能力受损压制对手运动神经元的兴奋性发作患有脑瘫的背屈

文摘

我们最近显示,成年人脑瘫步态功能受损(CP)与脚踝dorsiflexors减少力的速度发展。在这里,我们探讨潜在的机制。我们研究了压制对手的兴奋性,计算的比目鱼肌H-reflex抑郁发作的踝关节背屈休息相比,在24个成人CP(34.3年,射程18-57;GMFCS 1.95,范围1 - 3)和15个健康、年龄组。此外,中央共同驱动dorsiflexor豚鼠在静态收缩了两组一致性分析。H-reflex显著降低37%在背屈的发病与其他健康成人( 与CP(成人),但不变 )。此外,成年人与CP一致性显著减少。这些发现表明,压制对手的能力motoneuronal兴奋性在运动开始受损和共同驱动,中央在静态收缩减少与CP的成年人。

1。介绍

当我们移动,神经系统确保我们的肌肉激活到适当的程度,在正确的时间与对方,这样运动可能进步根据我们的意图和很少或不需要有意识的注意。这不是容易和迅速。需要孩子10 - 12年实现双足步态在成年人的成熟特征(1- - - - - -4]。Step-to-step步态的变化是明显大于在成年人和涉及更多coactivation拮抗的肌肉(1,3,4]。达到和把握遵循类似的发展轨迹,一个成人运动模式才取得了12 - 14岁(5]。

早期大脑病变患者(脑性瘫痪(CP))相比之下继续显示非常重要的肌肉和coactivation高step-to-step可变性的步态到成年6- - - - - -8]。他们也缺乏正常的成熟感觉反馈控制的静止(9]在步态[10,11]。这可能与一个受损的预测能力的发展,因此抑制感觉反馈,与适当的预测的感觉运动的后果12]。然而,对潜在的神经机制,负责维护coactivation模式与CP的成年人。

的一个协调机制被认为是重要的对手的肌肉是Ia相互抑制。Ia相互抑制包括一组中间神经元,从下行通路被激活通过络脉与兴奋剂豚鼠和项目对手运动(13]。相比有什么通常观察到其他人对下行运动通路的病变,如中风和多发性硬化(14,15],Ia相互抑制似乎类似静止在健康成年人与CP,年龄组(9]。然而,在脊髓病理生理变化传播汽车电路观察静止可能对这些电路控制关系不大,调制在运动活动中16- - - - - -18]。事实上,伦纳德et al。19]发现Ia交互抑制类似成人CP和健康成人测量时休息,但在静态受体激动剂收缩,抑制增加在健康受试者和减少在成人CP [19]。盛田昭夫等人也表明Ia抑制的调节受损出现兴奋剂收缩与多发性硬化和成年人认为这可以解释coactivation增加对手在这些主题20.]。我们最近表明,步态功能受损与CP与成人的能力来执行快速脚踝运动(21),但目前还不清楚如何交互抑制调制在萎缩的发病与CP成年人。

这里,我们因此推测,下行控制受损脊髓抑制电路负责成人CP无法充分压制对手肌肉活动与随意运动,这也许可以解释他们继续coactivation功能运动期间的任务。评估脊髓交互抑制调制,我们测量了镇压的比目鱼肌H-reflex在背屈的发病,并评估中央驱动兴奋剂电机池(dorsiflexors),我们测量耦合振荡的大小在胫前肌运动单位。

2。材料和方法

2.1。参与者

24成年人患有CP(34.3岁,射程18-57;15人,9女人;GMFCS 1.95,范围1 - 3)是通过丹麦脑瘫组织招募。15受试者diplegic,八个偏瘫的,和一个四肢瘫痪。所有受试者被描述为痉挛性,大多数的受试者收到antispastic药物更短或更长时间。许多学科有多个手术。参见[21参与者的详细描述)。此外,15年龄(年龄32.9岁,射程23-47;9人,6女性)神经健康成年人招募作为健康对照组。

这项研究是经当地伦理委员会批准(h - 4 - 2012 - 107),和所有程序在赫尔辛基宣言的标准进行。实验前,所有的参与者收到书面和口头信息,和参与的同意书。

2.2。测试程序

功能相互抑制作用(实验1)和中央共同驱动(实验2)在同一天进行评估后肌电图(EMG)电极的应用和测试的最大随意收缩力量(MVC)和(RFD)力的速度发展。

2.2.1。肌电图记录

EMG活动记录使用双极电极(Ambu蓝色传感器N-10-A / 25日Ambu / S Ballerup;记录区0.5厘米²2厘米,电极间的距离)放置在比目鱼肌和胫骨前肌的近端和远端部分(TA_prox和助教_经销分别)。皮肤与砂纸轻轻擦掉(3米红点;3 m、斯特鲁普、丹麦)。地面电极放置在远端胫骨的一部分。EMG信号过滤(带通、5 Hz-1千赫),放大(500 - 2000 x),在2千赫采样,存储在一个电脑离线分析。

EMG和H-reflex测量(见下文)都归一化最大M-response ()诱发助教或超大的比目鱼肌的刺激(1矩形脉冲女士;模型DS7A Digitimer,赫特福德郡,英国)腓总神经或胫骨神经,分别。在这些测量,各自的神经的刺激强度从潜意识层面提高,直到没有进一步增加峰振幅M-response随着刺激强度(22]。

2.2.2。测量MVC, RFD, Cocontraction

全面描述了MVC和RFD程序Geertsen et al。21]。短暂,受试者坐在一把椅子腿固定在一个固定的测力计,精心指导合同“尽可能快速而有力”和收缩大约3秒钟。在每个试验中,主题是口头鼓励实验者产生最大转矩。每个主题执行3背屈最大努力。如果最初的反向运动(由转矩跟踪明显下降)是观察到,一个新的审判。数据记录与峰值2.611软件(CED 1401 +;剑桥大学电子设计、英国剑桥)。离线,审判产生最高的背屈峰值扭矩(MVC_DF)确定。MVC_DF试验被用来计算RFD在200 ms (RFD启动后的收缩_200年)作为衡量爆炸性的肌肉力量。MVC cocontraction的水平_DF审判是按照面积计算纠正,平滑比目鱼肌肌电图(比目鱼肌的百分比)的面积除以纠正,平滑的助教_经销肌电图(的百分比在助教_经销)第一助教的发病后1000毫秒_经销肌电图。

2.2.3。实验1:功能相互抑制

功能相互抑制是评估通过比较大小的比目鱼肌H-reflexes静止与H-reflexes引起爆炸的发生背屈收缩。女士H-reflexes被刺激引起(1矩形脉冲;模型DS7A Digitimer,赫特福德郡,英国)胫骨神经的使用一个球形的单极电极(Simon电极)放置在腘窝和阳极放置近端髌骨。H-reflex测量都是标准化的 。

生产可比传入输入比目鱼肌运动神经元池静止在背屈萎缩的发病,胫神经刺激强度调整,如果有必要,引出一个M-response大约10%的在所有的试验。然而,实际的强度相似静止马(15.78±4.86)和发病时的背屈马(15.64±4.83)。静止15 H-reflexes引起的interstimulus间隔10 s。这个话题就要求dorsiflex脚踝尽快每10 s (MVC的50%_DF为了避免疲劳)后听觉线索(见图1)。时间窗口鉴别器成为可能的胫骨神经刺激TA EMG活动的开始。

至少45试验,15胫骨神经刺激和30随机散布,没有刺激试验得到在背屈收缩。离线,峰振幅H-reflex的背屈的发病是比较(见图2)。

在六个参与者与CP和健康对照组的参与者之一,是不可能获得一个H-reflex在休息的同时保持M-response的10% 。同时,两个参与者CP不能产生一个自愿的背屈收缩。这些主题被排除在这部分的分析。

2.2.4。实验2:中央共同驱动

普通开车到dorsiflexor运动神经元池是评估的一致性分析表面的EMG活动从助教_prox和助教_经销而获得受试者进行了静态背屈收缩MVC扭矩水平的10%_DF两分钟,而视觉反馈。β频带相干(15 35赫兹)已被证明是依赖于完整皮质脊髓的活动(23- - - - - -25),因此认为反映中央共同驱动。

时间和频率域分析的数据进行了MATLAB(美国版本R2016b、MathWorks MA)使用由韩礼德等描述的方法。26和农民等。27]。全波整流的表面EMG信号进行为了最大化的信息时间运动单位动作电位而抑制信息波形形状(28,29日]。两个整流TA EMG信号被规范化具有单位方差(30.]。纠正和规范化EMG信号被认为是实现固定零均值的时间序列,用和 。个人生成记录的分析估计的autospectra两个肌电图(fxx(λ),fyy(λ),他们cross-spectra [fxy(λ)]。频域分析的频率分辨率1 Hz。我们三个函数估计描述信号的相关结构:一致性, ;阶段, ;和累积量密度, 。一致性描述两个信号之间的线性关系在每个频率的兴趣和反映了一致性信号之间的相位和振幅比率差异试验。相干估计有界的措施协会定义的范围 ,0表示没有信号之间的联系,1表示一个强大的协会;累积量密度估计是没有边界的,在范围和阶段定义 。目前数据一致性估计提供了一个衡量活动的一部分在一个表面的EMG信号(TA_prox)与活动在第二表面(TA EMG信号_经销)。这样,相干估计量化共同有节奏的突触输入的强度和范围的频率分布在运动神经元池(27,31日- - - - - -33]。EMG信号估计之间的时间关系的阶段。累积量密度提供了相关结构的时域表示类似于cross-correlogram。个人的意义连贯和累积量密度估计评估包含95%置信上限的连贯性情节和上下95%可信限在累积量密度图(见例图3),基于统计独立的假设。,(26]。

所有单个相干图直观地检查了相声的迹象,即。,high coherence across a wide range of frequencies and close to zero lag synchronization in the time domain as evidenced in cumulant density plots [27]。没有相干图显示这些特点,所以每一组数据都集中导致单一组织估计在每个感兴趣的频率成年人与CP和健康对照组,分别。汇集相干估计,像个人相干估计,提供一个规范的测量线性协会规模从0到130.]。联合估计的解释是类似个人记录,除了任何干涉与人口作为一个整体(27]。组差异调查使用长差异的一致性测试(34),一个非参数检验,提供集中的数量在每个频率相干组之间的差异在95%置信区间上限。

如前所述,两个参与者CP不能产生一个自愿背屈收缩。这些主题被排除在这部分的分析。

2.2.5。统计数据

σ情节统计软件12.5版本是用于统计分析。单向方差分析是用来研究的差异之间的cocontraction成年人CP和健康对照组。双向重复测量方差分析集团(CP或反对)和状态(休息或出现背屈)申请H-reflex和M-response分析。调查可能H-reflex调制之间的关联与CP和肌肉力量的成年人,我们使用了皮尔森积差相关。实验2的扩展测试是用来计算的区别成年人与CP和健康对照组之间的一致性。连贯也是之和(即量化。,area) of alpha (5–15 Hz) and beta (15–35 Hz) coherence. These values were transformed logarithmically to symmetrize distributions for statistical analyses [35使用学生的)和比较以及。H-reflex调制之间的关联和一致性区域内和跨组织评估通过皮尔逊积差相关。统计学意义了值小于0.05。提出了数据意味着±标准错误除非另有报道。

3所示。结果

数据从测试的背屈强度已经报道Geertsen et al .,我们表明,成年人与CP、MVC_DF健康对照组(42% )和RFD_200年只有21%的健康对照组( )[21]。进一步的分析表明,在这里的表现在MVC_DF与CP,成年人表现出更多cocontraction(10.6±1.5%)比健康对照组(5.9±1.2%; )。

3.1。功能相互抑制

我们发现一个重要集团道交互比较H-reflex振幅在休息时振幅的背屈的成年人与CP和健康对照组( , )。事后分析显示,健康对照组显著降低H-reflex从40.7±4.1%的幅度37%静止在收缩(25.6±5.0% )。这个功能在参与者相互抑制不明显与CP(其他:37.3±5.1%,背屈:37.5±4.5%, ;图4)。没有明显集团道交互时比较M-response静止的振幅和成年人的振幅在背屈的发病与CP和健康对照组( , ),表明可比传入输入比目鱼肌运动神经元池在两组(图的两个州4)。

在成人与CP, H-reflex抑制与MVC密切相关_DF( , )和RFD_200年( , )。

3.2。中央共同驱动

图3显示个人相干数据从一个健康的控制在静态背屈。的autospectra助教_prox和助教_经销(数据3(一个)和3 (b))说明使用的元素的起源时间和频域分析。相干估计计算从autospectra cross-spectra图所示3 (c)。在这里,一个明显的峰值可以看到β频段(15 35赫兹),以及一个小峰α频段(5 - 15赫兹)。图3 (d)显示了两个纠正肌电图之间的相位差。累积量密度由纠正肌电图数据如图3 (e)。注意明确中央峰0毫秒左右指示从助教纠正肌电图之间的同步数据_prox和助教_经销。

汇集再见EMG相干估计成人CP和健康对照组呈现在图5(一个)。两组,汇集α和β相干估计超过重要性水平,但与CP显示成年人大大减少一致性在所有频率较健康的成年人。这个观察的结果证实了扩展测试组的一致性估计显示在图5 (b)显示,统计差异在α(5 - 15赫兹)和β(15 35赫兹)的频率。

减少再见连贯性与CP成年人也证实当比较一致性区域在α和β频段在个人(图6)。与健康对照组相比,成年人与CP大大减少α(−0.705±0.083和0.034±0.071; 和β−0.549±0.079和0.155±0.064; )一致性。

我们也调查了中央共同驱动之间可能的联系助教运动神经元池(日志再见一致性区域)和能力压制对手运动神经元池(减少比目鱼肌H-reflex发病时的振幅DF与其他相比)。我们看到一个负相关(即。,more coherence and larger H-reflex reduction) that approached significance in both healthy controls ( , 与CP)和成人( , ),相关性是显著的跨组( , )。

4所示。讨论

本研究的主要发现是,中央共同驱动的脚踝dorsiflexors和功能相互抑制踝关节跖屈肌与CP成人受损。这可能有助于对抗肌肉的协调和步态功能受损与CP中观察到成人。

4.1。受损的功能交互抑制与CP的成年人

成人CP无力抑制比目鱼肌H-reflex程度类似于健康成人发病的背屈是类似于成年人所观察到的获得对下行运动通路的病变作为成年人因为多发性硬化(20.)、中风(36),或脊髓损伤37,38]。我们的发现表明类似的不良控制在成人也可能被视为在生命的早期损伤的结果,这几年运动实践和经验显然无助于改变这种情况。我们不能解决机制负责H-reflex进一步的抑制,但根据以往的健康受试者实验(13和成人运动中枢通路的病变20.,39],似乎可能受损的脊髓中间神经元负责监管输送互惠Ia和/或抑制突触前抑制Ia传入。这两个脊椎interneuronal人口已被证明负责压制对手的肌肉牵张反射活动通过减少对手motoneuronal兴奋性和限制输入从受体拮抗剂stretch-sensitive发病时的运动运动(39,40]。牵张反射的抑制传输电路通过两个不同人群的中间神经元和两个不同的点可能是一个有效的保障确保的对手不会引起不必要的牵张反射活动。

它遵循从这个受损功能相互抑制,我们发现在成年人CP能提供的解释受试者无法快速有效地生成力(21]。先前的研究已经表明,运动中枢病变患者可能缓慢移动,以避免引起牵张反射活动拮抗剂时发病时的拉伸(快速)运动15,16,41,42]。然而,一些谨慎是必需的。CP的成年人在我们的研究中并没有作为一个群体有更大的拉伸比健康受试者反应(见图4)和受试者至少能够抑制H-reflex没有那些最大的牵张反射。还应该记住相反的因果关系是等可能的,H-reflexes与CP稍微压制的成年人,因为他们无法产生有效的下行开车到受体激动剂运动神经元,从而激活相互有效地抑制机制。我们的观察强烈减少常见的突触开车到脚踝dorsiflexors支持这个解释。

4.2。减少中央共同驱动与CP的成年人

我们使用表面之间的相干性肌电图记录了从两个不同的网站作为一个测量胫骨前肌中央共同驱动的运动神经元数量在同一电机池。这种方法要求EMG记录反映了不同人群的运动神经元的活动,相声的录音没有污染。虽然相声很难排除明确,我们相信,我们能够减少相声在某种程度上,它无法解释这些发现在目前的研究:首先,我们总是确保电极位置至少10公分胫骨前肌肌纤维以来已被证明不超过6厘米(43,44]。第二,相声很容易识别从相干录音之间频率和一个大型的、狭窄的峰值在零延时的累积量密度函数(45,46]。录音在当下研究只显示一致性限制频带内(数字3和5)和峰值的同步累积量密度函数总是发现有明显的滞后对零。因此我们可以有把握地得出这样的结论:观察连贯性和同步峰值的累积量密度函数反映了共同的中央开车到胫骨前在脊髓运动神经元47- - - - - -49]。狭窄的中央峰在累积量密度函数和相干居多的α和β乐队与所观察到的许多研究在静态收缩在先前健康的成年人31日,47,49]。支持这个概念的双方都有强有力的论据,狭窄的中央同步反映出运动神经元的输入从络脉常见的最后命令神经元31日,47,49),也有强有力的证据表明β频带反映活动的连贯性皮质脊髓的神经元和中央驱动负责这两个现象因此起源于运动皮层和可能是由于活动的直接单突触的脊髓运动神经元(皮质脊髓的途径31日,47,49]。如果是这样的话,我们的研究结果将符合受损corticomotoneuronal通路中的传播与CP成年人,因为一致性和中央短期同步累积量的峰值密度函数在这组降低。类似的结果与先前的儿童都经历了类似的解释与CP [3,7)和成人脊髓损伤(45)、中风(23,25),和多发性硬化症50),但我们相信,我们的研究是第一个来演示这个成人与CP。尽管相干测量期间进行静态收缩,而在背屈的相互抑制作用是评估,这两个指标相关,从生理的角度看是有道理的,减少常见驱动dorsiflexors和相互抑制受损在背屈的发病相关。corticomotoneuronal通路已被证明是重要的启动快,弹道运动如背屈时我们使用测试相互抑制(51- - - - - -53]。Corticomotoneuronal细胞也被证明有络脉Ia抑制性中间神经元负责交互抑制(54- - - - - -56]。因此,在我们看来,很可能降低胫前肌运动单位之间的一致性在静态背屈和减少交互抑制在背屈的发病都与受损的传播与CP corticomotoneuronal通路的成年人。

彼得森et al。3]发现胫前肌运动单位之间的一致性在静态背屈和步态达到成人的水平是10 - 12岁的儿童在与减少step-to-step可变性的步态和建议,这是与皮质脊髓束的发展有关。在CP患儿,这种发展的连贯性不是观察和彼得森et al。7]因此建议皮质脊髓的驱动器的发展受到了损害。我们现在可以扩展这些研究结果得出结论:成人CP继续显示皮质脊髓的开车去dorsiflexors受损,这也影响拮抗肌肉的协调。接下去的几年运动实践尚未足以改变这个。

在10年以下的儿童,4周每日跑步机训练可能会增加胫前肌运动单位之间的相干性在提高能力的同时提升脚趾,使地面接触跟在步态(57]。这表明,传播这个年龄段的皮质脊髓的途径是充分塑料诱导通过而且持续的时间相对较短,培训重要的功能改进。然而,Willerslev-Olsen et al。57]还发现这样的改进没有发现儿童年龄超过10年,因此它可能预期的情况,这也是成年人,虽然我们目前没有这方面的知识。这可能是投入当前的思想计算神经科学的背景下,这表明运动能力是一个连续的结果更新预测模型的监控预测之间的差异和实际感知运动的后果58- - - - - -60]。10 - 12年的步态的经验,一个相对精确的预测模型有可能已经开发出来,因此它可能更难以改变和需要更多的训练比早些时候的生活。这是一致的研究结果显示,一个成人步态模式没有变化(和小cocontraction)获得约10 - 12岁(1- - - - - -4]。这个关系的兴趣,阻抗控制(即。,cocontraction拮抗剂)和(即缓慢运动。,low RFD) have been found to be an optimal control strategy under dynamic conditions that are difficult to predict [61年- - - - - -63年]。成年人的步态和其他运动的特点与CP因此可能反映出最优的策略,他们的神经系统可以找到限制下弱肌肉和嘈杂的和相对不可预知的感官反馈信号。它遵循从这个有效的干预措施在这个集团将不得不涉及“de-learning”不必要的运动模式(cocontraction)。这可能是紧随其后的是学习更充足的运动模式一旦先决条件这已经建立了通过加强肌肉,降低电机的噪声和感官系统和促进相关感官信号。

5。结论

我们显示在这项研究中,中央共同推动脚踝dorsiflexors和功能相互抑制踝关节跖屈肌与CP成人受损。这可能反映出最优的控制策略在早期脑损伤的限制。我们建议有效的发展功能干预与CP成年人必须考虑到所有movements-including“不正常”动作可能必须被视为一个长期的学习过程的结果包括预测编码的感觉运动的后果。

数据可用性

可以从所有的数据文件https://zenodo.org/数据库。

信息披露

初步考虑这些结果提出了神经科学的海报在10日沼泽论坛在哥本哈根,丹麦,2016年。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。

确认

这项研究是由阿尔萨斯Fonden的资助支持。

引用

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