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

Целью данного протокола является описание изменений в двигательном поведении у лиц с неполным повреждением спинного мозга после приема серотонинергических препаратов. Для достижения этой цели проводятся стандартизированные оценки клинических показателей исходного уровня, силы нижних конечностей и рефлекторного поведения для получения более точных показателей, количественные статические оценки силы и рефлекторной функции выбранных групп мышц определяются с помощью специального исследования пиковых волевых моментов и возбудимости рефлектора растяжения. Затем проводятся дополнительные количественные динамические оценки для измерения кинематических паттернов нижних конечностей, мышечной активности и времени, а также метаболической эффективности во время передвижения на беговой дорожке.

Наконец, серотонинергические препараты вводят в слепом перекрестном дизайне, и оценка повторяется. Этот подход трансляционной медицины систематически оценивает влияние серотонинергических препаратов на силу воли, рефлексы и способность ходить у людей с неполной травмой спинного мозга. Травма спинного мозга является изнурительным заболеванием, которое приводит к глубокому дефициту двигательного контроля в раннем возрасте после травмы.

Основной целью для большинства пациентов является восстановление способности ходить у людей с неполным поражением, что означает, что у них все еще сохраняется остаточный двигательный контроль дистальнее поражения. Этот череп можно получить. Животные модели показали, что фармакологические препараты могут помочь ускорить и способствовать восстановлению двигательного контроля и способности ходить.

Тем не менее, трансляция этих результатов на человека ограничена. Наша лаборатория пытается перенести эти данные на животных на людей с неполным повреждением спинного мозга. Мы надеемся задать вопрос, могут ли фармакологические препараты способствовать восстановлению двигательного контроля и способности ходить у людей с неполными поражениями позвоночника?

I, спастичность групп мышц квадрицепса и подколенного сухожилия количественно определяется с помощью модифицированной шкалы Ашворта для оценки спастичности квадрицепса. Экзаменатор генерирует медленные и быстрые пассивные сгибательные движения вокруг коленного сустава. Аналогичным образом, чтобы оценить спастичность подколенного сухожилия, специалист генерирует медленное и быстрое пассивное разгибание коленного сустава.

Спастические рефлексы оцениваются по шкале от нуля до четырех на основе определенных критериев. Составная оценка получается путем преобразования этих исходных оценок в порядковую шкалу и двустороннего суммирования величины или длительности спазмов сгибателей. Спазмы разгибателей и толстой кишки количественно оцениваются с помощью инструмента оценки спинного мозга.

При спастических рефлексах реакция пациента оценивается на основе перечисленных критериев. Сводный балл получается путем сложения баллов внутри и между этапами. Способность человека к произвольному сокращению мышц оценивается с помощью моторного балла нижних конечностей на основе рекомендаций Американской ассоциации травм позвоночника.

Указанные критерии используются для оценки сокращения вокруг сустава по шкале от нуля до пяти. Сводный балл получается путем двусторонней оценки миотом L два, L три, L 4, L 5 и S 1 и сложения баллов. Несмотря на эти явные недостатки в клинических оценках рефлекторной активности и силы, этот пациент способен делать шаги на беговой дорожке с поддержкой веса тела.

Кроме того, пациент может делать шаги над землей с помощью ходунков на колесиках. Для дальнейшей количественной оценки рефлекса растяжения, зависящего от скорости. Для измерения мышечной активности используется система, сочетающая изокинетическую динамометрию с электромиографией.

Поверхностные записывающие электроды накладываются на большеберцовую кость, передний и медиальный анус желудка. Нога пациента прикреплена к подножке, соединенной с тензодатчиком с шестью степенями свободы, а ось голеностопного сустава выровнена по центру тензодатчика. Пассивные или гравитационные крутящие моменты получаются в результате медленных возмущений растяжения.

Предполагается, что эта реакция на крутящий момент не имеет рефлекторной составляющей и будет вычтена из быстрых растяжек. Чтобы рассчитать суммарную рефлекторную реакцию для оценки возбудимости рефлекса растяжения, расслабленному пациенту прикладывают однократное или многократное растяжение в тыльное сгибание или подошвенное сгибание для оценки изменений возбудимости со скоростью. Измеряются различные скорости вращения, в том числе 30, 60 и 120 градусов в секунду.

Характеристика крутящего момента количественно определяется с помощью сигнала крутящего момента, который был низкочастотным, отфильтрованным на частоте 200 Гц, дискретизированным с частотой 1000 Гц и синхронизированным с данными ЭМГ. Перед анализом вычитается крутящий момент, обусловленный пассивным и гравитационным вкладами. Реакция мышцы количественно оценивается с помощью сигнала ЭМГ, который был запрещен, отфильтрован с частотой от 20 до 450 герц, дискретизирован с частотой 1000 герц и синхронизирован с данными о крутящем моменте перед анализом.

Сигнал выпрямляется и сглаживается на частоте 10 герц с использованием четвертого порядка. Рекурсивный рефлекс растяжения фильтра Баттерворта анализируется от состояния до сигналов крутящего момента и ЭМГ. Основные критерии исхода этого анализа включают в себя как пиковый крутящий момент, так и длительную мышечную активность после финального растяжения.

Изокинетический динамометр также используется для получения точной количественной оценки силы воли. Поверхность. ЭМГ прикрепляются к четырем мышцам бедра, включая прямую мышцу бедра, латеральную широту, сосудистую мышцу и медиальную подколенную мышцу. Хвостовик пациента прикреплен к динамометрическому рычагу, который соединен с тензодатчиком с шестью степенями свободы.

Ось коленного сустава выровнена по центру тензодатчика. Когда пациент расслаблен, ему дается указание приложить максимальное усилие к суставу. Чтобы обеспечить максимальную выработку волевой силы, пациенту во время схватки предоставляется энергичное вербальное поощрение.

Когда крутящий момент начинает снижаться во время сокращения, сверхмаксимальный стимул подается на квадрицепсы через самоклеящиеся электроды с гелевой пластиной, стимулирующие электроды. Сигналы крутящего момента и ЭМГ собираются и кондиционируются так же, как при оценке рефлекса растяжения, зависящих от скорости. Максимальный крутящий момент и связанные с ним отклики на ЭМГ оцениваются в автономном режиме с помощью сигналов крутящего момента состояния и ЭМГ.

Кроме того, дефицит волевой активации оценивается с помощью центрального коэффициента активации или car. Для оценки способности к ходьбе используется градуированный тест на беговой дорожке. Испытуемый пристегивается к беговой дорожке с помощью страховочного ремня безопасности и испытательного оборудования, включая светоотражающие маркеры, поверхностные ЭМГ, монитор сердечного ритма и портативную метаболическую систему для выполнения градуированного теста на беговой дорожке.

Начальная скорость беговой дорожки устанавливается на уровне 0,1 метра в секунду и увеличивается на 0,1 метра в секунду каждые две минуты до тех пор, пока не будет достигнута максимальная скорость пациента. Пиковая скорость на беговой дорожке определяется как максимальная скорость, с которой пациент смог передвигаться в течение как минимум одной минуты до нестабильности походки. Достигаются сердечно-сосудистые ограничения или добровольное прекращение теста во время ходьбы на беговой дорожке, оцениваются множественные измерения с помощью системы захвата движения и системы ЭМГ, а также портативной метаболической системы в автономном режиме.

Данные захвата движения вручную отслеживаются для обеспечения точности, и для анализа выбирается эпоха не менее 10 шаговых циклов. Цикл походки нормализуется в процентах от удара пяткой до удара пяткой и интерполируется с помощью кубического сплайна для углов бедра и колена. Для каждого испытуемого определяются пиковые углы суставов и угловые отклонения во время цикла ходьбы.

В дополнение к измерению внутриконечностной координации, основное внимание уделяется координации сагиттальной плоскости, кинематики тазобедренного и коленного суставов, которую можно оценить, посмотрев на согласованность графиков угла наклона тазобедренного колена. Средний коэффициент соответствия используется для расчета согласованности координации между конечностями. График угла колена бедра используется для определения знака и знака направления вектора.

По мере изменения угла наклона бедер и колена нормализуется на векторную длину для каждого кадра на интервал кадра. Эти значения знака и сознака усредняются по всем циклам шага для каждого соответствующего интервала кадра. Используя эти усредненные значения, вычисляется средняя длина вектора для каждого интервала кадр-кадр

Среднее арифметическое средней длины вектора по всем интервалам между кадрами будет иметь значение от нуля до единицы и будет представлять собой общую дисперсию пар бедер и коленей по циклу ходьбы. Для оценки мышечной активности во время передвижения паттерны мышечной активности из сигналов ЭМГ синхронизируются с данными захвата движения в автономном режиме, плавный сигнал DMG нормализуется до процентного цикла ходьбы и усредняется по крайней мере в пределах 10 шагов. Нормативное время включения и выключения мышц нижних конечностей во время передвижения устанавливается с использованием базы данных здоровых контрольных групп для каждой мышцы, нормативное время включения и выключения конкретной мышцы накладывается на сигналы ЭМГ, полученные от субъекта.

Сигнал ЭМГ интегрируется между нормативным временем включения и выключения. Индекс спастичности определяется путем деления значения off на значение on. Пиковое поглощение кислорода во время градуированного теста на беговой дорожке определяется после загрузки портативных метаболических данных на компьютер для анализа.

После завершения теста на беговой дорожке, в частности, определяется среднее значение данных VO O2 за последнюю минуту для каждой двухминутной эпохи скорости, а результаты строятся на графике для каждой скорости. Волевые движения обычно инициируются нейронными сигналами в первичной моторной коре. Эти сигналы распространяются по кортикоспинальному пути к спинномозговым интернейронам, включая центральный генератор паттернов, и сходятся на уровне спинномозгового моторного нейрона.

Двигательный нейрон непосредственно иннервирует мышцу и вызывает ее сокращение. V-образные волевые движения могут также активировать параллельные ствол мозга, спинной мозг или бульбо-спинномозговые пути. Одной из функций этих бульбо-спинномозговых путей является регулирование возбудимости спинномозговых нейронов путем высвобождения нейромодуляторов, в частности серотонина, а неполное поражение спинного мозга приводит к потере полного произвольного контроля из-за нарушения кортикоспинальных путей.

Кроме того, спинномозговые цепи и сам мотонейрон становятся менее возбудимыми из-за частичной потери нейромодуляторов из бульбо-спинномозговых путей. Эти комбинированные изменения способствуют дефициту двигательных функций, наблюдаемому в первых трех частях этого видео. На животных моделях применение нейромодуляторов, таких как серотонин или их аналоги, непосредственно в спинном мозге, может реанимировать эти спинномозговые цепи, что приводит к увеличению двигательной активности, увеличению рефлекторной активности и улучшению двигательной способности.

В последней части этого видео мы продемонстрируем, как мы пытаемся перенести эту фундаментальную научную основу на человека. В двойном слепом, рандомизированном, плацебо-контролируемом кроссовере влияние острого перорального введения селективных ингибиторов обратного захвата серотонина на двигательную активность оценивалось у лиц с моторным неполным повреждением спинного мозга. Клинические показатели, включая модифицированный метод Ашворта, инструмент оценки спинного мозга для спастических рефлексов и двигательный балл нижних конечностей, указывают на увеличение как непроизвольной рефлекторной активности, так и произвольного создания силы после перорального приема СИОЗС у индивидуума с моторной неполной ТСМ. Кроме того, количественные статические измерения двигательной активности показывают увеличенный и удлиненный момент подошвенного сгибания голеностопного сустава и ЭМГ в ответ на повторное растяжение подошвенных сгибателей и увеличение изометрического крутящего момента, а также меньший дефицит активации, на что указывает больший коэффициент центральной активации.

Количественные динамические измерения двигательной активности кинематики тазобедренного и коленного суставов во время передвижения с использованием КК показывают повышенную консистенцию после приема СИОЗС. Интересно, что активность ЭМГ нижних конечностей во время передвижения показывает увеличение неправильного времени мышечной активности после приема СИОЗС. Наконец, метаболические параметры во время передвижения показывают умеренное увеличение потребления кислорода во время градуированного теста на беговой дорожке после введения СИОЗС.

В то время как эти изменения наблюдаются у лиц с хронической неполной ТСМ, предварительные данные свидетельствуют о том, что изменения при подострой неполной ТСМ могут быть более поразительными. Например, человек через четыре месяца после ТСМ не может предпринимать шаги без физической помощи до начала лечения. После приема СИОЗС тот же человек способен предпринимать шаги с помощью этих клинических и количественных оценок.

Мы видели, что острое введение селективных ингибиторов обратного захвата серотонина может улучшить двигательную функцию и способность ходить у людей с неполным повреждением спинного мозга. Тем не менее, для того, чтобы эти изменения стали постоянными, необходимо долгосрочное обучение. В настоящее время целью нашей лаборатории является сочетание этих фармакологических вмешательств с интенсивными физическими вмешательствами, чтобы сделать эти улучшения в двигательной функции и способности ходить постоянными.