Méthodes de quantification Altérations pharmacologiquement induite de la fonction motrice de l'homme incomplet SCI

Cette vidéo montre la modulation de l'activité réflexe, la force volitive et déambulation à travers des évaluations cliniques et quantitatives chez les individus atteints de lésion médullaire incomplète du moteur à la suite d'une administration orale aiguë d'une recapture de la sérotonine (ISRS).

Lésion de la moelle épinière (SCI) est une maladie débilitante, qui produit des déficits profonds dans le contrôle moteur volontaire. Après la stabilisation médicale, la récupération auprès de la SCI implique généralement réhabilitation à long terme. Bien que la reprise de la marche est un objectif primordial chez de nombreux patients au début, après une blessure, ceux avec une SCI automobiles incomplets, indiquant la préservation partielle de contrôle volontaire, peut-être l'résiduelle suffisante voies descendantes nécessaires pour atteindre cet objectif. Cependant, malgré les interventions physiques, une déficience motrice, y compris la faiblesse, et la manifestation de l'activité anormale réflexe involontaire, appelée la spasticité ou des spasmes, on pense contribuer à la reprise de marche réduite. Pensée doctrinaire suggère que l'assainissement de cette réflexes moteurs anormaux associés à la SCI va produire des avantages fonctionnels pour le patient. Par exemple, les médecins et les thérapeutes de fournir des interventions pharmacologiques spécifiques ou physiques dirigées vers la réduction de la spasticité ou des spasmes, mais il continue à être peu de données empiriques suggérant que ces stratégies d'améliorer la capacité de marcher.

Dans les dernières décennies, les données s'accumulent a suggéré que les agents neuromodulateurs spécifiques, y compris les agents qui imitent ou de faciliter les actions des monoamines, dont la sérotonine (5HT) et de la norépinéphrine (NE), peut initier ou augmenter la marche des comportements dans des modèles animaux de la SCI. Fait intéressant, beaucoup de ces agents, notamment les agonistes 5HTergic, peut augmenter sensiblement l'excitabilité spinale, qui à son tour augmente aussi l'activité réflexe chez ces animaux. Contraire à l'intuition des théories traditionnelles de recouvrement suivants humaine SCI, les preuves empiriques à partir d'expériences en sciences fondamentales suggèrent que cette excitabilité réflexe hyper et génération de comportements locomoteurs sont entraînés en parallèle par les entrées neuromodulateurs (5HT) et peut être nécessaire pour la récupération fonctionnelle après un traumatisme médullaire.

L'application de ce nouveau concept dérivé de base des études scientifiques pour favoriser la reprise suivante humaine SCI semble être sans faille, bien que la traduction directe des résultats peut être extrêmement difficile. Plus précisément, dans les modèles animaux, une cathéter implanté facilite la livraison de très spécifique des composés agonistes 5HT directement sur le circuit de la colonne vertébrale. La traduction de cette technique pour les humains est entravée par le manque de techniques chirurgicales spécifiques ou des agents pharmacologiques disponibles dirigés vers types de récepteurs 5HT qui sont sûrs et efficaces pour les essais cliniques humains. Toutefois, l'administration orale d'agents couramment disponibles 5HTergic, tels que les inhibiteurs sélectifs du recaptage de la sérotonine (ISRS), peut être une option viable pour augmenter les concentrations de 5HT centrale afin de faciliter la récupération de marche chez les humains. Quantification systématique du fonctionnement de ces ISRS modulent comportements moteurs humains après la SCI, avec un accent particulier sur la force, les réflexes et la récupération de la capacité de marcher, sont portées disparues.

Cette vidéo de démonstration est une tentative systématique et progressive pour évaluer quantitativement la modulation de l'activité réflexe, la force volitive et déambulation après l'administration orale aiguë d'un ISRS chez l'homme SCI. Les agents sont appliqués à des jours simples pour évaluer les effets immédiats sur la fonction motrice dans cette population de patients, à long terme des études impliquant l'administration de médicaments répétés combiné avec intensifs interventions physiques.

Pour évaluer les effets d'une administration orale aiguë d'un ISRS (10 mg d'escitalopram oxalate, Lexapro, Forest Pharmaceuticals, Inc) sur l'activité motrice chez les individus atteints de lésion médullaire incomplète du moteur, un double-aveugle, randomisée, contrôlée par placebo crossover est employé. Dans le cadre des critères d'inclusion, les sujets seront soumis à un lavage période de 14 jours pour tous les médicaments anti-dépresseur, anti-spasmodiques médicaments et d'autres médicaments avec des interactions connues pour les ISRS.

Deux heures sont nécessaires pour chacun des protocoles expérimentaux, composée de cliniques, quantitative statique et l'évaluation quantitative des dynamiques. Un retard 4,5 heures est donné suite à l'administration de médicaments (le temps de concentration plasmatique maximale) ^7. Les sujets sont re-testé l'administration des médicaments suivants en utilisant un dispositif expérimental identiques mis en place et le paradigme employées durant les essais pré-médication. Après pré-et post-test du premier médicament (ISRS ou un placebo), un minimum de 7 jours sépare les conditions d'essai de deux (demi-vie des agents est d'environ 27 heures).

Partie 1: Les évaluations cliniques

Modifiée d'Ashworth

La spasticité du quadriceps et des groupes de muscles ischio-jambiers est quantifiée en utilisant l'Echelle modifiée d'Ashworth (MASH).

1. L'individu est placé en décubitus dorsal sur le tapis rembourré.
2. Spastique réflexes sont évaluées sur une échelle 0-4 composée de nombres entiers en plus du grade A + '1 '. Les critères de classement est basé sur le tableau ci-dessous (Tableau 1).
3. Pour évaluer la spasticité du quadriceps, la jambe du patient est soulevée hors du tapis et entièrement prolongé par un soutien sous la cuisse et la cheville, avec la jambe controlatérale prolongée. Un tronçon est prévue pour les quadriceps en fournissant vive flexion passive de l'articulation du genou. La réponse à l'étirement est quantifiée selon l'échelle ci-dessous.
4. Pour évaluer la spasticité ischio-jambiers, la jambe du patient est soulevée hors du tapis et entièrement fléchie par un soutien sous la cuisse et la cheville, avec la jambe controlatérale prolongée. Un tronçon est prévue pour les ischio-jambiers en fournissant rapide extension passive de l'articulation du genou. La réponse à l'étirement est quantifiée selon l'échelle ci-dessous.
5. Les notes brutes sont converties en une échelle ordinale et additionnées bilatéral pour obtenir un score composite.

Spinal outil d'évaluation pour le cordon réflexes spastique

L'ampleur ou la durée des fléchisseurs des spasmes, des spasmes extenseurs, et clonus est quantifiée en utilisant l'outil d'évaluation pour Spinal Cord Réflexes spastique (SCATS)

1. L'individu est placé en décubitus dorsal sur le tapis rembourré.
2. Spastique réflexes sont évaluées sur une échelle 0-3 en utilisant des nombres entiers. Les critères de classement sont basés sur le tableau ci-dessous (Tableau 2).
3. Pour évaluer les spasmes des fléchisseurs, les deux jambes sont en pleine extension avec des chaussures du patient et des chaussettes enlevé. Une piqûre d'épingle est appliquée pendant 1 seconde pour l'arche interne du pied du sujet. L'ampleur des mouvements du gros orteil, du genou et la hanche quantifiés en fonction de l'échelle ci-dessous.
4. Pour évaluer les spasmes extenseurs, la jambe est prise en charge à 90 ° de flexion de la hanche et 110 ° de flexion du genou, avec la jambe controlatérale prolongée. De cette position, la jambe est brusquement élargi et mis au repos sur le tapis. La durée de l'activité du quadriceps visibles, noté par le déplacement rotule supérieure, est quantifiée en fonction de l'échelle ci-dessous.
5. Pour évaluer clonus, la jambe est soulevée légèrement par le tapis et la cheville est placée au point mort pour légère flexion plantaire, avec la jambe controlatérale prolongée. Un tronçon de la plantaires est livré par la dorsiflexion passive vive de la cheville. La durée de l'éclatement clonique est quantifiée selon l'échelle ci-dessous.
6. Les scores sont additionnés au sein et entre les jambes pour obtenir un score composite.

Basse score moteur extrémité

La capacité pour un individu de contracter les muscles volitionally conformément aux myotomes est évaluée en utilisant le moteur ASIE score inférieur extrémité (SGET).

1. L'individu est placé en décubitus dorsal sur le tapis rembourré.
2. Force est notée sur une échelle de 0 à 5 en utilisant des nombres entiers. Les critères de classement sont basés sur le tableau ci-dessous (Tableau 3).
3. Les fléchisseurs de la hanche (L2 myotome) sont évaluées par la tentative ayant patient de fléchir la hanche de la position couchée, et la résistance manuel est fourni si nécessaire. Si le patient est incapable de passer totalement contre la gravité, la hanche est en rotation externe pour atténuer les effets de la gravité et la flexion de la hanche est tentée à nouveau.
4. Les extenseurs du genou (L3 myotome) sont évalués par les patients ayant la tentative d'étendre le genou d'une position flexible, pivotant autour de l'avant-bras examinateurs, et la résistance manuel est fourni si nécessaire. Si le patient est incapable de passer totalement contre la gravité, la hanche est en rotation externe pour réduire le courrierFFETS de la gravité et l'extension du genou est tentée à nouveau.
5. Le dorsifléchisseurs cheville (L4 myotome) sont évalués par les patients ayant la tentative dorsiflexion à la cheville avec la jambe tendue, la résistance manuel fourni si nécessaire. Si le patient est incapable de passer totalement la cheville contre la gravité, la hanche est en rotation externe pour atténuer les effets de la gravité et la dorsiflexion de la cheville est tentée à nouveau.
6. Les extenseurs du gros orteil (myotome L5) sont évalués par les patients ayant la tentative d'étendre le gros orteil avec la jambe étendue et de la cheville plantaire, la résistance manuel est fourni si nécessaire. Si le patient est incapable de passer totalement orteil contre la gravité, la hanche est en rotation externe pour atténuer les effets de la gravité et l'extension du gros orteil est tentée à nouveau.
7. Le plantarflexiors cheville (S1 myotome) sont évaluées par la tentative ayant patient de flexion plantaire avec la jambe tendue à la résistance manuel est fourni si nécessaire. Si le patient est incapable de bouger la cheville grâce à large bande avec la résistance, la hanche et du genou sont fléchis à placer la surface plantaire du pied sur le tapis et le patient est invité à se soulever sur leurs orteils. Si le patient est incapable de se lever totalement sur leurs orteils, la hanche est en rotation externe pour atténuer les effets de la gravité et la flexion plantaire de cheville est tentée à nouveau.
8. Basse score moteur extrémité est calculé en additionnant les résultats pour chaque groupe musculaire bilatérale.

Partie 2: évaluations quantitatives statiques

Réflexe d'étirement vitesse dépendante

L'utilisation des dynamomètres isocinétiques, en plus de l'électromyographie (EMG), un tronçon précis ne peut être appliquée et une réponse quantitative peut être évaluée.

1. L'individu est confortablement assis dans un appareil de test (système Biodex 3, Shirley, New York)
2. EMG de surface sont appliqués à la gastrocnémien soléaire et médiale.
3. Jambe est fixé à la plaque du pied couplé à un degré 6 de cellule de charge liberté (ATX Industrial Automation, Apex, Caroline du Nord) et de la cheville axe d'articulation est aligné au centre de la cellule de charge.
4. Avec le patient détendu, s'étend simples ou multiples en flexion dorsale (FD) ou plantaire (PF) sont appliqués à différentes vitesses de rotation, y compris 5, 30, 60 et 120 degrés / seconde
5. Afin de quantifier la réponse du couple, un couple de signaux sont filtrés à 200Hz, échantillonné à 1000 Hz et synchronisées avec les données EMG. Couples Passif et gravitationnelle sont obtenus à partir des perturbations s'étendent lente (5 ° / sec) et soustrait les tronçons rapides pour calculer la réponse réflexe. Étirements sont segmentés pour chaque excursion DF et PF, minimum et maximum de couples sont identifiés, et un couple maximal est défini comme la différence dans les valeurs.
6. Afin de quantifier la réponse EMG, les signaux EMG sont filtrés à 20-450Hz, échantillonné à 1000 Hz, synchronisées avec les données de couple. Le signal est redressé et lissé à 10 Hz passe-bas avec un 4 ^ème ordre récursif de Butterworth filtre, et la zone du signal lissé est calculé pour agonistes et antagonistes de toutes les excursions. Pour les perturbations, l'EMG est souvent présent après l'arrêt du mouvement durant la position de maintien finale. EMG intégré surface est calculée, à partir du début de la rotation finale conjointe s'étendant dans la phase de maintien pour un maximum de 3 secondes.

Force isométrique

La quantification précise de la force volontaire peuvent être obtenues à l'aide d'un dynamomètre isocinétique.

1. L'individu est confortablement assis dans les tests appareil.
2. EMG de surface sont fixées à 6 grands groupes musculaires de chaque jambe, y compris le droit antérieur, médial hamsting, le vastus lateralis, jambier antérieur, soléaire et gastrocnémien médial (Delsys 2.1, Boston, MA). Jambe est fixé à la plaque du pied couplé à un degré 6 de cellule de charge de liberté et du genou axe d'articulation est aligné au centre de la cellule de charge.
3. Avec le patient détendu, le patient est invité à générer de la force maximale. Pour assurer la production maximale vigueur volontaire, vigoureux encouragements verbaux est fournie au patient par les expérimentateurs. Lorsque le couple commence à diminuer, super relance maximale est livré à l'agoniste (10 impulsions, 600 ms durée, 100 Hz, 135 V; S48 Grass, West Warwick, RI) à 3 "x 5" auto-adhésives, plaque de gel de stimulation électrodes (ConMed Corp, Utica, NY). Couple et EMG sont collectés et conditionnés comme dans le tronçon de vitesse dépendante (étape 2).
4. Hors
5. Afin de quantifier la réponse du couple maximal, le couple de crête du signal lissé est trouvé. Couple maximal est défini comme le couple moyen produit ± 50ms de couple maximal.
6. Afin de quantifier la réponse EMG, maximaux EMG est calculé comme la moyenne du signal présent 0 à 100ms avant de couple de pointe.
7. Afin de quantifier les déficits dans l'activation volontaire, le ratio d'activation centrale est calculée avec l'équation 1. Dans cette équation T _volontaires se réfère au couple volontaire produitsuced 100 ms avant la stimulation électrique et Telectrical se réfère à la pointe électrique a suscité un couple ^8.

L'équation n ° 1

Partie 3: l'évaluation quantitative des dynamiques

Vitesse du tapis roulant de crête

Déambulation fonctionnelle est évaluée à l'aide d'un test sur tapis roulant sont ajustées pour obtenir vitesse du tapis roulant.

1. Objet est fixé sur le tapis roulant (Bertec, Columbus, OH) en utilisant un harnais de sécurité aérienne qui ne restreint pas le mouvement et ne fournit pas de soutien du poids corporel. Un moniteur de fréquence cardiaque est apposée. Un ensemble de marqueur réfléchissant est appliqué à l'aide du modèle modifié Cleveland Clinic (32 marqueurs réfléchissants). EMG de surface sont fixées à 6 grands groupes musculaires de chaque jambe, y compris le droit antérieur, médial hamsting, le vastus lateralis, jambier antérieur, soléaire et gastrocnemious médial (Noraxon, Scottsdale, Arizona)
2. Le sujet commence à marcher sur le tapis roulant à 0,1 m / s. La vitesse est une vitesse accrue toutes les 2 minutes par 0,1 m / s.
3. Le test est résilié en vertu de trois conditions
   1. La fatigue Volitional
   2. Démarche instable
   3. Conformément à l'American College of Sports Medicine (ACSM) des lignes directrices ⁹
      1. Note de l'effort perçu = 20
      2. Le rythme cardiaque dans les 10 battements maximale prévue
      3. Ratio d'échange respiratoire = 1,15
4. Vitesse maximale obtenue pour au moins 1 min, est enregistré comme vitesse du tapis roulant de pointe.

Gait cinématique

Pendant la marche sur tapis roulant de multiples mesures cinématiques notamment, la gamme de pointe du mouvement, la vitesse de pointe et la variabilité sont évalués en utilisant le système de motion capture (Motion Analysis, Santa Rosa, CA). La cohérence de la coordination intralimb entre la hanche et du genou est quantifiée en calculant le coefficient moyen de correspondance (ACC; ^10). L'ACC utilise une technique de codage vectoriel d'analyser la hanche sagittale-plan et l'angle des genoux sur une parcelle d'angle à angle.

1. Caméras de capture de mouvements sont calibrés selon les recommandations des fabricants avant chaque utilisation. Durant la collecte des données, les données sont échantillonnées à 100 Hz à partir de 6 caméras.
2. Hors, les données de capture de mouvements est manuellement suivis pour une précision et d'une époque d'au moins 10 cycles de marche à la vitesse jeûné obtenus dans les deux pré post ISRS sont isolés pour analyse.
3. Cycle de marche est normalisée à partir du talon pour cent de grève talon et interpolées à l'aide d'une spline cubique pour les hanches et les angles du genou.
4. Genou, hanche angle-angle intrigue est construite (Figure 3a).
5. Le cosinus et le sinus de la moyenne de la hanche (x) et du genou (y) normalisé à la longueur du vecteur (l) respectivement pour chaque intervalle de trame à trame calculées sur l'ensemble des mesures isolées pour analyse (Équation 1-2).

Équation # 2

L'équation n ° 3

6. Le vecteur moyenne pour chaque intervalle de trame à trame est calculée en utilisant la moyenne du châssis au cadre de sinus et cosinus dans toutes les étapes isolé pour analyse (équation 3).

L'équation n ° 4

7. Le vecteur moyen (a), représente la variabilité des changements continus dans l'intervalle de trame à trame ou la cohérence de la coordination intralimb entre la hanche et du genou au cours des cycles de plusieurs étapes (équation 4). Lorsque a = 1, le cycle est parfaitement compatible avec des valeurs inférieures à 1 la cohérence de moins en moins intralimb indiquant entre les étapes (figure 3b).

Équation # 5

L'activité musculaire durant la marche

L'activité musculaire durant la marche est quantifiée en utilisant des signaux EMG.

1. Pour recueillir les réponses d'EMG, les signaux EMG sont filtrés matérielle à 20-450Hz, échantillonné à 1000 Hz, tandis que synchronisées avec les données de capture de mouvements.
2. Hors ligne, les signaux sont filtrés passe-haut à 30Hz pour enlever le mouvement d'artefact redressée et filtrée passe-bas à 20 Hz en utilisant un ordre récursif de Butterworth 4 ^ème de créer une enveloppe linéaire. Lissée signaux EMG sont normalisés pour le cycle de la démarche pour cent et une moyenne entre au moins 10 étapes à la vitesse jeûné obtenus dans les deux pré post ISRS.
3. Des valeurs normatives de l'activité musculaire sont établies en utilisant une base de données des contrôles sains pour établir normatives sur les délais et les temps hors tension. Le tableau ci-dessous présente l'activité normative des 6 muscles de tout le cy la démarchecle.
4. Normatives sur le temps et les heures de congé pour chaque muscle sont superposées sur les signaux EMG recueillis par le sujet. La zone intégrée du temps et hors du temps sont calculés. L'indice spasticité (SI) est calculé par l'équation 5 ^11. Résultats représentatifs sont présentés dans la figure 3c.

L'équation n ° 6

Enregistrements métabolique pendant la marche

Capacité cardiorespiratoire / métabolique est évaluée en utilisant des mesures de l'absorption maximale d'oxygène (VO2 _pointe; ml / kg / min) pendant les tests sur tapis roulant évaluée en utilisant une K4b2 système portable métaboliques (Cosmed USA Inc, Chicago, Illinois).

1. Système métabolique est étalonné conformément aux recommandations du fabricant et apposé au patient.
2. Les mesures de base de la VO2 sont obtenues en position assise pour un minimum de 2 minutes, puis à nouveau en position debout pendant un minimum de 2 min. Une marque d'utilisateurs internes contrôlés sur le système métabolique est utilisé pour synchroniser des événements.
3. Tout en marchant sur le tapis roulant de la VO2 sont collectées avec des marques manuel fourni par l'expérimentateur avec des augmentations de vitesse (toutes les 2 min).
4. Après le test sur tapis roulant, les données sont téléchargées sur un ordinateur personnel pour une analyse ultérieure.
5. VO2 de données est analysé par la moyenne la dernière minute de chaque époque vitesse 2 minutes et tracées pour chaque vitesse (Figure 3d).

Figure 1. Après administration orale d'ISRS chez un individu avec le moteur de lésion médullaire incomplète il ya des modifications notables dans les mesures cliniques de l'activité motrice. Les deux mesures de l'activité réflexe involontaire, Mash (A) et SCATS (B) a augmenté à des degrés divers, en suggérant les deux échelles cliniques peuvent être capturer un aspect différent de l'activité involontaire augmentée. (C) En outre, des modifications cliniquement décelable dans la force volitive sont observés après l'administration des ISRS.

Figure 2. Après administration orale d'ISRS chez un individu avec le moteur de lésion médullaire incomplète il ya des modifications notables dans quantitative des mesures statiques de l'activité motrice. (A) augmentée et prolongée couple plantaire de la cheville et EMG sont observées en réponse à s'étire répétées du plantaires suivantes ISRS administration. Augmentation du couple isométrique est observée après l'administration des ISRS. Fait intéressant, il ya déficit inférieur d'activation (supérieure RCA) après l'administration des ISRS, indiquant que la personne est capable de mieux activer leurs muscles pendant une contraction volontaire maximale après administration ISRS.

Figure 3. Après administration orale d'ISRS chez un individu avec le moteur de lésion médullaire incomplète il ya des altérations dans quantitative des mesures dynamiques de l'activité motrice. Les analyses de la variabilité de la hanche et cinématique du genou (A) pendant la marche à l'aide du CAC (B) révèle qu'il ya une cohérence accrue suivantes ISRS, les deux mesures pré et post sont à 0,7 m / s. (C) Analyse des membres inférieurs activité EMG lors de la déambulation révèle une augmentation de la mauvaise synchronisation de l'activité musculaire suivantes ISRS, les deux mesures pré et post sont à 0,7 m / s. (D) Analyse des paramètres métaboliques au cours déambulation révèle une augmentation modeste de la consommation d'O2 au cours du test sur tapis roulant classés suivant l'administration ISRS.

Tableau 1: notation purée, de modification à partir de ¹²

Tableau 2: score SCATS, de modification à partir de ¹³

Tableau 3: notation SGET

Tableau 4: Normatif sur et hors temps de muscles pendant la marche LE

Cette vidéo de démonstration met en évidence des méthodes pour évaluer les changements dans l'activité réflexe, la force volitive et déambulation après l'administration orale aiguë des ISRS chez l'homme SCI. Cette batterie d'évaluations montre que malgré l'augmentation de ce qu'on appelle l'activité réflexe anormale après administration orale aiguë d'un ISRS, l'individu avec la SCI a démontré des améliorations dans la force volitive, avec seulement des modifications mineures dans la capacité de locomotion. Chez ces individus, les effets de la spasticité augmentée ne semblent pas nuire à la fonction ambulatoire. En outre des améliorations dans la capacité de marche peut être plus prononcé chez les personnes avec des lésions aiguës. Poursuivant des études de l'utilisation de ces évaluations quantitatives et cliniques similaires pour déterminer l'efficacité des ISRS combinés et intensive des interventions physiques, comme cela a été employé dans des modèles animaux de la SCI. Avec un solide cadre théorique basé sur la recherche en sciences de longue date et relativement nouvelle base, ces méthodes peuvent aider à traduire ces informations à une population clinique et peuvent contester certaines des protocoles traditionnels utilisés dans la pratique clinique afin d'augmenter la récupération fonctionnelle chez les individus avec la SCI.

NIH R21NS42516 au TGH
Craig H Nielsen Foundation Grant 83860 à TGH
NIDRR-RRTC.

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