单次高强度间歇跑步机训练对卒中后皮质运动兴奋性的影响:对治疗的启示

抽象的

客观的．高强度间歇跑步机训练(HIITT)在中风后的步态康复中越来越受欢迎。在本研究中，我们检测了在一次HIITT治疗后，慢性卒中幸存者下肢运动皮层表征(M1)兴奋性的变化。我们还确定了运动诱发的兴奋性变化是否可以通过经颅直流电刺激(tDCS)调节，并伴有麻痹性踝关节技能习得任务。方法．具有慢性中风的11个个人参加了两种40分钟的跑步机训练课程：Hiitt独自和Hitt之前，以anoodal TDCS提高了技能获取任务（E-TDCS + Hiitt）。经颅磁刺激（TMS）用于评估Paretic和Nonceratic Tibialis前（TA）肌肉的皮质运动潜气性。结果．在11名参与者中有7人中，HIIT单独降低了paretic TA M1兴奋性≥10%。e-tDCS+HIITT提高了paretic TA M1兴奋性，降低了非paretic TA M1兴奋性。结论．Hiitt抑制了一些慢性中风的人的皮质体激动性。当HIIT在TDC与技能采集任务结合之前时，减少了半球皮质动脉术兴奋性的不对称性。意义．这项研究提供的初步数据表明，在一些中风幸存者中，HIITT可能在不抑制运动兴奋性的情况下实现心血管益处。

1.介绍

高强度间歇跑步机训练(HIITT)在健身行业越来越受欢迎，作为一种有希望的中风康复方案，以改善心血管和运动结果[1］.它包括短时间的高强度训练和长时间的恢复期交替，以使训练的效果最大化。2］.高速跑步机训练可以提高地面的步态速度，促进更正常的步行模式，并提高心血管效率[2-5.］.虽然之前的研究检测了HIIT在中风后的步骤参数和心血管结果的影响，但没有研究在中风后检查HIIFT对皮质运动激发的影响。尽管HIITT（上文所述）的有希望的效果，但是尚不知道HEITT是否诱导皮质体系中的中心疲劳。这是一个重要的问题，因为中风的人报告的中央疲劳发病率很高[6.-8.］.中枢驱动力不足和皮质运动兴奋性(CME)半球对称性的不平衡是中风后公认的基准[9.那10］.中风患者在高强度锻炼时可能会出现中枢神经疲劳，这可能会损害他们驱动下行运动输出的能力[11-13］.因此，本研究的主要目的是检测单次HIITT治疗后，下肢M1的CME的短期变化。我们假设，在中风幸存者中，一次HIITT会降低麻痹性下肢肌肉的CME，并进一步造成大脑半球皮质兴奋性的不平衡。我们还想知道，在HIITT会议之前增加下肢皮质运动兴奋性是否可以缓解这些变化。我们选择经颅直流电刺激(tDCS)结合视觉运动踝关节追踪任务，我们之前已经证明该任务是下肢技能习得的有力促进者，并在麻痹肢体胫骨前肌(TA)评估CME [14］.限制风险的结论,可以从这项研究中,我们不包括额外的会话技能收购独自孤单,tDCS与中风和这群人包括两个交易日:HIITT独自HIITT +阳极的tDCS增强与ankle-tracking (e-tDCS + HIITT)。因此，本研究的目的是为未来的研究提供初步数据，以便更详细地检查HIITT的生理和功能益处是否受到中枢疲劳诱导的限制。

2.方法

2．1.参与者

具有慢性中风的11个个人参加了该研究（见表1为了人口统计学）。这是一个精心挑选的均质样本，因为这些人在实验室中参加了以前的非行动研究。选择这些个体是因为经颅神经刺激（TMS）诱导的电动机诱发电位（MEP）可以在其沉腿肌肉中诱导，并证明了执行我们TDCS增强的脚踝电机任务所需的5度或更多的主动窥探脚踝背离。此外，参与者能够独立地行走（有或没有辅助设备）至少10分钟，这是完全参与HIITT所必需的标准。参与者没有对TMS的禁忌症，例如头部区域的金属植入物，癫痫发作的历史，植入的心脏起搏器和已知药物改变中枢神经系统兴奋性的药物。迷你精神状态考试（MMSE）用于评估认知障碍，排除了分数小于24（30分）的人。所有参与者签署了由伊利诺伊大学的机构审查委员会在芝加哥批准的书面知情同意书。

2．2．试验协议

每个人参加两次跑步机训练，分别是HIITT单独训练和e-tDCS+HIITT训练，训练间隔一周，并伪随机化，以避免顺序效应。在每个阶段之前和结束时，参与者进行了两次地面10米快速行走试验(使用他们的行走辅助工具，如需要，手杖和踝足矫形器)。基线(训练前)和训练后用单脉冲TMS测量双侧TA肌肉的皮质运动兴奋性。在e-tDCS+HIITT阶段，参与者在跑步机训练前在受损的下肢M1上接受阳极tDCS。在阳极tDCS过程中，参与者在接受tDCS的同时，用麻木的踝关节执行15分钟的视觉运动跟踪任务。为了使e-tDCS+HIITT训练时间与仅HIITT训练时间相匹配，后者的参与者被要求在跑步机训练前安静地坐15分钟。在15分钟的tDCS和15分钟的休息期间监测血压(BP)和心率(HR)。在这些坐位过程中，血压和心率没有差异。

2．3.肌电图(EMG)

在标准皮肤准备后，在肌肉腹部放置表面Ag/AgCl电极(Delsys Bagnoli 8, MA, USA)，从TA记录双侧肌肉活动。接地电极置于C7棘突上。两个最大的自愿等距收缩(MVIC)获得的每一块肌肉参与者坐在椅子上,膝盖弯曲到90°和脚踝在中立的立场和稳定的金属栏放置坚定和舒适的脚,固定在一个木板,防止足部的运动。获得训练前和训练后的TMS测量，同时参与者产生对应于每块肌肉10% MVIC的目标肌电收缩。肌电数据采样频率为2000 Hz，增益为1000，带通滤波(10-500 Hz)。采用Spike2软件(Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK)收集肌电图数据。

2.4。经颅磁刺激

0.25 Hz的单脉冲TMS使用Magstim 200刺激器(Magstim, Dyfed, Wales, UK)，通过双锥线圈(直径110 mm)引导皮质内的前后电流流动。使用Spike2软件触发刺激器，并记录触发脉冲。经颅磁刺激产生MEPs，线圈位于被测TA肌肉的对侧(首先测试非麻痹TA)。将一顶紧合的亚麻帽子戴在参与者头上，并标出顶点的位置(连接小齿轮和两个tragi的线的交点)。TMS线圈被放置在顶点的帽上，然后系统地移动，以确定每块肌肉的热点。每个TA的热点位置都被标记在盖子上，并且在数据采集过程中实验者会不断地检查热点位置，以确保线圈始终处于相同的位置。在颅磁刺激期间，参与者被给予肌肉活动的视觉反馈，并要求TA保持相当于MVIC 10%的紧张性收缩。主动运动阈值(AMT)被确定为刺激强度，在对侧TA的10个连续试验中，50%的试验中产生至少0.4 mV的可识别mep [14那15］.7个TMS强度对应80-140%的AMT(随机顺序)得到响应，以生成每个TA肌肉的招募曲线。每个强度在训练前和训练后记录6个mep。同样的强度用于收集训练后的反应(跑步机训练后5分钟)。对于e-tDCS+HIITT治疗，首先通过将TMS线圈直接置于头皮上确定paretic TA的热点。然后将活性tDCS电极放置在头皮上，将帽紧紧固定在头皮上，重复热点程序。

2．5．阳极的tDCS

使用恒定电流刺激器（Chattanooga Iontophoresis System，Hixon，TN，USA）通过8厘米提供TDCS²椭圆形盐水 - 浸湿的海绵阳极直接在头皮上放置在垂直腿M1的热点上和自粘碳化参考阴极（35厘米²）放在对侧轨道上方的额头上。将1 mA电流施加十五分钟，而参与者执行了电机训练任务[16］.

在运动训练任务中，参与者使用麻痹的踝关节进行视觉运动跟踪。有关运动训练任务的详情，已于先前报告[14那15那17那18］.简而言之，参与者被要求尽可能准确地跟踪计算机生成的正弦波形，该波形由连接在麻木踝关节上的电测角仪产生，同时他们持续进行15分钟的踝关节背屈和跖屈运动。在每4分钟的追踪后，他们得到1分钟的休息。我们之前的研究发现，与单独跟踪练习相比，tDCS强烈促进了皮质运动兴奋性，并提高了踝关节精细运动控制能力约3倍[14］.这一发现得到了其他研究的支持，这些研究表明，在运动任务中tDCS比在休息时使用tDCS更能有效地提高皮质运动兴奋性[18那19］.

2.6。跑步机训练

所有参与者都参加了HIITT协议。培训是根据Pohl和同事使用的协议进行修改的[3.］.该方案包括40分钟(5分钟热身，30分钟步行，5分钟冷却)跑步机步行，有组织地增加步行速度。跑步机的倾斜度为0%，为了安全，参与者在没有体重支撑的情况下安装了安全带。参与者没有得到走路方面的帮助。连续监测心率(HR)和感觉用力率(RPE)，采用改良的Borg量表。使用公式(220−年龄)确定年龄预测HR，并将80%的年龄预测HR设置为提高带速时的安全上限。在每个阶段开始时进行的10米快走测试确定了最大地面行走速度。然后，参与者在跑步机上进行了五分钟的热身，速度是他们在地面上行走的最大速度的一半。热身后，开始第一次速度依赖训练间隔。在2分钟的时间内，皮带速度在参与者的容忍范围内增加到参与者能够安全行走且不会跌倒的最高速度。 At the end of the two-minute interval, this maximum achieved belt speed was held for ten seconds. This was followed by a recovery period when the participant walked at the warm-up speed until a time at which the participant’s HR and RPE returned to the levels reached during the warm-up phase. If the participant maintained the speed and felt safe during the ten seconds at the end of the first-training interval, the speed was then increased by 10% during the next interval. This speed was again held for ten seconds at the end of the second interval and followed by another recovery period. During any fast walking phase, if the participant was unable to maintain the speed and felt unsafe, or the HR reached the cut-off safety limit, the speed was reduced by 10% for the next interval. At the end of thirty minutes of structured walking, a five-minute cooldown phase was provided. The participants performed the training similarly during HIITT and e-tDCS+HIITT sessions and were able to increase their speed by a factor of 3 to 5 during each session. After the forty minutes of treadmill training, participants were given five minutes to rest before TMS measures were taken. BP, HR, and RPE were recorded during this time. An example of one participant’s treadmill training speeds, distance walked, and heart rate is provided in Figure1．

2.7。数据分析

2.7.1。步速

每个参与者在每个阶段的两个10米前和两个10米后快速试验中计算出训练前和训练后的平均步态速度。计算每个个体的步态速度变化。

2.7.2。议员分析

采用Spike2软件对所有MEP数据进行分析。MEP振幅被选择作为捕捉皮质运动兴奋性变化的主要测量指标。在每一阶段的训练前和训练后的TMS试验中，为每个参与者的每一块肌肉建立了MEP窗口，通过发现在最高的TMS强度(140% AMT)下，大MEP的发作和抵消潜伏期。在经颅磁刺激前设置相同宽度的窗，测量紧张性背景收缩。然后应用相同的MEP和背景窗口来分析给定会话中的所有MEP。MEP振幅计算为MEP窗内肌电活动的峰值到峰值幅度，并在每个TMS强度、每次试验(前后)、每块肌肉和参与者的6个MEP之间取平均值。平均MEP反应被绘制在对应的刺激强度上，并使用一个线性函数来拟合这条招募曲线。使用以下公式计算招募曲线的斜率，并确定非麻痹(NP)和麻痹(P) TA肌肉的CME(增益)变化:

计算皮质动脉术兴奋性的斜肌对称性的生理措施如下：瘫痪斜坡/非患斜率。该比率产生0和1之间的值，其中接近1的值表示良好平衡的互际对称，并且随着值朝向零点，它们表示增加的不对称水平[20.］.这被用来建立所有参与者半球间对称的基线水平。

2.8。统计分析

所有统计分析均使用SPSS软件(IBM software version 22, Armonk, NY)。采用双向重复测量方差分析(按时间进行会话)来比较两个会话之间的RPE、HR和地面步态速度。四个阶段的时间(热身、训练中、冷却和训练后)被用来分析RPE和HR。两层时间(前和后)分析了地面步态速度。配对的双尾- 测试是为了对每个肢体的两个会话的基线MEP斜坡之间的差异进行比较。还进行了脑内相关性（ICC）以检查每个肢体的两次会话的基线MEP斜率的测试 - 保持性可靠性。

采用双向重复测量的方差分析(肢体会话)来检验CME的变化作为训练会话对两肢体(麻痹和非麻痹)的影响。对显著的主效应和相互作用进行随访- 纠正多种比较。参与者根据培训后的探测器CME的变化被归类为“响应者”。与基线相比，与基线相比的一个参与者被视为响应者，并报告了每个会议的响应者人数。对E-TDCS-HIITT和HIITT会话期间P TA的CME变化之间的相关性分析，以确定对HIIT的反应程度之间的关系是否与E-TDCS-HIFT期间的变化程度有关。统计显着性设定为AT．当数据违反球度假设时，使用温室盖瑟校正。数值以平均值±SE(标准误差)报告。

结果

所有学员都完成了培训。没有报道e-tDCS或跑步机训练的副作用。平均来说，参与者开始时的跑步机皮带速度是 mph and most were able to increase and/or maintain their speeds for 5–7 intervals. The highest belt speed achieved was on average英里每小时。详细的跑步机速度，间隔的数量，和距离覆盖每个参与者提供在表中2．RPE的双向重复测量方差分析显示RPE之间存在显著的交互作用(那）.配对在每个时间级别上对RPE的测试比较两个会话显示了显著的差异()在“冷却时间”(图2（b））.平均而言，在速度间隔期间，RPE在预热期间增加到8。与E-TDCS + HiitT会话的3.04相比，RPE为Hiitt会议的4.62仍然略微升高。HR上的双向重复措施Anova揭示了人力资源时间的显着主要效果。HR在两个会话中发生类似地发生变化，并且在四个时间点之间被发现显着差异（那,图2（a））.所有参与者都能够完成他们的跑步机培训课程，而无需停止。

3.1。在步态步态速度

在地下步态速度没有注意到显着的主要影响或相互作用。基线步态速度对于跑步机训练后，在跑步机训练（表格）之后，在会话中相似和改进趋势（0.04米/秒）3.）.

3.2。Corticomotor兴奋性的变化

NP TA的基线MEP斜率没有显著差异()及P TA (）两次会议之间。在每个会议内的NP和P TA之间的基线斜坡之间发现了差异。平均基线NP TA斜率明显陡峭，比Hiitt的平均p ta坡度（73％，)和e-tDCS+HIITT (79%，)会议。在NP TA的基线值(那)及民政事务专员(那）两个会话之间。两种基线会话的平均间歇性对称比率是，为所有参与者建立了半球间对称不平衡的趋势。

双向Anova揭示了一个重要的会话×肢体互动（那）.事后分析与校正配对-在每个肢体内比较两个阶段的测试显示，两个NP TA都有显著的效果()及P TA ()(图3.）.对于NP TA, e-tDCS+HIITT治疗后发现CME降低(−%)，而HIITT会议的CME增长(%)。在e-tDCS+HIITT会议后，P TA的CME有所增加(%)，而HIITT会议减少(−%)。单样本- 最低用于检查CME是否与零不同。E-TDCS + Hiitt组中NP Ta和P Ta的CME的变化从零（和0.023,分别地)。HIITT单独治疗后，两肢的变化均不显著。对于后者，均值的小变化伴随着大的方差(NP TA)％;P ta -%)。数据检查显示，在Hiitt之后，11名参与者中只有2个参与者增加了PA CME，而剩余的9则减少了P TA CME。这9名参与者的P TA的平均减少是 -%，与零不同(）.在e-tDCS+HIITT组中，11名参与者中有8人被分类为应答者。这8位参与者的P TA平均增加是%，与零不同(）.在纳入所有参与者数据的情况下，单独HIITT期间P TA CME的减少与e-tDCS+HIITT期间CME的变化之间存在负相关(那)(图4.）.

4.讨论

本研究的目的是研究HIITT对慢性卒中患者皮质运动兴奋性的短期影响，以及这种调节是否受到运动前tDCS启动和踝关节追踪任务的影响。HIITT单独导致轻瘫TA的CME平均小幅度下降，非轻瘫TA的CME平均小幅度增加，但变化没有统计学意义。然而，HIITT单独降低了大多数参与者的CME(11人中有9人)。当HIITT之前有启动协议(e-tDCS+HIITT)，观察到显著的调制。训练后，e-tDCS+HIITT诱导麻痹性TA的CME增加，相应的非麻痹性TA的CME降低。有趣的是，相关分析显示，CME下调幅度较大的参与者在e-tDCS启动后，CME上调幅度也较大，表明可能存在共同的神经可塑性机制。HIITT和e-tDCS+HIITT训练后的地面步态速度都有提高的趋势(分别为0.03和0.09 m/s)。然而，步态速度的变化在两组之间并没有统计学上的差异。

这是第一次研究中风后检查HIIFT对皮质运动激发性的研究。Pohl等人。[3.Sullivan等人[4.研究表明，与传统疗法或慢速疗法相比，速度依赖性跑步机训练在地上行走速度方面有显著改善。更快的速度也被证明有助于中风后更正常的步行模式，而不伴随常见步态补偿的增加，如环切[5.那21］.以逐渐加快的速度行走不仅需要增加心血管活动，还需要增加神经肌肉的需求，以保持连续的步伐。

本研究的另一个发现是，e-tDCS+HIITT与单独HIITT相比，麻痹下肢的CME增强。事实上，这些变化是在一次训练中观察到的，这是有希望的，并为研究使用皮层启动的长期训练的效果奠定了基础。在皮质刺激增强的跑步机训练后，发现pta肌肉的CME增加。有趣的是，这种麻痹性TA CME的增加在那些对HIITT反应的麻痹性TA CME下调的患者中最为明显。这一发现可能表明，在一些个体中，运动诱导的神经可塑性机制使他们成为运动启动协议(如tDCS)的候选对象。对于未来的研究来说，这种急性增加的神经驱动力是否预示着长期的功能改善是一个有趣而重要的问题。

e-tDCS+HIITT组CME上调同时伴有NP TA CME降低。这些结果与先前的研究一致，先前的研究显示，未受损半球的下调伴随着受损半球的上调[14那16那22］.有一种观点是支持的，即受损半球的CME上调与通过半球间抑制对未受损半球的伴随下调相关[9.那23］.因此，许多上肢研究使用非侵入性脑刺激来抑制未受损半球，从而在受损半球产生相反的调节(见[24]审查)。然而，在这项初步研究中，我们没有提供行为学数据来支持麻痹性TA的增加和非麻痹性TA的减少是一个积极的功能结果。我们的假设得到了先前研究的支持，这些研究表明，平衡的CME与中风幸存者较少的损伤和更好的功能有关[25-27］.

神经兴奋性的增加与步态速度的增加无关。这并不奇怪，因为单一的跑步机训练不太可能对地上行走产生显著的改善。然而，步态速度改善的趋势与其他长期训练研究是同步的，这些研究报告了跑步机训练改善步态速度[26那28那29］.

e-tDCS+HIITT的RPE明显低于HIITT单独的RPE。收集RPE数据，检测tDCS对运动知觉的影响。在HIITT组和e-tDCS+HIITT组中，RPE从热身到冷却的时间过程相似。e-tDCS+HIITT间歇期的RPE平均值略低，表明e-tDCS+HIITT间歇期的RPE较HIITT间歇期的RPE下降更快。需要进一步精细的生理学研究来证实这一发现，因为这项研究的主要结果衡量与CME有关。

4．1.限制

因为这是一个初步研究，所以它有几个限制。首先，招募了我们之前发现在瘫痪TA中发现MEP的均匀样本。此外，这种中风幸存者样本中的人是相对快速的救护车（平均步态速度为0.93米/秒），他们具有完成HIIT方案的必要强度和耐力。这些是不可避免的限制。其次，样品大小小（)，只有一部分样本支持我们的假设。需要更大样本量的另一个研究来证实我们的结果,和包容的耗氧量可能回答这个问题没有解决在当前研究的芝加哥商品交易所的抑制是否我们观察到在我们的一些参与者是更大的生理努力的结果。第三，为了避免研究繁琐，我们选择比较HIITT单独和稳健tDCS+跟踪任务的效果。仅tdcs和仅跟踪控制条件的缺失，使我们无法理解干预的哪一个因素促进了半球间CME不对称性的降低。因此，我们的研究结果应该谨慎解释。第四，我们没有将我们的结果与其他激发性启动范式或标准形式的治疗进行比较。尽管有这些局限性，我们的研究结果还是很有趣的，可以用来支持未来的研究，探索hiitt诱导的皮质运动兴奋性抑制对中风幸存者运动功能的影响。

5.结论

这是第一个报道HIITT单次治疗有可能加剧某些中风患者麻痹性下肢肌肉表征的皮质运动兴奋性抑制的研究。为了优化步态康复，未来的研究需要通过检查重复的长期HIITT的有效性，包括或不包括皮质兴奋性增强方案。

附加分

高光。(i)高强度间歇跑步机训练(HIITT)后的皮质运动兴奋性(CME)尚未在卒中中进行检测。(ii)在一些中风幸存者中，一次HIITT治疗可减少受损半球的CME。(iii) HIITT之前的任务增强经颅直流电刺激(tDCS)的运动启动可以减少这种抑制，并改善CME半球间的对称性。

披露

内容完全是作者的责任，并不一定代表国家卫生研究院的官方观点。

相互竞争的利益

没有作者没有透露潜在的竞争利益。

致谢

作者希望根据奖项No颁发的国家卫生研究院的支持。R01HD075777（SM）。

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