Methoden zur pharmakologisch induzierten Veränderungen der motorischen Funktion in Human Unvollständige SCI Quantify

Das Ziel dieses Protokolls ist es, Veränderungen motorischer Verhaltensweisen bei Personen mit unvollständiger Querschnittlähmung nach Gabe serotonerger Medikamente zu beschreiben. Dazu werden standardisierte Bewertungen durchgeführt, um klinische Parameter der Ausgangssituation, der Kraft und Reflexverhalten der unteren Extremitäten zu beurteilen, um präzisere Maße zu erhalten. Quantitative statische Bewertungen der Kraft und Reflexfunktion ausgewählter Muskelgruppen werden ermittelt, wobei speziell die maximalen willkürlichen Drehmomente und die Dehnreflexerregbarkeit untersucht werden. Anschließend erfolgen zusätzliche quantitative dynamische Bewertungen, um kinematische Muster, Muskelaktivität und Timing sowie die metabolische Effizienz während des Gehens auf dem Laufband an den unteren Extremitäten zu messen.

Schließlich werden serotonerge Medikamente in einem verblindeten Crossover-Design verabreicht und die Bewertungen wiederholt. Dieser Ansatz der translationalen Medizin bewertet systematisch die Wirkungen serotonerger Medikamente auf willkürliche Muskeleigenreflexe und die Gehfähigkeit bei Personen mit unvollständiger Querschnittlähmung. Die Querschnittlähmung ist ein verheerender Krankheitsprozess, der kurz nach der Verletzung zu tiefgreifenden Defiziten in der motorischen Kontrolle führt.

Ein primäres Ziel für die meisten Patienten ist die Wiederherstellung des Gehens bei Personen mit einer inkompletten Läsion, was bedeutet, dass sie noch restliche motorische Kontrolle distal zur Läsionsseite besitzen. Dieser Zustand kann erreichbar sein. Tierversuche haben gezeigt, dass pharmakologische Wirkstoffe helfen können, die Wiederherstellung der motorischen Kontrolle und der Gehfähigkeit zu beschleunigen und zu fördern.

Jedoch ist die Übertragung dieser Befunde auf den Menschen begrenzt. Unser Labor versucht, diese tierexperimentellen Ergebnisse auf Menschen mit unvollständiger Querschnittlähmung zu übertragen. Wir möchten die Frage stellen: Können pharmakologische Wirkstoffe die Wiederherstellung der motorischen Kontrolle und der Gehfähigkeit bei Personen mit unvollständigen Querschnittsläsionen unterstützen?

Ich, die Spastik der Quadrizeps- und Hamstring-Muskelgruppen wird mithilfe der modifizierten Ashworth-Skala zur Beurteilung der Quadrizeps-Spastik quantifiziert. Der Untersucher führt eine langsame und zügige passive Beugungsbewegung am Kniegelenk durch. Ebenso wird zur Beurteilung der Hamstring-Spastik eine langsame und zügige passive Streckungsbewegung am Kniegelenk vom Untersucher erzeugt.

Die spastischen Reflexe werden anhand spezifischer Kriterien an einer Skala von null bis vier eingestuft. Ein zusammengesetzter Wert wird ermittelt, indem diese Rohwerte in eine ordinale Skala umgerechnet und die Stärke oder Dauer der Flexor-Spasmen beidseitig summiert werden. Extensor-Spasmen und Clonus werden mithilfe des spinalen Bewertungsinstruments quantifiziert.

Bei spastischen Reflexen wird die Reaktion des Patienten anhand aufgeführter Kriterien eingestuft. Eine Gesamtpunktzahl wird durch Addition der Punktzahlen innerhalb und zwischen den Beinen ermittelt. Die Fähigkeit einer Person, Muskeln willkürlich anzuspannen, wird mithilfe der motorischen Punktzahl der unteren Extremitäten gemäß den Leitlinien der American Spinal Injury Association bewertet.

Spezifische Kriterien werden verwendet, um die Kontraktion um ein Gelenk auf einer Skala von null bis fünf zu bewerten. Eine Gesamtpunktzahl wird durch die bilaterale Beurteilung der Myotome L zwei, L drei, L vier, L fünf und S eins und die Addition der Punktzahlen ermittelt. Trotz dieser deutlichen Defizite in klinischen Untersuchungen der Reflexaktivität und der Muskelkraft ist dieser Patient in der Lage, Schritte auf einem Laufband mit Körpergewichtsentlastung auszuführen.

Weiterhin kann der Patient Schritte im Freien mit Hilfe eines Rollwagens ausführen. Um die geschwindigkeitsabhängige Dehnungsreflexreaktion weiter zu quantifizieren, wird ein System eingesetzt, das isokinetische Dynamometrie mit Elektromyographie kombiniert, um die Muskelaktivität zu messen.

Oberflächenableitelektroden werden auf die vorderen Tibialmuskeln und den medialen Magenanus appliziert. Das Bein des Patienten ist an einer Fußplatte befestigt, die mit einer Lastzelle mit sechs Freiheitsgraden gekoppelt ist, und die Achse des Sprunggelenks wird mit der Mitte der Lastzelle ausgerichtet. Passive oder gravitative Drehmomente werden aus langsamen Dehnungsstörungen gewonnen.

Davon wird angenommen, dass diese Drehmomentreaktion keine reflektorische Komponente aufweist und wird daher von den schnellen Dehnungen subtrahiert. Um die netto reflektorische Reaktion zur Beurteilung der Dehnungsreflex-Erregbarkeit zu berechnen, werden einzelne oder mehrfache Dehnungen in Dorsalflexion oder Plantarflexion am entspannten Patienten angewendet, um Erregbarkeitsänderungen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu untersuchen. Verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten werden gemessen, darunter 30, 60 und 120 Grad pro Sekunde.

Die Drehmomentantwort wird mithilfe des Drehmoment-Signals quantifiziert, das tiefpassgefiltert bei 200 Hertz, mit 1000 Hertz abgetastet und vor der Analyse mit den EMG-Daten synchronisiert wurde. Vor der Analyse wird das durch passive und gravitative Anteile verursachte Drehmoment subtrahiert. Die Reaktion des Muskels wird anhand des EMG-Signals quantifiziert, das bandpassgefiltert bei 20 bis 450 Hertz, mit 1000 Hertz abgetastet und vor der Analyse mit den Drehmomentdaten synchronisiert wurde.

Das Signal wird mit einem Butterworth-Filter vierter Ordnung bei 10 Hertz gleichgerichtet und geglättet. Die Dehnungsreflexantworten werden anhand der Bedingung, des Drehmoments und der EMG-Signale analysiert. Zu den primären Endpunkten dieser Analyse gehören sowohl das maximale Drehmoment als auch die anhaltende Muskelaktivität nach der endgültigen Dehnung.

Der isokinetische Dynamometer wird ebenfalls verwendet, um eine präzise Quantifizierung der willkürlichen Muskelkraft zu erhalten. Hautoberflächen-EMGs werden an vier Muskeln des Oberschenkels angebracht, einschließlich des Musculus rectus femoris, des Musculus vastus lateralis, des Musculus vastus medialis und des medialen Hamstrings. Der Unterschenkel des Patienten ist mit einem Dynamometerarm verbunden, der wiederum mit einer Lastzelle mit sechs Freiheitsgraden gekoppelt ist.

Die Achse des Kniegelenks wird auf die Mitte der Kraftmessdose ausgerichtet. Der Patient wird angewiesen, bei entspanntem Zustand eine maximale Kraft um das Gelenk zu erzeugen. Um eine maximale willkürliche Kraftentfaltung sicherzustellen, wird dem Patienten während der Kontraktion eindringliche verbale Motivation gegeben.

Wenn das Drehmoment während der Kontraktion abzunehmen beginnt, wird über drei mal fünf Zoll große selbstklebende Gel-Platten-Stimulations-Elektroden ein übermaximaler Reiz an den Quadrizeps abgegeben. Das Drehmoment und die EMG-Signale werden gesammelt und konditioniert, wie bei den geschwindigkeitsabhängigen Streckreflex-Beurteilungen. Maximales Drehmoment und die zugehörigen EMG-Antworten werden offline anhand der konditionierten Drehmoment- und EMG-Signale bewertet.

Außerdem werden Defizite in der willkürlichen Aktivierung mithilfe des zentralen Aktivierungsverhältnisses oder CAR (central activation ratio) bewertet. Ein gestufter Laufbandtest wird verwendet, um die Gehfähigkeit zu beurteilen. Der Proband wird mit einem Sicherheitsgurt am Laufband befestigt und mit Testausrüstung ausgestattet, einschließlich reflektierender Marker, Oberflächen-EMGs, eines Herzfrequenzmonitors und eines tragbaren metabolischen Systems, um den gestuften Laufbandtest durchzuführen.

Die anfängliche Laufbandgeschwindigkeit wird auf 0,1 Meter pro Sekunde eingestellt und alle zwei Minuten um 0,1 Meter pro Sekunde erhöht, bis die maximale Geschwindigkeit des Patienten erreicht ist. Die maximale Laufbandgeschwindigkeit ist als die höchste Geschwindigkeit definiert, bei der der Patient mindestens eine Minute lang stabil laufen konnte, bevor eine Gangunsicherheit auftrat. Kardiovaskuläre Grenzen werden erreicht oder der Test wird freiwillig während des Laufens auf dem Laufband beendet. Anschließend werden mehrere Parameter mithilfe eines Bewegungserfassungssystems, eines EMG-Systems und eines tragbaren Stoffwechselmesssystems offline ausgewertet.

Die Bewegungserfassungsdaten werden manuell auf Genauigkeit überprüft, und ein Zeitabschnitt von mindestens 10 Schrittzyklen wird für die Analyse ausgewählt. Der Gangzyklus wird bezogen auf den Prozentsatz von Ferse-aufsetzen bis Ferse-aufsetzen normalisiert und mittels kubischer Spline-Interpolation für die Hüft- und Kniegelenkwinkel interpoliert. Für jeden Probanden werden die maximalen Gelenkwinkel und die Winkeländerungsbereiche während des Gangzyklus bestimmt.

Neben einem Maß für die intralimbische Koordination liegt der Hauptfokus auf der Koordination der Bewegungsabläufe von Hüfte und Knie in der Sagittalebene, die durch die Betrachtung der Konsistenz von Hüft-Knie-Winkel-Winkel-Diagrammen beurteilt werden kann. Der durchschnittliche Korrespondenzkoeffizient wird verwendet, um die Konsistenz der interlimbischen Koordination zu berechnen. Das Hüft-Knie-Winkel-Winkel-Diagramm dient dazu, das Vorzeichen und das gemeinsame Vorzeichen (co-sign) der Richtung des Vektors zu definieren.

Da die Änderung der Hüft- und Kniegelenkwinkel auf die Vektorlänge für jedes Einzelbildintervall normalisiert wurde. Diese Sinus- und Kosinuswerte werden über alle Schrittkreisläufe für jedes entsprechende Bildintervall gemittelt. Anhand dieser gemittelten Werte wird die mittlere Vektorlänge für jedes Einzelbildintervall berechnet.

Der arithmetische Mittelwert der mittleren Vektorlänge über alle Frame-zu-Frame-Intervalle hinweg ergibt einen Wert zwischen null und eins und stellt die gesamte Streuung der Hüft- und Kniepaare über den Gangzyklus dar. Zur Beurteilung der Muskelaktivität während der Gehbewegung werden die Muskelaktivitätsmuster aus den EMG-Signalen offline mit den Bewegungserfassungsdaten synchronisiert, das geglättete DMG-Signal auf den prozentualen Gangzyklus normiert und über mindestens 10 Schritte gemittelt. Die normativen Ein- und Ausschaltzeiten der Muskulatur der unteren Extremitäten während der Gehbewegung werden anhand einer Datenbank gesunder Kontrollpersonen ermittelt; für jeden Muskel werden die normativen Ein- und Ausschaltzeiten des jeweiligen Muskels über die vom Probanden aufgezeichneten EMG-Signale gelegt.

Das EMG-Signal wird zwischen den normativen Ein- und Ausschaltzeiten integriert. Der Spastizitätsindex wird berechnet, indem der Aus-Wert durch den Ein-Wert dividiert wird. Die maximale Sauerstoffaufnahme während des gestuften Laufbandtests wird bestimmt, nachdem die portablen Stoffwechsel-Daten zur Analyse auf einen Computer heruntergeladen wurden.

Nach Abschluss des Laufbandtests wird speziell der Durchschnitt der letzten Minute der VO₂-Daten für jede zweiminütige Geschwindigkeitsphase bestimmt, und die Ergebnisse werden für jede Geschwindigkeit aufgetragen. Willkürliche Bewegungen werden typischerweise durch neuronale Signale im primären motorischen Kortex ausgelöst. Diese Signale gelangen über die corticospinale Bahn zu spinalen Interneuronen, einschließlich des zentralen Mustergenerators, und konvergieren auf der Ebene des spinalen Motoneurons.

Das Motoneuron innerviert den Muskel direkt und verursacht die Muskelkontraktion. Willkürliche Bewegungen können zudem parallele Hirnstamm-Rückenmark- oder bulbospinale Bahnen aktivieren. Eine Funktion dieser bulbospinalen Bahnen besteht darin, die Erregbarkeit der spinalen Neurone durch die Freisetzung von Neuromodulatoren, insbesondere Serotonin, zu regulieren. Eine unvollständige Läsion des Rückenmarks führt zum Verlust der vollständigen willkürlichen Kontrolle, da die kortikospinalen Bahnen unterbrochen werden.

Außerdem werden die spinalen Schaltkreise und das Motoneuron selbst aufgrund des teilweisen Verlusts von Neuromodulatoren aus den bulbo-spinalen Bahnen weniger erregbar. Diese kombinierten Veränderungen tragen zu den Defiziten in der motorischen Funktion bei, die in den ersten drei Teilen dieses Videos gezeigt werden. In Tiermodellen kann die direkte Applikation von Neuromodulatoren wie Serotonin oder deren Analoga auf das Rückenmark diese spinalen Schaltkreise wieder aktivieren, was zu einer gesteigerten motorischen Aktivität, erhöhter Reflexaktivität und verbesserter Lokomotionsfähigkeit führt.

Der letzte Teil dieses Videos zeigt, wie wir versuchen, diesen Grundlagenforschungsansatz auf den Menschen zu übertragen. In einem doppelblinden, randomisierten, placebokontrollierten Crossover-Design werden die Auswirkungen einer akuten oralen Gabe von selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmern auf die motorische Aktivität bei Individuen mit einer motorisch inkompletten Querschnittlähmung untersucht. Klinische Parameter wie der modifizierte Ashworth-Score, das Spinal Cord Assessment Tool for Spastic Reflexes und die motorische Punktzahl der unteren Extremitäten deuten auf eine Zunahme sowohl der unwillkürlichen Reflexaktivität als auch der willkürlichen Kraftentfaltung nach oraler Gabe von SSRI bei einer Person mit einer motorisch inkompletten Querschnittlähmung hin. Darüber hinaus zeigen quantitative statische Messungen der motorischen Aktivität eine verstärkte und verlängerte Knickfußplantarflexionskraft und EMG-Antwort auf wiederholte Dehnungen der Plantarflexoren sowie eine erhöhte isometrische Kraft und eine geringere Aktivierungsdefizit, was durch ein höheres zentrales Aktivierungsverhältnis angezeigt wird.

Die quantitativen dynamischen Messungen der motorischen Aktivität der Hüft- und Kniekinematik während der Gehbewegung unter Verwendung einer CC zeigen eine erhöhte Konsistenz nach SSRI-Medikation. Interessanterweise zeigt die Elektromyographie (EMG) der unteren Extremitäten während der Gehbewegung eine Zunahme unangemessener zeitlicher Aktivierung der Muskulatur nach SSRI-Medikation. Schließlich zeigen die metabolischen Parameter während der Gehbewegung im belastungsgradgesteuerten Treadmill-Test nach Gabe von SSRIs einen geringfügigen Anstieg des Sauerstoffverbrauchs.

Während diese Veränderungen bei Personen mit chronischer inkompletter Querschnittlähmung beobachtet werden, deuten vorläufige Daten darauf hin, dass die Veränderungen bei subakuter inkompletter Querschnittlähmung noch ausgeprägter sein könnten. Beispielsweise ist eine Person vier Monate nach der Querschnittlähmung vor der Medikation nicht in der Lage, Schritte ohne physische Unterstützung auszuführen. Nach Gabe eines SSRI-Medikaments kann dieselbe Person Schritte ausführen. Durch diese klinischen und quantitativen Beurteilungen.

Es wurde gezeigt, dass die akute Gabe von selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmern die motorische Funktion und Gehfähigkeit bei Personen mit unvollständiger Querschnittlähmung verbessern kann. Langfristiges Training ist jedoch erforderlich, um diese Verbesserungen dauerhaft zu machen. Ein aktuelles Ziel unseres Labors besteht darin, diese pharmakologischen Maßnahmen mit intensiven physikalischen Interventionen zu kombinieren, um die Verbesserungen der motorischen Funktion und der Gehfähigkeit dauerhaft zu verankern.