Методы количественного Фармакологически индуцированные Изменения в моторной функции в человеческой Неполные SCI

Целью данного протокола является описание изменений двигательного поведения у лиц с неполным повреждением спинного мозга после применения серотонинергических препаратов. Для этого проводятся стандартизированные обследования для оценки клинических показателей исходного состояния, силы нижних конечностей и рефлекторных реакций; для получения более точных данных определяются количественные показатели статической силы и рефлекторной функции выбранных групп мышц с детальным исследованием пиковых произвольных крутящих моментов и возбудимости растяжения рефлекса. Затем проводятся дополнительные количественные динамические оценки для измерения кинематических паттернов нижних конечностей, мышечной активности, временных параметров и метаболической эффективности при ходьбе на беговой дорожке.

Наконец, серотонинергические препараты вводятся в рамках слепого перекрестного исследования, после чего проводится повторная оценка. Этот подход трансляционной медицины позволяет систематически оценивать влияние серотонинергических препаратов на рефлексы волевой силы и способность к ходьбе у лиц с неполным повреждением спинного мозга. Повреждение спинного мозга представляет собой изнурительный патологический процесс, который приводит к глубокому дефициту моторного контроля на ранних этапах после травмы.

Основной целью для большинства пациентов с неполным повреждением является восстановление способности к ходьбе, что подразумевает сохранение остаточного моторного контроля дистальнее места повреждения. Это достижимо. Модели на животных показали, что фармакологические препараты могут помочь ускорить и стимулировать восстановление моторного контроля и способности к ходьбе.

Однако возможности переноса этих результатов на людей ограничены. Наша лаборатория стремится применить данные, полученные на животных, для лечения пациентов с неполным повреждением спинного мозга. Мы хотим выяснить, могут ли фармакологические препараты способствовать восстановлению моторного контроля и способности к ходьбе у лиц с неполными поражениями спинного мозга?

Степень спастичности четырехглавой мышцы бедра и мышц задней поверхности бедра количественно оценивается с помощью модифицированной шкалы Эшворта для определения спастичности четырехглавой мышцы. Исследователь выполняет медленное и быстрое пассивное сгибание в коленном суставе. Аналогичным образом, для оценки спастичности мышц задней поверхности бедра исследователь выполняет медленное и быстрое пассивное разгибание в коленном суставе.

Спастические рефлексы оцениваются по шкале от нуля до четырех на основании конкретных критериев. Совокупный балл получается путем перевода этих исходных показателей в порядковую шкалу и суммирования величины или продолжительности сгибательных спазмов с обеих сторон. Разгибательные спазмы и клонус количественно определяются с помощью инструмента оценки спинного мозга.

Для спастических рефлексов ответ пациента оценивается по соответствующим критериям. Составной балл рассчитывается путем суммирования показателей для каждой ноги и в совокупности. Способность пациента к произвольному сокращению мышц оценивается с помощью моторного анализа нижних конечностей согласно рекомендациям Американской ассоциации спинальных повреждений (American Spinal Injury Association).

Для оценки степени контрактуры в области сустава используется шкала от 0 до 5 по определенным критериям. Совокупный балл определяется путем двусторонней оценки миотомов L2, L3, L4, L5 и S1 с последующим суммированием баллов. Несмотря на выраженный дефицит, выявленный при клинической оценке рефлекторной активности и мышечной силы, данный пациент способен передвигаться по беговой дорожке с поддержкой веса тела.

Кроме того, пациент способен передвигаться по поверхности с помощью роллатора. Для дальнейшей количественной оценки скоростной зависимости рефлекса растяжения используется система, объединяющая изокинетическую динамометрию с электромиографией, для измерения мышечной активности.

Поверхностные регистрирующие электроды накладывают на переднюю и медиальную большеберцовые мышцы. Ногу пациента закрепляют на опорной пластине, соединенной с тензодатчиком с шестью степенями свободы, при этом ось голеностопного сустава совмещают с центром тензодатчика. Пассивные или гравитационные моменты силы определяют с помощью медленных растягивающих возмущений.

Предполагается, что этот крутящий момент не имеет рефлекторного компонента, и он будет вычтен из показателей при быстрых растяжениях. Для расчета чистого рефлекторного ответа с целью оценки возбудимости растяжения рефлекса расслабленному пациенту наносят одиночные или множественные растяжения в сторону тыльного или подошвенного сгибания, чтобы оценить изменение возбудимости в зависимости от скорости. Измеряются различные скорости вращения, включая 30, 60 и 120 градусов в секунду.

Отклик по крутящему моменту количественно оценивается с помощью сигнала крутящего момента, который подвергался низкочастотной фильтрации на 200 hertz, дискретизации с частотой 1000 hertz и синхронизировался с данными ЭМГ. Перед началом анализа вычитается крутящий момент, обусловленный пассивным вкладом и действием силы тяжести. Отклик мышцы количественно оценивается с помощью сигнала ЭМГ, который подвергался полосовой фильтрации в диапазоне от 20 до 450 hertz, дискретизации с частотой 1000 hertz и синхронизировался с данными по крутящему моменту перед началом анализа.

Сигнал выпрямляют и сглаживают на частоте 10 hertz с использованием рекурсивного фильтра Баттерворта четвертого порядка. Ответы на растяжение анализируются на основе сигналов крутящего момента и ЭМГ. Основными показателями данного анализа являются как пиковый крутящий момент, так и продолжительная мышечная активность после окончательного растяжения.

Изокинетический динамометр также используется для точного количественного определения произвольной силы. Поверхностные ЭМГ фиксируются на четырех мышцах бедра, включая прямую мышцу бедра, латеральную широкую мышцу, медиальную широкую мышцу и медиальную группу мышц задней поверхности бедра. Голень пациента прикрепляется к рычагу динамометра, который соединен с шестиосевым датчиком силы.

Ось коленного сустава совмещают с центром датчика нагрузки. Когда пациент находится в расслабленном состоянии, ему дают указание приложить максимальное усилие в суставе. Для обеспечения максимального произвольного мышечного усилия во время сокращения пациента активно стимулируют с помощью вербальных команд.

Когда при сокращении начинается снижение крутящего момента, на четырехглавую мышцу подается супермаксимальный стимул через самоклеящиеся гелевые электроды-пластины размером три на пять дюймов. Сигналы крутящего момента и ЭМГ собираются и обрабатываются так же, как при оценке растяжимого рефлекса, зависящего от скорости. Максимальный крутящий момент и соответствующие ответы ЭМГ оцениваются в автономном режиме с использованием обработанных сигналов крутящего момента и ЭМГ.

Кроме того, дефицит волевой активации оценивается с помощью коэффициента центральной активации (CAR). Для оценки способности к ходьбе используется нагрузочный тест на беговой дорожке. Испытуемый закрепляется на беговой дорожке с помощью страховочного пояса и измерительного оборудования, включая светоотражающие маркеры, датчики поверхностной ЭМГ, монитор сердечного ритма и портативную метаболическую систему для проведения нагрузочного теста на беговой дорожке.

Начальная скорость беговой дорожки устанавливается на уровне 0.1 meters per second и увеличивается на 0.1 meters per second каждые две минуты до достижения максимальной скорости пациента. Пиковая скорость беговой дорожки определяется как самая высокая скорость, с которой пациент был способен передвигаться в течение как минимум одной минуты до возникновения нестабильности походки. При достижении сердечно-сосудистых ограничений или добровольном прекращении теста во время ходьбы на беговой дорожке, множество показателей оцениваются с помощью системы захвата движений, системы ЭМГ и портативной метаболической системы в автономном режиме.

Данные захвата движений отслеживаются вручную для обеспечения точности, и для анализа выбирается период, охватывающий не менее 10 циклов шага. Цикл походки нормализуется в процентах от касания пяткой поверхности до следующего касания пяткой, и проводится интерполяция с использованием кубического сплайна для углов в тазобедренном и коленном суставах. Для каждого испытуемого определяются пиковые значения углов в суставах и амплитуда угловых отклонений в течение цикла походки.

Помимо измерения внутриконечностной координации, основное внимание уделяется координации кинематики бедра и колена в сагиттальной плоскости, которую можно оценить по согласованности графиков зависимости угла в колене от угла в бедре. Для расчета согласованности межконечностной координации используется средний коэффициент соответствия. График зависимости угла в колене от угла в бедре используется для определения косинуса и знака направления вектора.

Изменение углов в тазобедренном и коленном суставах было нормализовано по длине вектора для каждого интервала между кадрами. Эти значения синуса и косинуса усреднялись по всем циклам шага для каждого соответствующего интервала кадров. На основе этих усредненных значений рассчитывалась средняя длина вектора для каждого интервала между кадрами.

Среднеарифметическое значение длины среднего вектора по всем интервалам между кадрами будет представлять собой величину от нуля до единицы и будет отражать общую дисперсию пар «бедро-колено» на протяжении цикла походки. Для оценки мышечной активности при ходьбе паттерны мышечной активности из сигналов ЭМГ синхронизируются с данными захвата движений в автономном режиме; сглаженный сигнал ЭМГ нормируется по проценту цикла походки и усредняется по крайней мере за 10 шагов. Нормативные моменты включения и выключения мышц нижних конечностей при ходьбе определяются с использованием базы данных здоровых людей из контрольной группы; для каждой мышцы нормативные моменты включения и выключения данной мышцы накладываются на сигналы ЭМГ, зарегистрированные у испытуемого.

Сигнал ЭМГ интегрируется между нормативными временами включения и выключения. Индекс спастичности определяется путем деления значения выключения на значение включения. Пиковое потребление кислорода во время ступенчатого теста на беговой дорожке определяется после загрузки данных портативного метаболометра на компьютер для анализа.

После завершения теста на беговой дорожке рассчитывается среднее значение данных VO₂ за последнюю минуту каждого двухминутного этапа скорости, и результаты строятся в виде графика для каждой скорости. Произвольные движения обычно инициируются нейронными сигналами в первичной моторной коре. Эти сигналы передаются по кортикоспинальному тракту к интернейронам спинного мозга, включая центральный генератор паттернов, и сходятся на уровне спинального мотонейрона.

Мотонейрон напрямую иннервирует мышцу и вызывает ее сокращение. Произвольные движения также могут активировать параллельные пути ствола мозга, спинного мозга или бульбоспинальные пути. Одной из функций этих бульбоспинальных путей является регуляция возбудимости спинальных нейронов посредством высвобождения нейромодуляторов, в частности серотонина, а неполное повреждение спинного мозга приводит к утрате полного произвольного контроля из-за разрыва кортикоспинальных путей.

Кроме того, спинальные цепи и сам мотонейрон становятся менее возбудимыми из-за частичной потери нейромодуляторов из бульбоспинальных путей. Эти совокупные изменения способствуют возникновению дефицита двигательных функций, наблюдаемого в первых трех частях этого видео. В моделях на животных применение нейромодуляторов, таких как серотонин или их аналоги, непосредственно в спинной мозг может реанимировать эти спинальные цепи, что приводит к усилению двигательного выхода, повышению рефлекторной активности и улучшению локомоторной способности.

В заключительной части этого видео будет продемонстрировано, как мы пытаемся перенести эту базовую научную модель на людей. В двойном слепом рандомизированном плацебо-контролируемом перекрестном исследовании оценивается влияние острого перорального введения селективных ингибиторов обратного захвата серотонина на двигательную активность у лиц с двигательно неполным повреждением спинного мозга. Клинические показатели, включая модифицированную шкалу Эшворта, инструмент оценки спинного мозга для спастических рефлексов и показатель двигательной функции нижних конечностей, указывают на усиление как непроизвольной рефлекторной активности, так и генерации произвольной силы после перорального введения СИОЗС у пациента с двигательно неполным ПСМ. Кроме того, количественные статические показатели двигательной активности демонстрируют увеличение и пролонгацию крутящего момента при подошвенном сгибании голеностопного сустава и ЭМГ в ответ на повторные растяжения подошвенных сгибателей, а также повышение изометрического крутящего момента и уменьшение дефицита активации, что подтверждается более высоким коэффициентом центральной активации.

Количественные показатели динамики двигательной активности кинематики тазобедренного и коленного суставов при ходьбе с использованием CC выявляют повышенную согласованность после приема СИОЗС. Интересно, что ЭМГ-активность нижних конечностей при ходьбе демонстрирует увеличение случаев ненадлежащего времени активации мышц после приема СИОЗС. Наконец, метаболические параметры при ходьбе выявляют умеренное увеличение потребления кислорода во время нагрузочного теста на беговой дорожке после введения СИОЗС.

Хотя эти изменения наблюдаются у лиц с хронической неполной травмой спинного мозга (ТСМ), предварительные данные свидетельствуют о том, что при подострой неполной ТСМ изменения могут быть более выраженными. Например, человек спустя четыре месяца после ТСМ не может делать шаги без физической помощи до начала приема препарата. После приема СИОЗС этот же человек становится способен делать шаги. Эти выводы сделаны на основе данных клинических и количественных оценок.

Мы установили, что острое введение селективных ингибиторов обратного захвата серотонина может улучшить двигательную функцию и способность к ходьбе у лиц с неполным повреждением спинного мозга. Однако для закрепления этих изменений необходимы длительные тренировки. Текущей целью нашей лаборатории является сочетание данных фармакологических вмешательств с интенсивными физическими упражнениями, чтобы сделать эти улучшения двигательной функции и способности к ходьбе постоянными.