Metody ilościowego pomiaru farmakologicznie indukowanych zmian w funkcji motorycznej u ludzi z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego

Celem niniejszego protokołu jest opis zmian w zachowaniach motorycznych u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego po podaniu leków serotonergicznych. Aby to osiągnąć, przeprowadza się standaryzowane oceny w celu ewaluacji klinicznych parametrów wyjściowych, siły kończyn dolnych oraz odruchów. W celu uzyskania bardziej precyzyjnych pomiarów wyznacza się ilościowe statyczne oceny siły i funkcji odruchowej wybranych grup mięśniowych, ze szczególnym uwzględnieniem szczytowych momentów obrotowych sterowanych woluntaryjnie oraz pobudliwości odruchu rozciągania. Następnie przeprowadza się dodatkowe ilościowe oceny dynamiczne, aby zmierzyć wzorce kinematyczne kończyn dolnych, aktywność i czas pracy mięśni oraz wydajność metaboliczną podczas chodu na bieżni.

Na koniec, w ślepym badaniu naprzemiennym podaje się leki serotonergiczne i powtarza się oceny. To podejście medycyny translacyjnej systematycznie ocenia wpływ leków serotonergicznych na odruchy siły woli oraz zdolność chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Uszkodzenie rdzenia kręgowego jest wyniszczającym procesem chorobowym, który we wczesnej fazie po urazie powoduje głębokie deficyty w kontroli motorycznej.

Głównym celem dla większości pacjentów jest przywrócenie zdolności chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem, co oznacza, że zachowują one resztkową kontrolę motoryczną w obszarach dystalnych względem miejsca uszkodzenia. Taki wynik może być osiągalny. Modele zwierzęce wykazały, że środki farmakologiczne mogą pomóc przyspieszyć i wspomóc regenerację kontroli motorycznej oraz zdolności chodzenia.

Jednakże możliwość przeniesienia tych wyników na ludzi jest ograniczona. Nasze laboratorium stara się przełożyć te obserwacje uzyskane na zwierzętach na przypadek ludzi z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Chcemy odpowiedzieć na pytanie: czy środki farmakologiczne mogą pomóc w przywróceniu kontroli motorycznej i zdolności chodzenia u osób z niepełnymi uszkodzeniami rdzenia?

I, spastyczność grup mięśni czworogłowych oraz dwugłowych uda jest określana ilościowo przy użyciu zmodyfikowanej skali Ashwortha w celu oceny spastyczności mięśni czworogłowych. Badacz wykonuje powolne i szybkie bierne ruchy zgięcia w stawie kolanowym. Analogicznie, w celu oceny spastyczności mięśni dwugłowych uda, badacz wykonuje powolne i szybkie bierne ruchy wyprostu w stawie kolanowym.

Odruchy spastyczne ocenia się w skali od zera do czterech na podstawie określonych kryteriów. Wynik złożony uzyskuje się poprzez przeliczenie tych surowych wyników na skalę porządkową i zsumowanie obustronnie nasilenia lub czasu trwania skurczów zginaczy. Skurcze prostowników oraz klonus są ilościowo określane przy użyciu narzędzia do oceny rdzenia kręgowego.

W przypadku odruchów spastycznych odpowiedź pacjenta jest oceniana według wymienionych kryteriów. Wynik zbiorczy uzyskuje się poprzez sumowanie punktów dla poszczególnych kończyn oraz ich sumy. Zdolność pacjenta do świadomego skurczu mięśni jest oceniana na podstawie punktacji funkcji motorycznych kończyn dolnych zgodnie z wytycznymi American Spinal Injury Association.

Do oceny stopnia przykurczu w stawie stosuje się określone kryteria w skali od zero do pięciu. Wynik złożony uzyskuje się poprzez ocenę miotomów L2, L3, L4, L5 i S1 obustronnie oraz zsumowanie punktów. Pomimo tych wyraźnych deficytów w ocenie klinicznej aktywności odruchowej i siły mięśniowej, pacjent ten jest w stanie stawiać kroki na bieżni z odciążeniem masy ciała.

Ponadto pacjent jest w stanie stawiać kroki po podłożu przy pomocy chodzika z kółkami. W celu dalszej kwantyfikacji odruchu rozciągania zależnego od prędkości, do pomiaru aktywności mięśniowej wykorzystuje się system łączący dynamometrię izokinetyczną z elektromiografią.

Powierzchniowe elektrody rejestrujące zostają przyłożone do mięśnia piszczelowego przedniego oraz mięśnia brzuchatego łydki. Noga pacjenta zostaje przymocowana do podnóżka sprzęgniętego z tensometrem o sześciu stopniach swobody, a oś stawu skokowego zostaje wyrównana z centrum tensometru. Moment obrotowy bierny lub grawitacyjny jest uzyskiwany za pomocą powolnych zaburzeń rozciągających.

Przyjmuje się, że ta odpowiedź momentowa nie posiada komponentu odruchowego i zostanie ona odjęta od szybkich rozciągnięć. Aby obliczyć wypadkową odpowiedź odruchową w celu oceny pobudliwości odruchu rozciągania, u zrelaksowanego pacjenta stosuje się pojedyncze lub wielokrotne rozciągania w kierunku zgięcia grzbietowego lub zgięcia podeszwowego, co pozwala ocenić zmiany pobudliwości w zależności od prędkości. Pomiarowi poddawane są różne prędkości obrotowe, w tym 30, 60 i 120 stopni na sekundę.

Reakcję momentu obrotowego określono ilościowo za pomocą sygnału momentu obrotowego, który został poddany filtrowaniu dolnoprzepustowemu przy 200 hertz, próbkowaniu przy 1000 hertz i zsynchronizowany z danymi EMG. Przed analizą odjęto moment obrotowy wynikający z czynników pasywnych i grawitacyjnych. Reakcję mięśnia określono ilościowo za pomocą sygnału EMG, który został poddany filtrowaniu pasmowemu w zakresie od 20 do 450 hertz, próbkowaniu przy 1000 hertz i zsynchronizowany z danymi momentu obrotowego przed analizą.

Sygnał jest prostowany i wygładzany z częstotliwością 10 hertz przy użyciu filtra Butterwortha czwartego rzędu. Rekurencyjne odpowiedzi odruchu rozciągnięcia są analizowane na podstawie sygnałów momentu obrotowego i EMG. Głównymi miernikami wynikowymi tej analizy są zarówno szczytowy moment obrotowy, jak i przedłużona aktywność mięśniowa następująca po końcowym rozciągnięciu.

Dynamometr izokinetyczny służy również do precyzyjnego ilościowego określania siłyy woli. Powierzchniowe EMG są przytwierdzone do czterech mięśni uda, w tym do mięśnia prostego uda, mięśnia obszernego bocznego, mięśnia obszernego przyśrodkowego oraz przyśrodkowej grupy mięśni dwugłowych uda. Podudzie pacjenta jest przymocowane do ramienia dynamometru połączonego z tensometrem o sześciu stopniach swobody.

Oś stawu kolanowego zostaje wyrównana do centrum przetwornika siły. Gdy pacjent jest zrelaksowany, otrzymuje instrukcję wygenerowania maksymalnej siły w stawie. Aby zapewnić maksymalną produkcję siły woluntarycznej, podczas skurczu stosuje się wobec pacjenta intensywne zachęty słowne.

Gdy podczas skurczu zaczyna spadać moment obrotowy, do mięśnia czworogłowego podaje się bodziec supermaksymalny za pomocą samoprzylepnych elektrod żelowych o wymiarach trzy na pięć cali. Sygnały momentu obrotowego i EMG są zbierane i przetwarzane w taki sam sposób, jak w ocenie odruchu rozciągania zależnego od prędkości. Maksymalny moment obrotowy oraz powiązane odpowiedzi EMG są oceniane w trybie offline przy użyciu przetworzonych sygnałów momentu obrotowego i EMG.

Dodatkowo deficyty aktywacji dobrowolnej ocenia się za pomocą wskaźnika aktywacji centralnej (central activation ratio – CAR). Do oceny zdolności chodzenia wykorzystuje się stopniowany test na bieżni. Badany zostaje przymocowany do bieżni za pomocą szelek bezpieczeństwa oraz wyposażenia pomiarowego, w tym markerów odblaskowych, powierzchniowego EMG, monitora tętna i przenośnego systemu metabolicznego, w celu przeprowadzenia stopniowanego testu na bieżni.

Początkowa prędkość bieżni zostaje ustawiona na 0,1 metrów na sekundę i zwiększana o 0,1 metrów na sekundę co dwie minuty, aż do uzyskania maksymalnej prędkości pacjenta. Szczytowa prędkość bieżni jest definiowana jako najwyższa prędkość, przy której pacjent był w stanie podchodzić przez co najmniej jedną minutę przed wystąpieniem niestabilności chodu. Po osiągnięciu ograniczeń sercowo-naczyniowych lub dobrowolnym przerwaniu testu podczas chodzenia na bieżni, wykonuje się szereg pomiarów z wykorzystaniem systemu przechwytywania ruchu, systemu EMG oraz przenośnego systemu metabolicznego w trybie offline.

Dane z systemu przechwytywania ruchu są śledzone ręcznie w celu zapewnienia dokładności, a do analizy wybierano epokę obejmującą co najmniej 10 cykli kroków. Cykl chodu jest normalizowany do wartości procentowych od uderzenia pięty do uderzenia pięty i interpolowany za pomocą funkcji sklejanej sześciennej dla kątów w stawie biodrowym i kolanowym. Dla każdego badanego wyznaczane są maksymalne kąty stawowe oraz zakresy wychyleń kątowych w trakcie cyklu chodu.

Oprócz pomiaru koordynacji wewnątrzkończynowej, główny nacisk położono na koordynację kinematyki biodra i kolana w płaszczyźnie strzałkowej, którą można ocenić, analizując spójność wykresów kątów biodrowo-kolanowych. Do obliczenia spójności koordynacji międzykończynowej wykorzystuje się średni współczynnik zgodności. Wykres kątów biodrowo-kolanowych służy do zdefiniowania cosignu i znaku kierunku wektora.

Zmiana kątów w stawie biodrowym i kolanowym została znormalizowana do długości wektora dla każdego odstępu między klatkami. Wartości sinus i cosinus są uśredniane dla wszystkich cykli kroku dla każdego odpowiedniego odstępu między klatkami. Wykorzystując te uśrednione wartości, obliczana jest średnia długość wektora dla każdego odstępu między klatkami.

Średnia arytmetyczna długości wektora średniego we wszystkich odstępach między klatkami będzie wartością od zera do jeden i będzie reprezentować ogólne rozproszenie par bioder i kolan w cyklu chodu. Aby ocenić aktywność mięśni podczas chodzenia, wzorce aktywności mięśniowej z sygnałów EMG są synchronizowane z danymi z systemu motion capture w trybie offline, wygładzony sygnał EMG jest normalizowany do procentu cyklu chodu i uśredniany z co najmniej 10 kroków. Normatywny czas włączenia i wyłączenia mięśni kończyn dolnych podczas chodzenia jest ustalany przy użyciu bazy danych zdrowych osób kontrolnych; dla każdego mięśnia normatywne czasy włączenia i wyłączenia danego mięśnia są naniesione na sygnały EMG zebrane od badanego.

Sygnał EMG jest całkowany w ramach normatywnych czasów włączenia i wyłączenia. Wskaźnik spastyczności wyznacza się poprzez podzielenie wartości wyłączenia przez wartość włączenia. Szczytowe pobranie tlenu podczas stopniowanego testu na bieżni określa się po pobraniu przenośnych danych metabolicznych do komputera w celu przeprowadzenia analizy.

Po zakończeniu testu na bieżni wyznacza się średnią z danych VO2 z ostatniej minuty dla każdego dwuminutowego przedziału prędkości, a następnie nanosi się wyniki dla każdej z tych prędkości na wykres. Ruchy dobrowolne są zazwyczaj inicjowane przez sygnały neuronalne w pierwotnej korze ruchowej. Sygnały te przemieszczają się drogą korowo-rdzeniową do neuronów pośrednich rdzenia kręgowego, w tym do centralnego generatora wzorców, i zbiegają się na poziomie motoneuronu rdzeniowego.

Motoneuron bezpośrednio unerwia mięsień i wywołuje jego skurcz. Ruchy świadome mogą również aktywować równoległe drogi pniowe, rdzeniowe lub opuszkowo-rdzeniowe. Jedną z funkcji tych dróg opuszkowo-rdzeniowych jest regulacja pobudliwości neuronów rdzeniowych poprzez uwalnianie neuromodulatorów, w szczególności serotoniny, a niepełny uszczerbek rdzenia kręgowego prowadzi do utraty pełnej kontroli dobrowolnej wskutek przerwania dróg korowo-rdzeniowych.

Ponadto obwody rdzeniowe oraz sam neuron ruchowy stają się mniej pobudliwe z powodu częściowej utraty neuromodulatorów z dróg rdzeniowo-opuszkowych. Te połączone zmiany przyczyniają się do deficytów funkcji motorycznych zaobserwowanych w pierwszych trzech częściach tego filmu. W modelach zwierzęcych bezpośrednie podanie do rdzenia kręgowego neuromodulatorów, takich jak serotonina lub ich analogów, może reaktywować te obwody rdzeniowe, co prowadzi do zwiększenia efektu ruchowego, nasilenia aktywności odruchowej oraz poprawy zdolności lokomocyjnych.

Ostatnia część tego filmu zademonstruje, w jaki sposób próbujemy przełożyć ten podstawowy model naukowy na organizm człowieka. W podwójnie ślepej, zrandomizowanej, kontrolowanej placebo próbie z przekreśleniem (crossover design) oceniono wpływ jednorazowego podania doustnego selektywnych inhibitorów zwrotnego wychwytu serotoniny na aktywność ruchową u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego w zakresie funkcji motorycznych. Miary kliniczne, w tym zmodyfikowana skala Ashwortha, narzędzie oceny rdzenia kręgowego dla odruchów spastycznych oraz wynik motoryczny kończyn dolnych, wskazują na wzrost zarówno odruchowej aktywności mimowolnej, jak i generowania siły dobrowolnej po doustnym podaniu SSRI u osoby z niepełnym uszkodzeniem SCI w zakresie funkcji motorycznych. Co więcej, ilościowe statyczne pomiary aktywności ruchowej wykazują zwiększony i przedłużony moment zgięcia podeszwowego stawu skokowego oraz EMG w odpowiedzi na powtarzalne rozciąganie mięśni zginaczy podeszwowych, a także zwiększony moment izometryczny i mniejszy deficyt aktywacji, na co wskazuje wyższy wskaźnik aktywacji centralnej.

Ilościowe pomiary dynamiczne aktywności ruchowej kinematyki biodra i kolana podczas chodu z wykorzystaniem CC wykazują zwiększoną spójność po podaniu leków SSRI. Co ciekawe, aktywność EMG kończyn dolnych podczas chodu wykazuje wzrost nieprawidłowego czasu aktywacji mięśni po podaniu leków SSRI. Wreszcie, parametry metaboliczne podczas chodu wykazują niewielki wzrost zużycia tlenu podczas stopniowanego testu na bieżni po podaniu SSRI.

Choć zmiany te obserwuje się u osób z przewlekłym niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego (SCI), wstępne dane sugerują, że zmiany w podostrym niepełnym SCI mogą być bardziej wyraźne. Na przykład osoba cztery miesiące po SCI nie jest w stanie stawiać kroków bez pomocy fizycznej przed podaniem leku. Po zastosowaniu leku z grupy SSRI ta sama osoba jest w stanie stawiać kroki. Wskazują na to kliniczne i ilościowe oceny.

Wykazaliśmy, że doraźne podanie selektywnych inhibitorów zwrotnego wychwytu serotoniny może poprawić funkcje motoryczne i zdolność chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Jednakże, aby utrwalić te zmiany, niezbędny jest długoterminowy trening. Obecnym celem naszego laboratorium jest połączenie tych interwencji farmakologicznych z intensywną rehabilitacją fizyczną, aby trwale utrzymać poprawę funkcji motorycznych i zdolności chodzenia.