人間の不完全なSCIにおける運動機能の薬理学的に誘起される変化を定量化する方法

Summary

このビデオでは、セロトニン再取り込み阻害剤（SSRI）の急性経口投与の結果として、モータ不完全なSCIを持つ個人の臨床および定量的評価を通じて、意志の強さと歩行、反射活動の変調を示しています。

Abstract

脊髄損傷（SCI）は随意運動の制御に深遠な赤字を生成する消耗性疾患、である。医療安定化に続いて、SCIからの回復は通常、長期的なリハビリテーションを行います。歩行能力の回復は受傷後早期に多くの患者の主要な目標ですが、モーター不完全なSCI患者は、意志のコントロールの部分的な保存を示す、この目標を達成するために必要な十分な残留降順経路を持つことができます。しかし、物理的な介入にもかかわらず、脱力感、および痙攣や痙攣と呼ばれる異常な不随意の反射活動の現れ、を含む運動障害は、軽減歩行の回復に寄与すると考えられる。空論の思想は、SCIに関連付けられているこの異常な運動反射の改善は、患者への機能的なメリットを生み出すことを示唆している。これらの戦略は、歩行能力を改善することを示唆少し実証的データがあるように続けるが、例えば、医師やセラピストが、痙性や痙攣を減少させるに向け、特定の薬理学的または物理的な介入を提供します。

過去数十年の間に、データの蓄積は、セロトニン（5HT）とノルエピネフリン（NE）を含むモノアミンのアクションを、模倣したり容易にするエージェントを含む特定の神経調節剤は、SCIの動物モデルでの歩行動作を開始または拡張できることを示唆している。興味深いことに、5HTergicアゴニスト、特に、これらの薬剤の多くは、顕著に順番にもこれらの動物における反射活動を増加させる脊髄の興奮性を、高めることができます。基本的な科学実験からヒトのSCI、実証的証拠を、以下の回復の伝統的な理論の直感に反するが運動行動のこの反射超興奮性と世代が神経調節入力（5HT）で並列に駆動され、SCI、以下の機能回復のために必要であることを示唆している。

調査結果の直接の翻訳は非常に困難になることができますが、人間のSCI後の回復を促進するための基本的な科学的研究から派生したこの新しい概念のアプリケーションは、シームレスに見えるかもしれません。特に、動物モデルにおいて、移植されたカテーテルは、直接脊髄の回路上に非常に特定の5HTアゴニスト化合物の送達を容易にします。この技術の人間への変換は、人間の臨床試験のために安全かつ有効である5HT受容体サブタイプに向け、特定の手術手技や使用可能な薬理学的作用物質の不足によって妨げられている。しかし、そのような選択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）として一般に入手可能な5HTergic剤の経口投与は、ヒトの歩行の回復を容易にするために中央の5HT濃度を高めるために実行可能な選択肢かもしれません。これらのSSRIは強さ、反射、および歩行能力の回復上の特定の焦点を当てて、SCIに続く人間の運動行動を調節する方法の体系的な定量化は、欠落している。

このビデオデモでは、体系的かつ定量的に反射活動の変調、人間のSCIのSSRIの急性経口投与後の意志の強さと歩行を評価するために進歩的な試みです。エージェントは、集中的な物理的な介入と組み合わせて繰り返し薬剤投与を含む長期的な研究で、この患者集団で運動機能に直接的な影響を評価するために、単一の日に適用されます。

Protocol

モーター不完全なSCI患者では運動活動にSSRIの急性経口投与（10 mgのエスシタロプラムシュウ酸、レクサプロ、森ティカルズ社）の効果を評価するために、二重盲検、無作為化は、プラセボ対照クロスオーバーデザインを採用しています。包含基準の一部として、被験者はSSRIのに既知の相互作用を持つすべての抗うつ薬、抗痙攣薬や他の薬物のための期間休薬14日間を受けることが要求されます。

二つの時間は、臨床、定​​量的な静的および定量的な動的な評価で構成され、実験的なプロトコルのそれぞれに対して要求される。 4.5時間の遅延は、薬剤投与（ピークの血漿中濃度までの時間^）7以下が与えられます。被験者は前投薬のテスト中に使用される同一の実験的なセットアップとパラダイムを用いて薬剤の投与後に再テストされます。次の事前、最初の薬（SSRIまたはプラセボ）、7日間の最小の事後テストには2つの試験条件（薬剤の半減期は約27時間である）を分離。

パート1：臨床評価

変性アシュワース

大腿四頭筋とハムストリングの筋肉群の痙性が修正アシュワーススケール（マッシュ）を用いて定量される。

1. 個々のパッド入りのマットの上に仰向けに置かれます。
2. 痙性反射が'1 +'等級に加えて、全体の数字で構成される0から4のスケールで評定されます。等級の基準は、以下の表（表1）に基づいています。
3. 大腿四頭筋の痙性を評価するために、患者の足がマットからオフ発生し、完全に対側の脚を伸ばして、太ももと足首の下のサポートによって拡張。ストレッチは、膝関節について活発な受動的な屈曲を提供することにより、大腿四頭筋に提供されています。ストレッチへの応答は以下のスケールにしたがって定量化される。
4. ハムストリングの痙性を評価するために、患者の足がマットからオフ発生し、完全に対側の脚を伸ばして、太ももと足首の下のサポートにより、屈曲。ストレッチは、膝関節について活発な受動的な拡張を提供することにより、ハムストリングスに提供されています。ストレッチへの応答は以下のスケールにしたがって定量化される。
5. 生の得点が順序尺度に変換し、コンポジットス​​コアを得るために二国間で合計されます。

痙性反射、脊髄の評価ツール

屈筋痙攣、伸筋痙攣、およびクローヌスの大きさや持続時間は、痙性反射神経、脊髄の評価ツール（SCATS）を用いて定量され

1. 個々のパッド入りのマットの上に仰向けに置かれます。
2. 痙性反射は全体の数字を使って0から3のスケールで評定されます。等級の基準は、以下の表（表2）に基づいている。
3. 屈筋の攣縮を評価するために、両足が完全に除去、患者の靴と靴下で拡張されています。ピンプリックは、被験者の足の内側アーチに1秒間に適用されます。足の親指、膝と股関節の動きの大きさは以下のスケールにしたがって定量化した。
4. 対側の脚を伸ばして伸筋痙攣を評価するために、足は、股関節屈曲と膝屈曲の110 °の90 °でサポートされています。この位置から脚が盛んに拡張され、マットの上に安置されている。優れた膝蓋骨の変位が述べたように目に見える大腿四頭筋活動の持続時間は、、以下の規模にしたがって定量化される。
5. クローヌスを評価するために、対側の脚を伸ばして、下肢はマットから少し持ち上げられ、足首は若干の底屈にニュートラルに配置されます。 plantarflexorsへの伸張は、足首の活発な受動的背屈を経由して配信されます。間代性破裂の期間は、以下の尺度にしたがって定量化される。
6. スコアはコンポジットス​​コアを得るために足の内との間に合計されます。

下肢の運動スコア

volitionally筋節にしたがって筋肉を収縮するため、個々の能力は、アジア下肢の運動スコア（LEMS）を用いて評価される。

1. 個々のパッド入りのマットの上に仰向けに置かれます。
2. 強さは、全体の数字を使って0から5のスケールで採点される。等級の基準は、以下の表（表3）に基づいている。
3. 股関節屈筋（L2筋節）は、仰臥位から​​股関節を屈曲する患者の試みを持つことによって評価され、手動の抵抗は、必要に応じて提供されています。患者が完全に重力に逆らって移動することができない場合、外部から重力や股関節屈曲の影響を軽減するために回転させる股関節が再試行されます。
4. 膝伸筋（L3筋節）が審査官の前腕についてはピボット、フレックスの位置から膝を拡張するために患者の試みを持つことによって評価され、手動の抵抗は、必要に応じて提供されています。患者が完全に重力に逆らって移動することができない場合、ヒップは外部から電子を軽減するために回転させ重力と膝伸展のffectsが再試行されます。
5. 足首のdorsiflexors（L4筋節）は必要に応じて提供されて足の拡張、手動の抵抗と背屈させる足首に患者の試みを持つことによって評価されています。患者が完全に重力に逆らって足首を動かすことができない場合、外部から重力や足首背屈の影響を軽減するために回転させる股関節が再試行されます。
6. 足の親指の伸筋（L5筋節）が足を伸ばし、足首がplantarflexedで手動抵抗が必要に応じて提供され、足の親指を拡張するために患者の試みを持つことによって評価されています。患者が完全に重力に逆らってつま先を動かすことができない場合、股関節は外部から重力の影響を軽減するために回転させ、そして足の親指の拡張子が再試行されます。
7. 足首のplantarflexiors（S1筋節）が手動抵抗で拡張脚底屈するの患者の試行が必要に応じて提供されることによって評価されています。患者が抵抗との完全な範囲で足首を動かすことができない場合、股関節と膝がマットの上に足の足底表面を配置するために屈曲され、患者は彼らのつま先で立ち上がるように頼まれる。患者は完全に彼らのつま先にまで上昇することができない場合、ヒップが外部から重力や足首の底屈の影響を軽減するために回転させるには再試行されます。
8. 下肢の運動スコアは、両側の各筋肉グループのための結果を加算して計算されます。

パート2：定量的静的アセスメント

速度依存性の伸張反射

筋電図検査（EMG）に加えて、等速吸引ダイナモメータを使用して、正確なストレッチを適用することができると定量的な応答を評価することができます。

1. 個々が快適に（Biodexシステム3、シャーリー、ニューヨーク州）試験装置に装着されている
2. 表面筋電図はヒラメ筋と内側腓腹筋に適用されます。
3. 脚部が6自由度のロードセルの度合い（ATX産業用オートメーション、エイペックス、ノースカロライナ州）と足首関節軸に結合フットプレートに接続されているロードセルの中心に配置されます。
4. 患者に背屈（DF）または底屈（PF）にリラックスした、単一または複数のストレッチは、5、30、60および120度/秒を含む様々な回転速度で適用されます。
5. トルクの応答を定量化するために、トルク信号は、200Hzので濾過1000 Hzでサンプリングし、EMGデータと同期化されます。受動的と重力トルクが遅いストレッチ摂動（5度/秒）から入手し、反射応答を計算するために急速な伸張から減算されています。ストレッチは、それぞれのDFとPFの遠足のためのセグメント化、最小値と最大トルクが特定され、ピークトルクがこの値の差として定義されています。
6. EMGの応答を定量化するために、EMG信号は、20 - 450Hzで濾過1000 Hzでサンプリングし、トルクのデータと同期化されます。信号が整流され、10で4 ^番目の順序再帰バターワースフィルタ、および平滑化された信号の領域を使用して、Hzのローパスがすべての遠足のアゴニストおよびアンタゴニストのために計算される平滑化される。摂動のために、EMGは、最後のホールドポジション時の移動の停止後しばしば認められる。統合されたEMGの領域は、最大3秒間ホールドフェーズに伸びる最後のジョイントの回転の初めから開始して、計算されます。

等尺性強

意志の強の正確な定量化は、等速性筋力計を用いて得ることができる。

1. 個々が快適に装置をテストするに装着されている。
2. 表面筋電図は、腹直筋大腿、内側hamsting、外側広筋、前脛骨筋、ヒラメ筋と内側腓腹筋（Delsys 2.1、ボストン、MA）を含む、各脚部の6つの主要な筋肉グループに貼られています。脚部は、関節軸がロードセルの中心に配置さ自由のロードセルと膝の6度に結合フットプレートに取り付けられています。
3. 患者がリラックスして、患者は最大の力を発生するように指示されます。最大の意志力の生産を確保するために、積極的な言葉の励ましは、実験者によって患者に提供されています。刺激3"× 5"自己接着性、ゲルプレートを介して、トルクが低下し始めると、超最大刺激は、アゴニスト（S48グラス、ウェストワーウィ​​ック、ロードアイランド10パルス、600μsの期間、100 Hzの、135 V）に配信されます電極（ConMedコーポレーション、ウティカ、ニューヨーク州）。トルクとEMGを収集し、速度に依存するストレッチ（手順2）のように条件付けされています。
4. オフライン
5. 最大トルクの応答を定量化するために、平滑化された信号のピークトルクが検出された。最大トルクはピークトルクの± 50msのを生成する平均トルクとして定義されています。
6. EMGの応答を定量化するために、最大のEMGは前にピークトルクの100ミリ秒、0〜現在の平均的な信号として計算されます。
7. 意志活性化に赤字を定量化するために、中央の活性化率は式1で計算されます。この式ではT _自発的に自主的なトルクprodに指し電気刺激とTelectricalがピーク電気的トルクを誘発するために参照する前に100ミリを^uced。8

方程式＃1

パート3：定量的ダイナミックアセスメント

ピークトレッドミルの速度

機能的な歩行はトレッドミルの速度を得るために傾斜トレッドミルテストを利用して評価されます。

1. 件名は、動きを制限しないと体重のサポートを提供しないオーバーヘッドセーフティハーネスを使用してトレッドミル（Bertec、コロンブス、オハイオ州）に固定される。心拍数のモニターが貼付されています。反射マーカーのセットが変更されたクリーブランドクリニックのテンプレート（32反射マーカー）を使用して適用されます。表面筋電図は、腹直筋大腿含む各脚部の6つの主要な筋群、内側hamsting、外側広筋、前脛骨筋、ヒラメ筋と内側gastrocnemious（Noraxon、スコッツデール、アリゾナ州）に固定されている
2. 被験者は、0.1 m / sの時にトレッドミルの上を歩くを開始速度は0.1 m / sとで2分毎に速度を増加さ
3. 試験は3条件下で終端されています
   1. 意志の疲労
   2. 歩行不安定
   3. アメリカスポーツ医学会（ACSM）のガイドライン^9〜従った
      1. 主観的運動強度の評価= 20
      2. 予測最大の10拍内での心拍数
      3. 呼吸交換比= 1.15
4. 少なくとも1分間得られた最大速度は、ピーク時のトレッドミルの速度として記録されます。

歩行運動学

を含む複数の運動学的な対策を歩くトレッドミルの間に、動きのピーク範囲、ピーク速度と変動は、モーションキャプチャシステム（モーション解析、サンタローザ、カリフォルニア州）を用いて評価されています。股関節と膝関節の間にintralimb調整の一貫性は、対応の平均係数^（、10 ACC）を計算することにより定量化されます。 ACCは、角角のプロット上矢状面の股関節と膝関節の角度を分析するためにベクトル符号化技術を使用しています。

1. モーションキャプチャカメラは前のそれぞれの使用するメーカーの勧告に従って校正されています。データ収集中に、データは6台のカメラから100 Hzでサンプリングされます。
2. オフラインで、モーションキャプチャデータを手動で正確さとポストSSRIの事前のいずれかで得られる絶食速度で少なくとも10ステップサイクルの時代のために追跡されている分析のために隔離されています。
3. 歩行周期は、ヒールストライクからヒールストライクにパーセントに正規化し、股関節と膝関節角度の両方の次スプラインを使用して補間されます。
4. 股関節膝関節角度 - 角度プロット（図3a）構築されます。
5. 平均余弦と股関節の正弦（x）と膝（y）は分析（式1-2）のために分離されたすべてのステップ間で計算された各フレーム間の間隔については、それぞれベクトルの長さ（L）に正規化。

方程式＃2

方程式第3位

6. 各フレーム間の間隔の平均ベクトルは、分析（式3）のために分離されたすべてのステップ間の平均フレーム間の正弦と余弦の値を使用して計算されます。

方程式第4位

7. 平均ベクトルは、（）、フレーム間の間隔または複数のステップサイクル（式4）以上の股関節と膝関節の間にintralimb調整の一貫性の変化の連続的な変動を表しています。 = 1のときサイクルはステップ（図3b）の間に徐々に弱くなりintralimb一貫性を示す値が1未満と完全に一致している。

式＃5

歩行時の筋活動

歩行時の筋活動は、EMG信号を用いて定量される。

1. モーションキャプチャデータと同期しながらEMGの応答を収集するには、EMG信号はハードウェア、1000 Hzでサンプリング、20 - 450Hzでフィルタされます。
2. ラインオフ、信号が整流とローパスリニアエンベロープを作成する4 ^番目の順序再帰的なバターワースを使用して20Hzでフィルタ処理された動きのアーティファクト全波を削除するには、30Hzでフィルタ処理されたハイパスです。平滑EMG信号は、パーセントの歩行周期に正規化し、ポストSSRIのどちらか、事前に取得した絶食時の速度で少なくとも10のステップの間に平均化されます。
3. 筋活動の規範的な値は、時間とオフ時間の規範を確立するために健康なコントロールのデータベースを使用して確立されています。以下の表は、歩行CYを通じて6筋肉の規範的活動を紹介CLE。
4. 各筋肉のための時間とオフ時間が規範は、被験者から採取したEMG信号でオーバーレイされます。オン時間とオフ時間の統合された領域が計算されます。痙縮のインデックス（SI）は、式5から¹¹まで計算されます。代表的な結果は、図3cに示されています。

方程式＃6

歩行時の代謝の録音

K4b2ポータブル代謝系を（米国株、シカゴILをCosmed）を使用して段階的なトレッドミル試験中に、代謝/心肺能力はピーク酸素摂取量の測定（液/ kg /分VO2 _ピーク ） _を用い_て評価される。

1. 代謝システムは、メーカーの推奨に従って校正され、患者に固定されている。
2. VO2のベースラインの測定は、2分間の最小値のための着座位置にし、再度2分間の最小スタンディングポジションで得られる。代謝システム上の内部ユーザ制御のマークは、イベントを同期するために使用されます。
3. トレッドミルの上を歩いている間VO2は、速度の増加（各2分）で実験者が提供するマニュアル符で収集されます。
4. トレッドミルテストした後、データをさらに分析するためのパーソナルコンピュータにダウンロードされます。
5. VO2データは、各2分の速度の時代の最後の分を平均して分析し、それぞれの速度（図3d）のためにプロットされます。

図1。運動活性の臨床的指標に注目すべき変化があるモーター不完全なSCIと個々のSSRIの経口投与。不随意の反射活動の両方の対策は、マッシュ（A）とSCATSは、（B）2つの臨床尺度は、拡張非自発的活動のさまざまな側面をキャプチャすることを示唆し、さまざまな程度に増加した。 （C）さらに、意志の強さの臨床的に検出可能な変化は、SSRIの投与後に観察される。

図2。モーター不完全なSCI運動の定量的な静電気対策に顕著な変化があると、個々のSSRIの経口投与。 （A）拡張と長引く足首の底屈トルクとEMGは、SSRIの投与後plantarflexorsの繰り返しストレッチに対応して観察される。の増加等尺性トルクは、SSRIの投与後に見られている。興味深いことに、個々がより完全にSSRIの投与後の最大随意収縮中に筋肉を活性化することができることを示すSSRIの投与後、以下の活性化の赤字（以上のCAR）は、あります。

図3個々のSSRIの経口投与後自発運動量の定量的な動的な施策の変化があるモーター不完全なSCIと。 ACC（B）を用いて歩行時の股関節と膝関節運動の変動性（）の分析は、SSRIの薬に続く増加の整合性があることを明らかに、両方の前と後の対策は0.7 m / sの時です。 （C）歩行時の分析の下肢筋電図活動はSSRIの薬は、次の筋活動の不適切なタイミングの増加を明らかに、両方の前と後の対策は0.7 m / sの時です。 （D）歩行時の代謝パラメータの分析は、SSRIの投与後の段階的なトレッドミル試験中の酸素消費の緩やかな増加を明らかにする。

グレード	（序スコア）	の基準
0	（0）	筋緊張の増加なし
1	（1）	患部（s）が屈曲または伸展で移動される動きの範囲の最後にキャッチ＆リリースによって、または最小限の抵抗で現れる筋緊張のわ​​ずかな増加、
1 +	（2）	ROMの残りの部分で最小限の抵抗が続くcatchで現れる筋緊張のわ​​ずかな増加、、（半分以下）
2	（3）	より多くのROMのほとんどを通じて、筋緊張の著しい増加が、影響を受ける部分（s）は簡単に移動
3	（4）	筋緊張の大幅な増加、困難な受動運動
4	（5）

表1：マッシュの得点 ^、12から変更

グレード	の基準
	屈筋	伸筋	クローヌス
0	は反応しない	は反応しない	は反応しない
1	膝屈曲、股関節または母趾の延長で遠足の10 °未満	活動は、3秒未満に維持される	クローヌスが3秒未満に維持される
2	10 °〜30膝で屈曲し、股関節は°	活動は3〜10秒持続	クローヌスは3〜10秒持続
3	30 °または膝関節と股関節屈曲の大きい	活動は、10秒以上持続する	クローヌスが10秒以上持続する

表2：SCATSの得点 ^、13から変更

グレード	の基準
0	目に見えるまたは触知筋収縮は認められなかった
1	目に見えるか明白な筋肉が記載されています
2	筋肉は、少なくとも一度、それは重力が除去されている位置で動きの全範囲を通して挿入されている四肢の一部を移動することができます
3	筋肉は、少なくとも一度、それは重力が克服しなければならないの位置で動きの全範囲を通して挿入されている四肢の一部を移動することです。
4	筋肉は、グレード3で説明した機能を実行することができますし、審査官の努力に対して多少の抵抗を提供することが可能です
5	筋肉は、審査官の判断で、審査官の努力に対する抵抗性の正常な量発揮することが可能です

表3：LEMSのスコアリング

筋肉	歩行周期のパーセント
		の	オフ
RF	00から30と55から75	30から55と75から100
VL	00から30と55から75と95から100	30から55と75から95
MH	0から25と65から100	25から65
MG	5から55	0から5と55から100
SOL	5から55	0から5と55から100
TA	0から15まで	15から100

表4：歩行時のLE筋肉のオン時間とオフ規範

Discussion

このビデオデモでは、反射活動の変化、人間のSCIのSSRIの急性経口投与後の意志の強さと歩行を評価するための方法を強調しています。アセスメントのこのバッテリーは、SSRIの急性経口投与後、いわゆる異常な反射活動の増加にもかかわらず、SCIと個々の運動能力のわずかな変化で、意志の強さの改善を示したことを示している。これらの個体では拡張の痙性の影響は、歩行機能に有害表示されません。また、歩行能力の改善は、急性病変を有する患者においてより顕著かもしれません。継続的な研究では、SCIの動物モデルで採用されているように、複合SSRIと集中的な物理的な介入の有効性を判断するためにこれらの同じような定量的および臨床的評価を使用してください。長年、比較的新しい基礎科学の研究に基づいて、健全な理論的枠組みと、これらの方法は臨床人口に翻訳などの情報を得ることができますし、SCIを持つ個人の機能回復を強化するために臨床現場で使用されている伝統的なプロトコルのいくつかを忌避することができる。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
等速性ダイナモメーター	バイオデックス	システム3 リハビリツールキット
EMGシステム	Delysis	Bagnoli 2.1
EMGシステム	Noraxon	Mayosystem 1400a
メタボリック	ConMed	K4B2
ロードセル	ATI	シータ
フォース トレッドミル	Bertek Pharmaceuticals	FIT
モーションキャプチャ	ー・モーション・アナリシス(株)	イーグル3