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

该方案的目标是描述不完全性脊髓损伤个体在服用血清素能药物后运动行为的变化。为了实现这一目标，进行了标准化评估以评估基线、下肢力量和反射行为的临床测量，以获得更精确的测量，通过对峰值意志扭矩和拉伸反射兴奋性的具体研究来确定选定肌肉群的力量和反射功能的定量静态评估。然后进行额外的定量动态评估，以测量跑步机行走期间的下肢运动模式、肌肉活动和时间以及代谢效率。

最后，以盲法交叉设计施用血清素能药物并重复评估。这种转化医学方法系统地评估了血清素能药物对不完全性脊髓损伤个体的意志力、反射和行走能力的影响。脊髓损伤是一种使人衰弱的疾病过程，在受伤后早期会产生严重的运动控制缺陷。

大多数患者的主要目标是恢复病变不完全的个体行走能力，这意味着他们在病变侧面远端仍有残余运动控制。这个头骨可能是可以获得的。动物模型表明，药物可以帮助加速和促进运动控制和行走能力的恢复。

然而，这些发现在人类中的转化是有限的。我们的实验室正试图将这些动物发现转化为不完全脊髓损伤的人类。我们希望提出一个问题，药物是否有助于促进不完全性脊柱病变个体的运动控制和行走能力的恢复？

I，股四头肌和腘绳肌群的痉挛状态使用改良的 Ashworth 量表进行量化，以评估股四头肌痉挛状态。检查者围绕膝关节进行缓慢而轻快的被动屈曲运动。同样，为了评估腘绳肌痉挛状态，检查者会缓慢而轻快地围绕膝关节进行被动伸展。

痉挛反射根据特定标准按 0 到 4 分进行分级。通过将这些原始分数转换为顺序量表，并在双侧对屈肌痉挛的幅度或持续时间求和来获得综合评分。伸肌痉挛和结肠使用脊髓评估工具进行量化。

对于痉挛反射，根据列出的标准对患者的反应进行分级。综合分数是通过在腿内和腿之间相加来获得的。根据美国脊髓损伤协会指南，使用下肢运动评分来评估个体自愿收缩肌肉的能力。

指定的标准用于以 0 到 5 的等级对关节的收缩进行分级。通过评估双侧 L 2、L 3、L 4、L 5 和 S 1 肌节并添加评分来获得综合评分。尽管在反射活动和力量的临床评估中存在这些明显的缺陷，但该患者能够在体重支持下在跑步机上迈步。

此外，患者能够在滚动助行器的帮助下在地面上行走。为了进一步量化与速度相关的拉伸反射。将等速测力计与肌电图相结合的系统用于测量肌肉活动。

表面记录电极应用于胫骨、胃前肛和内侧肛门。患者的腿部连接到脚踏板上，与六自由度称重传感器耦合，踝关节轴与称重传感器的中心对齐。被动或重力扭矩是从慢速拉伸扰动中获得的。

假设此扭矩响应没有反射分量，并且将从快速拉伸中减去。为了计算净反射反应以评估牵张反射兴奋性，对放松的患者进行背屈或跖屈的单次或多次伸展，以评估兴奋性随速度的变化。测量各种转速，包括每秒 30、60 和 120 度。

扭矩响应使用扭矩信号进行量化，该信号为低通，以 200 赫兹过滤，以 1000 赫兹采样，并与 EMG 数据同步。在分析之前，减去被动和引力贡献产生的扭矩。肌肉的反应使用 EMG 信号进行量化，该信号过去被禁止使用，以 20 至 450 赫兹过滤，以 1000 赫兹采样，并在分析前与扭矩数据同步。

使用四阶在 10 赫兹处对信号进行整流和平滑。从条件到扭矩和 EMG 信号分析递归巴特沃斯滤波器拉伸反射反应。该分析的主要结果测量包括峰值扭矩和最后一次拉伸后延长的肌肉活动。

等速测力计还用于精确量化意志强度。表面。肌电图贴附在大腿的四块肌肉上，包括股直肌、股外侧肌、股中纵肌和内侧腘绳肌。患者的小腿连接到测力计臂上，该测力计臂与六自由度称重传感器耦合。

膝关节的轴线与称重传感器的中心对齐。在患者放松的情况下，指示患者在关节周围产生最大的力。为了确保最大的意志力产生，在宫缩期间向患者提供有力的口头鼓励。

当扭矩在收缩过程中开始下降时，通过 3 x 5 英寸的自粘凝胶板刺激电极将超大刺激传递到股四头肌。扭矩和 EMG 信号被收集和调节，就像速度依赖性牵张反射评估一样。使用条件扭矩和 EMG 信号离线评估最大扭矩和相关的 EMG 响应。

此外，使用中央激活率或 CAR 评估意志激活的缺陷。分级跑步机测试用于评估步行能力。受试者使用安全带和测试设备（包括反射标记、表面肌电图、心率监测器和便携式代谢系统）固定在跑步机上，以执行分级跑步机测试。

跑步机的初始速度设置为每秒 0.1 米，每两分钟增加 0.1 米/秒，直到获得患者的最大速度。跑步机峰值速度定义为患者在步态不稳定之前至少一分钟能够行走的最高速度。在跑步机行走期间达到心血管限制或自愿终止测试，使用动作捕捉系统和 EMG 系统以及离线便携式代谢系统评估多种措施。

手动跟踪运动捕捉数据以确保准确性，并选择至少 10 个步周期的纪元进行分析。步态周期标准化为从脚跟着地到脚跟着地的百分比，并使用三次样条对臀部和膝关节角度进行插值。为每个受试者确定步态周期期间的峰值关节角度和角度偏移。

除了肢体内协调的测量外，主要关注点是矢状面、髋关节和膝关节运动学的协调，这可以通过查看髋关节膝角图的一致性来评估。平均对应系数用于计算肢体间协调的一致性。髋关节拐点角度图用于定义向量方向的共符号和符号。

随着髋部和膝盖角度的变化标准化为每个帧到帧间隔的向量长度。这些符号和共符号值是每个相应帧间隔的所有步长周期的平均值。使用这些平均值，计算每个帧到帧间隔的平均向量长度。

所有帧到帧间隔的平均向量长度的算术平均值将是一个从 0 到 1 的值，将表示整个步态周期中髋关节和膝关节对的总体离散度。为了评估行走过程中的肌肉活动，来自 EMG 信号的肌肉活动模式与离线动作捕捉数据同步，平滑的 DMG 信号被标准化为步态周期百分比，并在至少 10 步之间取平均值。行走期间下肢肌肉的正常开启和关闭时间是使用每条肌肉的健康对照数据库建立的，特定肌肉的标准开启和关闭时间叠加在从受试者那里收集的 EMG 信号上。

EMG 信号集成在标准的开启和关闭时间之间。痉挛指数是通过将 off 值除以 on 值来确定的。分级跑步机测试期间的峰值摄氧量是在将便携式代谢数据下载到计算机进行分析后确定的。

跑步机测试完成后，特别是确定每个两分钟速度 epoch 最后一分钟 VO O2 数据的平均值，并绘制每个速度的结果。意志运动通常是由初级运动皮层中的神经信号发起的。这些信号通过皮质脊髓轨道传播到脊髓间神经元，包括中央模式生成器，并在脊髓运动神经元的水平会聚。

运动神经元直接支配肌肉并引起肌肉收缩。V 型意志运动也可能激活平行脑干脊髓或球脊髓通路。这些球脊髓通路的一个功能是通过释放神经调节剂（特别是血清素）来调节脊髓神经元的兴奋性，脊髓的不完全损伤会导致由于皮质脊髓通路的破坏而失去完全的自主控制。

此外，由于球脊髓通路的神经调节剂部分丢失，脊髓回路和运动神经元本身变得不那么兴奋。这些综合变化导致了本视频前三部分观察到的运动功能缺陷。在动物模型中，将血清素或其类似物等神经调节剂直接应用于脊髓，可以使这些脊髓回路恢复活力，从而增加运动输出、增加反射活动和提高运动能力。

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转化为人类。在双盲、随机、安慰剂对照交叉设计中，在运动不完全性脊髓损伤个体中评估选择性血清素再摄取抑制剂急性口服对运动活动的影响临床测量，包括改良的 Ashworth、痉挛反射的脊髓评估工具和下肢运动评分表明口服给药后不自主反射活动和自主力产生的增加运动不完全性 SCI 个体的 SSRI。此外，运动活动的定量静态测量显示，响应跖屈肌的重复拉伸和增加的踝关节跖屈扭矩和 EMG 以及增加的等长扭矩和较小的激活缺陷，表现为更大的中央激活率。

使用 CC 对行走期间髋关节和膝关节运动学的运动活动进行定量动态测量，显示 SSRI 药物治疗后的一致性增加。有趣的是，行走期间的下肢 EMG 活动显示 SSRI 药物治疗后肌肉活动的不适当时间增加。最后，行走期间的代谢参数显示，在 SSRI 给药后的分级跑步机测试期间，耗氧量适度增加。

虽然在慢性不完全性 SCI 个体中观察到这些变化，但初步数据表明亚急性不完全性 SCI 的变化可能更显着。例如，SCI 后 4 个月的人在服药前没有身体帮助就无法采取措施。服用 SSRI 药物后，同一个人能够采取措施 通过这些临床和定量评估。

我们已经看到，选择性 5-羟色胺再摄取抑制剂的急性给药可以改善不完全性脊髓损伤患者的运动功能和行走能力。但是，要使这些变化永久化，需要长期培训。我们实验室目前的目标是将这些药物干预与强化物理干预相结合，以使运动功能和行走能力的这些改善永久化。