Methoden om Farmacologisch geïnduceerde veranderingen in Motor Function te kwantificeren in Human Incomplete SCI

Het doel van dit protocol is om veranderingen in motorisch gedrag te beschrijven bij personen met een incompleet dwarslaesie na toediening van serotonerge medicatie. Om dit te bereiken worden gestandaardiseerde beoordelingen uitgevoerd om klinische maten van de baseline, kracht van de onderste extremiteiten en reflexgedrag te evalueren; om nauwkeurigere metingen te verkrijgen, worden kwantitatieve statische beoordelingen van de kracht en reflexfunctie van geselecteerde spiergroepen bepaald, met specifiek onderzoek naar piek-vrijwillige koppels en de exciteerbaarheid van de strekreflex. Vervolgens worden aanvullende kwantitatieve dynamische beoordelingen uitgevoerd om kinematische patronen van de onderste extremiteiten, spieractiviteit en timing, en de metabole efficiëntie tijdens lopen op een loopband te meten.

Ten slotte worden serotonerge medicijnen toegediend in een geblindeerd crossover-design en worden de beoordelingen herhaald. Deze translationele geneeskundige benadering beoordeelt systematisch de effecten van serotonerge medicijnen op volitionele krachtreflexen en het loopvermogen bij personen met een incompleet dwarslaesiesyndroom. Een dwarslaesie is een invaliderend ziekteproces dat kort na het letsel ernstige tekorten in de motorische controle veroorzaakt.

Een primair doel voor de meeste patiënten is het herstel van het lopen bij personen met een incomplete laesie, wat betekent dat zij nog over residuele motorische controle beschikken distaal van de zijde van de laesie. Dit doel kan bereikbaar zijn. Diermodellen hebben aangetoond dat farmacologische middelen kunnen helpen bij het versnellen en bevorderen van het herstel van de motorische controle en het loopvermogen.

De vertaling van deze bevindingen naar mensen is echter beperkt. Ons laboratorium probeert deze dierlijke resultaten te vertalen naar mensen met een incompleet dwarslaesie. We hopen de vraag te beantwoorden of farmacologische middelen kunnen helpen bij het bevorderen van het herstel van de motorische controle en het loopvermogen bij personen met incomplete spinale laesies.

I, de spasticiteit van de quadriceps- en hamstringspiergroepen wordt gekwantificeerd met behulp van de aangepaste Ashworth-schaal om de spasticiteit van de quadriceps te beoordelen. De onderzoeker voert langzame en snelle passieve flexiebewegingen van het kniegewricht uit. Op soortgelijke wijze voert de onderzoeker langzame en snelle passieve extensies van het kniegewricht uit om de spasticiteit van de hamstrings te beoordelen.

De spastische reflexen worden gescoord op een schaal van nul tot vier op basis van specifieke criteria. Een gecombineerde score wordt verkregen door deze ruwe scores om te zetten naar een ordinale schaal en bilateraal de magnitude of duur van flexorespasmen op te tellen. Extensorespasmen en clonus worden gekwantificeerd met behulp van het spinal cord assessment tool.

Voor spastische reflexen wordt de respons van de patiënt gegradeerd op basis van de vermelde criteria. Een gecombineerde score wordt verkregen door de scores binnen en tussen de benen op te tellen. Het vermogen van een individu om spieren vrijwillig aan te spannen, wordt beoordeeld met de motorische score voor de onderste extremiteiten op basis van de richtlijnen van de American Spinal Injury Association.

Er worden gespecificeerde criteria gebruikt om de contractie rond een gewricht te beoordelen op een schaal van nul tot vijf. Een gecombineerde score wordt verkregen door bilaterale evaluatie van de L2, L3, L4, L5 en S1 myotomen en het optellen van de scores. Ondanks deze duidelijke tekortkomingen bij klinische beoordelingen van de reflexactiviteit en kracht, is deze patiënt in staat om stappen te zetten op de loopband met ondersteuning van het lichaamsgewicht.

Verder is de patiënt in staat om met behulp van een rollator stappen over de grond te zetten. Om de snelheid-afhankelijke rekreflex verder te kwantificeren, wordt een systeem dat isokinetische dynamometrie combineert met elektromyografie gebruikt om de spieractiviteit te meten.

Oppervlakte-registratie-elektroden worden aangebracht op de musculus tibialis anterior en de musculus gastrocnemius medialis. Het been van de patiënt wordt bevestigd aan een voetplaat, die gekoppeld is aan een krachtmetingcel met zes vrijheidsgraden, waarbij de as van het enkelgewricht wordt uitgelijnd met het centrum van de krachtmetingcel. Passieve of gravitationele koppels worden verkregen uit langzame stretch-perturbaties.

Er wordt aangenomen dat deze koppelrespons geen reflexcomponent heeft en deze zal worden afgetrokken van de snelle rekken. Om de netto reflexrespons te berekenen voor het beoordelen van de exciteerbaarheid van de rekreflex, worden bij de ontspannen patiënt enkele of meervoudige rekken in dorsiflexie of plantairflexie toegepast om veranderingen in de exciteerbaarheid in relatie tot de snelheid te beoordelen. Er worden verschillende rotatiesnelheden gemeten, waaronder 30, 60 en 120 graden per seconde.

De torque-respons wordt gekwantificeerd met behulp van het torque-signaal, dat met een laagdoorlaatfilter op 200 hertz is gefilterd, is gesampled op 1000 hertz en is gesynchroniseerd met de EMG-gegevens. Voorafgaand aan de analyse wordt de torque die voortvloeit uit passieve en gravitationele bijdragen afgetrokken. De respons van de spier wordt gekwantificeerd met behulp van het EMG-signaal, dat met een banddoorlaatfilter op 20 tot 450 hertz is gefilterd, is gesampled op 1000 hertz en voor de analyse is gesynchroniseerd met de torque-gegevens.

Het signaal wordt gelijkgericht en afgevlakt op 10 hertz met behulp van een vierde orde recursief Butterworth-filter. Rekreflexresponsen worden geanalyseerd op basis van de conditie-tot-koppel- en EMG-signalen. De primaire uitkomstmaten van deze analyse omvatten zowel het piekkoppel als de verlengde spieractiviteit na de laatste rek.

De isokinetische dynamometer wordt ook gebruikt om een nauwkeurige kwantificering van de vrijwillige kracht te verkrijgen. Oppervlakte-EMG's worden bevestigd aan vier spieren van het dijbeen, waaronder de musculus rectus femoris, musculus vastus lateralis, musculus vastus medialis en de mediale hamstrings. Het onderbeen van de patiënt wordt bevestigd aan een arm van de dynamometer die is gekoppeld aan een krachtmetingscel met zes vrijheidsgraden.

De as van het kniegewricht is uitgelijnd met het midden van de krachtmetingcel. Terwijl de patiënt ontspannen is, krijgt deze de instructie om een maximale kracht rond het gewricht te genereren. Om een maximale vrijwillige krachtproductie te waarborgen, wordt de patiënt tijdens de contractie krachtig verbaal aangemoedigd.

Wanneer het koppel tijdens de contractie begint af te nemen, wordt er via zelfklevende gelplaat-stimulatie-elektroden van drie bij vijf inch een supermaximale stimulus aan de quadriceps toegediend. Het koppel en de EMG-signalen worden verzameld en geconditioneerd zoals bij de snelheidsafhankelijke stretchreflex-beoordelingen. Het maximale koppel en de bijbehorende EMG-responsen worden offline beoordeeld met behulp van de geconditioneerde koppel- en EMG-signalen.

Daarnaast worden tekorten in de vrijwillige activatie beoordeeld met behulp van de centrale activatieratio of car. Voor het beoordelen van het loopvermogen wordt een graduele loopbandtest gebruikt. De proefpersoon wordt met een veiligheidsharnas aan de loopband bevestigd en voorzien van testapparatuur, waaronder reflectiemarkers, oppervlakte-EMG's, een hartslagmeter en een draagbaar metabool systeem om de graduele loopbandtest uit te voeren.

De initiële loopsnelheid op de loopband wordt ingesteld op 0,1 meter per seconde en elke twee minuten met 0,1 meter per seconde verhoogd totdat de maximale snelheid van de patiënt is bereikt. De pieksnelheid op de loopband wordt gedefinieerd als de hoogste snelheid waarbij de patiënt gedurende ten minste één minuut kon lopen voorafgaand aan loopinstabiliteit. Wanneer cardiovasculaire limieten worden bereikt of de test tijdens het lopen op de loopband vrijwillig wordt beëindigd, worden meerdere parameters offline beoordeeld met behulp van een motion capture-systeem, een EMG-systeem en een draagbaar metabolisch systeem.

De motion capture-gegevens worden handmatig bijgehouden voor de nauwkeurigheid en er wordt een epoch van ten minste 10 stapcycli gekozen voor analyse. De loopcyclus wordt genormaliseerd naar percentages van hielcontact tot hielcontact en geïnterpoleerd met behulp van een kubische spline voor zowel de heup- als de kniehoeken. De piekgewrichtshoeken en hoekexcursies tijdens de loopcyclus worden voor elk subject bepaald.

Naast een maat voor de intra-ledemaatcoördinatie ligt de primaire focus op de coördinatie van de kinematica van de heup en knie in het sagittale vlak, wat kan worden beoordeeld door te kijken naar de consistentie van de heup-kniehoekdiagrammen. De gemiddelde correspondentiecoëfficiënt wordt gebruikt om de consistentie van de inter-ledemaatcoördinatie te berekenen. Het heup-kniehoekdiagram wordt gebruikt om de cosinus en het teken van de vectorrichting te definiëren.

De verandering in heup- en kniehoeken werd genormaliseerd naar de vectorlengte voor elk interval tussen opeenvolgende frames. Deze sinus- en cosinuswaarden zijn gemiddeld over alle stapcycli voor elk overeenkomstig frame-interval. Met behulp van deze gemiddelde waarden wordt de gemiddelde vectorlengte voor elk interval tussen opeenvolgende frames berekend.

Het rekenkundig gemiddelde van de gemiddelde vectorlengte over alle intervallen tussen frames zal een waarde van nul tot één zijn en zal de totale dispersie van de heup- en knieparen over de loopcyclus vertegenwoordigen. Om de spieractiviteit tijdens het lopen te beoordelen, worden de spieractiviteitspatronen van de EMG-signalen offline gesynchroniseerd met de motion capture-gegevens; het gladgestreken EMG-signaal wordt genormaliseerd naar het percentage van de loopcyclus en gemiddeld over ten minste 10 stappen. De normatieve aan- en uittijden van de spieren van de onderste extremiteiten tijdens het lopen worden vastgesteld met behulp van een database van gezonde controles; voor elke spier worden de normatieve aan- en uittijden van die specifieke spier geprojecteerd op de EMG-signalen die bij de proefpersoon zijn verzameld.

Het EMG-signaal wordt geïntegreerd tussen de normatieve aan- en uittijden. De spasticiteitsindex wordt bepaald door de uit-waarde te delen door de aan-waarde. De piekzuurstofopname tijdens de graduele loopbandtest wordt bepaald nadat de draagbare metabole gegevens naar een computer zijn gedownload voor analyse.

Zodra de loopbandtest is voltooid, wordt specifiek het gemiddelde van de laatste minuut aan VO₂-gegevens voor elk tijdvak van twee minuten met een specifieke snelheid bepaald en worden de resultaten per snelheid uitgezet. Vrijwillige bewegingen worden doorgaans geïnitieerd vanuit neurale signalen in de primaire motorische cortex. Deze signalen reizen via het corticospinale traject naar spinale interneuronen, inclusief de centrale patroongenerator, en convergeren op het niveau van het spinale motorneuron.

Het motorneuron innerveert de spier direct en veroorzaakt spiercontractie. Vrijwillige bewegingen kunnen ook parallelle banen van de hersenstam naar het ruggenmerg of bulbo-spinale banen activeren. Een functie van deze bulbo-spinale banen is het reguleren van de exciteerbaarheid van de spinale neuronen via de afgifte van neuromodulatoren, in het bijzonder serotonine, en een incomplete laesie van het ruggenmerg resulteert in het verlies van volledige vrijwillige controle door de onderbreking van de corticospinale banen.

Daarnaast worden de spinale circuits en het motorneuron zelf minder exciteerbaar door het gedeeltelijke verlies van neuromodulatoren uit de bulbospi-nale banen. Deze gecombineerde veranderingen dragen bij aan de tekortkomingen in de motorische functies die in de eerste drie delen van deze video worden waargenomen. In diermodellen kan de directe toediening van neuromodulatoren zoals serotonine of hun analogen aan het ruggenmerg deze spinale circuits reanimeren, wat leidt tot een verhoogde motorische output, toegenomen reflexactiviteit en een verbeterd locomotievermogen.

Het laatste deel van deze video laat zien hoe we proberen dit basiswetenschappelijke kader te vertalen naar mensen. In een dubbelblind, gerandomiseerd, placebogecontroleerd crossover-onderzoek worden de effecten van acute orale toediening van selectieve serotonine-heropnameremmers op de motorische activiteit beoordeeld bij personen met een motorisch incompleet dwarslaesie. Klinische maten, waaronder de aangepaste Ashworth-schaal, de spinal cord assessment tool voor spastische reflexen en de lower extremity motor score, wijzen op een toename van zowel de onwillekeurige reflexactiviteit als de vrijwillige krachtgeneratie na orale toediening van SSRI bij een persoon met een motorisch incomplete SCI. Bovendien tonen kwantitatieve statische maten van de motorische activiteit een vergroot en verlengd enkelplantairflexie-koppel en EMG als reactie op herhaalde rekken van de plantairflexoren, en een verhoogd isometrisch koppel en een kleiner activatiedeficiet, aangeduid door een hogere centrale activatieverhouding.

De kwantitatieve dynamische maten van de motorische activiteit van de heup- en kniekinematiek tijdens het lopen met een CC onthullen een verhoogde consistentie na toediening van SSRI-medicatie. Interessant genoeg vertoont de EMG-activiteit van de onderste extremiteiten tijdens het lopen een toename in een onjuiste timing van de spieractiviteit na toediening van SSRI-medicatie. Ten slotte onthullen de metabole parameters tijdens het lopen een bescheiden toename in het zuurstofverbruik tijdens de graduele loopbandtest na toediening van SSRI.

Hoewel deze veranderingen worden waargenomen bij personen met een chronisch incompleet ruggenmergletsel (SCI), suggereren preliminaire gegevens dat de veranderingen bij een subacuut incompleet SCI prominenter kunnen zijn. Zo is een persoon vier maanden na het SCI niet in staat om stappen te zetten zonder fysieke ondersteuning vóór de medicatie. Na toediening van SSRI-medicatie is dezezelfde persoon in staat om stappen te zetten via deze klinische en kwantitatieve beoordelingen.

We hebben gezien dat acute toediening van selectieve serotonine-heropnameremmers de motoriek en het loopvermogen bij personen met incompleet dwarslaesie kan verbeteren. Langdurige training is echter noodzakelijk om deze veranderingen permanent te maken. Een huidig doel van ons laboratorium is om deze farmacologische interventies te combineren met intensieve fysieke interventies om deze verbeteringen in de motoriek en het loopvermogen permanent te maken.