Aplicarea BWS constituie o abordare promițătoare în reabilitarea mersului la pacienții care suferă de afecțiuni ale SNC, cum ar fi IISC sau accident vascular cerebral. În cadrul grupului focal de pacienți care au control voluntar asupra membrelor inferioare, dar nu au capacitatea de a se deplasa liber, FLOAT poate oferi BWS transparent cu forțe de interacțiune minime. Aplicarea unei BWS de până la 50% la CiSCI în timpul mersului pe teren a dus la modificări subtile ale cinematicii mersului, care sunt în mare măsură comparabile cu cele observate la controalele sănătoase. În timp ce aceste modificări induse de BWS au fost evidente în parametrii spațio-temporali, cum ar fi lungimea pasului și durata relativă a fazei de sprijin, modelele de mișcare articulară și coordonarea intralimbelor au fost modulate într-o măsură mai mică la iSCI decât la controale. Aceste rezultate sunt contrare așteptărilor noastre inițiale conform cărora BWS ar avea un efect mai mare asupra cinematicii mersului la CiSCI în comparație cu controalele. Acest lucru indică faptul că utilizarea BWS pe teren pentru o descărcare de până la 20% BW nu are niciun efect vizibil asupra modelelor de mers și chiar și descărcările mari de 50% BW nu denaturează în mod fundamental cinematica mersului. Mai mult, diferențele de modulare a coordonării intra-membrelor pot oferi o oportunitate de a viza în mod specific acest domeniu în reabilitarea iSCI.
Adaptarea spațio-temporală
Ca una dintre caracteristicile proeminente ale mersului, ajustarea lungimii pasului și a timpului de pas sunt condiții prealabile în gestionarea schimbărilor în condițiile de mers. Odată cu creșterea descărcării, timpul pasului crește progresiv atât la subiecții martori, cât și la subiecții iSCI. Observații similare din literatura de specialitate nu au dus la o explicație concludentă pe sol sau pe banda de alergare . O posibilă explicație se bazează pe cadrul similarității dinamice, presupunând că numărul lui Froude, o măsură independentă de anatomie a vitezei care depinde de lungimea piciorului și de gravitație, are o valoare optimă de aproximativ 0.25 pentru mersul pe jos .
Fr: numărul lui Froude, m: masa, v: viteza, h: lungimea piciorului, g: constanta gravitațională, sl: lungimea pasului, sf: frecvența pasului.
Reducerea „gravitației” prin descărcare, menținând în același timp viteza de mers, nu ar trebui să perturbe relația dintre lungimea pasului și frecvența pasului. Cu toate acestea, aplicarea descărcării la nivelul trunchiului are ca rezultat o interacțiune interesantă: gravitația care acționează asupra piciorului de leagăn rămâne la un nivel normal (9,81 ms- 2), în timp ce dinamica fazei de sprijin este supusă unei gravitații reduse plus potențiale forțe de interacțiune cu robotul . Acest lucru duce, de obicei, la o reducere mică, dar robustă a factorului de sarcină, determinată în principal de o creștere a timpului de pas, menținând în același timp timpul de staționare. Pentru a menține o anumită viteză, lungimea relativă a pasului trebuie să fie crescută, perturbând relațiile stabile din punct de vedere al dezvoltării dintre lungimea pasului, frecvența și viteza de mers . Acest comportament este adoptat de subiecții de control. CiSCI, pe de altă parte, prezintă ciclul de funcționare redus, însă nu modulează lungimea pasului la fel de adecvat ca și martorii, ceea ce duce, de asemenea, la ușoara reducere a vitezei de mers înregistrată la 50% BWS (Tabelul 2).
Schimbările în lățimea pasului nu au fost concludente atât la martorii cât și la CiSCI; deși a fost detectată o interacțiune între BWS și grup, nu a existat un efect principal simplu al descărcării. Acest lucru s-ar putea datora interacțiunii cu robotul în direcția medio-laterală, făcând aluzie la interacțiunea complexă dintre BWS, stabilitatea laterală și forțele de interacțiune cu robotul . Analiza transparenței ne conduce la o oarecare reducere a efectului de pendul al suspensiei aeriene , cu toate acestea, interacțiunea dintre descărcarea verticală și lățimea pașilor și alți parametri asociați cu stabilitatea mersului merită investigații suplimentare la subiecții sănătoși. CiSCI a păstrat o mare variabilitate a lățimii pasului în toate condițiile de descărcare, mascând potențial orice răspuns semnificativ la descărcare. Lățimea medie a pașilor a avut o tendință de reducere de la un nivel de bază patologic ridicat, sugerând că descărcarea permite CiSCI să meargă cu o bază de sprijin mai îngustă.
Efecte asupra posturii de mers
Am cuantificat deplasarea CoM și balansarea trunchiului pentru a înțelege modul în care BWS transparent afectează postura în timpul mersului și dacă acest lucru este diferit între CiSCI și controale. Efectul principal simplu al BWS asupra deplasării CoM ML și a oscilației trunchiului AP și ML indică faptul că sistemul BWS are un anumit efect asupra posturii de mers și a controlului trunchiului. Pe măsură ce crește descărcarea, balansarea trunchiului crește în ambele planuri, în timp ce mișcarea ML a CoM este redusă, iar AP la controale rămâne neschimbată. CiSCI adoptă un model de răspuns diferit în ambii parametri AP, probabil din cauza lungimii inițiale mai scurte a pasului, care ar necesita un transfer mai mic de impuls de la trunchi la pelvis pentru a induce deplasarea greutății. CiSCI a demonstrat, de asemenea, o balansare mai mare a trunchiului AP în condiția inițială, poate compensând modificările în generarea forței maxime a mușchilor trunchiului. În plus, viteza de mers a fost redusă într-o măsură ușor mai mare la CiSCI în condiții de descărcare. În concluzie, CiSCI poate fi mai sensibil la dinamica robotului și la constrângerile hamului – în special în direcții în care sunt necesare accelerații mai mari . Designul deasupra capului și amplasarea hamului au forțat, potențial, o postură mai verticală și au permis un transfer mai mic al greutății în față către piciorul din față.
Schimbările parametrilor medio-laterali cu creșterea descărcării s-au reflectat în ambele grupuri. Acest lucru a contrastat cu lățimea pasului, care a demonstrat un minim local la 20%BWS pentru controale și o reducere progresivă, dar nesemnificativă în CiSCI. Acest lucru indică faptul că ambele grupuri optează din ce în ce mai mult pentru a-și păstra CoM-ul mai aproape de marginea medială a bazei lor de sprijin odată cu creșterea BWS, făcând aluzie la o interacțiune complexă între descărcarea și dinamica planului frontal . De asemenea, viteza de mișcare superioară-inferioară a robotului BWS complexifică și mai mult interacțiunea, deoarece tensiunea nu este perfect egală în toate momentele. Acest lucru duce la modificări subtile ale nivelurilor de sprijin și ale transferurilor de impuls în diferite faze ale mersului, care probabil influențează structura spațio-temporală a stabilității mersului, însă aceste interacțiuni sunt dificil de cuantificat cu exactitate.
Programe de mișcare articulară
Cu creșterea descărcării, am observat decalaje temporale din ce în ce mai mari ale urmelor de unghi-timp atât la CiSCI, cât și la controale. Pentru a compara în mod adecvat modelele de mișcare articulară, faza de sprijin și faza de leagăn au fost normalizate și interpolate separat pentru a elimina efectele temporale, păstrând în același timp informațiile privind rangul temporal și amplitudinea. Acest lucru a permis detectarea diferențelor în forma traiectoriei induse prin descărcare. În timp ce articulațiile genunchiului au prezentat un efect principal simplu de descărcare, în special în jurul evenimentului de decolare și în timpul stării de sprijin, nu a existat niciun efect de interacțiune. Acest lucru indică faptul că, în eșantionul investigat, nu am putut detecta strategii diferite ale genunchiului între CiSCI și controale ca răspuns la descărcare. La nivelul articulației șoldului, descărcarea a indus un efect principal simplu, centrat în jurul evenimentului de decolare și a existat un efect de interacțiune puternic, în special în timpul balansului și după lovirea călcâiului. Acest efect de interacțiune poate fi determinat de lungimea mai mică a pasului la CiSCI, împreună cu schimbările în postura de mers . La nivelul articulației gleznei, a fost prezent un efect de interacțiune, în special în faza târzie a mersului, unde controalele și-au accentuat mișcarea de împingere, în timp ce CiSCI nu a prezentat nicio adaptare. Descărcarea CiSCI în sistemul BWS nu a indus nicio schimbare detectabilă în modelele de mișcare articulară, în timp ce controalele au prezentat adaptări subtile în special în articulația gleznei la niveluri ridicate de descărcare. La controale, modificările în mișcarea articulației gleznei ar putea fi interpretate ca o adaptare specifică sarcinii, necesară pentru a menține o anumită viteză, optimizând în același timp alți factori determinanți ai mersului, relevanți . Faptul că nu am detectat aceste adaptări în cohorta noastră de CiSCI afectați în primul rând senzorial ar putea fi legat de modificări în integrarea informațiilor de sarcină în structura de comandă eferentă . Modelele de activitate a rețelei spinale în timpul mersului indică faptul că mecanoreceptorii mecanoreceptorii sensibili la sarcină și la forfecare de pe talpa piciorului, împreună cu organele tendinoase Golgi și aferenții fusului muscular contribuie în mod semnificativ la reglarea cu succes a mersului . Cu toate acestea, în urma iSCI, procesarea informațiilor aferente este alterată la mai multe niveluri și este parțial înlocuită cu informații surogat, redundante, care provin din surse neafectate, cum ar fi controlul vizual .
Coordonarea membrelor
Modelele de coordonare a membrelor au fost raportate în mod repetat ca fiind citiri sensibile ale controlului locomotor la subiecții iSCI . Cunoștințele dobândite în urma experimentelor cu membrele superioare și inferioare la om ne determină să interpretăm coordonarea multiarticulară ca fiind un produs al integrării proprioceptive în măduva spinării la diferite niveluri, combinată cu un impuls eferent supraspinal . Modelele de coordonare intralimbulară pot fi cuantificate ca diferență de formă față de o formă de referință (SSD; o formă de analiză procrusteană a formei) . Variabilitatea acestor modele poate fi captată prin componenta unghiulară a coeficientului de corespondență (ACC; o formă specializată de codificare vectorială ), care descrie dispersia medie a tuturor perechilor de puncte secvențiale din ciclu. Creșterea variabilității în cuplarea mișcării segmentelor este detectată ca o scădere a ACC (interval: 0-1). Variabilitatea crescută a mișcării, în special în ceea ce privește cuplarea segmentelor intralimbare adiacente, poate fi interpretată ca un zgomot neuronal crescut în generarea modelelor de activare sinergică a mușchilor. Sub descărcare, subiecții de control au prezentat modificări progresive în cuplarea intralimbulară prin creșterea diferenței de formă și a variabilității (Tabelul 2 și Fig. 2) în ambele cuplete (șold-genunchi și genunchi-gleznă). În CiSCI, cu toate acestea, SSD a rămas neschimbată în ambele cuplete proximale și distale. Nu a fost detectat niciun efect de interacțiune pentru ACC din ambele cuplete, însă descărcarea a dus la o variabilitate mai mare a cuplajului în ambele grupuri. Lipsa de modulare a cuplării intralimbilor la pacienți sub descărcare poate oferi acces la investigarea și provocarea acestui aspect după iSCI.
Coordonarea intralimbilor la controale și pacienți sub BWS. a Răspunsul modelelor de coordonare intralimbilor la descărcare la pacienți și controale. Ca referință, datele medii de bază ale controalelor sunt prezentate ca o linie neagră continuă. Răspunsurile medii ale pacienților și controalelor sunt reprezentate ca linii punctate la 10%, 30% și 50% BWS în nuanțe crescânde de gri. Datele medii de referință ale pacienților sunt reprezentate ca o linie punctată. b Metrici de cuantificare a coordonării intralimbelor. Descărcarea are ca rezultat o modificare a SSD la controale (negru) pentru ambele cuplete articulare șold-genunchi și genunchi-gleznă. Acest model de coordonare rămâne neafectat la pacienți (gri) în ambele cuplete. Consistența formei (ACC) este din ce în ce mai degradată în ambele grupuri odată cu creșterea descărcării. Barele indică mediile grupurilor cu 1SD. Semnificația este detaliată ca *: p < 0,05
În sinteză, CiSCI și controalele au demonstrat răspunsuri similare la descărcare în ceea ce privește parametrii spațio-temporali și postura de mers. Cu toate acestea, CiSCI și-a păstrat coordonarea intralimbulară de bază, în timp ce controalele au modificat-o ca răspuns la descărcare, optimizându-și modelele de cuplare a articulațiilor pentru a se adapta la descărcare, menținând în același timp o anumită viteză. Se pare că, într-un SNC sănătos, modelele intralimbare sunt mediate nu doar la nivel spinal, ci integrează și o influență puternică a centrelor supraspinale . Cu toate acestea, odată alterată în urma unei leziuni a SNC, cuplarea segmentelor s-a dovedit a fi remarcabil de rezistentă la schimbare. La pacienții iSCI, de exemplu, Awai și Curt au raportat forme neschimbate ale modelului de mers intralimbular la pacienții iSCI pe parcursul reabilitării lor, în ciuda creșterii vitezei de mers și a reducerii variabilității intralimbulare. În mod similar, Tepavac și Field-Fote au raportat o consistență îmbunătățită, dar nicio schimbare sistematică a formei în cuplarea intralimbelor în urma stimulării peroneale cuplate cu antrenament la 14 pacienți iSCI. Observații analoge au fost făcute la supraviețuitori ai accidentului vascular cerebral cu afectare a membrelor inferioare .
Aceste observații ar putea fi determinate de alterarea conducerii eferente induse de modificări în procesarea supraspinală, inclusiv pierderea și înlocuirea parțială a semnalelor aferente. Alternativ, cuplarea segmentelor poate fi codificată în principal de rețele spinale ritmice și, prin urmare, să fie dificil de modulat prin intermediul conducerii eferente, în special atunci când această conducere este afectată printr-o leziune. Ambele modele indică faptul că, atunci când se optimizează fenotipul mersului, în special coordonarea intralimbelor, la constrângerile de mediu sau atunci când se întâlnesc sarcini noi, procesarea modificată prezentă în CiSCI nu poate compensa pe deplin informațiile aferente degradate. Din această perspectivă, profilul de răspuns al CiSCI la descărcare; parametrii spațio-temporali adaptați, modelele de mișcare articulară neschimbate și coordonarea între membre, pot face aluzie la ierarhia de control în locomoție . Aici, resursele neuronale sunt rezervate pentru parametrii critici pentru sarcină, cum ar fi organizarea spațio-temporală a mersului și controlul echilibrului, în timp ce parametrii mai puțin critici, cum ar fi coordonarea intralimbelor, sunt preîntâmpinați de la modularea lor. Se consideră că orice îmbunătățire a funcției provine din adaptarea proceselor de nivel superior, în timp ce primitivele echivalente motorii nou stabilite rămân invariabile . Cu toate acestea, din cunoștințele noastre, nu a existat nicio paradigmă de antrenament care să vizeze în mod specific coordonarea intralimbelor în urma iSCI. Descărcarea ar putea fi o cale de antrenament unică pentru a viza acest deficit destul de specific.
Relevanță clinică
Aplicarea BWS transparent deasupra capului la subiecții iSCI în timpul mersului pe teren are un impact neglijabil asupra cinematicii mersului CiSCI. Acest lucru indică faptul că, pentru CiSCI care își păstrează controlul volitiv al membrelor, dar nu sunt capabili să își susțină propria greutate corporală, BWS transparent reprezintă o oportunitate de a începe cu mersul pe sol în siguranță, susținut și fără constrângeri, la un moment timpuriu. Pe măsură ce pacienții se ameliorează, cantitatea de sprijin poate fi redusă, iar terapeutul poate aplica forțe perturbatoare suplimentare, pentru a menține un mediu de antrenament provocator. În plus, dispozitivul poate fi utilizat pentru sprijin în timpul antrenamentului pentru alte activități din viața de zi cu zi, cum ar fi urcatul scărilor, traversarea obstacolelor, echilibrarea, mersul în curbă, recuperarea obiectelor de pe podea, trecerea de la poziția așezat la poziția în picioare etc. Antrenamentul BWS pe teren rămâne doar unul dintre numeroasele instrumente de reabilitare, însă permite o tranziție de la un mediu de reabilitare pe bandă rulantă la un cadru mai real.
Outlook
Concluziile noastre se bazează pe un eșantion relativ mic și eterogen de subiecți iSCI cu deficiențe în principal senzoriale, datorită constrângerii de a putea merge cu 2 km/h fără ajutoare de mers timp de aproximativ o oră de măsurare. Această viteză de mers a fost aleasă deoarece este o viteză viabilă pentru CiSCI și este apropiată de pragul pentru deambularea nesupravegheată în interior pentru CiSCI (0,6 m/s) . În plus, la această viteză, controalele încă produc un mers ritmic și simetric, deși este mult mai lent (~ 50%) decât viteza de mers tipică specifică vârstei și sexului lor. A fost permisă o perioadă de familiarizare la fiecare nivel de BWS, iar CiSCI și controalele au mers la viteza țintă în mod constant în timpul experimentului, fără a transgresa intervalul de toleranță, ceea ce indică o aclimatizare suficientă. Deși ar fi fost interesant să se analizeze, de asemenea, viteza de mers preferată sau chiar efectele diferitelor viteze de mers, acest lucru ar fi dus la un protocol de evaluare foarte lung pentru CiSCI. Măsurile de bază ale mersului au fost diferite între grupuri și a existat o diferență semnificativă de vârstă. Includerea vârstei ca o covariantă în modelul statistic indică totuși faptul că adaptarea modelelor de mers la BWS nu a fost potențată de acest factor. Răspunsurile diferite între CiSCI și controale justifică investigații suplimentare la o gamă mai largă de persoane cu tulburări ale SNC care merg la mai multe viteze. Trei CiSCI au avut STI-uri de mai puțin de un an și, prin urmare, ar fi considerate mai aproape de subacut decât de cronic. Aceste persoane au fost incluse deoarece au atins un platou funcțional din cauza naturii relativ ușoare a leziunilor lor. Din punct de vedere funcțional, acestea s-au clasat printre cele mai bune persoane din cohortă. Cohorta investigată de pacienți cu o gamă largă de diferite deficiențe și ITO oferă unele indicii ale unui efect generalizabil, însă modul în care acesta se manifestă în mod specific în funcție de nivelul, gravitatea și cronicitatea deficienței poate fi determinat numai prin utilizarea unor criterii de includere mai specifice. Acest lucru limitează descrierea mecanismelor potențiale în cadrul experimentului actual. În continuare, suntem interesați să evaluăm cohorte mai precis definite și să disociem mai bine efectele mecanice de răspunsurile biologice la descărcare.