Metody ilościowego pomiaru farmakologicznie indukowanych zmian w funkcji motorycznej u ludzi z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego

Celem niniejszego protokołu jest opis zmian w zachowaniach motorycznych u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego po podaniu leków serotonergicznych. W tym celu przeprowadza się standaryzowane oceny w celu ewaluacji klinicznych miar stanu wyjściowego, siły kończyn dolnych oraz odruchów, a aby uzyskać bardziej precyzyjne pomiary, wyznacza się ilościowe statyczne oceny siły i funkcji odruchowej wybranych grup mięśniowych ze szczególnym uwzględnieniem szczytowych momentów obrotowych sterowanych woluntaryjnie oraz pobudliwości odruchu rozciągania. Następnie przeprowadza się dodatkowe ilościowe oceny dynamiczne w celu pomiaru wzorców kinematycznych kończyn dolnych, aktywności i czasu pracy mięśni oraz wydajności metabolicznej podczas chodzenia na bieżni.

Na koniec, w ślepym badaniu naprzemiennym, podaje się leki serotonergiczne i powtarza oceny. To podejście medycyny translacyjnej systematycznie ocenia wpływ leków serotonergicznych na odruchy siły wolicjonalnej oraz zdolność chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Uszkodzenie rdzenia kręgowego jest wyniszczającym procesem chorobowym, który wczesnym etapie po urazie powoduje głębokie deficyty w kontroli motorycznej.

Głównym celem dla większości pacjentów jest przywrócenie zdolności chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem, co oznacza, że zachowują oni resztkową kontrolę motoryczną poniżej miejsca uszkodzenia. Taki wynik może być osiągalny. Modele zwierzęce wykazały, że środki farmakologiczne mogą pomóc przyspieszyć i wspomóc powrót kontroli motorycznej oraz zdolności chodzenia.

Jednakże możliwości przeniesienia tych odkryć na ludzi są ograniczone. Nasze laboratorium stara się zastosować te wyniki uzyskane na zwierzętach u ludzi z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Chcemy odpowiedzieć na pytanie, czy środki farmakologiczne mogą pomóc w przywróceniu kontroli motorycznej i zdolności chodzenia u osób z niepełnymi uszkodzeniami rdzenia?

Po pierwsze, spastyczność grup mięśni czworogłowych uda i mięśni kulszowo-goleniowych jest określana ilościowo przy użyciu zmodyfikowanej skali Ashwortha w celu oceny spastyczności mięśni czworogłowych. Badający wykonuje powolne i szybkie bierne ruchy zgięcia w stawie kolanowym. Analogicznie, aby ocenić spastyczność mięśni kulszowo-goleniowych, badający wykonuje powolne i szybkie bierne ruchy wyprostu w stawie kolanowym.

Odruchy spastyczne są oceniane w skali od zera do czterech na podstawie określonych kryteriów. Wynik zbiorczy uzyskuje się poprzez przeliczenie tych surowych wyników na skalę porządkową i zsumowanie obustronnie nasilenia lub czasu trwania skurczów zginaczy. Skurcze prostowników oraz klonus są ilościowo określane przy użyciu narzędzia do oceny rdzenia kręgowego.

W przypadku odruchów spastycznych odpowiedź pacjenta jest oceniana w skali na podstawie wymienionych kryteriów. Wynik zbiorczy uzyskuje się poprzez sumowanie punktów w obrębie jednej kończyny oraz pomiędzy obiema nogami. Zdolność danej osoby do celowego skurczu mięśni ocenia się za pomocą punktacji motorycznej kończyn dolnych opartej na wytycznych American Spinal Injury Association.

Do oceny stopnia przykurczu w stawie wykorzystuje się określone kryteria w skali od zero do pięciu. Wynik zbiorczy uzyskuje się poprzez ocenę miotom L2, L3, L4, L5 i S1 obustronnie oraz zsumowanie uzyskanych punktów. Pomimo tych wyraźnych deficytów w ocenie klinicznej aktywności odruchowej i siły mięśniowej, pacjent jest w stanie stawiać kroki na bieżni z odciążeniem masy ciała.

Ponadto pacjent jest w stanie stawiać kroki po podłożu przy wsparciu chodzika wyprowadzonego. W celu dalszej kwantyfikacji odruchu rozciągania zależnego od prędkości, do pomiaru aktywności mięśniowej wykorzystuje się system łączący dynamometrię izokinetyczną z elektromiografią.

Powierzchniowe elektrody rejestrujące zostają przyłożone do mięśnia piszczelowego przedniego i mięśnia brzuchatego łydki. Noga pacjenta zostaje przymocowana do stopki, sprzężonej z ogniwem obciążenia o sześciu stopniach swobody, a oś stawu skokowego zostaje wyrównana z centrum ogniwa obciążenia. Pasywne lub grawitacyjne momenty obrotowe są uzyskiwane z powolnych zaburzeń rozciągających.

Przyjmuje się, że ta odpowiedź momentu obrotowego nie posiada komponentu odruchowego i zostanie ona odjęta od szybkich rozciągnięć. Aby obliczyć wypadkową odpowiedź odruchową w celu oceny pobudliwości odruchu rozciągania, u rozluźnionego pacjenta stosuje się pojedyncze lub wielokrotne rozciągnięcia w zgięciu grzbietowym lub podeszwowym, aby ocenić zmiany pobudliwości w zależności od prędkości. Mierzone są różne prędkości obrotowe, w tym 30, 60 i 120 stopni na sekundę.

Odpowiedź momentu obrotowego jest kwantyfikowana przy użyciu sygnału momentu, który został poddany filtracji dolnoprzepustowej przy 200 hertz, próbkowany z częstotliwością 1000 hertz i zsynchronizowany z danymi EMG. Przed analizą odejmuje się moment wynikający z wkładu pasywnego i grawitacyjnego. Odpowiedź mięśnia jest kwantyfikowana przy użyciu sygnału EMG, który został poddany filtracji pasmowej w zakresie od 20 do 450 hertz, próbkowany z częstotliwością 1000 hertz i zsynchronizowany z danymi o momencie przed analizą.

Sygnał jest prostowany i wygładzany z częstotliwością 10 Hz przy użyciu rekurencyjnego filtra Butterwortha czwartego rzędu. Odpowiedzi odruchu rozciągania są analizowane na podstawie sygnałów momentu obrotowego i EMG. Główne mierniki wyniku tej analizy obejmują zarówno szczytowy moment obrotowy, jak i przedłużoną aktywność mięśniową następującą po końcowym rozciągnięciu.

Dynamometr izokinetyczny jest również wykorzystywany do precyzyjnego ilościowego określenia siły voluntaryjnej. Powierzchniowe EMG są przymocowane do czterech mięśni uda, w tym do mięśnia prostego uda, mięśnia obszernobocznego, mięśnia obszernopółbłoniastego oraz przywodzicieli udowych.

Oś stawu kolanowego zostaje wyrównana do środka ogniwa obciążeniowego. Gdy pacjent jest rozluźniony, otrzymuje instrukcję wygenerowania maksymalnej siły w obrębie stawu. Aby zapewnić maksymalną produkcję siły wolicjonalnej, podczas skurczu pacjentowi udzielane jest intensywne wsparcie słowne.

W momencie gdy moment obrotowy zaczyna spadać podczas skurczu, do mięśnia czworogłowego podaje się bodziec supermaksymalny za pomocą samoprzylepnych elektrod żelowych o wymiarach trzy na pięć cali. Sygnały momentu obrotowego i EMG są zbierane i przetwarzane w taki sam sposób, jak w ocenie odruchu rozciągania zależnego od prędkości. Maksymalny moment obrotowy oraz powiązane odpowiedzi EMG są oceniane w trybie offline przy użyciu przetworzonych sygnałów momentu obrotowego i EMG.

Dodatkowo, deficyty w aktywacji dobrowolnej są oceniane przy użyciu współczynnika aktywacji centralnej (central activation ratio, CAR). Do oceny zdolności chodzenia wykorzystuje się stopniowany test na bieżni. Badany zostaje zabezpieczony na bieżni za pomocą uprzęży bezpieczeństwa oraz sprzętu pomiarowego, w tym markerów odblaskowych, powierzchniowej EMG, monitora tętna i przenośnego systemu metabolicznego, w celu przeprowadzenia stopniowanego testu na bieżni.

Początkowa prędkość bieżni zostaje ustawiona na 0,1 metrów na sekundę i zwiększana o 0,1 metrów na sekundę co dwie minuty, aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości pacjenta. Szczytowa prędkość bieżni jest definiowana jako najwyższa prędkość, przy której pacjent był w stanie poruszać się przez co najmniej jedną minutę przed wystąpieniem niestabilności chodu. Po osiągnięciu ograniczeń sercowo-naczyniowych lub dobrowolnym przerwaniu testu podczas chodzenia na bieżni, dokonuje się wielu pomiarów z wykorzystaniem systemu analizy ruchu, systemu EMG oraz przenośnego systemu metabolicznego w trybie offline.

Dane z wychwytywania ruchu są śledzone ręcznie w celu zapewnienia dokładności, a do analizy wybierana jest epoka obejmująca co najmniej 10 cykli kroku. Cykl chodu jest normalizowany do wartości procentowych od kontaktu pięty z podłożem do kolejnego kontaktu pięty z podłożem, a kąty w stawie biodrowym i kolanowym są interpolowane przy użyciu funkcji sklejanej sześciennej. Dla każdego badanego wyznacza się maksymalne kąty w stawach oraz zakresy kątowe w trakcie cyklu chodu.

Oprócz pomiaru koordynacji wewnątrz kończyny, główny nacisk położono na koordynację kinematyki biodra i kolana w płaszczyźnie strzałkowej, którą można ocenić, analizując spójność wykresów kąta biodrowo-kolanowego. Do obliczenia spójności koordynacji między kończynami wykorzystuje się średni współczynnik zgodności. Wykres kąta biodrowo-kolanowego służy do zdefiniowania współznaku oraz znaku kierunku wektora.

Zmianę kątów w stawie biodrowym i kolanowym znormalizowano do długości wektora dla każdego odstępu między klatkami. Wartości sinus i cosinus są uśredniane we wszystkich cyklach kroku dla każdego odpowiadającego im odstępu między klatkami. Na podstawie tych uśrednionych wartości oblicza się średnią długość wektora dla każdego odstępu między klatkami.

Średnia arytmetyczna długości wektora średniego we wszystkich odstępach między klatkami będzie wartością od zera do jeden i będzie reprezentować ogólną dyspersję par biodra i kolana w cyklu chodu. Aby ocenić aktywność mięśni podczas chodzenia, wzorce aktywności mięśniowej z sygnałów EMG są synchronizowane z danymi z systemu analizy ruchu w trybie offline, a wygładzony sygnał EMG jest normalizowany do procentowego cyklu chodu i uśredniany z co najmniej 10 kroków. Normatywny czas włączenia i wyłączenia mięśni kończyn dolnych podczas chodzenia jest ustalany przy użyciu bazy danych zdrowych grup kontrolnych; dla każdego mięśnia normatywne czasy włączenia i wyłączenia konkretnego mięśnia są naniesione na sygnały EMG zebrane od badanego.

Sygnał EMG jest całkowany w przedziale między normatywnymi czasami włączenia i wyłączenia. Wskaźnik spastyczności wyznacza się poprzez podzielenie wartości wyłączenia przez wartość włączenia. Szczytowe zużycie tlenu podczas stopniowanego testu na bieżni jest określane po pobraniu danych z przenośnego analizatora metabolicznego na komputer w celu przeprowadzenia analizy.

Po zakończeniu testu na bieżni, w szczególności wyznaczana jest średnia z danych VO O2 z ostatniej minuty każdego dwuminutowego etapu prędkości, a następnie wyniki są nanoszone na wykres dla każdej prędkości. Ruchy dowolne są zazwyczaj inicjowane przez sygnały neuronalne w pierwotnej korze ruchowej. Sygnały te przemieszczają się drogą korowo-rdzeniową do neuronów pośredniczących w rdzeniu kręgowym, w tym do centralnego generatora wzorców, i zbiegają się na poziomie motoneuronu rdzeniowego.

Neuron ruchowy bezpośrednio unerwia mięsień i powoduje jego skurcz. Ruchy świadome mogą również aktywować równoległe drogi pniowo-rdzeniowe lub rdzeniowo- opuszkowe. Jedną z funkcji tych dróg rdzeniowo-opuszkowych jest regulacja pobudliwości neuronów rdzeniowych poprzez uwalnianie neuromodulatorów, w szczególności serotoniny, a niepełne uszkodzenie rdzenia kręgowego prowadzi do utraty pełnej kontroli dobrowolnej w wyniku przerwania dróg korowo-rdzeniowych.

Ponadto obwody rdzeniowe oraz same neurony ruchowe stają się mniej pobudliwe z powodu częściowej utraty neuromodulatorów z dróg opuszkowo-rdzeniowych. Te połączone zmiany przyczyniają się do deficytów funkcji motorycznych zaobserwowanych w pierwszych trzech częściach tego filmu. W modelach zwierzęcych podanie neuromodulatorów, takich jak serotonina lub ich analogów, bezpośrednio do rdzenia kręgowego może reaktywować te obwody rdzeniowe, prowadząc do zwiększenia odpowiedzi motorycznej, nasilenia aktywności odruchowej oraz poprawy zdolności lokomozyjnych.

Ostatnia część tego filmu zaprezentuje, w jaki sposób próbujemy przenieść te podstawowe ramy badawcze na ludzi. W podwójnie ślepej, randomizowanej, kontrolowanej placebo próbie krzyżowej oceniano wpływ ostrej doustnej podaży selektywnych inhibitorów zwrotnego wychwytu serotoniny na aktywność ruchową u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego w zakresie funkcji ruchowych. Miary kliniczne, w tym zmodyfikowana skala Ashwortha, narzędzie oceny rdzenia kręgowego w zakresie odruchów spastycznych oraz punktowa skala funkcji ruchowych kończyn dolnych, wskazują na wzrost zarówno mimowolnej aktywności odruchowej, jak i generowanej siły dobrowolnej po doustnym podaniu SSRI u osoby z niepełnym uszkodzeniem ruchowym rdzenia kręgowego. Ponadto ilościowe statyczne pomiary aktywności ruchowej wykazują zwiększony i przedłużony moment zgięcia podeszwowego stawu skokowego oraz sygnał EMG w odpowiedzi na powtarzające się rozciąganie zginaczy podeszwowych, a także zwiększony moment izometryczny i mniejszy deficyt aktywacji, na co wskazuje wyższy współczynnik aktywacji centralnej.

Ilościowe pomiary dynamiczne aktywności motorycznej kinematyki biodra i kolana podczas chodu z wykorzystaniem CC wykazują zwiększoną spójność po zastosowaniu leków z grupy SSRI. Co ciekawe, aktywność EMG kończyn dolnych podczas chodu wskazuje na zwiększenie niewłaściwego czasu wystąpienia aktywności mięśniowej po podaniu leków SSRI. Wreszcie, parametry metaboliczne podczas chodu ujawniają umiarkowany wzrost zużycia tlenu podczas stopniowanego testu na bieżni po administracji SSRI.

Choć zmiany te obserwuje się u osób z przewlekłym niepełnym SCI, wstępne dane sugerują, że zmiany w podostrym niepełnym SCI mogą być bardziej wyraźne. Na przykład osoba w czwartym miesiącu po SCI nie jest w stanie stawiać kroków bez pomocy fizycznej przed podaniem leku. Po zastosowaniu leku z grupy SSRI ta sama osoba jest w stanie stawiać kroki. Wnioski te wyciągnięto na podstawie klinicznych i ilościowych ocen.

Wykazaliśmy, że doraźne podawanie selektywnych inhibitorów zwrotnego wychwytu serotoniny może poprawić funkcje motoryczne i zdolność chodzenia u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Jednakże, aby zmiany te stały się trwałe, niezbędny jest długotrwały trening. Obecnym celem naszego laboratorium jest połączenie tych interwencji farmakologicznych z intensywnymi interwencjami fizycznymi, aby trwale utrwalić tę poprawę funkcji motorycznych i zdolności chodzenia.