L’applicazione del BWS costituisce un approccio promettente nella riabilitazione della camminata in pazienti affetti da disturbi del SNC come l’iSCI o l’ictus. All’interno del gruppo focale di pazienti che hanno il controllo volontario dei loro arti inferiori, ma non hanno la capacità di deambulare liberamente, il FLOAT può fornire un BWS trasparente con forze di interazione minime. Applicando fino al 50% di BWS al CiSCI durante la camminata a terra si sono verificati sottili cambiamenti nella cinematica della camminata che sono in gran parte paragonabili a quelli osservati nei controlli sani. Mentre questi cambiamenti indotti dalla BWS erano evidenti nei parametri spazio-temporali come la lunghezza del passo e la durata della fase di stance relativa, i modelli di movimento articolare e la coordinazione intralimbale sono stati modulati in misura minore nell’iSCI rispetto ai controlli. Questi risultati sono contrari alle nostre aspettative iniziali che la BWS avrebbe avuto un effetto maggiore sulla cinematica della camminata dei CiSCI rispetto ai controlli. Questo indica che l’uso di BWS a terra fino al 20% di scaricamento del BW non ha alcun effetto percettibile sui modelli di camminata e anche alti scaricamenti del 50% BW non distorcono fondamentalmente la cinematica della camminata. Inoltre, le differenze nella modulazione della coordinazione intra-limb può fornire un’opportunità per indirizzare specificamente questo dominio nella riabilitazione iSCI.
Adattamento spazio-temporale
Come una delle caratteristiche salienti dell’andatura, la regolazione della lunghezza del passo e il tempo del passo sono prerequisiti nella gestione dei cambiamenti nelle condizioni di cammino. Con l’aumento dello scarico, il tempo del passo aumenta progressivamente sia nei controlli che nei soggetti iSCI. Osservazioni simili dalla letteratura non hanno portato a una spiegazione conclusiva a terra o sul tapis roulant. Una possibile spiegazione si basa sul quadro di somiglianza dinamica, assumendo che il numero di Froude, una misura indipendente dall’anatomia della velocità dipendente dalla lunghezza delle gambe e dalla gravitazione, ha un valore ottimale di circa 0.25 per la camminata.
Fr: Numero di Froude, m: massa, v: velocità, h: lunghezza della gamba, g: costante gravitazionale, sl: lunghezza del passo, sf: frequenza del passo.
La riduzione della “gravità” attraverso lo scarico, pur mantenendo la velocità del passo, non dovrebbe disturbare la relazione tra lunghezza del passo e frequenza del passo. Applicando lo scarico al tronco, tuttavia, si ottiene un’interessante interazione: la gravità che agisce sulla gamba oscillante rimane a un livello normale (9,81 ms- 2), mentre la dinamica della fase di stance è soggetta a una gravità ridotta più le forze potenziali di interazione del robot. Questo si traduce tipicamente in una piccola ma robusta riduzione del fattore di servizio, guidata principalmente attraverso un aumento del tempo di passo mantenendo il tempo di stance. Per mantenere una data velocità, la lunghezza relativa del passo deve essere aumentata, disturbando le relazioni stabili nello sviluppo tra lunghezza del passo, frequenza e velocità di camminata. Questo comportamento è adottato dai soggetti di controllo. I CiSCI, d’altra parte, mostrano il duty cycle ridotto, tuttavia non modulano la lunghezza del passo in modo appropriato come i controlli, portando anche alla leggera riduzione della velocità di cammino registrata al 50% di BWS (Tabella 2).
I cambiamenti nella larghezza del passo erano inconcludenti sia nei controlli che nei CiSCI; sebbene sia stata rilevata un’interazione tra BWS e gruppo, non c’era un semplice effetto principale dello scarico. Questo potrebbe essere dovuto all’interazione con il robot in direzione medio-laterale, alludendo alla complessa interazione tra BWS, stabilità laterale e forze di interazione del robot. L’analisi della trasparenza ci porta a scontare in qualche modo l’effetto pendolo della sospensione aerea, tuttavia l’interazione tra lo scarico verticale e la larghezza del passo e altri parametri associati alla stabilità del cammino merita ulteriori indagini in soggetti sani. Il CiSCI ha mantenuto una grande variabilità nella larghezza del passo in tutte le condizioni di scarico, mascherando potenzialmente qualsiasi risposta significativa allo scarico. La larghezza media del passo tendeva a ridursi da una linea di base patologicamente alta, suggerendo che lo scarico permette a CiSCI di camminare con una base di appoggio più stretta.
Effetti sulla postura durante la camminata
Abbiamo quantificato lo spostamento del CoM e l’oscillazione del tronco per capire come la BWS trasparente influenzi la postura durante la camminata e se questo sia diverso tra CiSCI e controlli. Il semplice effetto principale del BWS sul movimento CoM ML e sull’oscillazione AP e ML del tronco indica che il sistema BWS ha qualche effetto sulla postura della camminata e sul controllo del tronco. All’aumentare dello scarico, l’oscillazione del tronco aumenta in entrambi i piani, mentre il movimento ML del CoM si riduce, e l’AP nei controlli rimane invariato. Il CiSCI adotta un modello di risposta diverso in entrambi i parametri AP, forse a causa della minore lunghezza iniziale del passo che richiederebbe un minore trasferimento di slancio dal tronco al bacino per indurre lo spostamento del peso. I CiSCI hanno anche dimostrato una maggiore oscillazione AP del tronco nella condizione iniziale, forse compensando i cambiamenti nella generazione della forza di picco dei muscoli del tronco. Inoltre, la velocità di camminata è stata ridotta in misura leggermente maggiore nel CiSCI sotto carico. In sintesi, il CiSCI può essere più suscettibile alle dinamiche del robot e ai vincoli dell’imbracatura – soprattutto nelle direzioni in cui sono necessarie accelerazioni più elevate. Il design sopraelevato e la posizione dell’imbracatura hanno potenzialmente forzato una postura più eretta e permesso un minore trasferimento in avanti del peso al piede anteriore.
I cambiamenti nei parametri medio-laterali con l’aumento dello scarico sono stati riflessi in entrambi i gruppi. Questo contrasta con la larghezza del passo, che ha dimostrato un minimo locale al 20%BWS per i controlli e una riduzione progressiva, ma non significativa in CiSCI. Questo indica che entrambi i gruppi scelgono sempre più di mantenere il loro CoM più vicino al bordo mediale della loro base di appoggio con l’aumento del BWS, alludendo a una complessa interazione tra lo scarico e la dinamica del piano frontale. Inoltre, la velocità di movimento superiore-inferiore del robot BWS complica ulteriormente l’interazione, poiché la tensione non è perfettamente uguale in tutti i punti temporali. Questo porta a sottili cambiamenti nei livelli di supporto e nei trasferimenti di slancio in diverse fasi dell’andatura che probabilmente influenzano la struttura spazio-temporale della stabilità della camminata, tuttavia queste interazioni sono difficili da quantificare con precisione.
Modelli di movimento articolare
Con l’aumento dello scarico, abbiamo osservato crescenti spostamenti temporali delle tracce angolo-tempo sia in CiSCI che nei controlli. Per confrontare adeguatamente i modelli di movimento articolare, le fasi di stance e swing sono state normalizzate e interpolate separatamente per rimuovere gli effetti temporali, pur conservando le informazioni di tempo-rank e ampiezza. Questo ha permesso di rilevare le differenze nella forma della traiettoria indotta attraverso lo scarico. Mentre le articolazioni del ginocchio hanno mostrato un semplice effetto di scarico principale, soprattutto intorno all’evento di toe-off e durante la posizione, non c’era alcun effetto di interazione. Questo indica che nel campione studiato non abbiamo potuto rilevare strategie diverse del ginocchio tra CiSCI e i controlli in risposta allo scarico. All’articolazione dell’anca, lo scarico ha indotto un semplice effetto principale centrato sull’evento della puntata e c’era un forte effetto di interazione soprattutto durante l’oscillazione e dopo il colpo di tacco. Questo effetto di interazione può essere guidato dalla lunghezza del passo più breve del CiSCI accoppiato con i cambiamenti nella postura della camminata. All’articolazione della caviglia, un effetto di interazione era presente soprattutto nel tardo stance dove i controlli hanno enfatizzato il loro movimento di spinta mentre la CiSCI non ha mostrato alcun adattamento. Scaricare il CiSCI nel sistema BWS non ha indotto alcun cambiamento rilevabile nei modelli di movimento articolare, mentre i controlli hanno mostrato sottili adattamenti soprattutto nell’articolazione della caviglia ad alti livelli di scarico. Nei controlli, i cambiamenti nel movimento dell’articolazione della caviglia potrebbero essere interpretati come un adattamento compito-specifico, necessario per mantenere una data velocità mentre si ottimizzano altri determinanti salienti dell’andatura. Il fatto che non abbiamo rilevato questi adattamenti nella nostra coorte di CiSCI principalmente affetti da sensori potrebbe essere collegato ai cambiamenti nell’integrazione delle informazioni sul carico nella struttura di comando efferente. I modelli di attività della rete spinale durante l’andatura indicano che i meccanorecettori sensibili al carico e al taglio sulla pianta del piede insieme agli organi tendinei del Golgi e alle afferenze del fuso muscolare contribuiscono significativamente alla regolazione efficace dell’andatura. Tuttavia, in seguito a iSCI, l’elaborazione delle informazioni afferenti è alterata a molti livelli ed è parzialmente sostituita da informazioni surrogate e ridondanti provenienti da fonti non colpite come il controllo visivo.
Coordinazione degli arti inferiori
I modelli di coordinazione degli arti inferiori sono stati ripetutamente riportati come letture sensibili del controllo locomotorio in soggetti iSCI. La conoscenza di esperimenti sugli arti superiori e inferiori nell’uomo ci porta a interpretare la coordinazione multiarticolare come un prodotto dell’integrazione propriocettiva nel midollo spinale a diversi livelli combinata con l’impulso efferente sopraspinale. I modelli di coordinazione intralimbale possono essere quantificati come la differenza di forma da una forma di riferimento (SSD; una forma di analisi di forma procrustea). La variabilità di questi modelli può essere catturata dalla componente angolare del coefficiente di corrispondenza (ACC; una forma specializzata di codifica vettoriale), che descrive la dispersione media di tutte le coppie di punti sequenziali nel ciclo. Una maggiore variabilità nell’accoppiamento del movimento dei segmenti viene rilevata come una diminuzione dell’ACC (range: 0-1). L’aumento della variabilità del movimento, soprattutto per quanto riguarda il collegamento di segmenti intralimbali adiacenti, può essere interpretato come un aumento del rumore neurale nella generazione di modelli di attivazione muscolare sinergica. Sotto carico, i soggetti di controllo hanno mostrato cambiamenti progressivi nell’accoppiamento intralimbale attraverso un aumento della differenza di forma e della variabilità (Tabella 2 e Fig. 2) in entrambi i distretti (anca-ginocchio e ginocchio-caviglia). In CiSCI, tuttavia, SSD è rimasto invariato in entrambi i distretti prossimali e distali. Nessun effetto di interazione è stato rilevato per ACC di entrambi i distici, tuttavia lo scarico ha portato ad una maggiore variabilità di accoppiamento in entrambi i gruppi. La mancanza di modulazione del paziente di accoppiamento intralimbale sotto scarico può fornire l’accesso a indagare e sfidare questo aspetto dopo iSCI.
Coordinazione intralimbale in controlli e pazienti sotto BWS. a Risposta dei modelli di coordinazione intralimbale a scarico in pazienti e controlli. Come riferimento, i dati medi di controllo al basale sono mostrati come una linea nera continua. Le risposte medie dei pazienti e dei controlli sono rappresentate come linee tratteggiate al 10%, 30% e 50% BWS in tonalità crescenti di grigio. I dati medi della linea di base del paziente sono mostrati come una linea tratteggiata. b Metriche di quantificazione della coordinazione intralimbale. I risultati di scarico in un cambiamento in SSD nei controlli (nero) per entrambi i couplets dell’articolazione anca-ginocchio e ginocchio-caviglia. Questo modello di coordinazione rimane inalterato nei pazienti (grigio) in entrambi i distici. La consistenza della forma (ACC) è sempre più degradata in entrambi i gruppi con l’aumento dello scarico. Le barre indicano le medie di gruppo con 1SD. La significatività è dettagliata come *: p < 0.05
In sintesi, CiSCI e controlli hanno dimostrato risposte simili allo scarico in termini di parametri spazio-temporali e di postura del cammino. I CiSCI, tuttavia, hanno mantenuto la loro coordinazione intralimbale di base mentre i controlli l’hanno modificata in risposta allo scarico, ottimizzando i loro modelli di accoppiamento articolare per adattarsi allo scarico mantenendo una data velocità. Sembra che in un SNC sano, i modelli intralimbali sono mediati non solo a livello spinale, ma integrano anche una forte influenza dei centri sovraspinali. Una volta alterato a seguito di lesioni al sistema nervoso centrale, tuttavia, l’accoppiamento dei segmenti si è dimostrato notevolmente resistente al cambiamento. Nei pazienti iSCI, per esempio, Awai e Curt hanno riportato forme invariate del modello di camminata intralimbale nei pazienti iSCI durante la loro riabilitazione, nonostante gli aumenti della velocità di camminata e le riduzioni della variabilità intralimbale. Allo stesso modo, Tepavac e Field-Fote hanno riportato una migliore coerenza, ma nessun cambiamento sistematico della forma nell’accoppiamento intralimbale in seguito alla stimolazione peroneale accoppiata all’allenamento in 14 pazienti con iSCI. Osservazioni analoghe sono state fatte in sopravvissuti all’ictus con compromissione degli arti inferiori.
Queste osservazioni potrebbero essere guidate da un’alterazione dell’impulso efferente indotto da cambiamenti nell’elaborazione sovraspinale, compresa la perdita parziale e la sostituzione di segnali afferenti. In alternativa, l’accoppiamento dei segmenti potrebbe essere principalmente codificato dalle reti ritmiche spinali e quindi essere difficile da modulare attraverso l’impulso efferente, soprattutto quando questo impulso è compromesso da una lesione. Entrambi questi due modelli indicano che quando si ottimizza il fenotipo dell’andatura, in particolare la coordinazione intralimbale, ai vincoli ambientali o quando si incontrano nuovi compiti, l’elaborazione alterata presente nel CiSCI non può compensare completamente le informazioni afferenti degradate. All’interno di questa prospettiva, il profilo di risposta di CiSCI allo scarico; parametri spazio-temporali adattati, modelli di movimento congiunti invariati e coordinazione interlimbare, può alludere alla gerarchia di controllo nella locomozione. Qui, le risorse neurali sono riservate a parametri critici per il compito, come l’organizzazione spazio-temporale dell’andatura e il controllo dell’equilibrio, mentre i parametri meno critici, come la coordinazione intralimbale, sono prevenuti dalla modulazione. Si pensa che qualsiasi miglioramento della funzione derivi dall’adattamento dei processi di livello superiore, mentre le primitive motorie equivalenti appena stabilite rimangono invarianti. Tuttavia, a nostra conoscenza, non c’è stato alcun paradigma di formazione che mira specificamente la coordinazione intralimbale dopo iSCI. Lo scarico potrebbe essere un percorso di allenamento unico per colpire questo deficit piuttosto specifico.
Rilevanza clinica
Applicare un BWS trasparente ai soggetti iSCI durante la camminata su terra ha un impatto trascurabile sulla cinematica della camminata CiSCI. Questo indica che per i CiSCI che mantengono il controllo volitivo dei loro arti, ma non sono in grado di sostenere il proprio peso corporeo, il BWS trasparente rappresenta un’opportunità per iniziare a camminare su terra in modo sicuro, supportato e non vincolato in una fase iniziale. Man mano che i pazienti migliorano, la quantità di supporto può essere ridotta, e ulteriori forze perturbatrici possono essere applicate dal terapista per mantenere un ambiente di allenamento stimolante. Inoltre, il dispositivo può essere utilizzato per il supporto durante l’allenamento di altre attività della vita quotidiana, come la salita di scale, l’attraversamento di ostacoli, il bilanciamento, la camminata in curva, il recupero di oggetti dal pavimento, la transizione da seduti a in piedi, ecc. L’addestramento BWS in superficie rimane solo uno dei tanti strumenti di riabilitazione, tuttavia permette una transizione da un ambiente di riabilitazione su tapis roulant a un ambiente più reale.
Outlook
Le nostre conclusioni si basano su un campione relativamente piccolo ed eterogeneo di soggetti iSCI con disabilità principalmente sensoriali a causa del vincolo di essere in grado di camminare a 2 km/h senza aiuti per circa un’ora di misurazione. Questa velocità di camminata è stata scelta in quanto è una velocità praticabile per CiSCI ed è vicina alla soglia per la deambulazione indoor non supervisionata per CiSCI (0,6 m/s) . Inoltre, a questa velocità, i controlli producono ancora un’andatura ritmica e simmetrica, sebbene sia molto più lenta (~ 50%) della loro tipica velocità di camminata specifica per età e sesso. Un periodo di familiarizzazione è stato permesso ad ogni livello di BWS e i CiSCI e i controlli hanno camminato alla velocità di destinazione in modo coerente durante l’esperimento senza superare l’intervallo di tolleranza, indicando una sufficiente acclimatazione. Mentre sarebbe stato interessante analizzare anche la velocità di camminata preferita o anche gli effetti delle diverse velocità di camminata, questo avrebbe portato a un protocollo di valutazione molto lungo per il CiSCI. Le misure basali della camminata differivano tra i gruppi, e c’era una significativa differenza di età. L’inclusione dell’età come covariata nel modello statistico indica tuttavia che l’adattamento dei modelli di andatura alla BWS non è stato alimentato da questo fattore. Le diverse risposte tra i CiSCI e i controlli giustificano ulteriori indagini in una gamma più ampia di individui con disturbi del SNC che camminano a più velocità. Tre CiSCI avevano STI di meno di un anno e quindi sarebbero stati considerati più vicini alla subacuta che alla cronica. Questi individui sono stati inclusi perché avevano raggiunto un plateau funzionale a causa della natura relativamente lieve delle loro lesioni. Dal punto di vista funzionale si sono classificati tra gli individui migliori della coorte. La coorte studiata di pazienti con una vasta gamma di menomazioni e STI diverse fornisce alcune indicazioni di un effetto generalizzabile, tuttavia come questo si manifesti specificamente al livello, alla gravità e alla cronicità della menomazione può essere determinato solo utilizzando criteri di inclusione più specifici. Questo limita la descrizione dei potenziali meccanismi nell’esperimento attuale. Andando avanti, siamo interessati a valutare coorti più precisamente definite e meglio dissociare gli effetti meccanici dalle risposte biologiche allo scarico.