Methoden zur pharmakologisch induzierten Veränderungen der motorischen Funktion in Human Unvollständige SCI Quantify

Das Ziel dieses Protokolls besteht darin, Veränderungen motorischer Verhaltensweisen bei Personen mit unvollständiger Querschnittlähmung nach Gabe serotonerger Medikamente zu beschreiben. Dazu werden standardisierte Bewertungen durchgeführt, um klinische Parameter der Ausgangswerte, der Kraft und Reflexverhalten der unteren Extremitäten zu beurteilen, um präzisere Maße zu erhalten. Quantitative statische Bewertungen der Kraft und Reflexfunktion ausgewählter Muskelgruppen werden ermittelt, wobei speziell die maximalen willkürlichen Drehmomente und die Dehnreflexerregbarkeit untersucht werden. Anschließend erfolgen zusätzliche quantitative dynamische Bewertungen, um kinematische Muster, Muskelaktivität und Timing sowie die metabolische Effizienz während des Gehens auf einem Laufband zu messen.

Schließlich werden serotonerge Medikamente in einem verblindeten Crossover-Design verabreicht und die Bewertungen wiederholt. Dieser Ansatz der translationalen Medizin untersucht systematisch die Wirkungen serotonerger Medikamente auf willkürliche Muskeleigenreflexe und die Gehfähigkeit bei Personen mit unvollständiger Querschnittlähmung. Die Querschnittlähmung ist ein verheerender Krankheitsprozess, der bereits kurz nach der Verletzung zu tiefgreifenden Defiziten in der motorischen Kontrolle führt.

Ein primäres Ziel für die meisten Patienten ist die Wiederherstellung der Gehfähigkeit bei Personen mit einer inkompletten Läsion, was bedeutet, dass sie noch restliche motorische Kontrolle distal zur Läsionsstelle besitzen. Dieser Zustand kann erreichbar sein. Tierversuche haben gezeigt, dass pharmakologische Wirkstoffe helfen können, die Wiederherstellung der motorischen Kontrolle und der Gehfähigkeit zu beschleunigen und zu fördern.

Jedoch ist die Übertragung dieser Befunde auf den Menschen begrenzt. Unser Labor versucht, diese tierexperimentellen Ergebnisse auf Menschen mit unvollständiger Querschnittlähmung zu übertragen. Wir möchten die Frage stellen: Können pharmakologische Wirkstoffe dazu beitragen, die Wiederherstellung der motorischen Kontrolle und der Gehfähigkeit bei Personen mit unvollständigen spinalen Läsionen zu fördern?

Ich, die Spastik der Quadrizeps- und Hamstring-Muskelgruppen wird mithilfe der modifizierten Ashworth-Skala zur Beurteilung der Quadrizeps-Spastik quantifiziert. Der Untersucher führt eine langsame und zügige passive Beugungsbewegung am Kniegelenk durch. Ebenso wird zur Beurteilung der Hamstring-Spastik eine langsame und zügige passive Streckungsbewegung am Kniegelenk vom Untersucher erzeugt.

Die spastischen Reflexe werden anhand spezifischer Kriterien an einer Skala von null bis vier bewertet. Ein Gesamtwert wird ermittelt, indem diese Rohwerte in eine ordinale Skala umgerechnet und die Stärke oder Dauer der Flexor-Spasmen beidseitig summiert wird. Extensor-Spasmen und Klonus werden mithilfe des spinalen Bewertungsinstruments quantifiziert.

Bei spastischen Reflexen wird die Reaktion des Patienten anhand der aufgeführten Kriterien eingestuft. Eine Gesamtpunktzahl wird durch Addition der Punktzahlen innerhalb und zwischen den Beinen ermittelt. Die Fähigkeit einer Person, Muskeln willkürlich zu kontrahieren, wird mithilfe der motorischen Punktzahl der unteren Extremitäten gemäß den Leitlinien der American Spinal Injury Association bewertet.

Spezifische Kriterien werden verwendet, um die Kontraktion um ein Gelenk auf einer Skala von null bis fünf zu bewerten. Eine Gesamtpunktzahl wird durch die bilaterale Beurteilung der Myotome L zwei, L drei, L vier, L fünf und S eins und Addition der Punkte ermittelt. Trotz dieser deutlichen Defizite in klinischen Untersuchungen der Reflexaktivität und der Muskelkraft ist dieser Patient in der Lage, mit Unterstützung des Körpergewichts Schritte auf einem Laufband auszuführen.

Weiterhin kann der Patient Schritte im Freien mit Hilfe eines Rollwagens ausführen. Um die geschwindigkeitsabhängige Dehnungsreflexreaktion weiter zu quantifizieren, wird ein System eingesetzt, das isokinetische Dynamometrie mit Elektromyographie kombiniert, um die Muskelaktivität zu messen.

Oberflächenableitelektroden werden am Musculus tibialis anterior und am medialen Magenanschluss angebracht. Das Bein des Patienten ist mit einer Fußplatte verbunden, die an eine Lastzelle mit sechs Freiheitsgraden gekoppelt ist, und die Achse des Sprunggelenks wird mit der Mitte der Lastzelle ausgerichtet. Passive oder gravitative Drehmomente werden aus langsamen Dehnungsstörungen gewonnen.

Davon wird angenommen, dass diese Drehmomentreaktion keinen Reflexanteil aufweist und von den schnellen Dehnungen subtrahiert wird. Um die netto-reflektorische Reaktion zur Beurteilung der Dehnungsreflexerregbarkeit zu berechnen, werden einzelne oder mehrfache Dehnungen in Dorsalflexion oder Plantarflexion am entspannten Patienten angewendet, um Erregbarkeitsänderungen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu bewerten. Verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten werden gemessen, darunter 30, 60 und 120 Grad pro Sekunde.

Die Drehmomentantwort wird anhand des Drehmomentsignals quantifiziert, das tiefpassgefiltert bei 200 Hertz, mit 1000 Hertz abgetastet und vor der Analyse mit den EMG-Daten synchronisiert wurde. Vor der Analyse wird das durch passive und gravitative Beiträge verursachte Drehmoment subtrahiert. Die Reaktion des Muskels wird anhand des EMG-Signals quantifiziert, das bandpassgefiltert bei 20 bis 450 Hertz, mit 1000 Hertz abgetastet und vor der Analyse mit den Drehmomentdaten synchronisiert wurde.

Das Signal wird mit einem Butterworth-Filter vierter Ordnung bei 10 Hertz gleichgerichtet und geglättet. Die Dehnungsreflexantworten werden anhand der Beziehung zwischen Drehmoment und EMG-Signalen analysiert. Zu den primären Endpunkten dieser Analyse gehören sowohl das maximale Drehmoment als auch die andauernde Muskelaktivität nach der letzten Dehnung.

Der isokinetische Dynamometer wird ebenfalls verwendet, um eine präzise Quantifizierung der willkürlichen Muskelkraft zu erhalten. Oberflächen-EMGs werden an vier Oberschenkelmuskeln angebracht, darunter am Musculus rectus femoris, am Musculus vastus lateralis, am Musculus vastus medialis und am medialen Hamstring. Das Unterschenkelstück des Patienten ist mit einem Dynamometerarm verbunden, der wiederum mit einer Lastzelle mit sechs Freiheitsgraden gekoppelt ist.

Die Achse des Kniegelenks wird auf die Mitte der Kraftmessdose ausgerichtet. Während der Patient entspannt ist, wird er angewiesen, maximale Kraft um das Gelenk zu erzeugen. Um eine maximale willkürliche Kraftentfaltung sicherzustellen, wird dem Patienten während der Kontraktion intensive verbale Ermunterung gegeben.

Wenn das Drehmoment während der Kontraktion abzunehmen beginnt, wird über drei mal fünf Zoll große selbstklebende Gel-Platten-Stimulations-Elektroden ein übermaximaler Reiz an den Quadrizeps abgegeben. Das Drehmoment und die EMG-Signale werden gesammelt und konditioniert, wie bei den geschwindigkeitsabhängigen Streckreflex-Untersuchungen. Maximales Drehmoment und die zugehörigen EMG-Antworten werden offline anhand der konditionierten Drehmoment- und EMG-Signale bewertet.

Außerdem werden Defizite in der willkürlichen Aktivierung mithilfe des zentralen Aktivierungsverhältnisses oder CAR (central activation ratio) bewertet. Ein gestufter Laufbandtest wird verwendet, um die Gehfähigkeit zu beurteilen. Der Proband wird mit einem Sicherheitsgurt am Laufband befestigt und mit Testausrüstung ausgestattet, einschließlich reflektierender Marker, Oberflächen-EMGs, eines Herzfrequenzmonitors und eines tragbaren metabolischen Systems, um den gestuften Laufbandtest durchzuführen.

Die anfängliche Laufbandgeschwindigkeit wird auf 0,1 Meter pro Sekunde eingestellt und alle zwei Minuten um 0,1 Meter pro Sekunde erhöht, bis die maximale Geschwindigkeit des Patienten erreicht ist. Die maximale Laufbandgeschwindigkeit ist als die höchste Geschwindigkeit definiert, bei der der Patient mindestens eine Minute lang gehen konnte, bevor eine Ganginstabilität auftrat. Sobald kardiovaskuläre Grenzen erreicht sind oder der Patient den Test freiwillig beendet, werden während des Laufens auf dem Laufband mehrere Messungen mithilfe eines Bewegungserfassungssystems und eines EMG-Systems sowie eines tragbaren metabolischen Systems offline ausgewertet.

Die Bewegungserfassungsdaten werden manuell auf Genauigkeit überprüft, und ein Zeitabschnitt von mindestens 10 Schrittkreisläufen wird für die Analyse ausgewählt. Der Gangzyklus wird bezogen auf den Prozentsatz von Ferse-Aufsatz zu Ferse-Aufsatz normalisiert und mittels kubischer Spline-Interpolation für die Hüft- und Kniegelenkwinkel interpoliert. Für jeden Probanden werden die maximalen Gelenkwinkel und die Winkeländerungsbereiche während des Gangzyklus bestimmt.

Neben einem Maß für die intralimbale Koordination liegt der Hauptfokus auf der Koordination der Bewegungsabläufe von Hüfte und Knie in der Sagittalebene, die durch die Betrachtung der Konsistenz von Hüft-Knie-Winkel-Winkel-Diagrammen beurteilt werden kann. Der durchschnittliche Übereinstimmungskoeffizient wird verwendet, um die Konsistenz der interlimbalen Koordination zu berechnen. Das Hüft-Knie-Winkel-Winkel-Diagramm dient dazu, das Vorzeichen und das gemeinsame Vorzeichen (co-sign) der Richtung des Vektors zu definieren.

Da die Änderung der Hüft- und Kniegelenkwinkel auf die Vektorlänge für jedes Einzelbildintervall normalisiert wurde. Diese Sinus- und Kosinuswerte werden über alle Schrittkreisläufe für jedes entsprechende Bildintervall gemittelt. Anhand dieser gemittelten Werte wird die mittlere Vektorlänge für jedes Einzelbildintervall berechnet.

Der arithmetische Mittelwert der mittleren Vektorlänge über alle Frame-zu-Frame-Intervalle hinweg liegt zwischen null und eins und stellt die gesamte Streuung der Hüft- und Kniepaare über den Gangzyklus dar. Um die Muskelaktivität während der Gehbewegung zu beurteilen, werden die Muskelaktivitätsmuster aus den EMG-Signalen offline mit den Bewegungserfassungsdaten synchronisiert, das geglättete DMG-Signal auf den prozentualen Gangzyklus normalisiert und über mindestens 10 Schritte gemittelt. Die normativen Einschalt- und Ausschaltzeiten der Muskulatur der unteren Extremitäten während der Gehbewegung werden anhand einer Datenbank gesunder Kontrollpersonen ermittelt; für jeden Muskel werden die normativen Einschalt- und Ausschaltzeiten über die vom Probanden aufgezeichneten EMG-Signale gelegt.

Das EMG-Signal wird zwischen den normativen Ein- und Ausschaltzeiten integriert. Der Spastizitätsindex wird berechnet, indem der Ausschaltwert durch den Einschaltwert dividiert wird. Die maximale Sauerstoffaufnahme während des belastungssteigernden Laufbandtests wird bestimmt, nachdem die portablen metabolischen Daten zur Analyse auf einen Computer heruntergeladen wurden.

Nach Abschluss des Laufbandtests wird speziell der Durchschnitt der letzten Minute der VO₂-Daten für jede zweiminütige Geschwindigkeitsphase bestimmt, und die Ergebnisse werden für jede Geschwindigkeit aufgetragen. Willkürliche Bewegungen werden typischerweise durch neuronale Signale im primären motorischen Kortex ausgelöst. Diese Signale gelangen über die corticospinale Bahn zu spinalen Interneuronen, einschließlich des zentralen Mustergenerators, und vereinigen sich auf der Ebene des spinalen Motoneurons.

Das Motoneuron innerviert den Muskel direkt und verursacht die Muskelkontraktion. Willkürliche Bewegungen können außerdem parallele Hirnstamm-Rückenmark- oder bulbospinale Bahnen aktivieren. Eine Funktion dieser bulbospinalen Bahnen besteht darin, die Erregbarkeit der spinalen Neurone durch die Freisetzung von Neuromodulatoren, insbesondere Serotonin, zu regulieren. Eine unvollständige Läsion des Rückenmarks führt zum Verlust der vollständigen willkürlichen Kontrolle, da die kortikospinalen Bahnen unterbrochen werden.

Außerdem werden die spinalen Schaltkreise und das Motoneuron selbst aufgrund des teilweisen Verlusts von Neuromodulatoren aus den bulbo-spinalen Bahnen weniger erregbar. Diese kombinierten Veränderungen tragen zu den Defiziten in der motorischen Funktion bei, die in den ersten drei Teilen dieses Videos gezeigt werden. In Tiermodellen kann die direkte Applikation von Neuromodulatoren wie Serotonin oder deren Analoga auf das Rückenmark diese spinalen Schaltkreise wieder aktivieren, was zu einer gesteigerten motorischen Aktivität, erhöhter Reflexaktivität und verbesserter Lokomotionsfähigkeit führt.

Der letzte Teil dieses Videos demonstriert, wie wir versuchen, diesen Grundlagenforschungsansatz auf den Menschen zu übertragen. In einem doppelblinden, randomisierten, placebokontrollierten Crossover-Design werden die Wirkungen einer akuten oralen Gabe von selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmern auf die motorische Aktivität bei Individuen mit motorisch inkompletter Querschnittlähmung untersucht. Klinische Parameter, darunter der modifizierte Ashworth-Skala, das Spinal Cord Assessment Tool for Spastic Reflexes und die motorische Punktzahl der unteren Extremitäten, deuten auf eine Zunahme sowohl der unwillkürlichen Reflexaktivität als auch der willkürlichen Kraftentfaltung nach oraler Gabe von SSRI bei einer Person mit motorisch inkompletter Querschnittlähmung hin. Darüber hinaus zeigen quantitative statische Messungen der motorischen Aktivität ein verstärktes und verlängertes plantare Flexionsmoment am Sprunggelenk sowie eine erhöhte EMG-Aktivität als Reaktion auf wiederholte Dehnungen der Plantarflexoren, ein gesteigertes isometrisches Drehmoment und einen geringeren Aktivierungsdefizit, was durch ein höheres zentrales Aktivierungsverhältnis angezeigt wird.

Die quantitativen dynamischen Messungen der motorischen Aktivität der Hüft- und Kniekinematik während der Gehbewegung unter Verwendung einer CC zeigen eine erhöhte Konsistenz nach SSRI-Medikation. Interessanterweise zeigt die EMG-Aktivität der unteren Extremitäten während der Gehbewegung eine Zunahme unangemessener zeitlicher Abstimmung der Muskelaktivität nach SSRI-Medikation. Schließlich zeigen die metabolischen Parameter während der Gehbewegung einen moderaten Anstieg des Sauerstoffverbrauchs während des gestuften Treadmill-Tests nach Gabe von SSRIs.

Während diese Veränderungen bei Personen mit chronischer inkompletter Querschnittlähmung (SCI) beobachtet werden, deuten vorläufige Daten darauf hin, dass die Veränderungen bei subakuter inkompletter SCI möglicherweise noch ausgeprägter sind. Beispielsweise ist eine Person vier Monate nach einer SCI vor der Medikation nicht in der Lage, Schritte ohne physische Unterstützung auszuführen. Nach Gabe von SSRI-Medikation kann dieselbe Person Schritte ausführen. Mithilfe dieser klinischen und quantitativen Bewertungen.

Es wurde gezeigt, dass die akute Gabe von selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmern die motorische Funktion und Gehfähigkeit bei Personen mit unvollständiger Querschnittlähmung verbessern kann. Langfristiges Training ist jedoch erforderlich, um diese Verbesserungen dauerhaft zu machen. Ein aktuelles Ziel unseres Labors besteht darin, diese pharmakologischen Maßnahmen mit intensiven physikalischen Interventionen zu kombinieren, um die Verbesserungen der motorischen Funktion und der Gehfähigkeit dauerhaft zu verankern.