝关节对股四头肌进行牵伸，根据下述量表对牵伸反应进行量化。
- 评估腘绳肌痉挛时，将患者下肢抬离垫面，通过支撑大腿和踝部使其完全屈曲，对侧下肢保持伸展状态。通过快速被动伸展膝关节对腘绳肌进行牵伸，根据下述量表对牵伸反应进行量化。
- 原始评分转换为等级评分后，双侧评分相加得到综合评分。
痉挛性反射的脊髓功能评估工具
使用脊髓损伤痉挛反射评估工具（SCATS）对屈肌痉挛、伸肌痉挛和阵挛的幅度或持续时间进行量化
- 受试者仰卧于软垫上。
- 痉挛反射采用0-3分的整数评分法进行分级，评分标准依据下表（表2）。
- 评估屈肌痉挛时，取下患者鞋袜，将其双下肢完全伸直。对受试者足内侧纵弓部位施加1秒的针刺刺激。根据下表标准，量化记录拇趾、膝关节和髋关节的运动幅度。
- 评估伸肌痉挛时，将一侧下肢置于髋关节屈曲90°、膝关节屈曲110°的位置并予以支撑，对侧下肢保持伸直。从此位置迅速伸展该下肢并平放于垫上。通过观察髌骨上移现象记录股四头肌可见活动的持续时间，并依据下表标准进行量化。
- 评估阵挛时，将小腿稍抬离垫面，踝关节置于中立位至轻度跖屈位，对侧下肢保持伸直。通过快速被动背屈踝关节对跖屈肌群施加牵张刺激。根据下表标准量化记录阵挛性肌收缩的持续时间。
- 分别对单侧及双侧下肢的评分进行加总，得出综合评分。
下肢运动评分
通过美国脊髓损伤协会下肢运动评分（LEMS）评估个体根据肌节自主收缩肌肉的能力。
- 受试者仰卧于软垫上。
- 肌力采用0-5分整数评分法进行评估，评分标准依据下表（表3）。
- 髋屈肌（L2肌节）的评估方法为：让患者从仰卧位尝试屈曲髋关节，必要时施加徒手阻力。若患者无法对抗重力完成全范围活动，则将髋关节外旋以减小重力影响，再次尝试髋关节屈曲。
- 膝伸肌（L3肌节）的评估方法为：让患者在屈膝位尝试伸展膝关节，以检查者前臂为支点，必要时施加徒手阻力。若患者无法对抗重力完成全范围活动，则将髋关节外旋以减小重力影响，再次尝试膝关节伸展。
- 踝背屈肌（L4肌节）的评估方法为：让患者在下肢伸直位尝试背屈踝关节，必要时施加徒手阻力。若患者无法对抗重力完成踝关节全范围背屈，则将髋关节外旋以减小重力影响，再次尝试踝关节背屈。
- 拇趾伸肌（L5肌节）的评估方法为：让患者在下肢伸直、踝关节跖屈位尝试伸展拇趾，必要时施加徒手阻力。若患者无法对抗重力完成拇趾全范围伸展，则将髋关节外旋以减小重力影响，再次尝试拇趾伸展。
- 踝跖屈肌（S1肌节）的评估方法为：让患者在下肢伸直位尝试跖屈踝关节，必要时施加徒手阻力。若患者无法在阻力下完成踝关节全范围活动，则屈曲髋关节和膝关节，使足底贴于垫面，然后要求患者踮起脚尖。若患者无法完全踮起脚尖，则将髋关节外旋以减小重力影响，再次尝试踝关节跖屈。
- 下肢运动评分通过双侧各肌群评分结果相加计算得出。
第二部分：定量静态评估
速度依赖性牵张反射
结合等速测力计与肌电图（EMG），可施加精确的拉伸刺激，并评估定量反应。
- 受试者舒适地坐于测试仪器（Biodex System 3，Shirley，New York）中
- 在腓肠肌内侧头和比目鱼肌表面放置表面电极记录肌电图。
- 腿部固定于与六自由度测力传感器（ATX Industrial Automation, Apex, NC）相连的脚板上，踝关节轴线与测力传感器中心对齐。
- 患者放松后，在不同旋转速度（包括 5、30、60 和 120 deg/sec）下进行单次或多次背屈（DF）或跖屈（PF）拉伸
- 为量化扭矩反应，扭矩信号经200 Hz滤波，以1000 Hz采样，并与肌电（EMG）数据同步。通过缓慢拉伸扰动（5 deg/sec）获取被动扭矩和重力扭矩，并从快速拉伸中减去，以计算反射反应。每次背屈（DF）和跖屈（PF）位移的拉伸均进行分段，识别最小和最大扭矩，峰值扭矩定义为二者数值之差。
- 为量化肌电（EMG）反应，对EMG信号进行20–450 Hz滤波，以1000 Hz采样，并与力矩数据同步。信号经整流后，采用4阶低通滤波器在10 Hz进行平滑处理。th 使用递归巴特沃斯滤波器对信号进行平滑处理，并计算所有运动过程中激动剂和拮抗剂平滑信号的面积。对于扰动情况，肌电图（EMG）信号常在运动结束后的最终保持阶段持续存在。积分EMG面积的计算从最终关节旋转开始时启动，并延伸至保持阶段，最长持续3秒。
等长肌力
使用等速测力计可精确量化自主肌力。
- 受试者舒适地坐在测试装置中。
- 在每条腿的6个主要肌群上粘贴表面肌电图电极，包括股直肌、半腱肌、股外侧肌、胫骨前肌、比目鱼肌和内侧腓肠肌（Delsys 2.1，波士顿，马萨诸塞州）。腿部连接至与六自由度测力传感器耦合的脚踏板，并将膝关节轴线对准测力传感器中心。
- 在患者放松状态下，指导其产生最大力量。为确保达到最大自主用力，实验人员对患者给予强烈的口头鼓励。当力矩开始下降时，通过3英寸×5英寸的自粘式凝胶板刺激电极（ConMed Corp，尤蒂卡，纽约州）向主动肌施加超最大刺激（10个脉冲，600 μs持续时间，100 Hz，135 V；S48 Grass，西沃里克，罗得岛州）。扭矩和肌电信号的采集与处理方式同速度依赖性牵拉实验（步骤2）。
- 离线分析
- 为量化最大扭矩反应，确定平滑信号的峰值扭矩。最大扭矩定义为峰值扭矩前后±50 ms内的平均扭矩。
- 为量化肌电反应，最大肌电信号计算为峰值扭矩前0至100 ms内的平均信号值。
- 为量化自主激活能力的缺陷，使用公式1计算中枢激活比。在该公式中，Tvoluntary指电刺激前100 ms产生的自主扭矩，Telectrical指电刺激诱发的最大峰值扭矩。8
方程 #1
第3部分：定量动态评估
跑步机峰值速度
通过分级跑步机测试获得跑步机速度，以评估功能性步行能力。
- 受试者使用头顶安全背带固定在跑步机上（Bertec，Columbus，OH），背带不限制运动，也不提供身体重量支撑。佩戴心率监测器。采用改良的克利夫兰诊所模板（32个反光标记）贴附反光标记。在每条腿的6个主要肌群上贴附表面肌电图电极，包括股直肌、半膜肌、股外侧肌、胫骨前肌、比目鱼肌和内侧腓肠肌（Noraxon，Scottsdale，Arizona）。
- 受试者以0.1 m/s的速度开始在跑步机上行走。每2分钟速度增加0.1 m/s。
- 在以下三种情况下终止测试：
- 主观疲劳
- 步态不稳
- 符合美国运动医学会（ACSM）指南9：
- 自觉用力程度评分=20
- 心率达到预测最大值的10次/分钟以内
- 呼吸交换比=1.15
- 达到并维持至少1分钟的最高速度，记录为峰值跑步机速度。
步态运动学
在跑步机行走过程中，使用运动捕捉系统（Motion Analysis，Santa Rosa，CA）评估多个运动学指标，包括最大关节活动范围、最大速度和变异性。通过计算平均对应系数（ACC；10）来量化髋关节与膝关节之间单侧肢体协调的一致性。ACC 采用矢量编码技术，在角度-角度图上分析矢状面的髋关节和膝关节角度。
- 每次使用前，动作捕捉相机均按照制造商的建议进行校准。在数据采集过程中，从6个相机以100 Hz的频率采样数据。
- 离线处理时，手动追踪动作捕捉数据以确保准确性，并从SSRI用药前或用药后达到的最高速度中，选取至少10个步态周期的数据段用于分析。
- 步态周期从 heel strike 到 heel strike 归一化为百分比，并对髋关节和膝关节角度均采用三次样条插值法进行归一化处理。
- 构建髋关节-膝关节角度-角度图（图3a）。
- 针对所有用于分析的步态周期中每一帧到下一帧的时间间隔，分别计算髋关节（x轴）和膝关节（y轴）归一化至向量长度（l）的平均余弦值和正弦值（公式1-2）。
方程 #2
公式 #3
- 使用针对所有用于分析的步态周期计算得到的帧间正弦值和余弦值的平均值，计算每个帧间间隔的平均向量（公式 3）。
方程 #4
- 均值向量（a）表示连续多个步态周期中，髋关节与膝关节之间肢体内部协调性的帧间间隔变化的连续可变性或一致性（公式4）。当 a=1 时，表示周期完全一致；a 值小于1则表明步态间的肢体内部协调性逐渐降低（图3b）。
方程 #5
行走过程中的肌肉活动
步态过程中的肌肉活动通过肌电图（EMG）信号进行量化。
- 采集肌电（EMG）信号时，通过硬件将信号滤波范围设置为20–450 Hz，采样频率为1000 Hz，并与动作捕捉数据同步。
- 离线时，信号在30 Hz处进行高通滤波以去除运动伪影，全波整流后在20 Hz处进行低通滤波，使用4th 使用递归巴特沃斯滤波器生成线性包络。将平滑后的肌电（EMG）信号按步态周期的百分比进行归一化，并对在SSRI干预前或干预后获得的最快速度下至少10个步态周期的数据进行平均。
- 通过健康对照数据库建立肌肉活动的正常值，以确定肌肉活动的正常开启时间和关闭时间。下表展示了步态周期中6块肌肉的正常活动情况。
- 将每个肌肉的正常活动时间与非活动时间叠加到从受试者采集的肌电图信号上。计算活动期与非活动期的积分面积。痉挛指数（SI）通过公式5计算。 11代表性结果如图3c所示。
公式 #6
行走过程中的代谢记录
使用 K4b2 便携式代谢系统（Cosmed USA Inc.，芝加哥，伊利诺伊州）进行分级跑步机测试，通过测量峰值摄氧量（VO2peak；mL/kg/min）来评估心肺/代谢能力。
- 根据制造商的建议校准代谢系统，并将其固定在患者身上。
- 受试者在坐位状态下至少采集 2 分钟的 VO2 基线数据，随后在站立状态下再次采集至少 2 分钟的数据。使用代谢系统内部由用户控制的标记来同步事件。
- 在跑步机上行走期间，实验人员在速度增加时（每 2 分钟）进行手动标记，同时持续采集 VO2 数据。
- 跑步机测试结束后，将数据下载至个人计算机以进行进一步分析。
- 通过计算每个 2 分钟速度阶段最后 1 分钟的平均值来分析 VO2 数据，并针对各速度绘制曲线（图 3d）。
图 1. 在运动不完全性脊髓损伤个体中口服 SSRI 后，其运动功能的临床评估指标出现显著变化。两种评估不自主反射活动的指标 mAsh（A）和 SCATS（B）均在不同程度上升高，提示这两个临床量表可能反映了增强的不自主活动的不同方面。（C）此外，在给予 SSRI 后，可观察到自主肌力出现临床可检测的变化。
图2. 在运动不完全性脊髓损伤个体中，口服SSRI后，其运动活动的定量静态指标出现显著变化。(A) SSRI给药后，对趾屈肌进行重复牵拉时，观察到踝关节趾屈扭矩和肌电图（EMG）增强且持续时间延长。SSRI给药后等长扭矩增加。有趣的是，SSRI给药后激活缺陷减轻（中枢激活比CAR更高），表明个体在SSRI给药后能够更充分地激活肌肉以完成最大自主收缩。
图3. 在运动不完全性脊髓损伤个体口服选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）后，其运动活动的定量动态指标发生改变。在行走过程中，通过加速度计（ACC）对髋关节和膝关节运动学变异性（A）进行分析（B）显示，服用SSRI药物后活动的一致性有所提高，给药前后的测试速度均为0.7 m/s。（C）行走过程中下肢肌电图（EMG）活动分析显示，服用SSRI后肌肉活动的不恰当时序增加，给药前后的测试速度均为0.7 m/s。（D）行走过程中代谢参数分析显示，在梯度跑步机测试中，服用SSRI后氧耗量有轻微增加。
| 等级 | （等级评分） | 标准 |
| 0 | （0） | 肌张力无增加 |
| 1 | （1） | 肌张力轻度增加，表现为受累部分在屈曲或伸展时，关节活动范围末端出现突然卡住后释放，或仅有轻微阻力 |
| 1+ | （2） | 肌张力轻度增加，表现为出现突然卡住后，在关节活动范围的剩余部分（不到一半）持续存在轻微阻力 |
| 2 | （3） | 在整个关节活动范围的大部分过程中肌张力明显增加，但受累部分仍可被轻易移动 |
| 3 | （4） | 肌张力显著增加，被动活动困难 |
| 4 | （5） | 受累部分在屈曲或伸展时呈僵直状态 |
表1：mAsh评分，改编自12
| 等级 | 标准 | ||
| 屈肌 | 伸肌 | 阵挛 | |
| 0 | 无反应 | 无反应 | 无反应 |
| 1 | 膝关节和髋关节屈曲活动范围小于10°，或拇趾伸展 | 活动持续时间少于3秒 | 阵挛持续时间少于3秒 |
| 2 | 膝关节和髋关节屈曲活动范围为10°至30° | 活动持续时间为3至10秒 | 阵挛持续时间为3至10秒 |
| 3 | 膝关节和髋关节屈曲活动范围为30°或更大 | 活动持续时间超过10秒 | 阵挛持续时间超过10秒 |
表2：SCATS评分，修改自13
| 等级 | 标准 |
| 0 | 未观察到任何可见或可触及的肌肉收缩 |
| 1 | 观察到任何可见或可触及的肌肉活动 |
| 2 | 肌肉能够在消除重力影响的体位下，至少一次将所附着的肢体部分完成全范围的活动 |
| 3 | 肌肉能够在需要克服重力的体位下，至少一次将所附着的肢体部分完成全范围的活动 |
| 4 | 肌肉能够完成等级3所述的功能，并且能够对检查者的施力产生一定的抵抗 |
| 5 | 根据检查者的判断，肌肉能够对检查者的施力产生正常程度的抵抗 |
表3：LEMS评分
| 肌肉 | 步态周期百分比 | |
| 激活 | 关闭 | |
| RF | 0-30 和 55-75 | 30-55 和 75-100 |
| VL | 0-30 和 55-75 以及 95-100 | 30-55 和 75-95 |
| MH | 0-25 和 65-100 | 25-65 |
| MG | 5-55 | 0-5 和 55-100 |
| SOL | 5-55 | 0-5 和 55-100 |
| TA | 0-15 | 15-100 |
表4：步态过程中下肢肌肉的正常激活与失活时间
讨论
本视频演示重点介绍在脊髓损伤（SCI）患者中，急性口服给予选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRIs）后，评估反射活动、自主肌力及行走能力变化的方法。这一系列评估表明，尽管在急性口服SSRI后所谓的异常反射活动有所增加，但脊髓损伤个体的自主肌力得到改善，而行走能力仅发生轻微变化。在这些个体中，加重的痉挛状态似乎并未对行走功能产生不利影响。此外，行走能力的改善在急性期损伤个体中可能更为显著。目前持续开展的研究采用类似的定量与临床评估方法，以确定SSRIs联合强化物理干预的疗效，此类联合干预已在脊髓损伤动物模型中应用。基于长期积累且相对新颖的基础科学研究所建立的坚实理论框架，这些方法有助于将相关研究成果转化为临床应用，并可能挑战目前临床实践中用于促进脊髓损伤患者功能恢复的一些传统治疗方案。
披露
未声明任何利益冲突。
致谢
美国国立卫生研究院 R21NS42516 项目资助 TGH
克雷格·H·尼尔森基金会资助项目 83860 资助 TGH
国家残疾与康复研究所-康复研究与培训中心（NIDRR-RRTC）。
美国物理治疗协会（APTA）博士奖学金资助 CKT
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 等速测力计 | Biodex | 系统3与康复工具包 | |
| 肌电图系统 | 裂解 | 巴涅利 2.1 | |
| 肌电图系统 | Noraxon | Mayosystem 1400a | |
| 代谢 | ConMed | K4B2 | |
| 载荷传感器 | ATI | Theta | |
| 力跑台 | 贝泰克制药 | FIT | |
| 运动捕捉 | Motion Analysis Corp. | Eagle 3 |
参考文献
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