Utilizzo di rotazioni unidirezionali per migliorare l'asimmetria del sistema vestibolare nei pazienti con disfunzione vestibolare

Viene presentato un nuovo metodo di riabilitazione per riequilibrare il sistema vestibolare nei pazienti con risposte asimmetriche, che consiste in rotazioni unidirezionali verso il lato più debole. Modificando direttamente il percorso vestibolare piuttosto che migliorare gli aspetti multisensoriali della compensazione, l'asimmetria può essere normalizzata entro 1-2 sessioni e mostrare effetti duraturi.

Il sistema vestibolare fornisce informazioni sul movimento della testa e media i riflessi che contribuiscono al controllo dell'equilibrio e alla stabilizzazione dello sguardo durante le attività quotidiane. I sensori vestibolari si trovano nell'orecchio interno su entrambi i lati della testa e si proiettano ai nuclei vestibolici nel tronco encefalico. La disfunzione vestibolare è spesso dovuta a un'asimmetria tra l'input dei due lati. Ciò si traduce in input neurali asimmetrici dalle due orecchie, che possono produrre un'illusione di rotazione, che si manifesta come vertigini. Il sistema vestibolare ha un'impressionante capacità di compensazione, che serve a riequilibrare il modo in cui le informazioni asimmetriche provenienti dagli organi finali sensoriali su entrambi i lati vengono elaborate a livello centrale. Per promuovere la compensazione, vengono utilizzati vari programmi di riabilitazione nella clinica; tuttavia, usano principalmente esercizi che migliorano l'integrazione multisensoriale. Recentemente, l'addestramento visivo-vestibolare è stato utilizzato anche per migliorare il vestibulo-riflesso oculare (VOR) negli animali con lesioni unilaterali compensate. In questo caso, viene introdotto un nuovo metodo per riequilibrare l'attività vestibolare su entrambi i lati in soggetti umani. Questo metodo consiste in cinque rotazioni unidirezionali al buio (velocità di picco di 320 os) verso il lato più debole. L'efficacia di questo metodo è stata dimostrata in uno studio clinico sequenziale a doppio cieco in 16 pazienti con asimmetria VOR (misurata dalla preponderanza direzionale in risposta alle rotazioni sinusoidali). Nella maggior parte dei casi, l'asimmetria VOR è diminuita dopo una singola sessione, ha raggiunto valori normali all'interno delle prime due sessioni in una settimana e gli effetti sono durati fino a 6 settimane. L'effetto di ribilanciamento è dovuto sia ad un aumento della risposta VOR dal lato più debole sia a una diminuzione della risposta dal lato più forte. I risultati suggeriscono che la rotazione unidirezionale può essere utilizzata come metodo di riabilitazione supervisionata per ridurre l'asimmetria del VOR nei pazienti con disfunzione vestibolare di lunga data.

La disfunzione vestibolare è un disturbo comune con una prevalenza del 35% negli adulti sopra i 40 anni¹. La maggior parte dei disturbi vestibolici provocano un'asimmetria tra l'input da entrambi i lati, con conseguente illusione di rotazione chiamata vertigine. In assenza di normale funzione vestibolare, anche semplici attività quotidiane possono essere impegnative. La disfunzione vestibolare è spesso quantificata dal riflesso vestibolo-oculare (VOR). Durante le attività naturali, come camminare o correre, il VOR muove gli occhi nella direzione opposta e con la stessa velocità del movimento della testa. Questo riflesso ha una breve latenza di 5 ms, ed è mediato nel piano orizzontale attraverso un semplice arco a tre neuroni². L'informazione viaggia dai recettori vestibolici ai nuclei vestiboli, quindi ai neuroni motori abducens. Questi movimenti oculari si traducono in stabilizzazione dello sguardo orizzontale durante le attività quotidiane. La simmetria del VOR in risposta alle rotazioni in senso orario e antiorario è un importante test della funzione vestibolare.

La disfunzione vestibolare unilaterale produce cambiamenti compensativi centrali e cambiamenti periferici guidati centralmente per superare il VOR asimmetrico difettoso e il conseguente squilibrio vestibolare. Anche dopo lesioni vestibolali permanenti, come una neurectomia vestibolare unilaterale, la vertigine e i sintomi di accompagnamento migliorano in un breve periodo (giorni a settimane) di tempo. A causa di questa abilità, il sistema vestibolare è stato un modello per studiare l'adattamento e la compensazione nei percorsi neurali. È stato precedentemente dimostrato³ che i cambiamenti nei percorsi vestibolali centrali possono essere implementati da una rotazione unidirezionale sulla base di un'ipotesi proposta da uno degli autori (N.R.) circa 20 anni fa. Altri studi hanno anche dimostrato cambiamenti compensativi in diverse parti del percorso sensoriale, compresi i nuclei vestibolici (VN)^4,5,6,7,8, percorsi commissurali tra il VN su entrambi i lati⁹, cerebellar ingressi¹⁰, e la periferia vestibolare¹¹. Questi cambiamenti compensativi si traducono in un nuovo equilibrio nell'attività dei neuroni VN su entrambi i lati.

Nonostante l'impressionante capacità del sistema vestibolare di compensare gli input asimmetrici delle due orecchie, la ricerca ha dimostrato che le risposte ai movimenti veloci non sono mai completamente compensate^12,13. Ora è noto che la compensazione vestibolare naturale non utilizza la piena capacità del sistema, e la risposta VOR compensata può essere migliorata negli animali che hanno partecipato alla formazione visiva-vestibolare^14,15. È noto da tempo che gli esercizi di riabilitazione vestibolare migliorano la compensazione nei pazienti con problemi di squilibrio cronico migliorando la natura multisensoriale (non vestibolale) del controllo dell'equilibrio^{16,17, 18} mi lato ^{, 19} del 12 ^{, 20 anni , 21}. L'obiettivo di questi esercizi di riabilitazione vestibolare è quello di utilizzare approcci fisiologici o comportamentali per migliorare i sintomi, nonché la qualità della vita e l'indipendenza del paziente^22,23.

Descritto qui è un metodo di riabilitazione che utilizza rotazioni unidirezionali verso il lato "più debole" (Figura1A). L'idea di base per questo metodo deriva dalla plasticità hebbiana, in cui le connessioni neurali diventano più forti quando vengono stimolate. Questo metodo modifica specificamente gli input vestibulari piuttosto che migliorare l'integrazione multisensoriale, che è la base per altri esercizi di riabilitazione vestibolare. Ricerche precedenti hanno dimostrato che le rotazioni unidirezionali diminuiscono l'asimmetria VOR in 1-2 sessioni in pazienti con disfunzione vestibolare unilaterale³. Questo effetto è dovuto principalmente ad un aumento dell'attività del lato con una risposta più bassa (LR), nonché ad una leggera diminuzione dell'attività del lato con una risposta più alta (HR). Questo cambiamento è molto probabilmente mediato da modifiche nei percorsi centrali (ad esempio, il rafforzamento di percorsi afferenti, come connessioni VN o cambiamenti negli input commissurali). In effetti, questa tecnica può essere utilizzata come metodo supervisionato per la riabilitazione vestibolare in quelli con asimmetria vestibolare di lunga data.

I dati qui presentati e precedentemente pubblicati³ sono stati ottenuti da studi condotti secondo le raccomandazioni del Comitato Etico di Shahid Beheshti University of Medical Sciences, Teheran, Iran e un protocollo che è stato approvato dal Institutional Review Board dell'Università.

1. Screening e preparazione dei partecipanti

1. Reclutare partecipanti che hanno avuto una storia di problemi di equilibrio per più di un anno.
   NOTA: La compensazione vestibolare avviene in modo più efficace nel primo mese dopo una lesione. Il timepoint di un anno è stato scelto per fornire abbastanza tempo per la compensazione naturale per raggiungere il suo altopiano e anche garantire che il paziente non abbia un disturbo vestibolare fluttuante.
2. Utilizzare i seguenti criteri di esclusione per i pazienti:
   1. Storia dei problemi del sistema nervoso centrale (ad esempio, trauma cranico, ictus, tumore al cervello, ecc.) che possono influenzare le vie vestibolali centrali, che sono necessarie per una corretta compensazione.
   2. Diagnosticato con una malattia vestibolare fluttuante (ad esempio, vertigini posizionali parossistici benigni [BPPV] o malattia di Meniere).
   3. Dovrebbero essere esclusi i pazienti che utilizzano altre forme di riabilitazione vestibolare o tipi di attività fisica (ad esempio, gli atleti) che possono migliorare la compensazione vestibolare indipendentemente dalla riabilitazione della rotazione unidirezionale.
      NOTA: Questo criterio è suggerito solo a scopo di ricerca e per il controllo delle variabili estranee.
3. Non limitare i partecipanti in base all'età o al sesso.
   NOTA: Simile ad altre compensazioni, questo metodo di riabilitazione dovrebbe avere effetti meno pronunciati nei soggetti più anziani.
4. Istruire i partecipanti ad astenersi dall'utilizzo di farmaci che sopprimono il sistema nervoso centrale, compresi gli antistaminici o qualsiasi farmaco anti-vertigine per almeno 1 giorno prima di ogni sessione sperimentale.
5. Istruire i partecipanti a non utilizzare stimolanti del sistema nervoso, tra cui anfetamine e caffeina per almeno 1 giorno prima di ogni sessione sperimentale.
6. Istruire i partecipanti ad astenersi dal bere bevande alcoliche in quantità che compromettono il normale funzionamento, in quanto ciò può interferire con il funzionamento del sistema vestibolare e influenzare i risultati.

2. Misurazione del riflesso vestibulo-oculare (VOR)

1. Utilizzare il videoninnografia (VNG) o l'elettrogenetica (ENG) per misurare la risposta del VOR durante la rotazione dell'intero corpo.
   NOTA: i dati presentati nella sezione dei risultati sono stati registrati da ENG. L'attrezzatura corrente mostrata nel filmato utilizza VNG.
2. Eseguire tutte le registrazioni al buio, con la testa posizionata 30 s naso-giù.
   NOTA: ai fini della visualizzazione, il video associato non viene eseguito al buio.
3. Chiedere ai partecipanti di sedersi sulla sedia rotante, fissarli sulla sedia con l'imbracatura, mettere gli occhiali infrarossi e fissare la testa nel poggiatesta in una posizione naso-giù di 30 dollari.
4. Dopo che i partecipanti si sono avvicinati al buio, calibrare il segnale oculare chiedendo loro di guardare i bersagli laser proiettati sulla parete con angoli di 10 gradi (ad esempio, a destra, a sinistra, sopra e sotto la linea mediana).
5. Iniziare a eseguire il protocollo una volta che l'eye tracker è calibrato con precisione, quando i soggetti sono pronti.
6. Mantenere i soggetti attenti e distratti durante tutti i test vestibolari ponendo loro domande o facendoli fare aritmetica mentale (ad esempio, contare all'indietro da 100).

3. Stimolo di rotazione unidirezionale

1. Con il soggetto seduto sulla sedia rotante, utilizzare una rotazione unidirezionale che consiste in un profilo di velocità triangolare asimmetrico con un'accelerazione di 80 / s² su 4 s per raggiungere una velocità massima di 320 s / s, quindi decelerare lentamente a 10 per fermarsi in circa 30 s.
   NOTA: La decelerazione lenta è particolarmente importante per avere una sosta liscia al fine di evitare di stimolare il lato opposto.
2. Esegui cinque di queste rotazioni con intervalli di 1 min. Le cinque rotazioni insieme sono considerate una sessione di riabilitazione (Figura 1B).
3. Tenere il soggetto sulla sedia dopo l'ultima rotazione unidirezionale per testare la simmetria con un test di rotazione armonica sinusoidale bidirezionale (SHA) a 40 min e 70 min rotazione post-unidirezionale.
   NOTA: Mantenere il paziente sulla sedia diminuirà la variabilità.
4. Eseguire il test SHA utilizzando un'ampia gamma di rotazioni sinusoidali a frequenze di 0,05 Hz, 0,2 Hz e 0,8 Hz, con una velocità di picco di 60 os.
   NOTA: per i dati presentati nei risultati, è stata utilizzata una rotazione sinusoidale a 0,2 Hz (40/ s) per tutte le valutazioni.

4. Progettazione dell'esperimento

1. Valutare i soggetti con una batteria completa di test vestibulari durante la sessione iniziale (vedi sotto) al fine di testare l'asimmetria VOR ed escludere eventuali problemi centrali.
2. Una settimana dopo, esporre i soggetti alla rotazione unidirezionale e un test SHA (passaggi 3.1–3.4).
3. Ripetere questo processo 2x a settimana durante le prime 2 settimane, poi 1x a settimana per le prossime 2 settimane (per un totale di sei sessioni).
4. Amministrare un test SHA all'inizio (passaggio 3.4) e terminare (passaggi 3.3 e 3.4) di ogni sessione e calcolare il preponderanza direzionale (DP) come misura dell'asimmetria:
   
   Dove: V_HR e V_LR rappresentano velocità oculari di picco durante le rotazioni verso il lato con risposte più alte (HR) e risposte inferiori (LR), rispettivamente.
   NOTA: la preponderanza direzionale fornisce una misura normalizzata della differenza nella velocità oculare di picco per le rotazioni nelle due direzioni. Mentre viene utilizzato principalmente per misurare l'asimmetria nelle risposte caloriche, può essere (ed è) utilizzato per quantificare l'asimmetria VOR in SHA^{24,25,26,27,28}.
5. Come sessione finale, eseguire un altro test SHA (passaggio 3.4) 1 settimana dopo l'ultima sessione di riabilitazione.

5. Dettagli delle sessioni

1. Sessione iniziale
   1. Durante la prima visita, prendi una breve storia dei problemi di squilibrio del paziente per verificare la durata dell'asimmetria vestibolare e garantire nessuna indicazione di un disturbo fluttuante.
   2. Eseguire una serie completa di test vestibolare, tra cui saccades, inseguimento liscio, optokinetic, gaze holding, posizionale e posizionamento, test calorici e rotazionali.
   3. Recluta solo i pazienti con asimmetria VOR durante la rotazione che hanno una chiara preponderanza direzionale anomala (DP), in genere con valori di asimmetria superiori al 10%. Questo sarà considerato il DP iniziale (base) per ogni soggetto.
      NOTA: apparecchiature diverse potrebbero fornire intervalli normali diversi ed è consigliabile utilizzare l'intervallo specificato per il dispositivo o basare l'intervallo normale su dati normativi specifici del laboratorio.
   4. Spiegare chiaramente ai soggetti la procedura di rotazione unidirezionale (5 volte in una sessione) e il numero totale di sessioni (sei volte in totale).
   5. Chiedi ai soggetti di firmare un modulo di consenso che è stato approvato dal Institutional Review Board locale (o equivalente, per esperimenti effettuati al di fuori degli Stati Uniti), informandoli chiaramente che possono abbandonare lo studio in qualsiasi momento e per qualsiasi motivo.
2. Sessioni di rotazione unidirezionale (sei sessioni)
   1. Esporre i soggetti alla rotazione unidirezionale (passaggi da 3.1 a 3.4) durante sei sessioni (passaggi 4.3 e 4.4).
   2. All'inizio di ogni sessione di riabilitazione, eseguire un test SHA (passaggio 3.4) e calcolare il valore DP.
      NOTA: Questo fornirà il DP pre-riabilitazione per quella sessione e DP post-riabilitazione a lungo termine per la sessione precedente.
   3. Non eseguire la riabilitazione rotazionale unidirezionale se il valore DP pre-riabilitazione rientra nell'intervallo normale (<10%) in una qualsiasi delle sessioni e istruire il soggetto a tornare per la sessione successiva.
   4. Se il DP pre-riabilitazione è nella gamma anormale, attendere 5 min dopo il test SHA ed eseguire la riabilitazione rotazionale unidirezionale.
   5. Eseguire un secondo test SHA 40 min e 70 min dopo la fine della riabilitazione di rotazione unidirezionale (passaggio 3.4) e calcolare il DP post-riabilitazione per questa sessione.
   6. Indicare ai soggetti di tornare per la sessione successiva.
3. Sessione finale (settimana sette)
   1. Eseguire solo un test SHA (passaggio 3.4) e calcolare il valore DP.
      NOTA: Questo servirà come misura finale dell'asimmetria.
   2. Non utilizzare la rotazione unidirezionale in questa sessione.

Gli effetti a breve termine della rotazione unidirezionale sono stati valutati misurando il VOR con un test di rotazione sinusoidale di 0,2 Hz (40/s) a 70 min dopo la riabilitazione³. Nella figura 2 vengono illustrate le velocità oculari di picco durante le risposte VOR alle rotazioni nelle due direzioni (Figura 2A) e la modifica del DP (Figura 2B). Dopo la rotazione unidirezionale, la risposta alle rotazioni nella direzione del lato con la risposta inferiore (LR) è stata aumentata e la risposta alle rotazioni nella direzione opposta (la direzione con la risposta più forte [HR]) è diminuita, diminuzioni dell'asimmetria VOR e del valore DP. Va notato che la fase della risposta non è stata calcolata nello studio corrente poiché i soggetti avevano risposte VOR asimmetriche e la fase VOR è nota per essere una misura sensibile nei pazienti compensati con normali guadagni simmetrici, specialmente alle basse frequenze di rotazione^26,29,30,31.

L'esposizione dei soggetti alla rotazione unidirezionale durante più sessioni ha ulteriormente diminuito il valore DP. L'effetto di questa riabilitazione è stato mantenuto tra le sessioni (Figura 2C) e l'effetto cumulativo ha portato alla maggior parte dei soggetti con un DP normale dopo solo due sessioni. Simile all'effetto a breve termine, il miglioramento in DP è stato il risultato di un aumento delle risposte VOR per le rotazioni verso il lato LR e diminuzione delle risposte VOR durante le rotazioni verso il lato HR³.

Figura 1: La rotazione unidirezionale riduce l'asimmetria tra i due lati. (A) Schematico che mostra l'ipotesi alla base della rotazione unidirezionale. La stimolazione del lato con risposta più bassa (LR) e l'inibizione del lato con la risposta più alta (HR, frecce rosse) si tradurrà in un cambiamento negli input commissurali e negli ingressi afferenti diretti. Ciò si traduce in un aumento della risposta dei neuroni LR e diminuzione dell'asimmetria tra i due lati (frecce nere). (B) Design sperimentale e paradigmi di rotazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Effetto a breve e lungo termine della rotazione unidirezionale. (A) Nella prima sessione e 70 min dopo la rotazione unidirezionale, la velocità oculare di picco (os/s) ha mostrato un aumento del 14% in risposta alle rotazioni verso il lato con risposta inferiore (LR) e una diminuzione del 16% per le rotazioni verso il lato con risposta più alta (HR, n - 16). Anche se questi cambiamenti non sono stati statisticamente significativi (per LR: 25,0 x 2,2 contro. 26,75 x 5,3 s/s, accoppiato Student's t-test, p - 0,23; per HR: 35.0 - 3.6 vs. 26.0 - 4.4 s/s, accoppiato Student's t-test, p - 0,15), hanno provocato una diminuzione di una simmetria complessiva. Le barre di errore rappresentano i valori DP corrispondenti SEM. (B) diminuiti in modo significativo (test t di Student accoppiato, p - 0,0006) e hanno raggiunto i valori normali. Le barre di errore rappresentano SEM. (C) L'effetto della rotazione unidirezionale è rimasto per un periodo di tempo più lungo ed è stato cumulativo. I valori pre-sessione sono stati misurati prima della riabilitazione in una sessione e i valori post-sessione sono stati misurati 70 min dopo la riabilitazione in quella sessione. I valori negativi di DP indicano un'inversione della direzione di asimmetria rispetto all'inizio dello studio. Le sessioni sono paragonabili allo schema della Figura 1B. Le barre di errore rappresentano SEM. Questa cifra è stata modificata da Sadeghi et^al. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il metodo di riabilitazione qui presentato consiste in ripetute rotazioni unidirezionali al buio verso il lato meno reattivo (LR) in pazienti con squilibrio vestibolare e asimmetria VOR. La maggior parte delle tecniche di riabilitazione migliora l'integrazione multisensoriale al fine di migliorare l'equilibrio^16,17,^18,19,20. Il metodo qui presentato si rivolge al percorso vestibolare, e i suoi effetti possono essere spiegati da un aumento di risposta nel VN sul lato LR e una diminuzione della risposta VN sul lato HR. Questi effetti possono essere mediati presso la sinapsi VN afferente a causa della stimolazione unidirezionale dei sensori e dei nervi sul lato LR e della diminuzione simultanea sul lato HR. Può anche influenzare l'attività della VN attraverso cambiamenti negli input commissrici, che sono noti per svolgere un ruolo importante nella compensazione vestibolare⁹. Indipendentemente dal meccanismo, questo metodo fornisce un modo efficace per ridurre l'asimmetria nelle risposte dei due lati.

Studi precedenti hanno dimostrato che rotazioni ripetute potrebbero portare all'assuefazione delle risposte negli animali normali e negli esseri umani^{32,33,34,35,36,37}. Anche se questo sembra essere in contrasto con questi risultati, le condizioni sono diverse quando il sistema compensa un'asimmetria. Inoltre, un passo critico nella progettazione della rotazione unidirezionale è quello di avere una decelerazione molto lenta al fine di evitare la stimolazione dell'altro lato. Nessuno degli studi precedenti ha utilizzato tale stimolazione asimmetrica.

È stato trovato qui che la maggior parte dei soggetti ha mostrato DP normale dopo due sessioni³. Ciò suggerisce che i pazienti devono essere valutati dopo due sessioni per determinare i loro progressi e pianificare le sessioni future. Inoltre, non è noto se i cambiamenti nel DP siano correlati ai cambiamenti nelle percezioni soggettive dello slittamento reticolare. Studi futuri sono necessari per valutare questa relazione utilizzando questionari vestibulari/saldo standardizzati prima e dopo le sessioni di rotazione unidirezionale. Infine, un cambiamento nell'asimmetria VOR è stato valutato solo a frequenze di rotazione più basse (0,2 Hz). 1) Gli effetti di questo trattamento sulla fase VOR o 2) se questo miglioramento si trasferisce o meno a frequenze più elevate di rotazione o alle vie vestibulo-spinali richiede ulteriori indagini.

È risaputo che gli esercizi personalizzati e supervisionati forniscono risultati migliori nei pazienti rispetto agli esercizi non supervisionati che possono essere eseguiti a casa^{38,39,40,41,42 ,43}. Qui, per eseguire le rotazioni unidirezionali, viene utilizzata una costosa sedia rotante che limita l'uso di questo metodo. Tuttavia, due parametri importanti per una rotazione unidirezionale di successo sono una velocità di picco relativamente elevata durante l'accelerazione e una lenta decelerazione, che può essere raggiunta da qualsiasi sedia rotante a cui il paziente può essere fissato saldamente utilizzando un effettuare la rotazione asimmetrica o attraverso l'uso di approcci di tele-salute. Se confermati da studi futuri, approcci alternativi a bassa tecnologia possono fornire un'alternativa molto meno costosa per l'esecuzione di questo servizio di riabilitazione vestibolare.

Nel complesso, in questo studio preliminare, la rotazione unidirezionale fornisce un modo efficace per ridurre l'asimmetria VOR nei pazienti, anche nella fase compensata. I risultati mostrano che questo metodo può essere utilizzato come metodo supervisionato efficace per la riabilitazione vestibolare anche in pazienti con disfunzione vestibolare di lunga data.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

N. R. è stato sostenuto da un fondo di ricerca della Shahid Beheshti University of Medical Sciences and Health Services. S. G. S. è stato supportato dalla sovvenzione NIDCD R03 DC015091.