Métodos para cuantificar alteraciones inducida farmacológicamente en la función motora en humanos incompleta de la médula

El objetivo de este protocolo es describir los cambios en los comportamientos motores en individuos con lesión medular incompleta tras la administración de medicamentos serotoninérgicos. Para lograrlo, se realizan evaluaciones estandarizadas para analizar medidas clínicas del estado basal, la fuerza de las extremidades inferiores y los comportamientos reflejos; a fin de obtener mediciones más precisas, se determinan evaluaciones cuantitativas estáticas de la fuerza y la función refleja de grupos musculares seleccionados, con un examen específico de los pares voluntarios máximos y la excitabilidad del reflejo miotático. Posteriormente, se realizan evaluaciones cuantitativas dinámicas adicionales para medir los patrones cinemáticos de las extremidades inferiores, la actividad muscular y su sincronización, así como la eficiencia metabólica durante la marcha en cinta rodante.

Finalmente, se administran medicamentos serotoninérgicos en un diseño cruzado enmascarado y se repiten las evaluaciones. Este enfoque de medicina traslacional evalúa sistemáticamente los efectos de los medicamentos serotoninérgicos sobre los reflejos voluntarios de fuerza y la capacidad de caminar en personas con lesión medular incompleta. La lesión medular es un proceso patológico incapacitante, que produce déficits profundos en el control motor poco después de la lesión.

Un objetivo principal para la mayoría de los pacientes es la recuperación de la marcha en individuos con una lesión incompleta, lo que significa que aún conservan cierto control motor residual distal al lado de la lesión. Este objetivo puede ser alcanzable. Los modelos animales han demostrado que los agentes farmacológicos pueden ayudar a acelerar y promover la recuperación del control motor y la capacidad de caminar.

Sin embargo, la traducción de estos hallazgos a humanos es limitada. Nuestro laboratorio está tratando de trasladar estos hallazgos animales a humanos con lesión medular incompleta. Esperamos plantear la pregunta: ¿pueden los agentes farmacológicos ayudar a promover la recuperación del control motor y la capacidad de caminar en individuos con lesiones medulares incompletas?

La espasticidad de los grupos musculares cuádriceps e isquiotibiales se cuantifica utilizando la escala de Ashworth modificada para evaluar la espasticidad del cuádriceps. El examinador realiza un movimiento pasivo lento y rápido de flexión en la articulación de la rodilla. De manera similar, para evaluar la espasticidad de los isquiotibiales, el examinador realiza una extensión pasiva lenta y rápida en la articulación de la rodilla.

Los reflejos espásticos se califican en una escala de cero a cuatro según criterios específicos. Se obtiene una puntuación compuesta convirtiendo estas puntuaciones brutas a una escala ordinal y sumando bilateralmente la magnitud o duración de los espasmos flexores. Los espasmos extensores y el clonus se cuantifican utilizando la herramienta de evaluación de la médula espinal.

Para los reflejos espásticos, la respuesta del paciente se califica según los criterios enumerados. Se obtiene una puntuación compuesta sumando las puntuaciones dentro y entre las piernas. La capacidad de un individuo para contraer voluntariamente los músculos se evalúa mediante la puntuación motora de la extremidad inferior según las directrices de la Asociación Americana de Lesiones de la Médula Espinal.

Se utilizan criterios específicos para calificar la contracción alrededor de una articulación en una escala de cero a cinco. Se obtiene una puntuación compuesta mediante la evaluación bilateral de los miótomos L dos, L tres, L cuatro, L cinco y S uno, y la suma de las puntuaciones. A pesar de estos déficits evidentes en las evaluaciones clínicas de la actividad refleja y la fuerza, este paciente es capaz de dar pasos en la cinta de correr con soporte del peso corporal.

Además, el paciente es capaz de dar pasos sobre el suelo con la ayuda de un andador con ruedas. Con el fin de cuantificar aún más el reflejo miotático dependiente de la velocidad, se utiliza un sistema que combina dinamometría isocinética con electromiografía para medir la actividad muscular.

Se aplican electrodos de registro superficial a los tibiales anteriores y al ano gástrico medial. La pierna del paciente se fija a una plataforma para el pie, acoplada a una célula de carga de seis grados de libertad, y el eje de la articulación del tobillo se alinea con el centro de la célula de carga. Los torques pasivos o gravitacionales se obtienen a partir de perturbaciones lentas de estiramiento.

Se supone que esta respuesta de torque no tiene una componente refleja y se restará de los estiramientos rápidos. Para calcular la respuesta refleja neta y evaluar la excitabilidad del reflejo miotático, se aplican al paciente relajado estiramientos simples o múltiples en dorsiflexión o flexión plantar con el fin de evaluar los cambios en la excitabilidad en función de la velocidad. Se miden diversas velocidades de rotación, incluyendo 30, 60 y 120 grados por segundo.

La respuesta de par se cuantifica utilizando la señal de par, que fue filtrada con paso bajo a 200 hercios, muestreada a 1000 hercios y sincronizada con los datos de EMG. Antes del análisis, se resta el par debido a las contribuciones pasivas y gravitacionales. La respuesta del músculo se cuantifica utilizando la señal de EMG, que fue filtrada con paso de banda entre 20 y 450 hercios, muestreada a 1000 hercios y sincronizada con los datos de par antes del análisis.

La señal se rectifica y suaviza a 10 hercios utilizando un filtro recursivo de Butterworth de cuarto orden. Las respuestas del reflejo miotático se analizan a partir de la condición del par y las señales de EMG. Las medidas principales de este análisis incluyen tanto el par máximo como la actividad muscular prolongada tras el estiramiento final.

El dinamómetro isocinético también se utiliza para obtener una cuantificación precisa de la fuerza voluntaria. Los EMG se fijan a cuatro músculos del muslo, incluyendo el recto femoral, el vasto lateral, el vasto medial y el isquiotibial medial. La pierna del paciente se une a un brazo del dinamómetro que está acoplado a una celda de carga de seis grados de libertad.

El eje de la articulación de la rodilla se alinea con el centro del transductor de carga. Con el paciente relajado, se le indica que genere una fuerza máxima alrededor de la articulación. Para asegurar la producción máxima de fuerza voluntaria, se proporciona una estimulación verbal enérgica al paciente durante la contracción.

Cuando el par comienza a disminuir durante la contracción, se aplica un estímulo supramáximo al cuádriceps mediante electrodos estimuladores de gel adhesivo autoadhesivo de tres por cinco pulgadas. Las señales de par y EMG se recopilan y acondicionan como en las evaluaciones del reflejo miotático dependiente de la velocidad. El par máximo y las respuestas de EMG asociadas se evalúan fuera de línea utilizando las señales de par y EMG acondicionadas.

Además, los déficits en la activación voluntaria se evalúan utilizando la razón de activación central o car. Se utiliza una prueba graduada en cinta rodante para evaluar la capacidad de marcha. El sujeto se sujeta a la cinta rodante con un arnés de seguridad y equipo de prueba, incluyendo marcadores reflectantes, EMGs de superficie, un monitor de frecuencia cardíaca y un sistema metabólico portátil para realizar la prueba graduada en cinta rodante.

La velocidad inicial de la cinta rodante se establece en 0,1 metros por segundo y se incrementa en 0,1 metros por segundo cada dos minutos hasta alcanzar la velocidad máxima del paciente. La velocidad pico en la cinta rodante se define como la velocidad más alta a la que el paciente pudo caminar durante al menos un minuto antes de la inestabilidad de la marcha. Cuando se alcanzan limitaciones cardiovasculares o se produce la terminación voluntaria de la prueba durante la marcha en la cinta rodante, se evalúan múltiples medidas mediante un sistema de captura de movimiento y un sistema de EMG, así como un sistema metabólico portátil fuera de línea.

Los datos de captura de movimiento se rastrean manualmente para garantizar su precisión y se selecciona una época de al menos 10 ciclos de paso para el análisis. El ciclo de la marcha se normaliza en porcentaje desde el impacto del talón hasta el siguiente impacto del talón y se interpola mediante un spline cúbico para los ángulos de la cadera y la rodilla. Se determinan los ángulos articulares máximos y las excursiones angulares durante el ciclo de la marcha para cada sujeto.

Además de una medida de la coordinación intramiembro, el enfoque principal radica en la coordinación de la cinemática del plano sagital, de la cadera y de la rodilla, la cual puede evaluarse mediante el análisis de la consistencia de las gráficas de ángulo cadera-rodilla. El coeficiente promedio de correspondencia se utiliza para calcular la consistencia de la coordinación intermiembro. La gráfica de ángulo cadera-rodilla se emplea para definir el co-seno y el signo de la dirección del vector.

Como el cambio en los ángulos de cadera y rodilla normalizado a la longitud del vector para cada intervalo de cuadro a cuadro. Estos valores de seno y coseno se promedian en todos los ciclos de paso para cada intervalo de cuadro correspondiente. Utilizando estos valores promediados, se calcula la longitud del vector medio para cada intervalo de cuadro a cuadro.

El promedio aritmético de la longitud del vector medio a través de todos los intervalos de cuadro a cuadro será un valor entre cero y uno y representará la dispersión general de los pares cadera-rodilla a lo largo del ciclo de la marcha. Para evaluar la actividad muscular durante la deambulación, los patrones de actividad muscular provenientes de las señales de EMG se sincronizan fuera de línea con los datos de captura de movimiento, la señal suavizada de EMG se normaliza al porcentaje del ciclo de la marcha y se promedia entre al menos 10 pasos. Los tiempos normativos de activación y desactivación de los músculos de la extremidad inferior durante la deambulación se establecen utilizando una base de datos de controles sanos; para cada músculo, los tiempos normativos de activación y desactivación se superponen sobre las señales de EMG obtenidas del sujeto.

La señal de EMG se integra entre los tiempos normativos de encendido y apagado. El índice de espasticidad se determina dividiendo el valor de apagado por el valor de encendido. La captación máxima de oxígeno durante la prueba progresiva en cinta rodadora se determina tras la descarga de los datos metabólicos portátiles a una computadora para su análisis.

Una vez finalizada la prueba de cinta, específicamente se determina el promedio del último minuto de los datos de VO₂ para cada período de dos minutos de velocidad, y los resultados se representan gráficamente para cada velocidad. Los movimientos voluntarios suelen iniciarse a partir de señales neuronales en la corteza motora primaria. Estas señales viajan a través del tracto corticoespinal hacia interneuronas espinales, incluyendo el generador de patrones centrales, y convergen a nivel de la motoneurona espinal.

La neurona motora inerva directamente el músculo y provoca la contracción muscular. Los movimientos voluntarios también pueden activar vías paralelas del tronco encefálico a la médula espinal o vías bulboespinales. Una función de estas vías bulboespinales consiste en regular la excitabilidad de las neuronas espinales mediante la liberación de neuromoduladores, particularmente serotonina; una lesión incompleta de la médula espinal provoca la pérdida del control voluntario completo debido a la interrupción de las vías corticoespinales.

Además, los circuitos espinales y la propia neurona motora se vuelven menos excitables debido a la pérdida parcial de neuromoduladores provenientes de las vías bulboespinales. Estos cambios combinados contribuyen a los déficits en las funciones motoras observados en las tres primeras partes de este video. En modelos animales, la aplicación de neuromoduladores como la serotonina o sus análogos directamente sobre la médula espinal puede reactivar estos circuitos espinales, lo que lleva a una mayor actividad motora, un incremento en la actividad refleja y una mejora en la capacidad locomotora.

La última parte de este video demostrará cómo estamos intentando trasladar este marco de ciencia básica a humanos. En un diseño cruzado aleatorizado, doble ciego y controlado con placebo, se evalúan los efectos de la administración oral aguda de inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina sobre la actividad motora en individuos con lesión medular incompleta. Las mediciones clínicas, incluyendo el índice de Ashworth modificado, la herramienta de evaluación de la médula espinal para reflejos espásticos y la puntuación motora de extremidades inferiores, indican un aumento tanto en la actividad refleja involuntaria como en la generación de fuerza voluntaria tras la administración oral de ISRS en un individuo con lesión medular incompleta. Además, mediciones cuantitativas estáticas de la actividad motora muestran un torque de flexión plantar del tobillo aumentado y prolongado, junto con una mayor actividad electromiográfica (EMG) en respuesta a estiramientos repetidos de los flexores plantares, así como un mayor torque isométrico y un déficit de activación reducido, indicado por una mayor razón de activación central.

Las medidas dinámicas cuantitativas de la actividad motora de la cinemática de cadera y rodilla durante la marcha utilizando una CC revelan una mayor consistencia tras la medicación con ISRS. Curiosamente, la actividad electromiográfica (EMG) de las extremidades inferiores durante la marcha muestra un aumento en la temporización inapropiada de la actividad muscular tras la medicación con ISRS. Finalmente, los parámetros metabólicos durante la marcha revelan un aumento moderado en el consumo de oxígeno durante la prueba de caminata progresiva en cinta rodante tras la administración de ISRS.

Aunque estos cambios se observan en individuos con lesión medular incompleta crónica, datos preliminares sugieren que los cambios en la lesión medular incompleta subaguda podrían ser más notorios. Por ejemplo, un individuo cuatro meses después de la lesión medular es incapaz de dar pasos sin asistencia física antes de la medicación. Tras el tratamiento con ISRS, el mismo individuo es capaz de dar pasos mediante estas evaluaciones clínicas y cuantitativas.

Hemos observado que la administración aguda de inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina puede mejorar la función motora y la capacidad de caminar en personas con lesión medular incompleta. Sin embargo, es necesario un entrenamiento a largo plazo para hacer permanentes estos cambios. Un objetivo actual de nuestro laboratorio consiste en combinar estas intervenciones farmacológicas con intervenciones físicas intensivas para lograr mejoras permanentes en la función motora y la capacidad de caminar.