Plasticita mechanizmů řízení motoriky indukovaná tělesným tréninkem u pacientů s Parkinsonovou chorobou

I. Cíle výzkumného projektu

Cíl 1. Charakterizovat vliv 8týdenního HIIT cyklu na neurofyziologické funkce (NPF): (i) motorických kortikálních struktur (které jsou kriticky závislé na dostupnosti presynaptické DA), pomocí EEG, a (ii) kosterních svalů zapojených do motorické úlohy , pomocí povrchového EMG. Následující neurofyziologické funkce CNS budou testovány během provádění samostatně iniciovaných bimanuálních motorických úloh závislých na dostupnosti DA: (i) úroveň aktivace kortikálních struktur a (ii) síla funkčního spojení mezi nervovými strukturami. U NPF kosterních svalů budou výzkumníci studovat strategii aktivace motorických jednotek. Protože vyšetřovatelé budou zaznamenávat EEG a EMG současně, vyšetřovatelé také posoudí sílu kortiko-svalové vazby.

Hypotéza 1. NPF se zlepší po 8týdenním cyklu HIIT ve srovnání s výchozí hodnotou ve skupině PD-TR a udrží se jeden měsíc po HIIT. Vyšetřovatelé totiž spekulují, že pro motor v aktivitě CNS to bude: (1) primární motorická kůra (M1), doplňková motorická oblast (SMA); (2) snížení aktivace laterálního premotorického kortexu (PMC) a mozečku; se současným (3) zvýšením funkčního spojení: dorzolaterálního prefrontálního kortexu (DLPFC) s M1, PMC, SMA a cerebellum; (4) snížení funkční vazby mezi M1, PMC, SMA, mozečkem a parietální kůrou. Pro funkci kosterního svalstva půjde o zlepšení strategie náboru motorických jednotek. Na základě dat ze simultánního záznamu elektrické aktivity mozkové kůry a kosterních svalů zapojených do motorických úkolů vyšetřovatelé předpokládají posílení kortikomuskulární vazby. Ve skupině PD-NTR se NPF ve stejném časovém intervalu nezlepší nebo dokonce zhorší.

Cíl 2. Charakterizovat vliv 8týdenního HIIT cyklu na psychomotorické chování (PMB), kriticky závislé na dostupnosti DA a NPF mozku. Následující PMB budou testovány během několika experimentů: (1) samostatně iniciované bimanuální úlohy protifázového pohybu během simultánních EEG, EMG a záznamů síly (2) vyhodnocení všech motorických a nemotorických symptomů PD na základě neurologického posouzení, (3 ) celkové kognitivní funkce a konkrétně aspekty exekutivních funkcí pomocí psychologických testů.

Hypotéza 2. PMB se zlepší po 8týdenním HIIT cyklu ve srovnání s výchozí hodnotou ve skupině PD-TR a udrží se jeden měsíc po HIIT v důsledku zlepšení dostupnosti presynaptických striatálních DA a NPF. Zlepšení PMB se nezlepší. být přítomen ve skupině PD-NTR, nebo dokonce dojde ke zhoršení PMB ve stejném časovém intervalu.

Cíl 3. Vyhodnotit: (i) účinek 8týdenního HIIT cyklu na hladinu sekrece BDNF, NGF, IGF-1 v krvi, která je považována za markery účinnosti neuroplasticity (vyjádřeno cvičením indukovaným zvýšením presynaptické hladiny DA a zlepšením FNM a PMB).

Hypotéza 3. Hladina sekrece BDNF, NGF a IGF-1 se zvýší po prvním a druhém cyklu HIIT cyklu ve srovnání s výchozí hodnotou ve skupině PD-TR a přetrvá jeden měsíc po HIIT. Na rozdíl od skupiny PD-TR nebude ve skupině PD-NTR přítomno zlepšení hladiny sekrece BDNF, NGF a IGF-1 nebo se jejich hladina dokonce sníží.

II. Odůvodnění pro řešení konkrétních vědeckých problémů navrhovaným projektem.

II.1. Aplikace EEG a EMG k hodnocení NPF struktur mozkové kůry a kosterního svalstva II.1.1. Úroveň aktivace neurálních kortikálních struktur bude hodnocena pomocí EEG průměrování a zdrojové analýzy (okruhy kortikálních neuronů).

II.1.2. Síla funkčního spojení mezi nervovými kortikálními strukturami bude hodnocena pomocí EEG-EEG koherenční analýzy:

II.1.3. Strategie aktivace motorických jednotek kosterního svalu zapojeného během motorické úlohy bude testována pomocí povrchové EMG standardní analýzy a SSA.

II.1.4. Síla funkční kortikosvalové vazby bude hodnocena analýzou koherence mezi EEG a EMG signály:

II.2. PMB budou hodnoceny na základě výkonu motorických a kognitivních úkolů a neurologických a psychologických testů/škál:

II.2.1. Samoobslužné bimanuální antifázové pohyby ukazováčku a bimanuální úkoly obratnosti budou hodnoceny během simultánních EEG, EMG a silových záznamů na základě analýzy vývoje síly, resp.

II.2.2. Hodnocení motorických a nemotorických symptomů PD na základě neurologického hodnocení s použitím celé Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) a Hoehn and Yahr scale (H&Y). Pro účely korelačního odhadu mezi bimanuální zručností popsanou v bodech II.2.1 si vyšetřovatelé vyberou z UPDRS skóre vyhrazená pro manuální a bimanuální funkci. Konkrétně budou vyšetřovatelé analyzovat skóre parkinsonské bradykineze postižené/více postižené horní končetiny na základě položek 23-25 ​​z UPDRS (klepání prsty, otevírání a zavírání rukou, pronačně-supinační pohyb rukou; v tomto pořadí). Vyšetřovatelé budou také analyzovat: (i) provádění každodenních manuálních funkcí na základě položek 8-11 z UPDRS (rukopis, krájení jídla a manipulace s pomůckami, oblékání, hygiena, v tomto pořadí). Kromě toho budou vyšetřovatelé hodnotit kvalitu života pomocí Schwab and England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn a Elton, 1987).

II.2.3. Psychologické hodnocení exekutivních funkcí pomocí dvou testů: Trail Making Test (TMT) a Stroop Test (ST). V testech TMT i ST se čas potřebný k dokončení testu používá jako měřítko výkonu, přičemž kratší čas znamená lepší výkon. K vyloučení pacientů s demencí také vyšetřovatelé použijí test Mini Mental State Examination (MMSE) (Folstein et al., 1975).

II.3. Sekrece neurotrofních faktorů v krvi Pomocí enzymové imunoanalýzy (technika ELISA) budou vyšetřovatelé hodnotit sekreci sérových BDNF, NGF, IGF-1 v krvi, které jsou zodpovědné za neurogenezi, synaptogenezi, angiogenezi.

III. Plán prací Realizace projektu je naplánována na 24 měsíců. Do projektu budou zařazeny dvě skupiny pacientů s PD: PD-TR - pacienti s PD, kteří budou provádět cyklus fyzického tréninku; PD-NTR - netrénovaní pacienti s PD a jedna H-CO - zdravá kontrolní skupina, která nebude provádět cykly HIIT.

Projekt bude zahájen základním testováním (PRE-HIT) v obou skupinách PD. Poté skupina PD-TR provede 8týdenní cyklus HIIT a skupina PD-NTR v tomto časovém období neprovede cyklus HIIT. Poté, 1 týden a jeden měsíc po ukončení HIIT cyklu, výzkumníci provedou testovací sezení ve skupině PD-TR a PD-NTR. Zdravá kontrolní skupina bude testována pouze v jednom časovém bodě, kdy prostor laboratoře nebude obsazen testy pacientů s PD.

IV. Metodologie výzkumu

IV.1. Design výzkumu Tento projekt bude longitudinální, randomizovaná (randomizace neprůhledných obálek) kontrolovaná studie se 3 rameny. Vyšetřovatelé naberou 40 jedinců s PD, kteří budou náhodně rozděleni do dvou stejných skupin: PD-TR (N=20) a PD-NTR (N=20). Výzkumníci budou porovnávat výsledky z těchto dvou skupin, aby prozkoumali dlouhodobý účinek HIIT cyklů na výsledky měření. Kromě toho vyšetřovatelé přijmou zdravou kontrolní skupinu (H-CO; N=20), která bude testována pouze jednou, a bude představovat stav "zdravého stavu" pro srovnání s oběma skupinami pacientů s PD. Srovnání PD-NTR s H-CO nám ukáže mechanismy patologických změn u pacientů s PD a srovnání PD-TR s H-CO nám dá příležitost prozkoumat charakter mechanismů (obnovení či kompenzace) HIIT indukovaných změny u pacientů s PD.

40 jedinců s PD bude kvalifikováno do naší studie poté, co jim bude na základě neurologického posouzení diagnostikováno idiopatické PD. Diagnóza Parkinsonovy choroby bude založena na anamnéze, fyzikálních a neurologických vyšetřeních a odpovědi na L-dopa. IV.2.2. Nábor předmětů. Subjekty s PD se budou rekrutovat z Neurologické kliniky, Wroclaw Medical University (WMU) ve Wroclawi, Polsko, kde je osoba provádějící hodnocení neurologických pacientů s PD v našem projektu (Budrewicz Slawomir, M.D., Ph.D.) zaměstnána jako neurologové pohybových poruch a konzultovat tam pacienty s PD. Vezmeme-li v úvahu schopnosti a nejvyšší postavení WMU, jsou si vyšetřovatelé jisti, že jsou schopni získat a nakonec kvalifikovat 40 pacientů s PD. Kontrolní skupina zdravých starších subjektů bude vybrána na základě: (i) veřejné inzerce a (ii) kontaktů s univerzitami třetího věku a kluby seniorů ve Varšavě.

IV.2. Tréninkové procedury Pacienti ze skupiny PD-TR absolvují 8týdenní HIIT cyklus. Osmitýdenní program HIIT se bude skládat ze tří týdenních 1hodinových tréninků (každý se skládá z 10minutového zahřátí, 40 minut vysoce intenzivního intervalového cvičení a 10minutové fáze ochlazování při pomalé dobrovolné rychlosti ) prováděné na stacionárním cyklovém ergometru (MONARK, Ergomedic 874E, Švédsko), který bude měřit kadenci (otáčky za minutu; [ot./min]) a výkon [W]. Během každého tréninku bude intervalové cvičení sestávat z 8 sérií po 5minutových intervalech, včetně 3 minut jízdy na kole při ≥ 60 [rpm], ale nejlépe při 80-90 [rpm] (rychlá fáze intervalu) a 2 minut jízdy na kole. při ≤ 60 [ot/min] (pomalá fáze intervalu). Pacienti ve skupině PD-TR budou rytmicky nabádáni metronomem a slovně povzbuzováni instruktorem, aby šlapali s nastavenou rychlostí vhodnou pro rychlou a pomalou fázi. Hodnoty kadence budou prezentovány každému subjektu v reálném čase na obrazovce jako zpětná vazba pro řízení otáček během různých fází intervalu. Srdeční frekvence (HR; tepy za minutu [bpm]) měřená pomocí systému Polar (Polar, Finsko), kadence [ot./min] a výkon [W] budou monitorovány a shromažďovány během každého tréninku. Školící supervizor upraví odpor pro každého pacienta, aby zajistil cyklování při cílové tepové frekvenci každého pacienta (THR) a s vhodnou rychlostí. Pacienti s PD budou cyklovat při 60 % až 75 % své individualizované HRmax (maximální srdeční frekvence). Pacienti s PD budou vyzváni, aby cyklovali rychleji (80-90 ot./min nebo o 30 % rychleji, než je jejich dobrovolná frekvence šlapání) během rychlé fáze intervalu a aby zvyšovali THR každé 2 týdny o 5 % (60 % HRmax během 1-2 týdny, 65 % během 3-4 týdnů, 70 % během 5-6 týdnů a 75 % během 7-8 týdnů tréninkového období). Kromě toho bude pacientovo vnímání intenzity cvičení (pro rychlou a pomalou fázi intervalu) hodnoceno pomocí Borgova hodnocení vnímané námahy (RPE) (Borg, 1982).

IV.3. Postupy měření Všichni pacienti s PD budou vyšetřeni během fáze vyřazení z medikace, tj. po 12hodinovém vysazení antiparkinsonických léků přes noc (24 hodin u léků s prodlouženým uvolňováním). Pořadí testovacích sezení pro specifické metody je následující: 1. den - (i) odběr krve; (ii) psychologické, neurologické a funkční testy -> 2. den - (i) EEG + EMG + síla.

IV.4. Statistická analýza Výzkumníci nejprve provedou meziskupinové srovnání všech demografických a klinických charakteristik, aby zkontrolovali rozdíly ve výchozím stavu. To bude provedeno pomocí dvoustranného Studentova t testu nebo Mann-Whitneyho U testů pro normálně a nenormálně distribuovaná data nebo Fisherova exaktního testu pro kontingenční data. K provedení meziskupinového srovnání změn v testovacích bodech bude použita analýza rozptylu opakovaných měření. Významné hlavní efekty pak budou podrobeny post-hoc párovému srovnání především mezi PD-TR a PD-NTR a PD-TR a H-CO. Mezi výsledky EEG, EMG (popisující NPF), PMB a markerů neuroplasticity bude provedena korelační analýza (Pearsonův nebo Spearmanův korelační koeficient). Pro všechny analýzy bude hladina významnosti nastavena na α=0,05 s Bonferroniho úpravami pro vícenásobná srovnání, pokud je to nutné.