Os métodos para quantificar alterações farmacologicamente induzida na função motora em humanos SCI incompleta

O objetivo deste protocolo é descrever as mudanças nos comportamentos motores em indivíduos com lesão medular incompleta após a administração de medicamentos serotoninérgicos. Para conseguir isso, avaliações padronizadas são realizadas para avaliar medidas clínicas de linha de base, força de membros inferiores e comportamentos reflexos para obter medidas mais precisas, avaliações estáticas quantitativas de força e função reflexa de grupos musculares selecionados são determinadas com investigação específica de picos de torques volitivos e excitabilidade reflexa de estiramento. Avaliações dinâmicas quantitativas adicionais são então realizadas para medir os padrões cinemáticos dos membros inferiores, a atividade muscular, o tempo e a eficiência metabólica durante a deambulação em esteira.

Finalmente, os medicamentos serotoninérgicos são administrados em um design cruzado cego e as avaliações são repetidas. Essa abordagem da medicina translacional avalia sistematicamente os efeitos dos medicamentos serotoninérgicos na força volitiva, reflexos e capacidade de caminhar em indivíduos com lesão medular incompleta. A lesão medular é um processo de doença debilitante, que produz déficits profundos no controle motor logo após a lesão.

Um objetivo primário para a maioria dos pacientes é a recuperação da marcha em indivíduos com lesão incompleta, o que significa que eles ainda têm controle motor residual distal ao lado da lesão. Este crânio pode ser obtido. Modelos animais mostraram que os agentes farmacológicos podem ajudar a acelerar e promover a recuperação do controle motor e da capacidade de marcha.

No entanto, a tradução dessas descobertas para humanos é limitada. Nosso laboratório está tentando traduzir essas descobertas em animais em humanos com lesão medular incompleta. Esperamos fazer a pergunta: os agentes farmacológicos podem ajudar a promover a recuperação do controle motor e da capacidade de marcha em indivíduos com lesões incompletas da coluna vertebral?

I, a espasticidade dos grupos musculares quadríceps e isquiotibiais é quantificada usando a escala de Ashworth modificada para avaliar a espasticidade do quadríceps. O examinador gera um movimento de flexão passivo lento e rápido sobre a articulação do joelho. Da mesma forma, para avaliar a espasticidade dos isquiotibiais, o examinador gera uma extensão passiva lenta e rápida sobre a articulação do joelho.

Os reflexos espásticos são classificados em uma escala de zero a quatro com base em critérios específicos. Uma pontuação composta é obtida convertendo essas pontuações brutas em uma escala ordinal e somando bilateralmente a magnitude ou duração dos espasmos flexores. Os espasmos extensores e o cólon são quantificados usando a ferramenta de avaliação da medula espinhal.

Para reflexos espásticos, a resposta do paciente é classificada com base nos critérios listados. Uma pontuação composta é obtida adicionando pontuações dentro e entre as pernas. A capacidade de um indivíduo contrair os músculos volitivamente é avaliada usando a pontuação motora da extremidade inferior com base nas diretrizes da American Spinal Injury Association.

Critérios especificados são usados para classificar a contração em torno de uma articulação em uma escala de zero a cinco. Uma pontuação composta é obtida através da avaliação dos miótomos L dois, L três, L quatro, L cinco e S um bilateralmente e adicionando pontuações. Apesar desses déficits claros nas avaliações clínicas da atividade reflexa e da força, esse paciente é capaz de dar passos na esteira com suporte de peso corporal.

Além disso, o paciente é capaz de dar passos no solo com a ajuda de um andador rolante. A fim de quantificar ainda mais o reflexo de estiramento dependente da velocidade. Um sistema que combina dinamometria isocinética com eletromiografia é usado para medir a atividade muscular.

Os eletrodos de registro de superfície são aplicados no ânus gástrico anterior e medial das tíbias. A perna do paciente é presa a uma placa de pé, acoplada a uma célula de carga de seis graus de liberdade, e o eixo da articulação do tornozelo é alinhado ao centro da célula de carga. Torques passivos ou gravitacionais são obtidos a partir das perturbações de estiramento lento.

Supõe-se que essa resposta de torque não tenha um componente reflexo e será subtraída dos alongamentos rápidos. Para calcular a resposta líquida do reflexo para avaliar a excitabilidade do reflexo de estiramento, alongamentos únicos ou múltiplos em dorsiflexão ou flexão plantar são aplicados ao paciente relaxado para avaliar as mudanças na excitabilidade com a velocidade. Várias velocidades de rotação são medidas, incluindo 30, 60 e 120 graus por segundo.

A resposta de torque é quantificada usando o sinal de torque, que era passa-baixo, filtrado a 200 hertz, amostrado a 1000 hertz e sincronizado com os dados de EMG. Antes da análise, o torque devido às contribuições passivas e gravitacionais é subtraído. A resposta do músculo é quantificada usando o sinal EMG, que foi banido, filtrado em 20 a 450 hertz, amostrado em 1000 hertz e sincronizado com os dados de torque antes da análise.

O sinal é retificado e suavizado a 10 hertz usando uma quarta ordem. As respostas recursivas do reflexo de estiramento do filtro Butterworth são analisadas desde a condição até o torque e os sinais EMG. As medidas de desfecho primário desta análise incluem o pico de torque e a atividade muscular prolongada após o alongamento final.

O dinamômetro isocinético também é usado para obter uma quantificação precisa da força volitiva. Superfície. Os EMGs são afixados em quatro músculos da coxa, incluindo reto femoral, vasto lateral, vasto médio e isquiotibiais mediais. A haste do paciente é presa a um braço dinamômetro acoplado a uma célula de carga de seis graus de liberdade.

O eixo da articulação do joelho está alinhado ao centro da célula de carga. Com o paciente relaxado, o paciente é instruído a gerar força máxima sobre a articulação. Para garantir a produção máxima de força volitiva, um incentivo verbal vigoroso é fornecido ao paciente durante a contração.

Quando o torque começa a diminuir durante a contração, um estímulo super máximo é entregue ao quadríceps por meio de eletrodos estimuladores de placa de gel autoadesiva de três por cinco polegadas. Os sinais de torque e EMG são coletados e condicionados como nas avaliações do reflexo de estiramento dependente da velocidade. O torque máximo e as respostas EMG associadas são avaliados offline usando os sinais de torque de condição e EMG.

Além disso, os déficits na ativação volitiva são avaliados usando a taxa de ativação central ou car. Um teste de esteira graduado é usado para avaliar a capacidade de caminhar. O sujeito é preso à esteira com um cinto de segurança e equipamento de teste, incluindo marcadores reflexivos, EMGs de superfície, um monitor de frequência cardíaca e um sistema metabólico portátil para realizar o teste graduado da esteira

A velocidade inicial da esteira é definida em 0,1 metros por segundo e aumentada em 0,1 metros por segundo a cada dois minutos até que a velocidade máxima do paciente seja obtida. O pico de velocidade da esteira é definido como a velocidade mais alta em que o paciente foi capaz de deambular por pelo menos um minuto antes da instabilidade da marcha. Limitações cardiovasculares são atingidas ou término voluntário do teste durante a caminhada em esteira, várias medidas são avaliadas usando um sistema de captura de movimento e sistema EMG e o sistema metabólico portátil offline.

Os dados de captura de movimento são rastreados manualmente para precisão e uma época de pelo menos 10 ciclos de etapas é escolhida para análise. O ciclo da marcha é normalizado para porcentagem de golpe de calcanhar para golpe de calcanhar e interpolado usando uma ranhura cúbica para os ângulos do quadril e do joelho. Os ângulos das articulações de pico e as excursões angulares durante o ciclo da marcha são determinados para cada sujeito.

Além de uma medida de coordenação intra-membro, o foco principal é a coordenação do plano sagital, cinemática do quadril e joelho, que pode ser avaliada observando a consistência dos gráficos de ângulo do ângulo do quadril e joelho. O coeficiente de correspondência médio é usado para calcular a consistência da coordenação entre membros. O gráfico de ângulo do ângulo do joelho do quadril é usado para definir o co-sinal e o sinal da direção do vetor.

À medida que a mudança nos ângulos do quadril e do joelho normalizou para o comprimento do vetor para cada intervalo quadro a quadro. Esses valores de sinal e co-sinal são calculados em média em todos os ciclos de etapa para cada intervalo de quadro correspondente. Usando esses valores médios, o comprimento médio do vetor para cada intervalo quadro a quadro é calculado.

A média aritmética do comprimento médio do vetor em todos os intervalos quadro a quadro será um valor de zero a um e representará a dispersão geral dos pares de quadril e joelho ao longo do ciclo da marcha. Para avaliar a atividade muscular durante a deambulação, os padrões de atividade muscular dos sinais EMG são sincronizados com os dados de captura de movimento offline, o sinal DMG suave é normalizado para o ciclo percentual da marcha e calculado em média entre pelo menos 10 passos. O tempo normativo de ligar e desligar os músculos das extremidades inferiores durante a deambulação é estabelecido usando um banco de dados de controles saudáveis para cada músculo os tempos normativos de ligar e desligar do músculo específico são sobrepostos aos sinais EMG coletados do sujeito.

O sinal EMG é integrado entre os horários normativos de ligar e desligar. O índice de espasticidade é determinado dividindo o valor off pelo valor on. O consumo máximo de oxigênio durante o teste graduado em esteira é determinado após o download dos dados metabólicos portáteis para um computador para análise.

Uma vez concluído o teste em esteira, especificamente a média do último minuto dos dados de VO O2 para cada época de velocidade de dois minutos é determinada e os resultados são plotados para cada velocidade. Os movimentos volitivos são tipicamente iniciados a partir de sinais neurais no córtex motor primário. Esses sinais viajam através do trajeto corticoespinhal para os interneurônios espinhais, incluindo o gerador de padrão central e convergem no nível do neurônio motor espinhal.

O neurônio motor inerva diretamente o músculo e causa contração muscular. Os movimentos volitivos V também podem ativar vias paralelas da medula espinhal do tronco encefálico ou do bulbo espinhal. Uma função dessas vias bulboespinhais é regular a excitabilidade dos neurônios espinhais por meio da liberação de neuromoduladores, particularmente serotonina e lesão incompleta na medula espinhal resulta em perda de controle voluntário total devido à interrupção das vias corticoespinhais.

Além disso, os circuitos espinhais e o próprio neurônio motor tornam-se menos excitáveis devido à perda parcial de neuromoduladores das vias bulboespinhais. Essas mudanças combinadas contribuem para os déficits nas funções motoras observados nas três primeiras partes deste vídeo. Em modelos animais, a aplicação de neuromoduladores como a serotonina ou seus análogos diretamente na medula espinhal pode reanimar esses circuitos espinhais, levando ao aumento da produção motora, aumento da atividade reflexa e melhora da capacidade locomotora.

A última parte deste vídeo demonstrará como estamos tentando traduzir essa estrutura científica básica para os humanos. Em um projeto cruzado duplo-cego, randomizado e controlado por placebo, os efeitos da administração oral aguda de inibidores seletivos da recaptação da serotonina na atividade motora são avaliados em indivíduos com lesão medular motora incompleta medidas clínicas, incluindo o Ashworth modificado, a ferramenta de avaliação da medula espinhal para reflexos espásticos e o escore motor dos membros inferiores indicam um aumento na atividade reflexa involuntária e na geração de força voluntária após administração oral de ISRS em um indivíduo com LME motora incompleta. Além disso, medidas estáticas quantitativas da atividade motora mostram um aumento e prolongamento do torque de flexão plantar do tornozelo e EMG em resposta a alongamentos repetidos dos flexores plantares e aumento do torque isométrico e um menor déficit de ativação indicado por uma maior taxa de ativação central.

As medidas dinâmicas quantitativas da atividade motora da cinemática do quadril e joelho durante a deambulação usando um CC revelam uma consistência aumentada após a medicação ISRS. Curiosamente, a atividade EMG dos membros inferiores durante a deambulação mostra um aumento no tempo inadequado da atividade muscular após a medicação ISRS. Finalmente, os parâmetros metabólicos durante a deambulação revelam um aumento modesto no consumo de oxigênio durante o teste graduado em esteira após a administração de ISRS.

Embora essas alterações sejam observadas em indivíduos com LME crônica incompleta, dados preliminares sugerem que as alterações na LME incompleta subaguda podem ser mais marcantes. Por exemplo, um indivíduo quatro meses após a LME é incapaz de tomar medidas sem assistência física antes da medicação. Após a medicação ISRS, o mesmo indivíduo é capaz de tomar medidas por meio dessas avaliações clínicas e quantitativas.

Vimos que a administração aguda de inibidores seletivos da recaptação da serotonina pode melhorar a função motora e a capacidade de andar em indivíduos com lesão medular incompleta. No entanto, é necessário treinamento de longo prazo para tornar essas mudanças permanentes. Um objetivo atual do nosso laboratório é combinar essas intervenções farmacológicas com intervenções físicas intensivas para tornar permanentes essas melhorias na função motora e na capacidade de caminhar.