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

O objetivo deste protocolo é descrever alterações nos comportamentos motores em indivíduos com lesão medular incompleta após a administração de medicamentos serotoninérgicos. Para isso, são realizadas avaliações padronizadas para analisar medidas clínicas do estado basal, da força e dos reflexos dos membros inferiores, a fim de obter medidas mais precisas. Avaliações quantitativas estáticas da força e da função reflexa de grupos musculares selecionados são determinadas, com investigação específica dos torques voluntários máximos e da excitabilidade do reflexo de estiramento. Em seguida, são realizadas avaliações quantitativas dinâmicas adicionais para medir os padrões cinemáticos dos membros inferiores, a atividade muscular e o tempo de resposta, bem como a eficiência metabólica durante a deambulação em esteira.

Por fim, medicamentos serotoninérgicos são administrados em um delineamento cruzado cego e as avaliações são repetidas. Essa abordagem da medicina translacional avalia sistematicamente os efeitos de medicamentos serotoninérgicos sobre os reflexos voluntários de força muscular e a capacidade de caminhar em indivíduos com lesão medular incompleta. A lesão medular é um processo patológico incapacitante, 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, ou seja, aqueles que ainda possuem controle motor residual distal ao lado da lesão. Esse objetivo pode ser alcançável. Modelos animais demonstraram que agentes farmacológicos podem ajudar a acelerar e promover a recuperação do controle motor e da capacidade de caminhar.

No entanto, a tradução dessas descobertas para humanos é limitada. O nosso laboratório está tentando traduzir essas descobertas em animais para humanos com lesão medular incompleta. Esperamos levantar a questão: agentes farmacológicos podem ajudar a promover a recuperação do controle motor e da capacidade de caminhar em indivíduos com lesões medulares incompletas?

Eu, a espasticidade dos grupos musculares do quadríceps e dos isquiotibiais é quantificada utilizando a escala modificada de Ashworth para avaliar a espasticidade do quadríceps. O examinador realiza movimentos lentos e rápidos de flexão passiva na articulação do joelho. De forma semelhante, para avaliar a espasticidade dos isquiotibiais, o examinador realiza movimentos lentos e rápidos de extensão passiva na 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 clônus são quantificados utilizando a ferramenta de avaliação da medula espinhal.

Para reflexos espásticos, a resposta do paciente é classificada com base em critérios listados. Uma pontuação composta é obtida somando-se as pontuações dentro e entre as pernas. A capacidade de um indivíduo contrair voluntariamente os músculos é avaliada utilizando a pontuação motora dos membros inferiores, com base nas diretrizes da Associação Americana de Lesões da Medula Espinhal.

Critérios específicos são utilizados para classificar a contração ao redor de uma articulação numa escala de zero a cinco. Uma pontuação composta é obtida por meio da avaliação bilateral dos miótomos L2, L3, L4, L5 e S1 e da soma das pontuações. Apesar desses déficits evidentes nas avaliações clínicas da atividade reflexa e da força muscular, este paciente é capaz de dar passos na esteira com suporte do peso corporal.

Além disso, o paciente é capaz de dar passos no solo com a ajuda de um andador com rodas. Para quantificar ainda mais o reflexo de estiramento dependente da velocidade, utiliza-se um sistema que combina dinamometria isocinética com eletromiografia para medir a atividade muscular.

Eletrodos de registro de superfície são aplicados aos tibiais anterior e retal medial do gastrocnêmio. A perna do paciente é fixada a uma placa para o 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 de perturbações lentas de alongamento.

Presume-se que esta resposta de torque não tenha um componente reflexo e será subtraída dos alongamentos rápidos. Para calcular a resposta reflexa líquida e avaliar a excitabilidade do reflexo miotático, alongamentos únicos ou múltiplos em dorsiflexão ou flexão plantar são aplicados ao paciente em repouso, a fim de avaliar as alterações na excitabilidade em função da velocidade. Diversas velocidades angulares são medidas, incluindo 30, 60 e 120 graus por segundo.

A resposta de torque é quantificada utilizando o sinal de torque, que foi filtrado por passa-baixa em 200 hertz, amostrado a 1000 hertz e sincronizado com os dados de EMG. Antes da análise, subtrai-se o torque devido às contribuições passivas e gravitacionais. A resposta do músculo é quantificada utilizando o sinal de EMG, que foi filtrado por passa-banda entre 20 e 450 hertz, amostrado a 1000 hertz e sincronizado com os dados de torque antes da análise.

O sinal é retificado e suavizado em 10 hertz utilizando um filtro recursivo Butterworth de quarta ordem. As respostas do reflexo miotático são analisadas a partir da condição para os sinais de torque e EMG. As principais medidas de desfecho dessa análise incluem tanto o torque de pico quanto a atividade muscular prolongada após o alongamento final.

O dinamômetro isocinético também é utilizado para obter uma quantificação precisa da força voluntária. Eletromiogramas de superfície são fixados em quatro músculos da coxa, incluindo reto femoral, vasto lateral, vasto medial e isquiotibiais mediais. A perna do paciente é conectada a um braço do dinamômetro que está acoplado a uma célula de carga de seis graus de liberdade.

O eixo da articulação do joelho é alinhado ao centro da célula de carga. Com o paciente relaxado, instrui-se o paciente a gerar força máxima ao redor da articulação. Para garantir a produção máxima de força voluntária, encorajamento verbal vigoroso é fornecido ao paciente durante a contração.

Quando o torque começa a diminuir durante a contração, um estímulo supramáximo é aplicado ao quadríceps por meio de eletrodos estimuladores adesivos em gel de três por cinco polegadas. O torque e os sinais de EMG são coletados e condicionados como nas avaliações do reflexo miotático dependente da velocidade. O torque máximo e as respostas associadas de EMG são avaliados offline utilizando os sinais condicionados de torque e EMG.

Além disso, os déficits na ativação voluntária são avaliados utilizando a razão de ativação central ou car. Um teste de esteira rolante graduado é usado para avaliar a capacidade de caminhar. O sujeito é fixado à esteira rolante com um cinto de segurança e equipamentos de teste, incluindo marcadores refletivos, EMGs de superfície, um monitor de frequência cardíaca e um sistema metabólico portátil para realizar o teste de esteira rolante graduado.

A velocidade inicial da esteira é definida em 0,1 metro por segundo e aumentada em 0,1 metro por segundo a cada dois minutos até que seja alcançada a velocidade máxima do paciente. A velocidade de pico na esteira é definida como a velocidade mais alta que o paciente conseguiu manter por pelo menos um minuto antes da instabilidade da marcha. Quando são atingidas limitações cardiovasculares ou ocorre a interrupção voluntária do teste durante a caminhada na esteira, múltiplas medidas são avaliadas offline utilizando um sistema de captura de movimento, um sistema de EMG e um sistema metabólico portátil.

Os dados de captura de movimento são rastreados manualmente para garantir a precisão, e é escolhido um período com pelo menos 10 ciclos de passada para análise. O ciclo da marcha é normalizado em porcentagem, do contato do calcanhar ao próximo contato do calcanhar, e interpolado utilizando uma spline cúbica para os ângulos do quadril e do joelho. Os ângulos máximos das articulações e as amplitudes angulares durante o ciclo da marcha são determinados para cada sujeito.

Além de uma medida de coordenação intra-membro, o foco principal está na coordenação dos movimentos sagitais do quadril e do joelho, que pode ser avaliada por meio da consistência dos gráficos de ângulo do quadril e do joelho. O coeficiente médio de correspondência é utilizado para calcular a consistência da coordenação inter-membros. O gráfico de ângulo do quadril e do joelho é usado para definir o co-sinal e o sinal da direção do vetor.

Como a variação nos ângulos do quadril e do joelho normalizada pelo comprimento do vetor para cada intervalo entre quadros. Esses valores de seno e cosseno são médias de todos os ciclos de passada para cada intervalo de quadros correspondente. Utilizando esses valores médios, calcula-se o comprimento médio do vetor para cada intervalo entre quadros.

A média aritmética do comprimento do vetor médio em todos os intervalos de quadro a quadro será um valor entre zero e um e representará a dispersão geral dos pares quadril e joelho ao longo do ciclo da marcha. Para avaliar a atividade muscular durante a deambulação, os padrões de atividade muscular provenientes dos sinais de EMG são sincronizados com os dados de captura de movimento offline, o sinal suavizado de EMG é normalizado em porcentagem do ciclo da marcha e média é calculada entre pelo menos 10 passos. Os tempos normativos de ativação e desativação dos músculos da extremidade inferior durante a deambulação são estabelecidos utilizando uma base de dados de controles saudáveis; para cada músculo, os tempos normativos de ativação e desativação são sobrepostos aos sinais de EMG coletados do sujeito.

O sinal de EMG é integrado entre os tempos normativos de ligado e desligado. O índice de espasticidade é determinado dividindo-se o valor desligado pelo valor ligado. A captação máxima de oxigênio durante o teste progressivo em esteira é determinada após o download dos dados metabólicos portáteis para um computador para análise.

Após a conclusão do teste na esteira, especificamente é determinada a média do último minuto dos dados de VO₂ para cada período de dois minutos de velocidade, e os resultados são plotados para cada velocidade. Os movimentos voluntários são tipicamente iniciados por sinais neurais no córtex motor primário. Esses sinais viajam através do trato corticoespinal até os interneurônios espinais, incluindo o gerador de padrão central, e convergem ao nível do neurônio motor espinal.

O neurônio motor inerva diretamente o músculo e provoca a contração muscular. Os movimentos voluntários também podem ativar vias paralelas do tronco encefálico medular ou bulboespinais. Uma função dessas vias bulboespinais é regular a excitabilidade dos neurônios espinais por meio da liberação de neuromoduladores, particularmente serotonina, e uma lesão incompleta na medula espinhal resulta na perda do controle voluntário completo devido à interrupção das vias corticospinais.

Além disso, os circuitos espinhais e o próprio neurônio motor tornam-se menos excitáveis devido à perda parcial de neuromoduladores provenientes das vias bulboespinhais. Essas alterações 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 reativar esses circuitos espinhais, levando a um aumento na atividade motora, atividade reflexa potencializada e capacidade locomotora melhorada.

A última parte deste vídeo demonstrará como estamos tentando traduzir essa estrutura de ciência básica para humanos. Em um delineamento duplo-cego, randomizado e controlado com placebo em cruzamento, os efeitos da administração oral aguda de inibidores seletivos da recaptação de serotonina sobre a atividade motora são avaliados em indivíduos com lesão medular incompleta do movimento. Medidas clínicas, incluindo o índice de Ashworth modificado, a ferramenta de avaliação da medula espinhal para reflexos espásticos e o escore motor dos membros inferiores, indicam um aumento tanto na atividade reflexa involuntária quanto na geração de força voluntária após a administração oral de ISRS em um indivíduo com lesão medular incompleta do movimento. Além disso, medidas estáticas quantitativas de atividade motora mostram um torque de flexão plantar aumentado e prolongado no tornozelo e atividade de EMG em resposta a alongamentos repetidos dos flexores plantares, bem como um aumento no torque isométrico e um menor déficit de ativação, indicado por uma maior razão de ativação central.

As medidas dinâmicas quantitativas da atividade motora da cinemática do quadril e do joelho durante a marcha utilizando uma CC revelam uma consistência aumentada após a medicação com ISRS. Curiosamente, a atividade eletromiográfica dos membros inferiores durante a marcha mostra um aumento na inadequação do tempo de atividade muscular após a medicação com ISRS. Por fim, os parâmetros metabólicos durante a marcha revelam um aumento moderado no consumo de oxigênio durante o teste em esteira inclinada após a administração de ISRS.

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

Observamos que a administração aguda de inibidores seletivos da recaptação da serotonina pode melhorar a função motora e a capacidade de caminhar em indivíduos com lesão medular incompleta. No entanto, é necessário um 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.