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

Lo scopo di questo protocollo è descrivere i cambiamenti nei comportamenti motori di individui con lesione midollare incompleta dopo la somministrazione di farmaci serotoninergici. A tal fine, vengono effettuate valutazioni standardizzate per analizzare parametri clinici di base, forza e comportamenti riflessi degli arti inferiori; per ottenere misurazioni più precise, vengono determinate valutazioni quantitative statiche della forza e della funzione riflessa di gruppi muscolari selezionati, con un'analisi specifica dei picchi di coppia volontaria e dell'eccitabilità del riflesso miotatico. Vengono quindi eseguite ulteriori valutazioni quantitative dinamiche per misurare i pattern cinematici degli arti inferiori, l'attività muscolare e i tempi, nonché l'efficienza metabolica durante la deambulazione su tapis roulant.

Infine, vengono somministrati farmaci serotoninergici secondo uno schema incrociato in cieco e le valutazioni vengono ripetute. Questo approccio della medicina traslazionale valuta sistematicamente gli effetti dei farmaci serotoninergici sui riflessi della forza volontaria e sulla capacità di camminare in soggetti con lesione midollare incompleta. La lesione del midollo spinale è un processo patologico debilitante, che provoca deficit profondi nel controllo motorio nelle fasi iniziali dopo il trauma.

Un obiettivo primario per la maggior parte dei pazienti è il recupero della deambulazione in individui con lesione incompleta, ovvero che conservano un controllo motorio residuo a livello distale rispetto al lato della lesione. Questo risultato può essere raggiungibile. I modelli animali hanno dimostrato che agenti farmacologici possono contribuire ad accelerare e promuovere il recupero del controllo motorio e della capacità di camminare.

Tuttavia, la traduzione di questi risultati all'uomo è limitata. Il nostro laboratorio sta cercando di trasporre questi risultati ottenuti sugli animali a soggetti umani con lesione midollare incompleta. Vorremmo porre la domanda: gli agenti farmacologici possono aiutare a favorire il recupero del controllo motorio e della capacità di camminare in individui con lesioni spinali incomplete?

La spasticità dei gruppi muscolari del quadricipite e dei flessori della coscia viene quantificata utilizzando la scala modificata di Ashworth per valutare la spasticità del quadricipite. L'esaminatore esegue un movimento passivo lento e rapido di flessione attorno all'articolazione del ginocchio. Analogamente, per valutare la spasticità dei flessori della coscia, l'esaminatore esegue un movimento passivo lento e rapido di estensione attorno all'articolazione del ginocchio.

I riflessi spasmodici vengono valutati su una scala da zero a quattro in base a criteri specifici. Un punteggio complessivo viene ottenuto convertendo questi punteggi grezzi in una scala ordinale e sommando bilateralmente l'entità o la durata degli spasmi flessori. Gli spasmi estensori e il clono 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 complessivo viene ottenuto sommando i punteggi all'interno e tra le gambe. La capacità di un individuo di contrarre volontariamente i muscoli viene valutata mediante il punteggio motorio degli arti inferiori, basato sulle linee guida dell'American Spinal Injury Association.

Vengono utilizzati criteri specifici per valutare la contrazione muscolare intorno a un'articolazione su una scala da zero a cinque. Un punteggio complessivo viene ottenuto attraverso la valutazione bilaterale dei miotomi L2, L3, L4, L5 e S1 e la somma dei punteggi. Nonostante questi chiari 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 compiere passi sul terreno con l'ausilio di un deambulatore con rotelle. Al fine di quantificare ulteriormente il riflesso miotatico dipendente dalla velocità, si utilizza un sistema che combina dinamometria isocinetica ed elettromiografia per misurare l'attività muscolare.

Electrodi di registrazione superficiali vengono applicati ai muscoli tibiali anteriori e al gastrocnemio mediale. La gamba del paziente è fissata a una pedana collegata a un cella di carico a sei gradi di libertà, e l'asse dell'articolazione della caviglia viene allineato al centro della cella di carico. I momenti torcenti passivi o gravitazionali sono ottenuti da perturbazioni di stiramento lente.

Si presume che questa risposta di coppia non abbia una componente riflessa e verrà sottratta dagli allungamenti rapidi. Per calcolare la risposta riflessa netta al fine di valutare l'eccitabilità del riflesso miotatico, vengono applicati al paziente rilassato singoli o multipli allungamenti in dorsiflessione o flessione plantare per valutare le variazioni dell'eccitabilità in funzione della velocità. Vengono misurate diverse velocità di rotazione, tra cui 30, 60 e 120 gradi al secondo.

La risposta di coppia è quantificata utilizzando il segnale di coppia, che è stato filtrato con un filtro passa-basso 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 è quantificata utilizzando il segnale EMG, che è stato filtrato con un filtro passa-banda tra 20 e 450 hertz, campionato a 1000 hertz e sincronizzato con i dati di coppia prima dell'analisi.

Il segnale viene rettificato e smussato a 10 hertz utilizzando un filtro Butterworth ricorsivo del quarto ordine. Le risposte del riflesso miotatico vengono analizzate in relazione ai segnali di coppia e di EMG. Le misure principali di esito di questa analisi comprendono sia la coppia massima sia l'attività muscolare prolungata successiva all'ultimo allungamento.

Il dinamometro isocinetico viene inoltre utilizzato per ottenere una quantificazione precisa della forza volontaria. Gli elettromiogrammi (EMG) vengono applicati a quattro muscoli della coscia, tra cui retto femorale, vasto laterale, vasto mediale e semitendinoso mediale. Il compartimento della gamba del paziente è collegato a un braccio del dinamometro, che a sua volta è collegato a una cella di carico a sei gradi di libertà.

L'asse dell'articolazione del ginocchio viene allineato al centro della cella di carico. Con il paziente rilassato, gli viene chiesto di generare una forza massima intorno all'articolazione. Per garantire una produzione massimale di forza volontaria, durante la contrazione viene fornita al paziente un'incoraggiamento verbale energico.

Quando la coppia inizia a diminuire durante la contrazione, viene somministrato un stimolo sovramassimale al quadriceps attraverso elettrodi stimolanti a piastre di gel autoadesivi di dimensioni tre per cinque pollici. I segnali di coppia ed EMG vengono raccolti e condizionati come nelle valutazioni del riflesso miotatico dipendente dalla velocità. La coppia massimale e le risposte EMG associate vengono valutate in sede analitica utilizzando i segnali di coppia ed EMG condizionati.

Inoltre, i deficit nell'attivazione volontaria vengono valutati utilizzando il rapporto di attivazione centrale o car. Un test graduato su tapis roulant viene utilizzato per valutare la capacità di camminata. Il soggetto viene fissato al tapis roulant con un'imbracatura di sicurezza e apparecchiature per il test, incluse marcatori riflettenti, elettromiogrammi superficiali, un monitor della frequenza cardiaca e un sistema metabolico portatile per eseguire il test graduato su tapis roulant.

La velocità iniziale del tapis roulant è impostata a 0,1 metri al secondo e aumentata di 0,1 metri al secondo ogni due minuti fino al raggiungimento della velocità massima del paziente. La velocità di picco sul tapis roulant è definita come la velocità più elevata alla quale il paziente è stato in grado di camminare per almeno un minuto prima dell'insorgenza di instabilità della deambulazione. Vengono raggiunti i limiti cardiovascolari o si verifica la sospensione volontaria del test durante la camminata sul tapis roulant; in tale momento, diverse misurazioni vengono effettuate offline utilizzando un sistema di analisi del movimento, un sistema di elettromiografia (EMG) e un sistema metabolico portatile.

I dati di motion capture vengono verificati manualmente per garantire l'accuratezza e viene selezionato un periodo di almeno 10 cicli del passo per l'analisi. Il ciclo della deambulazione viene normalizzato in percentuale da contatto del tallone a contatto del tallone ed interpolato mediante una spline cubica per gli angoli dell'anca e del ginocchio. Per ogni soggetto vengono determinati gli angoli articolari massimi e le escursioni angolari durante il ciclo della deambulazione.

Oltre a una misura della coordinazione intra-arti, l'attenzione principale è rivolta alla coordinazione delle cinematiche dell'anca e del ginocchio nel piano sagittale, che può essere valutata osservando la coerenza dei grafici dell'angolo anca-ginocchio. Il coefficiente medio di corrispondenza viene utilizzato per calcolare la coerenza della coordinazione inter-arti. Il grafico dell'angolo anca-ginocchio viene utilizzato per definire il co-segno e il segno della direzione del vettore.

Come variazione degli angoli dell'anca e del ginocchio normalizzata rispetto alla lunghezza del vettore per ogni intervallo tra frame successivi. Questi valori di seno e coseno vengono mediati su tutti i cicli del passo per ciascun intervallo corrispondente tra frame. Utilizzando questi valori mediati, si calcola la lunghezza media del vettore per ogni intervallo tra frame successivi.

La media aritmetica della lunghezza del vettore medio su tutti gli intervalli da fotogramma a fotogramma sarà un valore compreso tra zero e uno e rappresenterà la dispersione complessiva delle coppie anca-ginocchio durante il ciclo della deambulazione. Per valutare l'attività muscolare durante la deambulazione, i pattern di attività muscolare derivati dai segnali EMG vengono sincronizzati offline con i dati di motion capture; il segnale DMG regolarizzato viene normalizzato rispetto alla percentuale del ciclo della deambulazione e mediato su almeno 10 passi. I tempi normativi di attivazione e disattivazione dei muscoli dell'arto inferiore durante la deambulazione vengono stabiliti utilizzando un database di soggetti sani; per ciascun muscolo, i tempi normativi di attivazione e disattivazione vengono sovrapposti ai segnali EMG raccolti dal soggetto.

Il segnale EMG viene integrato tra i tempi normativi di accensione e spegnimento. L'indice di spasticità è determinato dividendo il valore di spegnimento per quello di accensione. Il consumo massimo di ossigeno durante il test graduato sul 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 dei dati di VO₂ per ogni epoca di velocità di due minuti e i risultati vengono riportati in grafico per ciascuna velocità. I movimenti volontari vengono tipicamente iniziati da segnali neurali nella corteccia motoria primaria. Questi segnali viaggiano attraverso il tratto corticospinale fino ai neuroni spinali di interconnessione, inclusi il generatore del pattern centrale, e convergono a livello del neurone motorio spinale.

Il neurone motore innerva direttamente il muscolo e provoca la contrazione muscolare. I movimenti volontari possono inoltre attivare vie parallele bulbo-spinale o del tronco encefalico verso il midollo spinale. Una funzione di queste vie bulbo-spinali è regolare l'eccitabilità dei neuroni spinali attraverso il rilascio di neuromodulatori, in particolare serotonina; una lesione incompleta del midollo spinale determina la perdita del completo controllo volontario a causa dell'interruzione delle vie cortico-spinale.

Inoltre, i circuiti spinali e il motoneurone stesso diventano meno eccitabili a causa della perdita parziale di neuromodulatori provenienti dai pathways bulbo-spinotali. 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 dei loro analoghi direttamente sul midollo spinale può riattivare questi circuiti spinali, portando a un aumento dell'output motorio, all'incremento dell'attività riflessa e al miglioramento della capacità locomotoria.

L'ultima parte di questo video illustrerà come stiamo cercando di tradurre questo schema di scienza di base negli esseri umani. In uno studio doppio cieco, randomizzato, controllato con placebo e con disegno crossover, vengono valutati gli effetti della somministrazione orale acuta di inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina sull'attività motoria in individui con lesione midollare incompleta del movimento. Misure cliniche, tra cui il test di Ashworth modificato, lo strumento di valutazione della lesione midollare per i riflessi spasmodici e il punteggio motorio degli arti inferiori, indicano un aumento sia dell'attività riflessa involontaria sia della generazione di forza volontaria dopo la somministrazione orale di SSRI in un individuo con lesione midollare incompleta del movimento. Inoltre, misurazioni quantitative statiche dell'attività motoria mostrano un aumento e un prolungamento della coppia di flessione plantare alla caviglia e dell'EMG in risposta a stiramenti ripetuti dei flessori plantari, nonché un incremento della coppia isometrica e un deficit di attivazione minore, indicato da un rapporto di attivazione centrale più elevato.

Le misure dinamiche quantitative dell'attività motoria della cinematica di anca e ginocchio durante la deambulazione, effettuate mediante un CC, mostrano un aumento della coerenza dopo la somministrazione di farmaci SSRI. In modo interessante, l'attività EMG degli arti inferiori durante la deambulazione evidenzia un aumento della tempistica inappropriata dell'attività muscolare a seguito della terapia con SSRI. Infine, i parametri metabolici durante la deambulazione mostrano un lieve aumento del consumo di ossigeno durante il test su tapis roulant con carico progressivo dopo l'assunzione di SSRI.

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

Abbiamo osservato che la somministrazione acuta di inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina può migliorare la funzione motoria e la capacità di camminare in soggetti con lesione midollare incompleta. Tuttavia, è necessario un allenamento a lungo termine per rendere questi miglioramenti permanenti. Un obiettivo attuale del nostro laboratorio è combinare questi interventi farmacologici con interventi fisici intensivi al fine di rendere duraturi i miglioramenti della funzione motoria e della capacità di camminare.