인간의 불완전 SCI에 모터 기능에 Pharmacologically 유도 수선을 계량하는 방법

이 프로토콜의 목표는 세로토닌성 약물 투여 후 불완전한 척수 손상이 있는 개인의 운동 행동 변화를 설명하는 것입니다. 이를 달성하기 위해 표준화된 평가를 수행하여 기준선, 하지 강도 및 반사 행동의 임상적 측정을 평가하여 보다 정확한 측정을 얻고, 선택한 근육 그룹의 강도 및 반사 기능에 대한 정량적 정적 평가는 최대 의지 토크 및 스트레치 반사 흥분성에 대한 구체적인 조사를 통해 결정됩니다. 그런 다음 트레드밀 보행 중 하지 운동학 패턴, 근육 활동 및 타이밍, 대사 효율성을 측정하기 위해 추가 정량적 동적 평가를 수행합니다.

마지막으로, 세로토닌성 약물은 맹검 크로스오버 설계로 투여되고 평가가 반복됩니다. 이러한 중개 의학 접근법은 불완전한 척수 손상 환자의 의지, 힘, 반사 및 보행 능력에 대한 세로토닌 약물의 효과를 체계적으로 평가합니다. 척수 손상은 쇠약해지는 질병 과정으로, 부상 후 초기에 운동 조절에 심각한 결함을 초래합니다.

대부분의 환자의 주요 목표는 불완전한 병변이 있는 사람의 보행을 회복하는 것인데, 이는 병변 측면의 원위부에 여전히 잔류 운동 조절 기능이 있음을 의미합니다. 이 두개골은 얻을 수 있습니다. 동물 모델은 약리학적 제제가 운동 조절 및 보행 능력의 회복을 가속화하고 촉진하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.

그러나 이러한 발견을 인간에게 적용하는 것은 제한적입니다. 우리 연구실은 이러한 동물의 발견을 불완전한 척수 손상을 입은 인간에게 적용하려고 노력하고 있습니다. 우리는 약리학적 제제가 불완전한 척추 병변이 있는 개인의 운동 조절 및 보행 능력의 회복을 촉진하는 데 도움이 될 수 있는지에 대한 질문을 하고자 합니다.

I, 대퇴사두근 및 햄스트링 근육 그룹의 경련은 대퇴사두근 경직을 평가하기 위해 수정된 Ashworth 척도를 사용하여 정량화됩니다. 검사자는 무릎 관절 주위에서 느리고 활발한 수동 굴곡 움직임을 생성합니다. 마찬가지로, 햄스트링 경련을 평가하기 위해 검사자는 무릎 관절에 대해 느리고 활발한 수동 신전을 생성합니다.

경련성 반사는 특정 기준에 따라 0에서 4까지의 척도로 등급이 매겨집니다. 종합 점수는 이러한 원시 점수를 서수 척도로 변환하고 굴근 경련의 크기 또는 지속 시간을 양측으로 합산하여 얻습니다. 신전근 경련과 결장은 척수 평가 도구를 사용하여 정량화됩니다.

경련성 반사의 경우, 환자의 반응은 나열된 기준에 따라 등급이 매겨집니다. 종합 점수는 다리 안팎의 점수를 더하여 얻습니다. 개인이 자발적으로 근육을 수축할 수 있는 능력은 미국 척추 부상 협회(American Spinal Injury Association) 지침에 따라 하지 운동 점수를 사용하여 평가됩니다.

지정된 기준은 관절에 대한 수축을 0에서 5까지의 척도로 등급을 매기는 데 사용됩니다. 종합 점수는 L 2, L 3, L 4, L 5, S 1 근종을 양측으로 평가하고 점수를 합산하여 얻습니다. 반사 활동과 근력에 대한 임상적 평가의 이러한 명백한 결함에도 불구하고 이 환자는 체중을 지탱하면서 러닝머신에서 발을 디딜 수 있습니다.

또한 환자는 롤링 워커의 도움을 받아 지상으로 발을 디딜 수 있습니다. 속도에 따른 스트레치 반사를 추가로 정량화하기 위해. 등속 동력계와 근전도 측정을 결합한 시스템은 근육 활동을 측정하는 데 사용됩니다.

표면 기록 전극은 경골, 전방 및 내측 위 항문에 적용됩니다. 환자의 다리는 6자유도 로드셀에 연결된 발판에 부착되고 발목 관절 축은 로드셀의 중심에 정렬됩니다. 수동 또는 중력 토크는 느린 스트레치 섭동에서 얻어집니다.

이 토크 응답은 반사 성분이 없는 것으로 간주되며 급격한 스트레칭에서 뺍니다. 스트레치 반사 흥분성을 평가하기 위해 그물 반사 반응을 계산하기 위해 이완된 환자에게 배측 굴곡 또는 발바닥 굴곡에 대한 단일 또는 다중 스트레칭을 적용하여 속도에 따른 흥분성의 변화를 평가합니다. 초당 30도, 60도, 120도를 포함한 다양한 회전 속도가 측정됩니다.

토크 응답은 저역 통과, 200헤르츠에서 필터링, 1000헤르츠에서 샘플링, EMG 데이터와 동기화된 토크 신호를 사용하여 정량화됩니다. 해석 전에 수동 및 중력 기여로 인한 토크를 뺍니다. 근육의 반응은 과거에 금지된 근전도 신호를 사용하여 정량화되며, 이 신호는 20-450 헤르츠에서 필터링되고 1000 헤르츠에서 샘플링되고 분석 전에 토크 데이터와 동기화됩니다.

신호는 4차수를 사용하여 10Hz에서 정류되고 평활화됩니다. 재귀 버터워스 필터, 스트레치 반사 응답은 조건에서 토크 및 EMG 신호에 이르기까지 분석됩니다. 이 분석의 주요 결과 측정에는 최대 토크와 최종 스트레칭 후 장기간의 근육 활동이 모두 포함됩니다.

등속 동력계는 의지 강도의 정확한 정량화를 얻기 위해서도 사용됩니다. 표면. EMG는 대퇴직근, 광대 외측근, 광대 미디어 및 내측 햄스트링을 포함한 허벅지의 4개 근육에 부착됩니다. 환자의 생크는 6자유도 로드셀에 연결된 동력계 암에 부착됩니다.

무릎 관절의 축은 로드셀의 중심에 정렬됩니다. 환자가 긴장을 풀고 나면 환자는 관절에 최대한의 힘을 생성하도록 지시받습니다. 최대한의 의지력 생산을 보장하기 위해, 수축 동안 환자에게 격렬한 언어적 격려가 제공됩니다.

수축 중에 토크가 감소하기 시작하면 3 x 5인치 자체 접착 젤 플레이트 자극 전극을 통해 대퇴사두근에 초최대 자극이 전달됩니다. 토크 및 EMG 신호는 속도 의존적 스트레치 반사 평가에서와 같이 수집 및 조정됩니다. 최대 토크 및 관련 EMG 응답은 상태 토크 및 EMG 신호를 사용하여 오프라인으로 평가됩니다.

또한, 의지 활성화의 결핍은 중심 활성화 비율 또는 자동차를 사용하여 평가됩니다. 등급이 매겨진 트레드밀 테스트는 보행 능력을 평가하는 데 사용됩니다. 피험자는 반사 마커, 표면 EMG, 심박수 모니터, 휴대용 신진대사 시스템을 포함한 안전 장치와 테스트 장비로 런닝머신에 고정되어 등급이 매겨진 러닝머신 테스트를 수행합니다.

초기 트레드밀 속도는 초당 0.1미터로 설정되고 환자의 최대 속도에 도달할 때까지 2분마다 초당 0.1미터씩 증가합니다. 최대 트레드밀 속도는 보행이 불안정해지기 전에 환자가 최소 1분 동안 걸을 수 있었던 최고 속도로 정의됩니다. 트레드밀 걷기 중 심혈관 한계에 도달하거나 테스트를 자발적으로 종료한 경우, 모션 캡처 시스템과 EMG 시스템 및 휴대용 대사 시스템을 오프라인으로 사용하여 여러 측정을 평가합니다.

모션 캡처 데이터는 정확성을 위해 수동으로 추적되며 분석을 위해 최소 10단계 주기의 에포크가 선택됩니다. 보행 주기는 뒤꿈치 타격에서 발뒤꿈치 타격까지 퍼센트로 정규화되고 엉덩이와 무릎 각도 모두에 대해 입방 스플라인을 사용하여 보간됩니다. 보행 주기 동안의 최대 관절 각도와 각도 편위는 각 피험자에 대해 결정됩니다.

사지 내 협응의 측정 외에도 주요 초점은 시상면, 고관절 및 무릎 운동학의 조정에 있으며, 이는 고관절 무릎 각도 플롯의 일관성을 살펴봄으로써 평가할 수 있습니다. 평균 대응 계수는 사지 간 조정의 일관성을 계산하는 데 사용됩니다. hip knee angle angle plot은 벡터 방향의 co-sign 및 sign을 정의하는 데 사용됩니다.

엉덩이와 무릎 각도의 변화는 각 프레임에서 프레임 간격에 대한 벡터 길이로 정규화됩니다. 이러한 sign 및 co-sign 값은 각 해당 프레임 간격에 대한 모든 단계 주기에서 평균화됩니다. 이러한 평균 값을 사용하여 각 프레임에서 프레임 간격까지의 평균 벡터 길이가 계산됩니다.

모든 프레임 간 간격에 걸친 평균 벡터 길이의 산술 평균은 0에서 1 사이의 값이며 보행 주기에 걸쳐 엉덩이와 무릎 쌍의 전체 분산을 나타냅니다. 보행 중 근육 활동을 평가하기 위해 근전도 신호의 근육 활동 패턴은 오프라인의 모션 캡처 데이터와 동기화되고, 부드러운 DMG 신호는 퍼센트 보행 주기로 정규화되며 최소 10단계 사이의 평균을 구합니다. 보행 중 하지 근육의 규범적 켜기 및 끄기 시간은 각 근육에 대한 건강한 제어 데이터베이스를 사용하여 설정되며, 특정 근육의 규범적 켜기 및 끄기 시간은 피험자로부터 수집된 EMG 신호에 오버레이됩니다.

EMG 신호는 표준 켜짐 시간과 꺼짐 시간 사이에 통합됩니다. 경직 지수는 off 값을 on 값으로 나누어 결정됩니다. 등급이 매겨진 트레드밀 테스트 중 최대 산소 섭취량은 분석을 위해 휴대용 대사 데이터를 컴퓨터에 다운로드한 후 결정됩니다.

트레드밀 테스트가 완료되면 각 2분 속도 에포크에 대한 VO O2 데이터의 마지막 분 평균이 결정되고 각 속도에 대한 결과가 플롯됩니다. 의지 운동은 일반적으로 1차 운동 피질의 신경 신호에서 시작됩니다. 이러한 신호는 피질 척수 트랙을 통해 중추 패턴 생성기를 포함한 척추 간 뉴런으로 이동하고 척추 운동 뉴런 수준에서 수렴합니다.

운동 뉴런은 근육에 직접 신경을 공급하여 근육 수축을 일으킵니다. V 의지 운동은 또한 평행 뇌간 척수 또는 구근 척추 경로를 활성화할 수 있습니다. 이러한 구근 척추 경로의 한 가지 기능은 신경 조절제, 특히 세로토닌의 방출을 통해 척추 뉴런의 흥분성을 조절하는 것이며, 척수에 대한 불완전한 병변은 피질 척수 경로의 붕괴로 인해 완전한 자발적 통제력을 상실하는 결과를 초래합니다.

또한, 척추 회로와 운동 뉴런 자체는 구근 척추 경로에서 신경 조절 물질의 부분적 손실로 인해 덜 흥분하게 됩니다. 이러한 복합적인 변화는 이 비디오의 처음 세 부분에서 관찰된 운동 기능의 결핍에 기여합니다. 동물 모델에서 세로토닌과 같은 신경 조절제 또는 그 유사체를 척수에 직접 적용하면 이러한 척추 회로를 다시 활성화하여 운동 출력을 높이고 반사 활동을 증가시키며 운동 능력을 향상시킬 수 있습니다.

이 비디오의 마지막 부분에서는 이 기초 과학 프레임워크를 인간에게 적용하기 위해 우리가 어떻게 시도하고 있는지 보여줄 것입니다. 이중맹검, 무작위, 위약 대조 교차 설계에서, 선택적 세로토닌 재흡수 억제제의 급성 경구 투여가 운동 활동에 미치는 영향은 수정된 Ashworth, 경련 반사에 대한 척수 평가 도구 및 하지 운동 점수가 경구 투여 후 비자발적 반사 활동과 자발적 힘 생성의 증가를 나타내는 것을 포함하여 운동 불완전 척수 손상 임상 측정을 가진 개인에서 평가됩니다 운동 불완전 SCI가 있는 개인의 SSRI. 또한, 운동 활동의 정량적 정적 측정은 발바닥 굴곡근의 반복적인 스트레칭에 대한 반응으로 발목 발바닥 굴곡 토크 및 EMG가 증가 및 연장되고 등척성 토크 증가 및 더 큰 중심 활성화 비율로 나타나는 더 적은 활성화 결핍을 보여줍니다.

CC를 사용한 보행 중 고관절 및 무릎 운동학의 운동 활동에 대한 정량적 동적 측정은 SSRI 약물 투여 후 일관성이 증가했음을 보여줍니다. 흥미롭게도, 보행 중 하지 EMG 활동은 SSRI 약물 투여 후 근육 활동의 부적절한 타이밍이 증가함을 보여줍니다. 마지막으로, 보행 중 대사 매개변수는 SSRI 투여 후 등급이 매겨진 트레드밀 테스트 동안 산소 소비량이 완만하게 증가했음을 나타냅니다.

이러한 변화는 만성 불완전 SCI가 있는 개인에서 관찰되지만, 예비 데이터에 따르면 아급성 불완전 SCI의 변화가 더 두드러질 수 있습니다. 예를 들어, SCI 후 4개월이 지난 개인은 약물 투여 전에 신체적 도움 없이는 조치를 취할 수 없습니다. SSRI 약물 투여 후 동일한 개인이 이러한 임상 및 정량적 평가를 통해 조치를 취할 수 있습니다.

우리는 선택적 세로토닌 재흡수 억제제의 급성 투여가 불완전한 척수 손상 환자의 운동 기능과 보행 능력을 향상시킬 수 있음을 보았습니다. 그러나 이러한 변화를 영구적으로 만들기 위해서는 장기적인 교육이 필요합니다. 우리 실험실의 현재 목표는 이러한 약리학적 개입과 집중적인 신체 개입을 결합하여 운동 기능과 보행 능력의 이러한 개선을 영구적으로 만드는 것입니다.