Směrová modulace svalových synergií po mrtvici

Úvod: Funkce horních končetin po cévní mozkové příhodě je narušena a vyznačuje se abnormálním, stereotypním a nekoordinovaným pohybovým vzorem. Snížený nervový pohon v poškozeném kortikospinálním systému způsobující sníženou střelbu motorických jednotek agonistů, spasticitu, zhoršenou motorickou koordinaci. Komplexnější pochopení toho, jak náš mozek řídí a reguluje pohyby končetin přes míchu, může zlepšit pokročilejší rehabilitační techniky.

Současná koncepce řízení motoriky naznačuje, že mozková kůra moduluje a synchronizuje aktivaci diskrétního počtu funkčních jednotek v mozkovém kmeni a míše. Tyto nervové funkční jednotky, tj. svalové synergie, když jsou lineárně kombinovány, usnadňují produkci různých pohybů končetin. Tento kontrolní mechanismus může do značné míry vysvětlit způsob, jakým CNS redukuje dimenzionalitu obrovského počtu stupňů volnosti zabudovaných v CNS na diskrétní počet svalových synergií. Proto provedení pohybu může vyžadovat pouze lineární kombinaci těchto synergií a regulaci intenzity jeho aktivace v časové oblasti.

Existence takového kontrolního mechanismu přitáhla pozornost jak lékařů, tak vědců, aby využili jeho vlastností ke zlepšení motorické regenerace po mrtvici. Proto se objevily studie, které zkoumaly, jak poškození kůry ovlivňuje synchronizaci synergií a také, zda mění vnitřní strukturu synergií. Navzdory četným studiím v této oblasti neexistuje shoda ohledně toho, jak mrtvice ovlivňuje tento kontrolní mechanismus a rozsah korelace mezi úrovní poškození a strukturou synergie. Cílem studie je porovnat synergickou strukturu a MAP v pohybech dosahujících rukou v různých směrech mezi jedinci po mrtvici a zdravými jedinci a korelovat mezi těmito vlastnostmi a motorickými poruchami u jedinců po mrtvici.

Metody:

Účastníci: Studie se zúčastní 12 zdravých dobrovolníků (kontrolní skupina) a 20 jedinců po mrtvici (studijní skupina). Kritéria pro zařazení do studijní skupiny budou jedinci starší 20 let, kteří prodělali jednostrannou mozkovou mrtvici s hemiparézou. Kritéria pro vyloučení ze studie jsou senzorická afázie, jednostranné zanedbávání a přítomnost jiného neurologického onemocnění, jako je Parkinsonova choroba nebo Alzheimerova choroba.

Vybavení: Hand-reaching Spatial Device (HRSD) je nastavitelný, jednoduchý nástroj umožňující standardizaci pohybu ukazování rukou pro 9 různých směrů mezi různými účastníky. Skládá se ze dvou vertikálních tyčí, ke kterým jsou připevněny tři půlkruhové police. Každá police obsahuje tři pohyblivé ukazovací kolíky, které lze nastavit doleva a doprava, aby se přizpůsobily různé délce paží každého účastníka. Nejnižší police byla umístěna 10 cm nad stolem, prostřední byla umístěna 35 cm nad stolem a nejvyšší 55 cm nad stolem. U každého účastníka byla HRSD umístěna v maximální vzdálenosti dosahu ruky před testovaným ramenem. Boční čepy byly umístěny pod úhlem 45 stupňů k ramennímu kloubu na obě strany. Uspořádání terčů na HRSD bylo navrženo tak, aby pokrylo většinu pohybů dosahujících rukou.

Povrchové EMG byly zaznamenány (Trigno 8, Delsys, Boston, MA) z 8 svalů ramenního pletence a paže: trapezius (TRS); deltoidní přední (AD), mediální (MD) a zadní vlákna (PD); a velký prsní sval (PECT); infraspinatus (IS); biceps (BI); triceps (TRI). Elektrody byly umístěny v souladu se směrnicemi Surface Electromyography for the Non-Invasive Assessment of Muscles-European Community Project (SENIAM) [34]. Maximální dobrovolné kontrakce (MVC) byly provedeny před sběrem dat pro ověření správného umístění elektrody a pro normalizaci. Po každém MVC následovaly jednominutové doby odpočinku, aby se omezila možnost únavy. EMG signály byly filtrovány pásmovou propustí (20-450 Hz) a vzorkovány při 2000 Hz.

Protokol: MVC byla měřena standardním svalovým testováním [35]. Poté se účastník posadil před stůl s předloktím opřeným v pohodlné poloze. HRSD bylo umístěno tak, jak je uvedeno výše. Účastníci byli požádáni, aby ukázali na každý cíl 5krát podle hlasových pokynů, které byly aktivovány softwarem EMG každých 10 sekund, pro 45 ukazovacích pohybů. Pořadí ukazovacích terčů bylo pro všechny účastníky konstantní.

Analýza dat EMG předzpracování Analýza dat byla provedena pomocí Matlab (The MathWorks, Inc.). EMG byly sníženy, následoval výpočet RMS pomocí překrývajícího se okna 50 vzorků (25 milisekund kolem každého časového bodu). Průměrné výchozí hodnoty EMG pro každý pokus byly odečteny od zprůměrovaných dat pro sekvenci dosahovaných pohybů. Data EMG pro každý pokus, vektor, jehož rozměr byl 8 (počet zaznamenaných svalů), tedy odpovídala generování aktivní síly mimo jakoukoli zbytkovou základní svalovou aktivitu. EMG data byla normalizována v souladu s maximální izometrickou kontrakcí (MVC) pro každý sval.

Algoritmus NMF původně používaný Leem a Seungem (1999 a 2001) byl použit k identifikaci svalových synergií a jejich aktivačních hmotností. Vzor EMG zaznamenaný v pohybech dosahujících rukou byl modelován jako lineární kombinace sady N svalových synergií, z nichž každá specifikovala relativní úroveň aktivace napříč 8 svaly a aktivovala se časově proměnným aktivačním koeficientem:

V^(M×T)≈W^(M×N)∙H^(N×T) (4) Kde V je matice datového souboru EMG, kde M je počet svalů (8 svalů), T je počet z časových vzorků je W matice synergie a H je matice koeficientů. W je m×n je matice s n synergiemi, m je počet svalů a H je n×t matice koeficientů aktivace synergie. Každý sloupec W tedy představuje hmotnosti každého svalu pro jednu synergii a každý řádek H představuje, do jaké míry byla odpovídající synergie aktivována nebo použita k vytvoření síly. V tomto modelu je možné, aby každý sval patřil do více než jedné synergie, a tak EMG kteréhokoli jednotlivého svalu může být připsáno současným nebo sekvenčním aktivacím několika svalových synergií.

Aby bylo možné určit optimální počet synergií pro celou skupinu, byla pro každého účastníka zřetězena EMG data všech cílů. Poté byly EMG celého vzorku zřetězeny před aplikací NMF. Optimální počet synergií (d) byl definován jako počet synergií, které zachytily nejvyšší z celkového rozptylu dat, což naznačuje, že další synergie zachytily pouze malá zbytková množství variací, které lze připsat hluku. Tento postup nám umožnil odhadnout optimální počet synergií pro celý vzorek k provedení jakéhokoli dosahujícího pohybu v prostoru bez ohledu na směr pohybu.

Algoritmus NMF vyžadoval, aby byl před aplikací algoritmu specifikován počet extrahovaných synergií. Proto byl pro každý soubor dat vypočten VAF při změně počtu synergií z 1 na 7. VAF byl vypočten pomocí rovnice:

VAF(H)=100 %×(1-(|(|V-WH|)|_2^2)/(|(|V|)|_2^2 )) (6) Kde V je původní matice a W a H jsou odvozené faktorizované matice.

Zobecnění směrů pohybu

Cílem v této fázi analýzy bylo zjistit, zda existuje soubor diskrétního počtu synergií, které řídí jakýkoli pohyb v prostoru. Proto bylo zkoumáno, jak může pohyb v určitých směrech odpovídat za pohyby v jiných směrech. EMG data pro každý směr pohybu byla shromážděna odděleně přes 8 svalů a zřetězena pro celý vzorek. Tímto způsobem by odvozený soubor synergií musel zohledňovat rozdíly mezi různými subjekty, ale byl by také specifický pouze pro tento směr. NMF byl aplikován samostatně pro každý směr pohybu podle rovnice:

V_i≈W_i∙H_i (7) kde i je cílové číslo, které odpovídá konkrétnímu směru pohybu v prostoru. V této fázi analýzy byla jako vstup pro každý cíl uvedena V_i (matice EMG), i∈[1,9] a matice W_i,H_i byly iterativně aktualizovány. Postup studie zahrnoval dosažení 9 různých cílových směrů ve vesmíru, což nám umožnilo dále zkoumat, zda existuje jediný soubor synergií, které by mohly odpovídat za pohyby v jiných směrech.

To bylo provedeno pomocí techniky křížové validace mezi maticemi V_i a maticemi W_j použitím upravené verze algoritmu NMF, následovaným odpovídajícím výpočtem VAF, který změnil počet synergií (d) z pouhých 3 na 5, nikoli z 1 až 7 na základě výsledků NMF pro všechny účastníky a pro všechny cíle, jak je podrobně uvedeno v části výsledků. V upravené verzi algoritmu byly jako vstup zadány V_i i W_j (matice synergií). Aktualizována a odeslána byla pouze matice H_(i,j) koeficientů cíle i.

Proces křížové validace modifikovaného NMF byl proveden pro každou kombinaci datové matice V_i (cíle i) a synergické matice W_j (cíle j), což vedlo k 9×9 maticím H_ji. Pro každé i,j∈[1,9] faktorizujeme V_i tak, že W_j H_ji≈V_i.

Referenční soubor svalových synergií byl vybrán výpočtem VAF pro každou z faktorizací 9×9:

VAF(H_ij )=100 %×(1-(|(|V_i-W_j H_ij |)|_2^2)/(|(|V_i |)|_2^2 )) (8) za předpokladu, že konzistentně vysoké hodnoty VAF (H_ij) pro konkrétní V_i může naznačovat, že synergie získané z pohybů v tomto směru mohou přesně vysvětlit pohyb v jiných směrech.

Pro každý předem definovaný počet synergií (d) byla tedy přijata matice 9x9, ve které každá buňka představovala odpovědnost za danou synergii (řádek) ve stanoveném směru (sloupci). Každý řádek ve výsledné matici představoval celkový „výkon“ příslušného souboru synergií, a tak byl pro další fázi analýzy vybrán řádek s nejvyšším průměrným VAF.

Směrová modulace svalových synergií Jakmile byla vybrána sada synergií (W_j ), nastavením aktivačních koeficientů pro každý cíl (H_ij,když i∈[9,1]), bylo určeno, které synergie jsou dominantní pro každý ze směrů. Pro každý počet synergií byl vypočten průměrný aktivační koeficient každé synergie pro každý směr. Nastavení počtu synergií například na 4 vedlo k 9 vektorům (jeden pro každý směr pohybu) se 4 hodnotami, které představují 4 synergie. Poté byla měřena průměrná amplituda každé ze synergií napříč směrem pohybu a mezi pohyby v různých směrech napříč synergiemi.