La aplicación de BWS constituye un enfoque prometedor en la rehabilitación de la marcha en pacientes que sufren trastornos del SNC como iSCI o ictus. Dentro del grupo focal de pacientes que tienen control voluntario sobre sus miembros inferiores, sin embargo carecen de la capacidad de deambular libremente, el FLOAT puede proporcionar BWS transparente con fuerzas de interacción mínimas. La aplicación de hasta un 50% de BWS a CiSCI durante la marcha sobre el suelo dio lugar a sutiles cambios en la cinemática de la marcha que son en gran medida comparables a los observados en los controles sanos. Mientras que estos cambios inducidos por el BWS eran evidentes en parámetros espacio-temporales como la longitud del paso y la duración relativa de la fase de apoyo, los patrones de movimiento de las articulaciones y la coordinación intralimbar fueron modulados en menor grado en el CiSCI que en los controles. Estos resultados son contrarios a nuestras expectativas iniciales de que el BWS tendría un mayor efecto en la cinemática de la marcha de los CiSCI en comparación con los controles. Esto indica que el uso de BWS sobre el suelo para una descarga de hasta el 20% de BW no tiene un efecto discernible en los patrones de marcha e incluso las descargas altas del 50% de BW no distorsionan fundamentalmente la cinemática de la marcha. Además, las diferencias en la modulación de la coordinación intra-miembro pueden proporcionar una oportunidad para dirigirse específicamente a este dominio en la rehabilitación de la iSCI.
Adaptación espacio-temporal
Como una de las características sobresalientes de la marcha, el ajuste de la longitud y el tiempo del paso son requisitos previos para manejar los cambios en las condiciones de la marcha. Con el aumento de la descarga, el tiempo de paso se incrementa progresivamente tanto en los controles como en los sujetos con iSCI. Observaciones similares en la literatura no han dado lugar a una explicación concluyente sobre el terreno o en la cinta de correr . Una posible explicación se basa en el marco de la similitud dinámica, asumiendo que el número de Froude, una medida de la velocidad independiente de la anatomía y dependiente de la longitud de la pierna y la gravitación, tiene un valor óptimo de alrededor de 0.25 para caminar .
Fr: Número de Froude, m: masa, v: velocidad, h: longitud del tramo, g: constante gravitatoria, sl: longitud del paso, sf: frecuencia del paso.
La reducción de la «gravedad» a través de la descarga mientras se mantiene la velocidad de la marcha no debería alterar la relación entre la longitud del paso y la frecuencia de la zancada. La aplicación de la descarga en el tronco, sin embargo, da lugar a una interacción interesante: la gravedad que actúa sobre la pierna de balanceo permanece en un nivel normal (9,81 ms- 2), mientras que la dinámica de la fase de apoyo está sujeta a una gravedad reducida más las fuerzas potenciales de interacción del robot . Esto suele dar lugar a una pequeña pero sólida reducción del factor de trabajo, impulsada principalmente por un aumento del tiempo de paso mientras se mantiene el tiempo de apoyo. Para mantener una velocidad determinada, es necesario aumentar la longitud de zancada relativa, lo que altera las relaciones estables en el desarrollo entre la longitud de zancada, la frecuencia y la velocidad de la marcha . Este comportamiento es adoptado por los sujetos de control. Los CiSCI, por otro lado, muestran el ciclo de trabajo reducido, sin embargo no modulan la longitud del paso tan apropiadamente como los controles, lo que también conduce a la ligera reducción de la velocidad de la marcha registrada al 50% del BWS (Tabla 2).
Los cambios en la anchura del paso no fueron concluyentes tanto en los controles como en los CiSCI; aunque se detectó una interacción entre el BWS y el grupo, no hubo un efecto principal simple de la descarga. Esto podría deberse a la interacción con el robot en dirección medio-lateral, aludiendo a la compleja interacción entre el BWS, la estabilidad lateral y las fuerzas de interacción del robot . El análisis de la transparencia nos lleva a descartar en cierta medida el efecto péndulo de la suspensión superior , sin embargo, la interacción entre la descarga vertical y la anchura de los pasos y otros parámetros asociados a la estabilidad de la marcha merece una mayor investigación en sujetos sanos. El CiSCI conservó una gran variabilidad en la anchura de los pasos en todas las condiciones de descarga, enmascarando potencialmente cualquier respuesta significativa a la descarga. La anchura media de los pasos tendió a reducirse a partir de una línea de base patológicamente alta, insinuando que la descarga permite a los CiSCI caminar con una base de apoyo más estrecha.
Efectos de la postura al caminar
Cuantificamos el desplazamiento del CdM y el balanceo del tronco para comprender cómo afecta el BWS transparente a la postura al caminar y si esto es diferente entre los CiSCI y los controles. El efecto principal simple del BWS sobre el movimiento del CoM ML y el balanceo del tronco AP y ML indica que el sistema BWS tiene algún efecto sobre la postura al caminar y el control del tronco. A medida que aumenta la descarga, el balanceo del tronco se incrementa en ambos planos, mientras que el movimiento ML del CdM se reduce, y el AP en los controles permanece sin cambios. El CiSCI adopta un patrón de respuesta diferente en ambos parámetros de AP, tal vez debido a la menor longitud del paso inicial, que requeriría una menor transferencia de impulso del tronco a la pelvis para inducir el cambio de peso. CiSCI también demostró un mayor balanceo del tronco AP en la condición inicial, quizás compensando los cambios en la generación de fuerza máxima de los músculos del tronco. Además, la velocidad de la marcha se redujo en un grado ligeramente mayor en el CiSCI en la condición de descarga. En resumen, el CiSCI puede ser más susceptible a la dinámica del robot y a las limitaciones del arnés, especialmente en las direcciones en las que son necesarias mayores aceleraciones. El diseño de la cabeza y la ubicación del arnés potencialmente forzaron una postura más erguida y permitieron menos transferencia de peso hacia adelante al pie principal.
Los cambios en los parámetros medio-laterales con el aumento de la descarga se reflejaron en ambos grupos. Esto contrastó con la anchura del paso, que demostró un mínimo local al 20%BWS para los controles y una reducción progresiva, pero no significativa, en CiSCI. Esto indica que ambos grupos optan cada vez más por mantener su CdM más cerca del borde medial de su base de apoyo con el aumento del BWS, aludiendo a una compleja interacción entre la descarga y la dinámica del plano frontal . Además, la velocidad de movimiento superior-inferior del robot BWS complica aún más la interacción, ya que la tensión no es perfectamente igual en todos los puntos temporales. Esto conduce a cambios sutiles en los niveles de apoyo y las transferencias de impulso en diferentes fases de la marcha que probablemente influyen en la estructura espacio-temporal de la estabilidad al caminar, sin embargo, estas interacciones son difíciles de cuantificar con precisión.
Patrones de movimiento de las articulaciones
Con el aumento de la descarga, observamos el aumento de los desplazamientos temporales de los trazos de ángulo-tiempo tanto en CiSCI como en los controles. Para comparar adecuadamente los patrones de movimiento de las articulaciones, la fase de apoyo y la fase de balanceo se normalizaron e interpolaron por separado para eliminar los efectos temporales al tiempo que se conservaba la información de rango temporal y de amplitud. Esto permitió detectar las diferencias en la forma de la trayectoria inducidas por la descarga. Mientras que las articulaciones de la rodilla mostraron un efecto de descarga principal simple, especialmente alrededor del evento de despegue de la punta del pie y durante el apoyo, no hubo ningún efecto de interacción. Esto indica que en la muestra investigada no pudimos detectar diferentes estrategias de rodilla entre los CiSCI y los controles en respuesta a la descarga. En la articulación de la cadera, la descarga indujo un efecto principal simple centrado en el evento de despegue de la punta del pie y hubo un fuerte efecto de interacción especialmente durante el balanceo y después del golpe de talón. Este efecto de interacción puede deberse a la menor longitud de los pasos del CiSCI y a los cambios en la postura de la marcha. En la articulación del tobillo, se produjo un efecto de interacción, especialmente en la fase final de la marcha, en la que los controles acentuaron su movimiento de empuje, mientras que el CiSCI no mostró ninguna adaptación. La descarga del CiSCI en el sistema BWS no indujo ningún cambio detectable en los patrones de movimiento de la articulación, mientras que los controles mostraron adaptaciones sutiles especialmente en la articulación del tobillo a niveles de descarga elevados. En los controles, los cambios en el movimiento de la articulación del tobillo podrían interpretarse como una adaptación específica de la tarea, necesaria para mantener una velocidad determinada mientras se optimizan otros factores determinantes de la marcha. El hecho de que no hayamos detectado estas adaptaciones en nuestra cohorte de CiSCI principalmente afectados por la sensibilidad podría estar relacionado con los cambios en la integración de la información de la carga en la estructura de mando eferente . Los modelos de la actividad de la red espinal durante la marcha indican que los mecanorreceptores sensibles a la carga y al cizallamiento en la planta del pie, junto con los órganos tendinosos de Golgi y los aferentes del huso muscular, contribuyen significativamente a la regulación satisfactoria de la marcha . Sin embargo, después de la ICS, el procesamiento de la información aferente se altera en muchos niveles y se sustituye parcialmente por información sustituta y redundante procedente de fuentes no afectadas, como el control visual.
Coordinación de las extremidades
Los patrones de coordinación de las extremidades se han descrito repetidamente como lecturas sensibles del control locomotor en sujetos con ICS. El conocimiento de los experimentos con las extremidades superiores e inferiores en humanos nos lleva a interpretar la coordinación multiarticular como un producto de la integración propioceptiva en la médula espinal a diferentes niveles combinada con el impulso eferente supraespinal . Los patrones de coordinación intralimbar pueden cuantificarse como la diferencia de forma con respecto a una forma de referencia (SSD; una forma de análisis de forma procrustal) . La variabilidad de estos patrones puede ser capturada por el componente angular del coeficiente de correspondencia (ACC; una forma especializada de codificación vectorial), que describe la dispersión media de todos los pares de puntos secuenciales en el ciclo. El aumento de la variabilidad en el acoplamiento del movimiento de los segmentos se detecta como una disminución del ACC (rango: 0-1). El aumento de la variabilidad del movimiento, especialmente en lo que se refiere al acoplamiento de segmentos adyacentes intralimb, puede interpretarse como un aumento del ruido neural en la generación de patrones de activación muscular sinérgicos. Bajo descarga, los sujetos de control mostraron cambios progresivos en el acoplamiento intralímbico a través de una mayor diferencia de forma y variabilidad (Tabla 2 y Fig. 2) en ambas coplas (cadera-rodilla y rodilla-tobillo). En el CiSCI, sin embargo, el SSD permaneció sin cambios tanto en los pareados proximales como distales. No se detectó ningún efecto de interacción para el ACC de ambos pareados, aunque la descarga dio lugar a una mayor variabilidad de acoplamiento en ambos grupos. La falta de modulación del acoplamiento intralímbico de los pacientes bajo descarga puede dar acceso a investigar y desafiar este aspecto después de la iSCI.
Coordinación intralímbica en controles y pacientes bajo BWS. a Respuesta de los patrones de coordinación intralímbica a la descarga en pacientes y controles. Como referencia, los datos medios de los controles se muestran como una línea negra continua. Las respuestas medias de pacientes y controles se representan como líneas punteadas al 10%, 30% y 50% del BWS en tonos grises crecientes. Los datos medios de referencia del paciente se muestran como una línea discontinua. b Métricas de cuantificación de la coordinación intralimbar. La descarga da lugar a un cambio en el SSD en los controles (negro) tanto para las coplas de cadera-rodilla como de rodilla-tobillo. Este patrón de coordinación no se ve afectado en los pacientes (gris) en ambas coplas. La consistencia de la forma (ACC) se degrada cada vez más en ambos grupos con el aumento de la descarga. Las barras indican las medias de los grupos con 1SD. La significación se detalla como *: p < 0,05
En síntesis, los CiSCI y los controles demostraron respuestas similares a la descarga en términos de parámetros espacio-temporales y de postura al caminar. Sin embargo, los CiSCI conservaron su coordinación intralumbar de referencia, mientras que los controles la modificaron en respuesta a la descarga, optimizando sus patrones de acoplamiento articular para adaptarse a la descarga y manteniendo una velocidad determinada. Parece que en un SNC sano, los patrones intralimbales están mediados no sólo a nivel espinal, sino que también integran una fuerte influencia de los centros supraespinales . Sin embargo, una vez alterado tras una lesión del SNC, el acoplamiento de los segmentos ha demostrado ser notablemente resistente al cambio. En los pacientes con ICS, por ejemplo, Awai y Curt informaron de que las formas del patrón de marcha intralimbar no habían cambiado en los pacientes con ICS a lo largo de su rehabilitación, a pesar de los aumentos en la velocidad de la marcha y las reducciones en la variabilidad intralimbar. De forma similar, Tepavac y Field-Fote informaron de una mejora en la consistencia, aunque sin cambios sistemáticos en la forma del acoplamiento intralímbico tras la estimulación peroneal junto con el entrenamiento en 14 pacientes con ICSI. Se han realizado observaciones análogas en supervivientes de accidentes cerebrovasculares con deterioro de las extremidades inferiores.
Estas observaciones podrían estar motivadas por la alteración del impulso eferente inducida por cambios en el procesamiento supraespinal, incluida la pérdida parcial y la sustitución de las señales aferentes. Alternativamente, el acoplamiento de los segmentos puede estar codificado principalmente por las redes espinales rítmicas y, por lo tanto, ser difícil de modular a través del impulso eferente, especialmente cuando este impulso está deteriorado por una lesión. Estos dos modelos indican que cuando se optimiza el fenotipo de la marcha, especialmente la coordinación intralímbica, a las limitaciones del entorno o cuando se encuentran tareas nuevas, el procesamiento alterado presente en el CiSCI no puede compensar completamente la información aferente degradada. Dentro de esta perspectiva, el perfil de respuesta de CiSCI a la descarga; parámetros espacio-temporales adaptados, patrones de movimiento articular y coordinación entre extremidades no modificados, puede aludir a la jerarquía de control en la locomoción . En este caso, los recursos neuronales se reservan para los parámetros críticos de la tarea, como la organización espacio-temporal de la marcha y el control del equilibrio, mientras que los parámetros menos críticos, como la coordinación entre las extremidades, no se modulan. Se cree que cualquier mejora de la función proviene de la adaptación de procesos de nivel superior, mientras que las primitivas motoras equivalentes recién establecidas permanecen invariables. Sin embargo, hasta donde sabemos, no ha habido ningún paradigma de entrenamiento que se dirija específicamente a la coordinación intralumbar tras la iSCI. La descarga podría ser una vía de entrenamiento única para abordar este déficit bastante específico.
Relevancia clínica
La aplicación de BWS transparentes por encima de la cabeza a sujetos con ICSCI durante la marcha sobre el suelo tiene un impacto insignificante en la cinemática de la marcha con ICSCI. Esto indica que para los CiSCI que conservan el control volitivo de sus extremidades, pero que no son capaces de soportar su propio peso corporal, el BWS transparente representa una oportunidad para comenzar a caminar sobre el suelo de forma segura, con apoyo y sin restricciones en un momento temprano. A medida que los pacientes mejoran, la cantidad de apoyo puede reducirse y el terapeuta puede aplicar fuerzas perturbadoras adicionales para mantener un entorno de entrenamiento desafiante. Además, el dispositivo puede utilizarse como apoyo mientras se entrenan otras actividades de la vida diaria, como subir escaleras, cruzar obstáculos, mantener el equilibrio, caminar en curva, recuperar objetos del suelo, pasar de sentado a de pie, etc. El entrenamiento de BWS en el suelo sigue siendo sólo una de las muchas herramientas de rehabilitación, sin embargo, permite una transición de un entorno de rehabilitación en cinta de correr a un entorno más real.
Outlook
Nuestras conclusiones se basan en una muestra relativamente pequeña y heterogénea de sujetos de CiSCI con deficiencias principalmente sensoriales debido a la restricción de poder caminar a 2 km/h sin ayudas para caminar durante aproximadamente una hora de medición. Se eligió esta velocidad de marcha porque es una velocidad viable para CiSCI y está cerca del umbral de deambulación en interiores sin ayudas para CiSCI (0,6 m/s) . Además, a esta velocidad, los controles siguen produciendo una marcha rítmica y simétrica, aunque es mucho más lenta (~ 50%) que su velocidad de marcha típica según la edad y el sexo. Se permitió un periodo de familiarización en cada nivel de BWS y los CiSCI y los controles caminaron a la velocidad objetivo de forma consistente durante el experimento sin transgredir el rango de tolerancia, lo que indica una aclimatación suficiente. Aunque habría sido interesante analizar también la velocidad de marcha preferida o incluso los efectos de diferentes velocidades de marcha, esto habría llevado a un protocolo de evaluación muy largo para el CiSCI. Las medidas iniciales de la marcha diferían entre los grupos, y había una diferencia de edad significativa. Sin embargo, la inclusión de la edad como covariable en el modelo estadístico indica que la adaptación de los patrones de marcha al BWS no fue impulsada por este factor. Las diferentes respuestas entre los CiSCI y los controles justifican una mayor investigación en una gama más amplia de individuos con trastornos del SNC que caminan a múltiples velocidades. Tres CiSCI tenían TSI de menos de un año y, por lo tanto, se considerarían más bien subagudos que crónicos. Estos individuos fueron incluidos porque habían alcanzado una meseta funcional debido a la naturaleza relativamente leve de sus lesiones. Desde el punto de vista funcional, se encontraban entre los mejores individuos de la cohorte. La cohorte investigada de pacientes con una amplia gama de deficiencias y ETI diferentes proporciona algunos indicios de un efecto generalizable, sin embargo, la forma en que esto se manifiesta específicamente en el nivel, la gravedad y la cronicidad de la deficiencia sólo puede determinarse utilizando criterios de inclusión más específicos. Esto limita la descripción de los posibles mecanismos en el experimento actual. En el futuro, estamos interesados en evaluar cohortes definidas con mayor precisión y en separar mejor los efectos mecánicos de las respuestas biológicas a la descarga.