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

このプロトコルの目標は、セロトニン作動薬の投与後の不完全な脊髄損傷患者の運動行動の変化を説明することです。これを達成するために、標準化された評価が行われ、ベースライン、下肢の強度、反射行動の臨床測定値が評価され、より正確な測定値が得られ、選択された筋肉群の強度と反射機能の定量的静的評価が、ピーク意欲トルクと伸張反射興奮性の特定の調査によって決定されます。次に、トレッドミル歩行中の下肢の運動パターン、筋肉活動、タイミング、および代謝効率を測定するために、追加の定量的動的評価が実行されます。

最後に、セロトニン作動薬は盲検化されたクロスオーバーデザインで投与され、評価が繰り返されます。このトランスレーショナルメディシンのアプローチは、不完全な脊髄損傷を持つ個人の意志、筋力反射、および歩行能力に対するセロトニン作動薬の効果を体系的に評価します。脊髄損傷は衰弱させる病気のプロセスであり、損傷後早い段階で運動制御に深刻な障害を引き起こします。

ほとんどの患者にとっての主な目標は、不完全な病変を持つ個人の歩行の回復であり、つまり、病変の側面から遠位にまだ運動制御が残っていることを意味します。この頭蓋骨は入手できるかもしれません。動物モデルでは、薬理学的薬剤が運動制御と歩行能力の回復を加速および促進するのに役立つことが示されています。

しかし、これらの知見をヒトに応用することは限られています。私たちの研究室では、これらの動物の発見を不完全な脊髄損傷を持つ人間に翻訳しようとしています。私たちは、薬理学的薬剤が不完全な脊椎病変を持つ個人の運動制御と歩行能力の回復を促進するのに役立つかという質問をしたいと考えています。

I、大腿四頭筋とハムストリングの筋肉群の痙縮は、修正されたアシュワーススケールを使用して定量化され、大腿四頭筋の痙縮を評価します。審査官は、膝関節の周りにゆっくりとした活発な受動的な屈曲運動を生成します。同様に、ハムストリングの痙縮を評価するために、検査官は膝関節の周りにゆっくりと活発な受動的伸展を生成します。

痙性反射は、特定の基準に基づいて0から4のスケールで評価されます。複合スコアは、これらの生のスコアを序数スケールに変換し、屈筋痙攣の大きさまたは期間を両側で合計することによって得られます。伸筋痙攣と結腸は、脊髄評価ツールを使用して定量化されます。

痙性反射の場合、患者の反応はリストされた基準に基づいて評価されます。複合スコアは、レッグ内およびレッグ間のスコアを加算することによって取得されます。個人が自発的に筋肉を収縮させる能力は、米国脊髄損傷協会のガイドラインに基づく下肢運動スコアを使用して評価されます。

指定された基準を使用して、ジョイントの周りの収縮を0から5のスケールで評価します。複合スコアは、L two、L three、L four、L five、および S one 筋節を両側で評価し、スコアを加算することによって得られます。反射活動と筋力の臨床評価におけるこれらの明らかな欠陥にもかかわらず、この患者は体重を支えながらトレッドミルでステップを踏むことができます。

さらに、患者はローリングウォーカーの助けを借りて地上でステップを踏むことができます。速度依存性の伸張反射をさらに定量化するため。等速性ダイナモメトリーと筋電図法を組み合わせたシステムを使用して、筋肉の活動を測定します。

表面記録電極は、脛骨の前部および内側胃肛門に適用されます。患者の脚はフットプレートに取り付けられ、6自由度のロードセルに結合され、足首の関節軸はロードセルの中心に位置合わせされます。受動的トルクまたは重力トルクは、低速ストレッチ摂動から得られます。

このトルク応答は、反射成分を持たないと仮定され、ラピッドストレッチから差し引かれます。伸張反射の興奮性を評価するための正味反射反応を計算するために、弛緩した患者に背屈または足底屈への単一または複数回のストレッチを適用して、速度に伴う興奮性の変化を評価します。毎秒30度、60度、120度など、さまざまな回転速度が測定されます。

トルク応答は、ローパス、200ヘルツでフィルタリング、1000ヘルツでサンプリングされ、EMGデータと同期されたトルク信号を使用して定量化されます。解析に先立って、受動的および重力的な寄与によるトルクが差し引かれます。筋肉の応答は、以前は禁止されていたEMG信号を使用して定量化され、20〜450ヘルツでフィルタリングされ、1000ヘルツでサンプリングされ、分析前にトルクデータと同期されます。

信号は整流され、4 次を使用して 10 ヘルツで平滑化されます。再帰的バターワースフィルターの伸張反射応答は、状態からトルクおよびEMG信号まで分析されます。この分析の主な結果の測定値には、ピーク トルクと最終ストレッチ後の長時間の筋活動の両方が含まれます。

等速性ダイナモメーターは、意志強度の正確な定量化を得るためにも使用されます。表面。筋電図は、大腿直筋、外側広筋、中筋、内側ハムストリングの4つの筋肉に装着されます。患者のシャンクは、6自由度のロードセルに結合されたダイナモメーターアームに取り付けられています。

膝関節の軸は、ロードセルの中心に位置合わせされています。患者がリラックスした状態で、患者は関節の周りに最大の力を発生させるように指示されます。最大限の意志力の生成を確保するために、収縮中に患者に活発な口頭での励ましが提供されます。

収縮中にトルクが低下し始めると、3 x 5インチの自己接着性ゲルプレート刺激電極を介して、超最大刺激が大腿四頭筋に供給されます。トルク信号とEMG信号は、速度依存性の伸張反射評価と同様に収集され、調整されます。最大トルクと関連するEMG応答は、条件トルクとEMG信号を使用してオフラインで評価されます。

さらに、意欲的活性化の欠損は、中心活性化率または車を使用して評価されます。段階的なトレッドミルテストは、歩行能力を評価するために使用されます。被験者は、安全ハーネスと反射マーカー、表面筋電図、心拍数モニター、ポータブル代謝システムなどの試験装置を使用してトレッドミルに固定され、段階的なトレッドミルテストを実行します。

トレッドミルの初期速度は毎秒0.1メートルに設定され、患者の最大速度が得られるまで2分ごとに毎秒0.1メートルずつ増加します。トレッドミルのピーク速度は、歩行が不安定になる前に患者が少なくとも 1 分間歩行できた最高速度として定義されます。トレッドミル歩行中に心血管の制限に達したか、テストが自発的に終了した場合、モーションキャプチャシステムとEMGシステム、およびポータブル代謝システムをオフラインで使用して複数の測定値が評価されます。

モーションキャプチャデータは精度のために手動で追跡され、分析のために少なくとも10ステップサイクルのエポックが選択されます。歩行サイクルは、ヒールストライクからヒールストライクへのパーセンテージに正規化され、ヒップと膝の両方の角度に対して3次スプラインを使用して補間されます。歩行サイクル中のピーク関節角度と角度の逸脱は、被験者ごとに決定されます。

四肢内協調の測定に加えて、主な焦点は矢状面、股関節、膝の運動学の調整にあり、これは股関節の膝の角度プロットの一貫性を見ることで評価できます。平均対応係数は、肢間協調の一貫性を計算するために使用されます。股関節の膝の角度プロットは、ベクトルの方向の連称と符号を定義するために使用されます。

股関節と膝の角度の変化は、フレーム間間隔ごとにベクトルの長さに正規化されます。これらの符号と連称の値は、対応するフレーム間隔ごとに、すべてのステップサイクルで平均化されます。これらの平均値を使用して、各フレーム間間隔の平均ベクトル長が計算されます。

すべてのフレーム間間隔の平均ベクトル長の算術平均は 0 から 1 の値になり、歩行サイクル全体での股関節と膝のペアの全体的な分散を表します。歩行中の筋活動を評価するために、筋電図信号からの筋活動パターンをオフラインでモーションキャプチャデータと同期させ、平滑DMG信号を歩行サイクルの割合に正規化し、少なくとも10ステップ間で平均化します。歩行中の下肢の筋肉の標準的なオンとオフの時間は、被験者から収集されたEMG信号に特定の筋肉の標準的なオンとオフの各筋肉の健康な制御のデータベースを使用して確立されます。

EMG信号は、規範的なオン時間とオフ時間の間に統合されます。痙縮指数は、オフ値をオン値で割ることによって決定されます。段階的なトレッドミルテスト中のピーク酸素摂取量は、ポータブル代謝データを分析のためにコンピューターにダウンロードした後に決定されます。

トレッドミルテストが完了すると、具体的には、2分間の速度エポックごとのVO O2データの最後の1分間の平均が決定され、結果が各速度についてプロットされます。意志運動は通常、一次運動皮質の神経信号から開始されます。これらの信号は、皮質脊髄経路を介して、中央パターン発生器を含む脊髄間ニューロンに伝わり、脊髄運動ニューロンのレベルで収束します。

運動ニューロンは直接筋肉を神経支配し、筋肉の収縮を引き起こします。Vの意志運動は、平行な脳幹脊髄または球根脊髄経路を活性化することもあります。これらの球根脊髄経路の1つの機能は、神経調節物質、特にセロトニンの放出を通じて脊髄ニューロンの興奮性を調節することであり、脊髄への不完全な病変は、皮質脊髄経路の破壊による完全な随意制御の喪失をもたらします。

さらに、脊髄回路と運動ニューロン自体は、球根脊髄経路からの神経調節物質の部分的な喪失により、興奮性が低下します。これらの複合的な変化は、このビデオの最初の3つの部分で観察された運動機能の欠損に寄与しています。動物モデルでは、セロトニンやその類似体のような神経調節物質を脊髄に直接適用することで、これらの脊髄回路を蘇生させ、運動出力の増加、反射活動の増加、自発運動能力の向上につながることができる。

このビデオの最後の部分では、この基本的な科学のフレームワークを人間にどのように翻訳しようとしているかを示します。二重盲検、無作為化、プラセボ対照クロスオーバーデザインでは、選択的セロトニン再取り込み阻害剤の急性経口投与が運動活動に及ぼす影響は、運動が不完全な脊髄損傷の個人で評価されます 痙攣反射の脊髄評価ツールおよび下肢運動スコアは、経口投与後の不随意反射活動と随意の力生成の両方の増加を示しています運動が不完全なSCIを持つ個人のSSRIの。さらに、運動活動の定量的静的測定は、足底屈筋の繰り返しのストレッチと等尺性トルクの増加、およびより大きな中央活性化率によって示される活性化赤字の減少に応答して、足首の足首足底屈曲トルクとEMGが増加および延長されることを示しています。

CCを使用した歩行中の股関節と膝の運動活動の定量的な動的測定は、SSRI投薬後の一貫性の増加を明らかにしています。興味深いことに、歩行中の下肢筋電図活動は、SSRI投薬後の筋肉活動の不適切なタイミングの増加を示しています。最後に、歩行中の代謝パラメータは、SSRI投与後の段階的なトレッドミルテスト中に酸素消費量がわずかに増加していることを明らかにしています。

これらの変化は慢性不完全SCIの個人で観察されますが、予備データは亜急性の不完全SCIの変化がより顕著である可能性があることを示唆しています。たとえば、SCIの4か月後の個人は、投薬前に身体的な支援なしには手順を踏むことができません。SSRI投薬後、同じ個人がこれらの臨床的および定量的評価を通じて措置を講じることができます。

選択的セロトニン再取り込み阻害薬の急性投与により、不完全な脊髄損傷患者の運動機能と歩行能力を改善できることがわかっています。ただし、これらの変更を永続的にするには、長期的なトレーニングが必要です。私たちの研究室の現在の目標は、これらの薬理学的介入を集中的な身体的介入と組み合わせて、運動機能と歩行能力のこれらの改善を永続的にすることです。