Metody ilościowego określania farmakologicznie wywołanych zmian w funkcjach motorycznych w niekompletnym SCI u ludzi

Celem tego protokołu jest opisanie zmian w zachowaniach motorycznych u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego po podaniu leków serotoninergicznych. Aby to osiągnąć, przeprowadza się standaryzowane oceny w celu oceny klinicznych pomiarów linii bazowej, siły kończyn dolnych i zachowań odruchowych w celu uzyskania bardziej precyzyjnych pomiarów, określa się ilościowe oceny statyczne siły i funkcji odruchowej wybranych grup mięśni ze szczególnym badaniem szczytowych momentów wolicjonalnych i pobudliwości odruchów rozciągania. Następnie przeprowadzane są dodatkowe ilościowe oceny dynamiczne w celu zmierzenia wzorców kinematycznych kończyn dolnych, aktywności mięśni i czasu oraz wydajności metabolicznej podczas poruszania się na bieżni.

Wreszcie, leki serotoninergiczne są podawane w ślepym schemacie krzyżowym, a oceny są powtarzane. To podejście medycyny translacyjnej systematycznie ocenia wpływ leków serotoninergicznych na siłę wolicjonalną, odruchy i zdolność chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Uraz rdzenia kręgowego jest wyniszczającym procesem chorobowym, który powoduje głębokie deficyty kontroli motorycznej wcześnie po urazie.

Podstawowym celem większości pacjentów jest odzyskanie zdolności chodzenia u osób z niekompletną zmianą, co oznacza, że nadal mają resztkową kontrolę motoryczną dystalnie po stronie zmiany. Ta czaszka może być możliwa do zdobycia. Modele zwierzęce wykazały, że środki farmakologiczne mogą pomóc przyspieszyć i promować odzyskiwanie kontroli motorycznej i zdolności chodzenia.

Jednak przełożenie tych wyników na ludzi jest ograniczone. Nasze laboratorium próbuje przełożyć te odkrycia na zwierzętach na ludzi z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Mamy nadzieję, że uda nam się zadać pytanie, czy środki farmakologiczne mogą pomóc w odzyskaniu kontroli motorycznej i zdolności chodzenia u osób z niepełnymi zmianami w kręgosłupie?

I, spastyczność mięśnia czworogłowego uda i grup mięśni ścięgien podkolanowych określa się ilościowo za pomocą zmodyfikowanej skali Ashwortha do oceny spastyczności mięśnia czworogłowego. Egzaminator generuje powolny i energiczny bierny ruch zgięciowy wokół stawu kolanowego. Podobnie, aby ocenić spastyczność ścięgien podkolanowych, egzaminator generuje powolny i energiczny bierny wyprost wokół stawu kolanowego.

Odruchy spastyczne są oceniane w skali od zera do czterech na podstawie określonych kryteriów. Wynik złożony uzyskuje się poprzez przeliczenie tych surowych wyników na skalę porządkową i obustronne zsumowanie wielkości lub czasu trwania skurczów zginaczy. Skurcze prostowników i okrężnicy określa się ilościowo za pomocą narzędzia do oceny rdzenia kręgowego.

W przypadku odruchów spastycznych odpowiedź pacjenta jest oceniana na podstawie wymienionych kryteriów. Wynik złożony uzyskuje się poprzez dodanie wyników w obrębie nóg i między nimi. Zdolność danej osoby do wolicjonalnego kurczenia mięśni jest oceniana za pomocą oceny motorycznej kończyn dolnych w oparciu o wytyczne Amerykańskiego Towarzystwa Urazów Kręgosłupa.

Określone kryteria są używane do oceny skurczu stawu w skali od zera do pięciu. Wynik złożony uzyskuje się poprzez obustronną ocenę miotomów L dwa, L trzy, L cztery, L pięć i S jeden i dodanie wyników. Pomimo tych wyraźnych braków w ocenach klinicznych aktywności odruchowej i siły, pacjent ten jest w stanie stawiać kroki na bieżni ze wsparciem masy ciała.

Co więcej, pacjent jest w stanie stawiać kroki nad ziemią przy pomocy chodzika na kółkach. W celu dalszego ilościowego określenia odruchu rozciągania zależnego od prędkości. Do pomiaru aktywności mięśni służy system łączący dynamometrię izokinetyczną z elektromiografią.

Elektrody rejestrujące powierzchnię nakłada się na piszczele, przednie i przyśrodkowe odbyt żołądka. Noga pacjenta jest przymocowana do podnóżka, sprzężona z ogniwem obciążnikowym o sześciu stopniach swobody, a oś stawu skokowego jest wyrównana ze środkiem ogniwa obciążnikowego. Momenty pasywne lub grawitacyjne są uzyskiwane z powolnych zaburzeń rozciągania.

Zakłada się, że ta reakcja momentu obrotowego nie ma komponentu odruchowego i zostanie odjęta od szybkich odcinków. Aby obliczyć reakcję odruchu netto w celu oceny pobudliwości odruchu rozciągania, u zrelaksowanego pacjenta stosuje się pojedyncze lub wielokrotne rozciąganie w zgięcie grzbietowe lub podeszwowe, aby ocenić zmiany pobudliwości wraz z prędkością. Mierzone są różne prędkości obrotowe, w tym 30, 60 i 120 stopni na sekundę.

Odpowiedź momentu obrotowego jest określana ilościowo za pomocą sygnału momentu obrotowego, który był dolnoprzepustowy, filtrowany z częstotliwością 200 herców, próbkowany z częstotliwością 1000 Hz i synchronizowany z danymi EMG. Przed analizą odejmuje się moment obrotowy spowodowany wkładem pasywnym i grawitacyjnym. Odpowiedź mięśnia jest określana ilościowo za pomocą sygnału EMG, który był wcześniej zakazany, filtrowany z częstotliwością od 20 do 450 herców, próbkowany z częstotliwością 1000 Hz i synchronizowany z danymi dotyczącymi momentu obrotowego przed analizą.

Sygnał jest prostowany i wygładzany z częstotliwością 10 Hz przy użyciu czwartego rzędu. Rekurencyjne reakcje odruchu rozciągania filtra Butterwortha są analizowane od warunku do momentu obrotowego i sygnałów EMG. Podstawowe miary wyników tej analizy obejmują zarówno szczytowy moment obrotowy, jak i przedłużoną aktywność mięśni po ostatnim odcinku.

Dynamometr izokinetyczny jest również używany do uzyskania precyzyjnego określenia siły wolicjonalnej. Powierzchnia. EMG są przymocowane do czterech mięśni uda, w tym mięśnia prostego uda, obszernego bocznego, obszernego środkowego i przyśrodkowego ścięgna podkolanowego. Trzpień pacjenta jest przymocowany do ramienia dynamometru, które jest sprzężone z ogniwem obciążnikowym o sześciu stopniach swobody.

Oś stawu kolanowego jest wyrównana do środka ogniwa obciążnikowego. Gdy pacjent jest zrelaksowany, pacjent jest instruowany, aby wytworzyć maksymalną siłę wokół stawu. Aby zapewnić maksymalną produkcję siły wolicjonalnej, podczas skurczu pacjentowi zapewnia się energiczną zachętę słowną.

Kiedy moment obrotowy zaczyna spadać podczas skurczu, super maksymalny bodziec jest dostarczany do mięśnia czworogłowego przez samoprzylepne elektrody stymulujące płytkę żelową o wymiarach trzy na pięć cali. Sygnały momentu obrotowego i EMG są zbierane i kondycjonowane, tak jak w ocenach odruchów rozciągania zależnych od prędkości. Maksymalny moment obrotowy i związane z nim reakcje EMG są oceniane w trybie offline za pomocą sygnału momentu obrotowego i EMG.

Ponadto deficyty w aktywacji wolicjonalnej ocenia się za pomocą współczynnika aktywacji centralnej lub CAR. Stopniowany test bieżni służy do oceny zdolności chodzenia. Tester jest przymocowany do bieżni za pomocą uprzęży bezpieczeństwa i sprzętu testowego, w tym znaczników odblaskowych, EMG powierzchni, monitora pracy serca i przenośnego systemu metabolicznego do wykonania stopniowanego testu na bieżni.

Początkowa prędkość bieżni jest ustawiona na 0,1 metra na sekundę i zwiększana o 0,1 metra na sekundę co dwie minuty, aż do uzyskania maksymalnej prędkości pacjenta. Szczytowa prędkość bieżni jest definiowana jako najwyższa prędkość, z jaką pacjent był w stanie poruszać się przez co najmniej minutę przed niestabilnością chodu. Osiągnięto ograniczenia sercowo-naczyniowe lub dobrowolnie przerwano test podczas chodzenia na bieżni, wiele pomiarów jest ocenianych za pomocą systemu przechwytywania ruchu i systemu EMG oraz przenośnego systemu metabolicznego w trybie offline.

Dane przechwytywania ruchu są ręcznie śledzone w celu zapewnienia dokładności, a do analizy wybierana jest epoka składająca się z co najmniej 10 cykli krokowych. Cykl chodu jest znormalizowany do procentu od uderzenia piętą do uderzenia piętą i interpolowany za pomocą sześciennego splajnu zarówno dla kątów bioder, jak i kolan. Szczytowe kąty stawów i wychylenia kątowe podczas cyklu chodu są określane dla każdego obiektu.

Oprócz miary koordynacji wewnątrzkończynowej, główny nacisk kładziony jest na koordynację płaszczyzny strzałkowej, kinematyki bioder i kolan, którą można ocenić, patrząc na spójność wykresów kąta kąta kolana biodra. Średni współczynnik zgodności służy do obliczenia spójności koordynacji międzykończynowej. Wykres kąta kąta kolana biodra służy do definiowania współznaku i znaku kierunku wektora.

Ponieważ zmiana kątów bioder i kolan znormalizowała się do długości wektora dla każdego interwału między klatkami. Te wartości znaku i współznaku są uśredniane we wszystkich cyklach kroku dla każdego odpowiadającego im interwału klatek. Korzystając z tych uśrednionych wartości, obliczana jest średnia długość wektora dla każdego interwału między klatkami.

Średnia arytmetyczna średniej długości wektora we wszystkich odstępach między klatkami będzie równa od zera do jednego i będzie reprezentować całkowite rozproszenie par bioder i kolan w cyklu chodu. Aby ocenić aktywność mięśni podczas poruszania się, wzorce aktywności mięśni z sygnałów EMG są synchronizowane z danymi przechwytywania ruchu w trybie offline, płynny sygnał DMG jest normalizowany do procentowego cyklu chodu i uśredniany między co najmniej 10 krokami. Normatywny czas włączania i wyłączania mięśni kończyn dolnych podczas poruszania się jest ustalany na podstawie bazy danych zdrowych osób z grupy kontrolnej dla każdego mięśnia, normatywne czasy włączania i wyłączania danego mięśnia są nakładane na sygnały EMG zebrane od pacjenta.

Sygnał EMG jest zintegrowany między normatywnymi czasami włączenia i wyłączenia. Wskaźnik spastyczności określa się, dzieląc wartość wyłączenia przez wartość włączenia. Szczytowy pobór tlenu podczas stopniowanego testu na bieżni jest określany po pobraniu przenośnych danych metabolicznych do komputera w celu analizy.

Po zakończeniu testu na bieżni określa się w szczególności średnią z ostatniej minuty danych VO O2 dla każdej dwuminutowej epoki prędkości, a wyniki są wykreślane dla każdej prędkości. Ruchy wolicjonalne są zwykle inicjowane przez sygnały nerwowe w pierwszorzędowej korze ruchowej. Sygnały te przemieszczają się drogą korowo-rdzeniową do neuronów rdzeniowych, w tym do centralnego generatora wzorców, i zbiegają się na poziomie rdzeniowego neuronu ruchowego.

Neuron ruchowy bezpośrednio unerwia mięsień i powoduje skurcz mięśni. Ruchy wolicjonalne V mogą również aktywować równoległe ścieżki rdzenia kręgowego pnia mózgu lub bulwy. Jedną z funkcji tych bulwiastych ścieżek rdzeniowych jest regulacja pobudliwości neuronów rdzeniowych poprzez uwalnianie neuromodulatorów, w szczególności serotoniny, a niepełne uszkodzenie rdzenia kręgowego powoduje utratę pełnej dobrowolnej kontroli z powodu zakłócenia ścieżek korowo-rdzeniowych.

Ponadto obwody rdzeniowe i sam neuron ruchowy stają się mniej pobudliwe z powodu częściowej utraty neuromodulatorów ze szlaków rdzeniowych bulbo. Te połączone zmiany przyczyniają się do deficytów funkcji motorycznych obserwowanych w pierwszych trzech częściach tego filmu. W modelach zwierzęcych zastosowanie neuromodulatorów, takich jak serotonina lub ich analogi, bezpośrednio do rdzenia kręgowego, może reanimować te obwody rdzeniowe, prowadząc do zwiększenia mocy motorycznej, zwiększonej aktywności odruchowej i poprawy zdolności lokomotorycznych.

Ostatnia część tego filmu pokaże, w jaki sposób próbujemy przełożyć te podstawowe ramy naukowe na ludzi. W podwójnie zaślepionym, randomizowanym, kontrolowanym placebo projekcie krzyżowym, wpływ ostrego doustnego podawania selektywnych inhibitorów wychwytu zwrotnego serotoniny na aktywność motoryczną ocenia się u osób z niepełnym motorycznym uszkodzeniem rdzenia kręgowego, w tym zmodyfikowanym Ashworthem, narzędziem do oceny rdzenia kręgowego dla odruchów spatycznych i wynikiem motorycznym kończyny dolnej wskazującym na wzrost zarówno mimowolnej aktywności odruchowej, jak i dobrowolnego wytwarzania siły po podaniu doustnym SSRI u osoby z niepełnym motorycznym SCI. Ponadto ilościowe statyczne pomiary aktywności motorycznej wykazują zwiększony i wydłużony moment zgięcia podeszwowego kostki i EMG w odpowiedzi na powtarzające się rozciąganie zginaczy podeszwowych i zwiększony izometryczny moment obrotowy oraz mniejszy deficyt aktywacji wskazywany przez większy współczynnik aktywacji centralnej.

Ilościowe dynamiczne pomiary aktywności motorycznej kinematyki stawów biodrowych i kolanowych podczas poruszania się przy użyciu CC ujawniają zwiększoną spójność po zastosowaniu leków z grupy SSRI. Co ciekawe, aktywność EMG kończyn dolnych podczas poruszania się wykazuje wzrost niewłaściwego czasu aktywności mięśni po lekach z grupy SSRI. Wreszcie, parametry metaboliczne podczas poruszania się ujawniają niewielki wzrost zużycia tlenu podczas stopniowanego testu na bieżni po podaniu SSRI.

Podczas gdy zmiany te obserwuje się u osób z przewlekłym niepełnym SCI, wstępne dane sugerują, że zmiany w podostrym niepełnym SCI mogą być bardziej uderzające. Na przykład osoba cztery miesiące po SCI nie jest w stanie podjąć kroków bez fizycznej pomocy przed przyjęciem leków. Po lekach z grupy SSRI ta sama osoba jest w stanie podjąć kroki poprzez te oceny kliniczne i ilościowe.

Zaobserwowaliśmy, że ostre podawanie selektywnych inhibitorów wychwytu zwrotnego serotoniny może poprawić funkcje motoryczne i zdolność chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Jednak aby zmiany te były trwałe, konieczne jest długotrwałe szkolenie. Obecnym celem naszego laboratorium jest połączenie tych interwencji farmakologicznych z intensywnymi interwencjami fizycznymi, aby poprawa funkcji motorycznych i zdolności chodzenia była trwała.