Méthodes de quantification Altérations pharmacologiquement induite de la fonction motrice de l'homme incomplet SCI

L'objectif de ce protocole est de décrire les modifications des comportements moteurs chez des individus présentant une lésion médullaire incomplète après l'administration de médicaments sérotoninergiques. Pour ce faire, des évaluations standardisées sont réalisées afin d'analyser les paramètres cliniques de la force initiale des membres inférieurs et les comportements réflexes ; des évaluations quantitatives statiques de la force et de la fonction réflexe de groupes musculaires sélectionnés sont ensuite déterminées, en particulier l'analyse des couples volontaires maximaux et de l'excitabilité du réflexe myotatique. Des évaluations quantitatives dynamiques supplémentaires sont ensuite effectuées pour mesurer les schémas cinématiques des membres inférieurs, l'activité musculaire et sa chronologie, ainsi que l'efficacité métabolique durant la marche sur tapis roulant.

Enfin, des médicaments sérotoninergiques sont administrés selon un dispositif croisé en aveugle et les évaluations sont répétées. Cette approche de médecine translationnelle évalue systématiquement les effets des médicaments sérotoninergiques sur les réflexes de force volontaire et sur la capacité à marcher chez des individus présentant une lésion médullaire incomplète. La lésion médullaire est un processus pathologique invalidant, qui provoque d'importantes déficiences du contrôle moteur peu de temps après la lésion.

Un objectif principal pour la plupart des patients est la récupération de la marche chez les individus présentant une lésion incomplète, c'est-à-dire qu'ils conservent un contrôle moteur résiduel au niveau distal par rapport au côté de la lésion. Cet objectif peut être réalisable. Des modèles animaux ont montré que des agents pharmacologiques peuvent aider à accélérer et à favoriser la récupération du contrôle moteur et de la capacité à marcher.

Cependant, la traduction de ces résultats chez l'humain est limitée. Notre laboratoire tente de transposer ces découvertes animales à l'humain dans le cas de lésions médullaires incomplètes. Nous souhaitons répondre à la question suivante : des agents pharmacologiques peuvent-ils favoriser la récupération du contrôle moteur et de la capacité à marcher chez les personnes présentant des lésions médullaires incomplètes ?

Moi, la spasticité des groupes musculaires des quadriceps et des ischio-jambiers est quantifiée à l’aide de l’échelle modifiée d’Ashworth pour évaluer la spasticité du quadriceps. L’examinateur effectue un mouvement lent et rapide de flexion passive au niveau de l’articulation du genou. De même, pour évaluer la spasticité des ischio-jambiers, l’examinateur effectue un mouvement lent et rapide d’extension passive au niveau de l’articulation du genou.

Les réflexes spastiques sont évalués sur une échelle de zéro à quatre selon des critères précis. Un score composite est obtenu en convertissant ces scores bruts en une échelle ordinale, puis en sommant bilatéralement l'amplitude ou la durée des spasmes fléchisseurs. Les spasmes extenseurs et le clonus sont quantifiés à l'aide de l'outil d'évaluation de la moelle épinière.

Pour les réflexes spastiques, la réponse du patient est évaluée selon des critères énumérés. Un score composite est obtenu en additionnant les scores intra- et intermembres. La capacité d'un individu à contracter volontairement les muscles est évaluée à l'aide du score moteur des membres inférieurs, fondé sur les recommandations de l'American Spinal Injury Association.

Des critères précis sont utilisés pour évaluer la contraction autour d'une articulation sur une échelle de zéro à cinq. Un score composite est obtenu en évaluant bilatéralement les myotomes L deux, L trois, L quatre, L cinq et S un, puis en additionnant les scores. Malgré ces déficits manifestes dans les évaluations cliniques de l'activité réflexe et de la force musculaire, ce patient est capable d'effectuer des pas sur un tapis roulant avec un soutien du poids corporel.

En outre, le patient est capable d'effectuer des pas sur le sol avec l'aide d'un déambulateur roulant. Afin de quantifier davantage le réflexe myotatique dépendant de la vitesse, un système combinant une dynamométrie isocinétique et une électromyographie est utilisé pour mesurer l'activité musculaire.

Des électrodes de surface sont appliquées sur les tibiaux antérieurs et le muscle gastrique médial. La jambe du patient est fixée à une plaque pour le pied, couplée à une cellule de charge à six degrés de liberté, et l'axe de l'articulation de la cheville est aligné sur le centre de la cellule de charge. Les couples passifs ou gravitationnels sont obtenus à partir de perturbations lentes par étirement.

On suppose que cette réponse de couple ne possède pas de composante réflexe et elle sera soustraite des étirements rapides. Pour calculer la réponse réflexe nette afin d'évaluer l'excitabilité du réflexe myotatique, un ou plusieurs étirements en dorsiflexion ou en flexion plantaire sont appliqués au patient au repos afin d'évaluer les modifications de l'excitabilité en fonction de la vitesse. Différentes vitesses de rotation sont mesurées, notamment 30, 60 et 120 degrés par seconde.

La réponse en couple est quantifiée à l'aide du signal de couple, qui a été filtré passe-bas à 200 hertz, échantillonné à 1000 hertz et synchronisé avec les données EMG. Avant l'analyse, le couple dû aux contributions passives et gravitationnelles est soustrait. La réponse du muscle est quantifiée à l'aide du signal EMG, qui a été filtré passe-bande entre 20 et 450 hertz, échantillonné à 1000 hertz, et synchronisé avec les données de couple avant l'analyse.

Le signal est redressé et lissé à 10 hertz à l'aide d'un filtre de Butterworth récursif du quatrième ordre. Les réponses du réflexe myotatique sont analysées à partir de la condition des signaux de couple et d'EMG. Les mesures principales de cette analyse incluent à la fois le couple maximal et l'activité musculaire prolongée suivant l'étirement final.

Le dynamomètre isocinétique est également utilisé pour obtenir une quantification précise de la force volontaire. Des électrodes EMG sont fixées sur quatre muscles de la cuisse, notamment le muscle droit fémoral, le vaste latéral, le vaste médial et le hamstring médial. Le segment inférieur de la jambe du patient est attaché à un bras de dynamomètre relié à une cellule de charge à six degrés de liberté.

L'axe de l'articulation du genou est aligné sur le centre de la cellule de charge. Lorsque le patient est détendu, on lui demande de produire une force maximale autour de l'articulation. Afin de garantir une production maximale de force volontaire, une stimulation verbale énergique est fournie au patient pendant la contraction.

Lorsque le couple commence à diminuer pendant la contraction, un stimulus supramaximal est délivré au quadriceps au moyen d'électrodes stimulantes auto-adhésives en plaques de gel de trois sur cinq pouces. Le couple et les signaux EMG sont recueillis et conditionnés comme lors des évaluations du réflexe myotatique dépendant de la vitesse. Le couple maximal et les réponses EMG associées sont évalués hors ligne à l'aide des signaux de couple et d'EMG conditionnés.

En outre, les déficits de l'activation volontaire sont évalués à l'aide du ratio d'activation centrale ou car. Un test progressif sur tapis roulant est utilisé pour évaluer la capacité de marche. Le sujet est attaché au tapis roulant à l'aide d'un harnais de sécurité et d'un équipement de test, comprenant des marqueurs réfléchissants, des EMG cutanés, un moniteur de fréquence cardiaque et un système métabolique portable afin de réaliser le test progressif sur tapis roulant.

La vitesse initiale du tapis roulant est fixée à 0,1 mètre par seconde et augmentée de 0,1 mètre par seconde toutes les deux minutes jusqu'à l'obtention de la vitesse maximale du patient. La vitesse maximale sur tapis roulant est définie comme la vitesse la plus élevée que le patient a été capable de maintenir pendant au moins une minute avant l'instabilité de la démarche. Lorsque des limitations cardiovasculaires sont atteintes ou que le patient met fin volontairement au test pendant la marche sur tapis roulant, plusieurs mesures sont évaluées à l'aide d'un système de capture du mouvement et d'un système EMG, ainsi qu'un système métabolique portable, hors ligne.

Les données de capture de mouvement sont vérifiées manuellement pour assurer leur précision, et une période d'au moins 10 cycles de pas est sélectionnée pour l'analyse. Le cycle de la marche est normalisé en pourcentage, de l'appui du talon au prochain appui du talon, puis interpolé à l'aide d'une spline cubique pour les angles de la hanche et du genou. Les angles articulaires maximaux et les amplitudes angulaires durant le cycle de la marche sont déterminés pour chaque sujet.

En complément d'une mesure de la coordination intramembres, l'accent est principalement mis sur la coordination des cinématiques du plan sagittal, de la hanche et du genou, qui peut être évaluée en analysant la cohérence des tracés des angles hanche-genou. Le coefficient moyen de correspondance est utilisé pour calculer la cohérence de la coordination intermembres. Le tracé des angles hanche-genou sert à définir la co-signe et le signe de la direction du vecteur.

Comme la variation des angles de la hanche et du genou normalisée par rapport à la longueur du vecteur pour chaque intervalle entre images successives. Ces valeurs de sinus et de cosinus sont moyennées sur tous les cycles de pas pour chaque intervalle d'images correspondant. À l'aide de ces valeurs moyennées, la longueur du vecteur moyen pour chaque intervalle entre images successives est calculée.

La moyenne arithmétique de la longueur du vecteur moyen sur tous les intervalles entre trames consécutives sera une valeur comprise entre zéro et un et représentera la dispersion globale des paires hanche-genou au cours du cycle de la marche. Pour évaluer l'activité musculaire pendant la marche, les profils d'activité musculaire issus des signaux EMG sont synchronisés hors ligne avec les données de capture du mouvement, le signal DMG lissé est normalisé par rapport au pourcentage du cycle de la marche et moyenné sur au moins 10 pas. Les durées normatives d'activation et de désactivation des muscles des membres inférieurs pendant la marche sont établies à l’aide d’une base de données de sujets témoins sains ; pour chaque muscle, les durées normatives d’activation et de désactivation sont superposées aux signaux EMG enregistrés chez le sujet.

Le signal EMG est intégré entre les temps normatifs de mise en marche et d'arrêt. L'indice de spasticité est déterminé en divisant la valeur d'arrêt par la valeur de marche. La consommation maximale d'oxygène durant le test progressif sur tapis roulant est déterminée après le téléchargement des données métaboliques portables sur un ordinateur pour analyse.

Une fois le test sur tapis roulant terminé, la moyenne de la dernière minute des données de VO₂ pour chaque période de deux minutes à vitesse constante est déterminée et les résultats sont tracés pour chaque vitesse. Les mouvements volontaires sont généralement initiés par des signaux neuronaux provenant du cortex moteur primaire. Ces signaux se propagent via la voie corticospinale vers les interneurones médullaires, notamment le générateur de motifs centraux, et convergent au niveau du motoneurone spinal.

Le motoneurone innerve directement le muscle et provoque la contraction musculaire. Les mouvements volontaires peuvent également activer des voies parallèles faisant intervenir le tronc cérébral, la moelle épinière ou des voies bulbo-spinales. L'une des fonctions de ces voies bulbo-spinales est de réguler l'excitabilité des neurones spinaux par la libération de neuromodulateurs, en particulier la sérotonine ; une lésion incomplète de la moelle épinière entraîne une perte du contrôle volontaire complet en raison de la perturbation des voies cortico-spinales.

En outre, les circuits spinaux et le motoneurone lui-même deviennent moins excitable en raison de la perte partielle de neuromodulateurs provenant des voies bulbo-spinales. L'ensemble de ces modifications contribue aux déficits des fonctions motrices observés lors des trois premières parties de cette vidéo. Chez les modèles animaux, l'application de neuromodulateurs tels que la sérotonine ou de leurs analogues directement sur la moelle épinière peut réactiver ces circuits spinaux, entraînant une augmentation de la réponse motrice, une activité réflexe accrue et une amélioration de la capacité locomotrice.

La dernière partie de cette vidéo montrera comment nous tentons de transposer ce cadre scientifique fondamental aux êtres humains. Dans un dispositif randomisé, contrôlé contre placebo, en double aveugle et en cross-over, les effets d'une administration orale aiguë d'inhibiteurs sélectifs du recaptage de la sérotonine sur l'activité motrice sont évalués chez des individus présentant une lésion médullaire incomplète sur le plan moteur. Des mesures cliniques, notamment l'échelle modifiée d'Ashworth, l'outil d'évaluation de la moelle épinière pour les réflexes spasmodiques et le score moteur des membres inférieurs, indiquent une augmentation à la fois de l'activité réflexe involontaire et de la génération de force volontaire après l'administration orale d'ISRS chez un individu présentant une lésion médullaire incomplète sur le plan moteur. De plus, des mesures quantitatives statiques de l'activité motrice montrent un couple de flexion plantaire du pied augmenté et prolongé ainsi qu'une activité EMG accrue en réponse à des étirements répétés des fléchisseurs plantaires, un couple isométrique plus élevé et un déficit d'activation moindre, indiqué par un rapport d'activation centrale plus grand.

Les mesures dynamiques quantitatives de l'activité motrice des cinématiques de la hanche et du genou pendant la marche à l'aide d'une CC révèlent une cohérence accrue après un traitement par médication ISRS. Curieusement, l'activité électromyographique (EMG) des membres inférieurs pendant la marche montre une augmentation de la mauvaise synchronisation de l'activité musculaire après un traitement par ISRS. Enfin, les paramètres métaboliques durant la marche révèlent une légère augmentation de la consommation d'oxygène lors du test progressif sur tapis roulant après l'administration d'ISRS.

Bien que ces changements soient observés chez les individus atteints d'une lésion médullaire incomplète chronique, des données préliminaires suggèrent que les modifications observées lors d'une lésion médullaire incomplète subaiguë pourraient être plus marquées. Par exemple, un individu quatre mois après la lésion médullaire est incapable d'effectuer des pas sans assistance physique avant la prise de médicaments. Après un traitement par antidépresseurs ISRS, le même individu est capable d'effectuer des pas grâce à ces évaluations cliniques et quantitatives.

Nous avons observé qu'une administration aiguë d'inhibiteurs sélectifs du recaptage de la sérotonine peut améliorer la fonction motrice et la capacité à marcher chez des individus ayant subi une lésion médullaire incomplète. Toutefois, un entraînement à long terme est nécessaire pour rendre ces améliorations permanentes. Un objectif actuel de notre laboratoire consiste à combiner ces interventions pharmacologiques à des interventions physiques intensives afin de stabiliser durablement les progrès observés en matière de fonction motrice et de capacité à marcher.