I metodi per quantificare alterazioni indotta farmacologicamente in funzione motoria in Human incompleta SCI

L'obiettivo di questo protocollo è descrivere i cambiamenti nei comportamenti motori in individui con lesione incompleta del midollo spinale a seguito della somministrazione di farmaci serotoninergici. Per raggiungere questo obiettivo, vengono eseguite valutazioni standardizzate per valutare le misure cliniche del basale, la forza degli arti inferiori e i comportamenti riflessi per ottenere misure più precise, vengono determinate valutazioni statiche quantitative della forza e della funzione riflessa di gruppi muscolari selezionati con un'indagine specifica delle coppie volitive di picco e dell'eccitabilità del riflesso di stiramento. Vengono quindi eseguite ulteriori valutazioni dinamiche quantitative per misurare i modelli cinematici degli arti inferiori, l'attività muscolare, i tempi e l'efficienza metabolica durante la deambulazione su tapis roulant.

Infine, i farmaci serotoninergici vengono somministrati in un disegno crossover in cieco e le valutazioni vengono ripetute. Questo approccio della medicina traslazionale valuta sistematicamente gli effetti dei farmaci serotoninergici sulla forza volitiva, sui riflessi e sulla capacità di camminare in individui con lesione incompleta del midollo spinale. La lesione del midollo spinale è un processo patologico debilitante, che produce profondi deficit nel controllo motorio subito dopo l'infortunio.

Un obiettivo primario per la maggior parte dei pazienti è il recupero della deambulazione in individui con una lesione incompleta, il che significa che hanno ancora un controllo motorio residuo distale al lato della lesione. Questo teschio potrebbe essere ottenibile. I modelli animali hanno dimostrato che gli agenti farmacologici possono aiutare ad accelerare e promuovere il recupero del controllo motorio e della capacità di camminare.

Tuttavia, la traduzione di questi risultati nell'uomo è limitata. Il nostro laboratorio sta cercando di tradurre questi risultati sugli animali negli esseri umani con lesioni incomplete del midollo spinale. Speriamo di porre la domanda: gli agenti farmacologici possono aiutare a promuovere il recupero del controllo motorio e della capacità di camminare in individui con lesioni spinali incomplete?

I, la spasticità dei gruppi muscolari del quadricipite e del tendine del ginocchio viene quantificata utilizzando la scala di Ashworth modificata per valutare la spasticità del quadricipite. L'esaminatore genera un movimento di flessione passivo lento e veloce attorno all'articolazione del ginocchio. Allo stesso modo, per valutare la spasticità del tendine del ginocchio, l'esaminatore genera un'estensione passiva lenta e vivace intorno all'articolazione del ginocchio.

I riflessi spastici sono classificati su una scala da zero a quattro in base a criteri specifici. Un punteggio composito si ottiene convertendo questi punteggi grezzi in una scala ordinale e sommando bilateralmente l'entità o la durata degli spasmi flessori. Gli spasmi estensori e il colon vengono quantificati utilizzando lo strumento di valutazione del midollo spinale.

Per i riflessi spastici, la risposta del paziente viene valutata in base ai criteri elencati. Un punteggio composito si ottiene sommando i punteggi all'interno e tra le gambe. La capacità di un individuo di contrarre volontariamente i muscoli viene valutata utilizzando il punteggio motorio degli arti inferiori basato sulle linee guida dell'American Spinal Injury Association.

Criteri specificati vengono utilizzati per classificare la contrazione attorno a un giunto su una scala da zero a cinque. Un punteggio composito si ottiene attraverso la valutazione bilaterale dei miotomi L due, L tre, L quattro, L cinque e S uno e l'aggiunta di punteggi. Nonostante questi evidenti deficit nelle valutazioni cliniche dell'attività riflessa e della forza, questo paziente è in grado di fare passi sul tapis roulant con supporto del peso corporeo.

Inoltre, il paziente è in grado di muovere i passi in superficie con l'assistenza di un deambulatore rotante. Al fine di quantificare ulteriormente il riflesso di stiramento dipendente dalla velocità. Per misurare l'attività muscolare viene utilizzato un sistema che combina la dinamometria isocinetica con l'elettromiografia.

Gli elettrodi di registrazione della superficie vengono applicati ai tibiali, all'ano gastrico anteriore e mediale. La gamba del paziente è fissata a una pedana, accoppiata a una cella di carico a sei gradi di libertà, e l'asse dell'articolazione della caviglia è allineato al centro della cella di carico. Le coppie passive o gravitazionali sono ottenute dalle perturbazioni di allungamento lento.

Si presume che questa risposta di coppia non abbia una componente riflessa e verrà sottratta dagli allungamenti rapidi. Per calcolare la risposta del riflesso netto per valutare l'eccitabilità del riflesso di stiramento, vengono applicati al paziente rilassato uno o più allungamenti in dorsiflessione o flessione plantare per valutare i cambiamenti di eccitabilità con la velocità. Vengono misurate varie velocità di rotazione, tra cui 30, 60 e 120 gradi al secondo.

La risposta di coppia viene quantificata utilizzando il segnale di coppia, che era passa-basso, filtrato a 200 hertz, campionato a 1000 hertz e sincronizzato con i dati EMG. Prima dell'analisi, viene sottratta la coppia dovuta ai contributi passivi e gravitazionali. La risposta del muscolo viene quantificata utilizzando il segnale EMG, che è stato bandito in passato, filtrato da 20 a 450 hertz, campionato a 1000 hertz e sincronizzato con i dati di coppia prima dell'analisi.

Il segnale viene rettificato e levigato a 10 hertz utilizzando un quarto ordine. Le risposte ricorsive del riflesso di stiramento del filtro di Butterworth vengono analizzate dalla condizione alla coppia e ai segnali EMG. Le misure di esito primarie di questa analisi includono sia il torque di picco che l'attività muscolare prolungata dopo l'allungamento finale.

Il dinamometro isocinetico viene utilizzato anche per ottenere una quantificazione precisa della forza volitiva. Superficie. Gli EMG sono applicati a quattro muscoli della coscia, tra cui il retto femorale, il vasto laterale, il vasto medio e il tendine del ginocchio mediale. Il gambo del paziente è fissato a un braccio dinamometrico accoppiato a una cella di carico a sei gradi di libertà.

L'asse dell'articolazione del ginocchio è allineato al centro della cella di carico. Con il paziente rilassato, il paziente viene istruito a generare la massima forza attorno all'articolazione. Per garantire la massima produzione di forza volitiva, viene fornito un vigoroso incoraggiamento verbale al paziente durante la contrazione.

Quando la coppia inizia a diminuire durante la contrazione, uno stimolo super massimale viene erogato ai quadricipiti attraverso elettrodi stimolanti con piastra in gel autoadesiva da tre x cinque pollici. I segnali di coppia ed EMG vengono raccolti e condizionati come nelle valutazioni del riflesso di allungamento dipendente dalla velocità. La coppia massima e le risposte EMG associate vengono valutate offline utilizzando la coppia di condizione e i segnali EMG.

Inoltre, i deficit nell'attivazione volitiva vengono valutati utilizzando il rapporto di attivazione centrale o auto. Un test graduato sul tapis roulant viene utilizzato per valutare la capacità di camminare. Il soggetto è assicurato al tapis roulant con un'imbracatura di sicurezza e apparecchiature di test, inclusi marcatori riflettenti, EMG di superficie, un cardiofrequenzimetro e un sistema metabolico portatile per eseguire il test del tapis roulant graduato.

La velocità iniziale del tapis roulant viene impostata a 0,1 metri al secondo e aumentata di 0,1 metri al secondo ogni due minuti fino a ottenere la velocità massima del paziente. La velocità massima del tapis roulant è definita come la velocità massima a cui il paziente è stato in grado di deambulare per almeno un minuto prima dell'instabilità dell'andatura. Le limitazioni cardiovascolari vengono raggiunte o la terminazione volontaria del test durante la camminata sul tapis roulant, vengono valutate più misure utilizzando un sistema di motion capture e un sistema EMG e il sistema metabolico portatile offline.

I dati di motion capture vengono tracciati manualmente per verificarne l'accuratezza e per l'analisi viene scelta un'epoca di almeno 10 cicli di passaggi. Il ciclo dell'andatura viene normalizzato in percentuale dall'appoggio del tallone all'altro e interpolato utilizzando una scanalatura cubica sia per l'angolo dell'anca che per quello del ginocchio. Gli angoli di picco dell'articolazione e le escursioni angolari durante il ciclo del passo sono determinati per ciascun soggetto.

Oltre a una misura della coordinazione intra arto, un focus primario è sulla coordinazione del piano sagittale, della cinematica dell'anca e del ginocchio, che può essere valutata osservando la coerenza dei grafici dell'angolo del ginocchio dell'anca. Il coefficiente medio di corrispondenza viene utilizzato per calcolare la coerenza della coordinazione tra gli arti. Il grafico dell'angolo dell'angolo del ginocchio dell'anca viene utilizzato per definire il co-segno e il segno della direzione del vettore.

Poiché la modifica degli angoli dell'anca e del ginocchio è stata normalizzata alla lunghezza vettoriale per ogni intervallo da fotogramma a fotogramma. Questi valori di segno e co-segno vengono calcolati in media su tutti i cicli di passaggio per ogni intervallo di fotogrammi corrispondente. Utilizzando questi valori medi, viene calcolata la lunghezza media del vettore per ogni intervallo da fotogramma a fotogramma.

La media aritmetica della lunghezza media del vettore in tutti gli intervalli da fotogramma a fotogramma sarà un valore da zero a uno e rappresenterà la dispersione complessiva delle coppie di anca e ginocchio durante il ciclo dell'andatura. Per valutare l'attività muscolare durante la deambulazione, i modelli di attività muscolare dei segnali EMG sono sincronizzati con i dati di acquisizione del movimento offline, il segnale DMG regolare è normalizzato alla percentuale del ciclo dell'andatura e mediato tra almeno 10 passi. Il tempo di accensione e spegnimento normativo dei muscoli degli arti inferiori durante la deambulazione viene stabilito utilizzando un database di controlli sani per ciascun muscolo I tempi di accensione e spegnimento normativi del particolare muscolo sono sovrapposti ai segnali EMG raccolti dal soggetto.

Il segnale EMG è integrato tra gli orari di accensione e spegnimento normativi. L'indice di spasticità è determinato dividendo il valore off per il valore on. Il picco di assorbimento di ossigeno durante il test graduato su tapis roulant viene determinato dopo aver scaricato i dati metabolici portatili su un computer per l'analisi.

Una volta completato il test sul tapis roulant, in particolare viene determinata la media dell'ultimo minuto di dati VO O2 per ogni epoca di velocità di due minuti e i risultati vengono tracciati per ciascuna velocità. I movimenti volitivi sono tipicamente avviati da segnali neurali nella corteccia motoria primaria. Questi segnali viaggiano attraverso il percorso corticospinale fino agli interneuroni spinali, compreso il generatore di pattern centrale e convergono a livello del motoneurone spinale.

Il motoneurone innerva direttamente il muscolo e provoca la contrazione muscolare. I movimenti volitivi V possono anche attivare vie parallele del midollo spinale del tronco encefalico o del bulbo spinale. Una funzione di queste vie bulbo-spinali è quella di regolare l'eccitabilità dei neuroni spinali attraverso il rilascio di neuromodulatori, in particolare la serotonina, e la lesione incompleta del midollo spinale provoca la perdita del pieno controllo volontario a causa dell'interruzione delle vie corticospinali.

Inoltre, i circuiti spinali e il motoneurone stesso diventano meno eccitabili a causa della parziale perdita di neuromodulatori dalle vie spinali del bulbo. Questi cambiamenti combinati contribuiscono ai deficit nelle funzioni motorie osservati nelle prime tre parti di questo video. Nei modelli animali, l'applicazione di neuromodulatori come la serotonina o i loro analoghi direttamente al midollo spinale, può rianimare questi circuiti spinali portando a un aumento della produzione motoria, un aumento dell'attività riflessa e una migliore capacità locomotoria.

L'ultima parte di questo video dimostrerà come stiamo cercando di tradurre questo quadro scientifico di base negli esseri umani. In un disegno crossover in doppio cieco, randomizzato, controllato con placebo, gli effetti della somministrazione orale acuta di inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina sull'attività motoria sono valutati in individui con lesione motoria incompleta del midollo spinale Le misure cliniche, tra cui l'Ashworth modificato, lo strumento di valutazione del midollo spinale per i riflessi spastici e il punteggio motorio degli arti inferiori indicano un aumento sia dell'attività riflessa involontaria che della generazione volontaria di forza dopo somministrazione orale di SSRI in un individuo con lesione midollare motoria incompleta. Inoltre, le misure statiche quantitative dell'attività motoria mostrano un aumento e prolungamento della coppia di flessione plantare della caviglia e dell'EMG in risposta a ripetuti allungamenti dei flessori plantari e all'aumento della coppia isometrica e un minore deficit di attivazione indicato da un maggiore rapporto di attivazione centrale.

Le misure dinamiche quantitative dell'attività motoria della cinematica dell'anca e del ginocchio durante la deambulazione utilizzando un CC rivelano una maggiore consistenza dopo la somministrazione di farmaci SSRI. È interessante notare che l'attività EMG degli arti inferiori durante la deambulazione mostra un aumento della tempistica inappropriata dell'attività muscolare dopo i farmaci SSRI. Infine, i parametri metabolici durante la deambulazione rivelano un modesto aumento del consumo di ossigeno durante il test graduato sul tapis roulant dopo la somministrazione di SSRI.

Sebbene questi cambiamenti siano osservati in individui con lesione midollare cronica incompleta, i dati preliminari suggeriscono che i cambiamenti nella lesione midollare subacuta incompleta possono essere più evidenti. Ad esempio, un individuo quattro mesi dopo la lesione midollare non è in grado di prendere provvedimenti senza assistenza fisica prima del farmaco. Dopo la medicazione SSRI, lo stesso individuo è in grado di adottare misure attraverso queste valutazioni cliniche e quantitative.

Abbiamo visto che la somministrazione acuta di inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina può migliorare la funzione motoria e la capacità di camminare in individui con lesione incompleta del midollo spinale. Tuttavia, è necessaria una formazione a lungo termine per rendere permanenti questi cambiamenti. Un obiettivo attuale del nostro laboratorio è quello di combinare questi interventi farmacologici con interventi fisici intensivi per rendere permanenti questi miglioramenti nella funzione motoria e nella capacità di camminare.