Name: 量化人类不完全脊髓损伤运动功能的药理学诱导改建的方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-04-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 55 s
Description: 了解不完全脊髓损伤患者运动功能评估方法，通过临床量表与等速肌力测定、肌电图等定量技术，评估血清素类药物对反射活动、自主肌力及步行能力的影响。

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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

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<li>Gimenez y Ribotta, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinematic+analysis+of+recovered+locomotor+movements+of+the+hindlimbs+in+paraplegic+rats+transplanted+with+monoaminergic+embryonic+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+N+Y+Acad+Sci%22%5BJournal%5D)">Kinematic analysis of recovered locomotor movements of the hindlimbs in paraplegic rats transplanted with monoaminergic embryonic neurons.</a> Ann N Y Acad Sci. 860, 521-523 (1998).</li>
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<li>Liu, J., Jordan, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulation+of+the+parapyramidal+region+of+the+neonatal+rat+brain+stem+produces+locomotor-like+activity+involving+spinal+5-HT7+and+5-HT2A+receptors%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Stimulation of the parapyramidal region of the neonatal rat brain stem produces locomotor-like activity involving spinal 5-HT7 and 5-HT2A receptors.</a> J Neurophysiol. 94, 1392-1404 (2005).</li>
<li>Fong, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spinal+cord-transected+mice+learn+to+step+in+response+to+quipazine+treatment+and+robotic+training%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Spinal cord-transected mice learn to step in response to quipazine treatment and robotic training.</a> J Neurosci. 25, 11738-11747 (2005).</li>
<li>Murray, K., Nakae, A., Stephens, M. J., Rank, M., D Amico, J., Harvey, P., Li, X., Harris, L., Ballou, E. W., Anelli, R., Heckman, C. J., Mashimo, T., Vavrek, R., Sanelli, L., Gorassini, M. A., Bennett, D. J., Fouad, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recovery+of+motoneuron+and+locomotor+function+after+chronic+spinal+cord+injury+depends+on+constitutive+activity+in+5-HT2C+receptors%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Medicine%22%5BJournal%5D)">Recovery of motoneuron and locomotor function after chronic spinal cord injury depends on constitutive activity in 5-HT2C receptors.</a> Nature Medicine. , Forthcoming (2010).</li>
<li>Pariente, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluoxetine+modulates+motor+performance+and+cerebral+activation+of+patients+recovering+from+stroke%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Neurol%22%5BJournal%5D)">Fluoxetine modulates motor performance and cerebral activation of patients recovering from stroke.</a> Ann Neurol. 50, 718-729 (2001).</li>
<li>Hornby, T. G., Lewek, M. D., Thompson, C. K., Heitz, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+maximal+volitional+effort+contractions+in+human+spinal+cord+injury%3A+initial+torque+increases+and+reduced+fatigue%5BTitle%5D)+AND+%22Neurorehabil+Neural+Repair%22%5BJournal%5D)">Repeated maximal volitional effort contractions in human spinal cord injury: initial torque increases and reduced fatigue.</a> Neurorehabil Neural Repair. 23, 928-938 (2009).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22ACSM%27s+Guidelines+for+Exercise+Testing+and+Prescription%22">ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription</a>. , 6th edn, Lippincott, Williams & Wilkins. (2000).</li>
<li>Lewek, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Allowing+intralimb+kinematic+variability+during+locomotor+training+poststroke+improves+kinematic+consistency%3A+a+subgroup+analysis+from+a+randomized+clinical+trial%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Ther%22%5BJournal%5D)">Allowing intralimb kinematic variability during locomotor training poststroke improves kinematic consistency: a subgroup analysis from a randomized clinical trial.</a> Phys Ther. 89, 829-839 (2009).</li>
<li>Fung, J., Barbeau, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+dynamic+EMG+profile+index+to+quantify+muscular+activation+disorder+in+spastic+paretic+gait%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalogr+Clin+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">A dynamic EMG profile index to quantify muscular activation disorder in spastic paretic gait.</a> Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 73, 233-244 (1989).</li>
<li>Bohannon, R. W., Smith, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interrater+reliability+of+a+modified+Ashworth+scale+of+muscle+spasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Ther%22%5BJournal%5D)">Interrater reliability of a modified Ashworth scale of muscle spasticity.</a> Phys Ther. 67, 206-207 (1987).</li>
<li>Benz, E., TG, H. ornby, RK, B. ode, Scheidt, R. A., Schmit, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+physiologically+based+clinical+measure+for+spastic+reflexes+in+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Arch+Phys+Med+Rehabil%22%5BJournal%5D)">A physiologically based clinical measure for spastic reflexes in spinal cord injury.</a> Arch Phys Med Rehabil. 86, 52-59 (2005).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

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。

<table><tbody><tr><td>等速测力计</td><td>Biodex</td><td>系统3与康复工具包</td><td></td></tr><tr><td>肌电图系统</td><td>裂解</td><td>巴涅利 2.1</td><td></td></tr><tr><td>肌电图系统</td><td>Noraxon</td><td>Mayosystem 1400a</td><td></td></tr><tr><td>代谢</td><td>ConMed</td><td>K4B2</td><td></td></tr><tr><td>载荷传感器</td><td>ATI</td><td>Theta</td><td></td></tr><tr><td>力跑台</td><td>贝泰克制药</td><td>FIT</td><td></td></tr><tr><td>运动捕捉</td><td>Motion Analysis Corp.</td><td>Eagle 3</td><td></td></tr></tbody></table>

量化药理学诱导的人类不完全性脊髓损伤运动功能改变的方法

Methods to Quantify Pharmacologically Induced Alterations in Motor Function in Human Incomplete SCI

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。

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。

脊髓损伤（SCI）是一种致残性疾病，会导致自主运动控制能力严重受损。在医学状况稳定后，……

本方案的目的是描述不完全性脊髓损伤个体在使用血清素类药物后运动行为的变化。为此，需进行标准化评估，以检查基线临床指标、下肢肌力和反射行为；为进一步获得更精确的测量结果，还需通过定量静态评估测定所选肌群的肌力和反射功能，具体包括最大自主力矩和牵张反射兴奋性的专项检测。随后进行额外的定量动态评估，以测量 treadmill 行走过程中的下肢运动学模式、肌肉活动及其时序特征，以及代谢效率。最后，采用双盲交叉设计给予5-羟色胺能药物，并重复进行评估。这种转化医学方法可系统性地评估5-羟色胺能药物对不完全性脊髓损伤个体自主性力量反射及行走能力的影响。脊髓损伤是一种致残性疾病过程，损伤早期即可导致运动控制功能出现严重缺陷。对于大多数患者而言，一个主要目标是恢复行走能力，尤其是对于那些存在不完全性损伤的个体，即损伤平面远端仍保留部分运动控制功能的患者。这一目标可能可以实现。动物模型研究表明，药物制剂有助于加速并促进运动控制和行走能力的恢复。然而，将这些发现转化为人类应用仍存在局限性。我们实验室正致力于将这些动物实验的结果应用于不完全性脊髓损伤患者。我们希望探讨一个问题：药物干预是否有助于促进不完全性脊髓损伤个体的运动控制和行走能力恢复？我，使用改良Ashworth量表对股四头肌和腘绳肌群的痉挛程度进行量化，以评估股四头肌痉挛。检查者对膝关节进行缓慢和快速的被动屈曲运动。类似地，为评估腘绳肌痉挛，检查者对膝关节进行缓慢和快速的被动伸展运动。根据特定标准，痉挛性反射按0到4级进行分级。通过将原始评分转换为等级量表，并双侧累加屈肌痉挛的幅度或持续时间，获得综合评分。伸肌痉挛和阵挛通过脊髓损伤评估工具进行量化。对于痉挛性反射，根据所列标准对患者的反应进行分级。通过累加同侧和对侧下肢的评分得出综合评分。个体自主收缩肌肉的能力则依据美国脊髓损伤协会指南，采用下肢运动评分进行评估。采用特定标准对关节周围的肌肉收缩程度进行0到5级的评分。通过双侧评估L2、L3、L4、L5和S1肌节并累加得分，获得综合评分。尽管该患者在反射活动和肌力的临床评估中存在明显缺陷，但仍能在体重支持下于跑步机上行走。此外，患者在助行滚轮的辅助下能够在地面上行走。为了进一步量化速度依赖性牵张反射，采用结合等速测力计与肌电图的系统来测量肌肉活动。将表面记录电极放置于胫骨前肌和内侧腓肠肌。患者的腿部固定于与六自由度测力传感器相连的脚板上，并将踝关节轴与测力传感器中心对齐。通过缓慢拉伸扰动获取被动或重力矩。该扭矩反应被认为不包含反射成分，将从快速牵拉中减去。为了计算净反射反应以评估牵张反射的兴奋性，对放松状态下的患者施加单次或多次背屈或跖屈方向的牵拉，以评估兴奋性随速度的变化情况。测量的旋转速度包括每秒30、60和120度。使用扭矩信号来量化扭矩反应，该信号经过200赫兹低通滤波，以1000赫兹采样，并与肌电图（EMG）数据同步。在分析前，需减去由被动因素和重力贡献引起的扭矩。肌肉反应通过肌电图信号进行量化，该信号经过20至450赫兹带通滤波，以1000赫兹采样，并在分析前与扭矩数据同步。信号通过四阶递归巴特沃斯滤波器以10赫兹进行整流和平滑处理，从条件刺激到扭矩和肌电图（EMG）信号中分析牵张反射反应。该分析的主要结局指标包括最终牵张后产生的峰值扭矩和持续的肌肉活动。等速测力计还可用于精确量化自主肌力。在大腿的四个肌肉上贴附表面肌电图电极，包括股直肌、股外侧肌、股内侧肌和半腱肌。患者的下肢固定在与六自由度测力传感器相连的测力计臂上。将膝关节的轴线与测力传感器的中心对齐。在患者处于放松状态时，指导其在关节处产生最大力量。为了确保患者主动产生最大力量，在收缩过程中需给予强烈的口头鼓励。当收缩过程中扭矩开始下降时，通过三个乘五英寸的自粘凝胶板刺激电极向股四头肌施加超最大刺激。扭矩和肌电图（EMG）信号的采集与处理方式与速度依赖性牵张反射评估中的方法相同。使用条件化的扭矩和EMG信号，在离线状态下评估最大扭矩及相关的EMG反应。此外，通过中枢激活率（car）评估意志性激活的缺陷。采用分级跑步机试验评估行走能力。受试者使用安全背带固定在跑步机上，并连接测试设备，包括反光标记、表面肌电图（EMG）、心率监测器和便携式代谢系统，以完成分级跑步机试验。初始跑步机速度设定为 0.1 米/秒，每两分钟增加 0.1 米/秒，直至达到患者的最大速度。峰值跑步机速度定义为患者在步态失稳前至少能够维持一分钟的最高速度。当达到心血管限制或患者自愿终止跑步机行走测试时，通过运动捕捉系统、肌电图系统以及便携式代谢系统对多项指标进行离线评估。通过手动追踪确保运动捕捉数据的准确性，并选择至少包含10个步态周期的数据段进行分析。步态周期从一次足跟触地到下一次足跟触地归一化为百分比形式，并对髋关节和膝关节角度均采用三次样条插值法进行处理。针对每位受试者，确定步态周期中的关节角度峰值及角位移范围。除了评估同侧肢体协调性外，主要关注的是矢状面内髋关节和膝关节运动学的协调性，这可以通过观察髋-膝角度-角度图的一致性来评估。采用平均对应系数来计算双侧肢体间协调性的一致性。髋-膝角度-角度图用于确定矢量方向的共符号性及符号特征。将每个连续帧间区间的髋关节和膝关节角度变化归一化为矢量长度。对每个对应的帧间区间，所有步态周期的这些正弦值和余弦值进行平均。基于这些平均值，计算每个连续帧间区间的平均矢量长度。所有帧间间隔的平均向量长度的算术平均值将是一个介于0到1之间的数值，代表步态周期中髋关节和膝关节组合的整体离散程度。为了评估行走过程中的肌肉活动，需在离线状态下将来自肌电图（EMG）信号的肌肉活动模式与运动捕捉数据同步，将平滑处理后的DMG信号归一化至步态周期的百分比，并对至少10步的数据进行平均。行走过程中下肢肌肉的正常激活与关闭时间是通过健康对照数据库建立的，每块肌肉的正常激活与关闭时间将叠加至受试者采集到的EMG信号上进行比对。在标准的开启和关闭时间之间对肌电图信号进行积分。痉挛指数通过将关闭值除以开启值得出。在将便携式代谢数据下载到计算机进行分析后，确定分级跑步机试验期间的峰值摄氧量。跑步机测试完成后，将确定每个两分钟速度阶段最后1分钟的VO₂数据的平均值，并针对每个速度绘制结果。随意运动通常由初级运动皮层中的神经信号启动，这些信号通过皮质脊髓束传递至脊髓中间神经元，包括中枢模式发生器，并在脊髓运动神经元水平汇聚。运动神经元直接支配肌肉并引起肌肉收缩。随意运动还可能激活脑干脊髓或延髓脊髓的平行通路。这些延髓脊髓通路的功能之一是通过释放神经调质（尤其是5-羟色胺）来调节脊髓神经元的兴奋性，而脊髓的不完全损伤会因皮质脊髓通路的中断而导致完全随意控制能力的丧失。此外，由于脑脊髓通路中的神经调节物质部分缺失，脊髓环路和运动神经元本身的兴奋性降低。这些综合变化导致了本视频前三个部分中所观察到的运动功能障碍。在动物模型中，将血清素等神经调节物质或其类似物直接施用于脊髓，可重新激活这些脊髓环路，从而增强运动输出、提高反射活动，并改善运动能力。本视频的最后一部分将展示我们如何尝试将这一基础科学框架应用于人类。在一项双盲、随机、安慰剂对照的交叉设计研究中，评估了选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）急性口服给药对运动不完全性脊髓损伤个体运动功能的影响。临床评估指标包括改良Ashworth量表、脊髓损伤痉挛反射评估工具以及下肢运动评分，结果显示，运动不完全性脊髓损伤个体在口服SSRI后，其不自主反射活动和自主力量生成均有所增加。此外，对运动活动的定量静态测量表明，在对跖屈肌进行重复牵拉后，踝关节跖屈力矩和肌电图（EMG）反应增强且持续时间延长，等长力矩增加，并且中枢激活比值升高，提示激活缺陷减轻。使用CC评估行走过程中髋关节和膝关节运动学的定量动态运动指标，结果显示在使用SSRI类药物后运动一致性有所提高。有趣的是，行走过程中的下肢EMG活动显示，在使用SSRI类药物后，肌肉活动的不适当时间模式有所增加。最后，行走过程中的代谢参数显示，在给予SSRI药物后进行分级跑步机测试时，氧气消耗量有轻微增加。尽管这些变化在慢性不完全性脊髓损伤患者中可以观察到，但初步数据显示，在亚急性不完全性脊髓损伤患者中，这些变化可能更为显著。例如，一名脊髓损伤后四个月的个体在用药前无法在没有身体辅助的情况下迈步；使用SSRI类药物后，该个体便能够在临床和定量评估下实现迈步。我们已经发现，选择性5-羟色胺再摄取抑制剂的急性给药可改善不完全性脊髓损伤个体的运动功能和行走能力。然而，需要长期训练才能使这些改善持久化。我们实验室目前的一个目标是将这些药物干预与强化的物理干预相结合，以使运动功能和行走能力的改善得以长期维持。

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