Fysisk træning induceret plasticitet af motoriske kontrolmekanismer hos patienter med Parkinsons sygdom

I. Forskningsprojektets mål

Mål 1. At karakterisere en indflydelse af 8-ugers HIIT-cyklus på neurofysiologiske funktioner (NPF'er) af: (i) motoriske kortikale strukturer (der er kritisk afhængige af den præsynaptiske DA tilgængelighed), ved hjælp af EEG og (ii) skeletmuskler involveret i motoriske opgaver , ved hjælp af overflade-EMG. Følgende neurofysiologiske funktioner af CNS vil blive testet under udførelsen af ​​de DA tilgængelighedsafhængige selv-initierede bimanuelle motoriske opgaver: (i) et niveau af aktivering af kortikale strukturer og (ii) styrken af ​​funktionel kobling mellem neurale strukturer. For skeletmuskulaturens NPF'er vil efterforskerne studere en strategi for aktivering af motoriske enheder. Da efterforskerne også vil optage EEG og EMG samtidigt, vil efterforskerne vurdere styrken af ​​kortiko-muskulær kobling.

Hypotese 1. NPF'er vil forbedres efter den 8-ugers HIIT-cyklus sammenlignet med baseline i PD-TR-gruppen og vil opretholde en måned efter HIIT. Efterforskerne spekulerer nemlig i, at for motoren i CNS-aktivitet vil det være: (1) primær motorisk cortex (M1), supplerende motorisk område (SMA); (2) reduktion af aktivering af lateral præmotorisk cortex (PMC) og cerebellum; med samtidig (3) forøgelse af funktionel kobling af: dorsolateral præfrontal cortex (DLPFC) med M1, PMC, SMA og cerebellum; (4) fald i funktionel kobling mellem M1, PMC, SMA, cerebellum og parietal cortex. For skeletmuskelfunktionen vil det være en forbedring af rekrutteringsstrategien for motoriske enheder. Under hensyntagen til data fra den samtidige registrering af elektrisk aktivitet af hjernebark og skeletmuskler, der er involveret i motoriske opgaver, antager efterforskerne styrkelse af kortikomuskulær kobling. I PD-NTR-gruppen vil NPF'er ikke forbedres eller endda blive forværret i samme tidsinterval.

Mål 2. At karakterisere en indflydelse af den 8-ugers HIIT-cyklus på psykomotorisk adfærd (PMB'er), kritisk afhængig af DA tilgængeligheden og hjernens NPF'er. Følgende PMB'er vil blive testet under flere eksperimenter: (1) selv-initierede bimanuelle anti-fase bevægelsesopgaver under de samtidige EEG, EMG og kraftregistreringer (2) evaluering af alle motoriske og ikke-motoriske PD symptomer, baseret på neurologisk vurdering, (3 ) overordnet kognitiv funktion og specifikt aspekter af eksekutiv funktion ved hjælp af psykologiske tests.

Hypotese 2. PMB'er vil forbedres efter den 8-ugers HIIT-cyklus sammenlignet med baseline i PD-TR-gruppen og vil opretholde en måned efter HIIT, som en konsekvens af forbedringerne af præsynaptisk striatal DA tilgængelighed og NPF'er. PMB's forbedring vil ikke være til stede i PD-NTR-gruppen, eller endda vil PMB'erne blive forværret i samme tidsinterval.

Mål 3. At evaluere: (i) effekten af ​​den 8-ugers HIIT-cyklus på BDNF, NGF, IGF-1 sekretionsniveau i blod behandlet som markører for neuroplasticitetseffektivitet (udtrykt i træningsinduceret stigning af præsynaptisk DA-niveau og forbedring af NPF' og PMB'er).

Hypotese 3. Sekretionsniveauet af BDNF, NGF og IGF-1 vil stige efter den første og anden omgang af HIIT-cyklus sammenlignet med baseline i PD-TR-gruppen og vil opretholde en måned efter HIIT. I modsætning til PD-TR-gruppen vil forbedringen i BDNF-, NGF- og IGF-1-sekretionsniveau ikke være til stede i PD-NTR-gruppen, eller endda deres niveau vil falde.

II. Begrundelse for at tackle specifikke videnskabelige problemer med det foreslåede projekt.

II.1. EEG- og EMG-applikation til evaluering af NPF'er i hjernebarkstrukturer og skeletmuskler II.1.1. Et niveau af aktivering af neurale kortikale strukturer vil blive evalueret med EEG-gennemsnit og kildeanalyse (kortikale neurons kredsløb).

II.1.2. Styrken af ​​funktionel kobling mellem de neurale kortikale strukturer vil blive vurderet med EEG-EEG kohærensanalyse:

II.1.3. Motoriske enheders aktiveringsstrategi for skeletmuskulatur involveret under motorisk opgave vil blive testet med overflade-EMG-standardanalyse og SSA.

II.1.4. Styrken af ​​funktionel kortiko-muskulær kobling vil blive evalueret med analyse af sammenhæng mellem EEG og EMG signaler:

II.2. PMB'er vil blive evalueret baseret på motoriske og kognitive opgavers ydeevne og neurologiske og psykologiske tests/skalaer:

II.2.1. Selvinitierede bimanuelle anti-fase pegefingerbevægelser og bimanuelle fingerfærdighedsopgaver vil blive vurderet under henholdsvis samtidige EEG, EMG og kraftregistreringer baseret på analyse af kraftudvikling.

II.2.2. Evaluering af motoriske og ikke-motoriske PD-symptomer baseret på neurologisk vurdering ved brug af hele Unified Parkinsons Disease Rating Scale (UPDRS) og Hoehn og Yahr-skalaen (H&Y). Med henblik på korrelationsestimering mellem den bimanuelle fingerfærdighedsfunktion beskrevet i punkt II.2.1 vil efterforskerne også fra UPDRS vælge de scorer, der er dedikeret til manuel og bimanuel funktion. Efterforskerne vil nemlig analysere parkinson bradykinesi scores af den afficerede/mere afficerede overekstremitet baseret på punkterne 23-25 ​​fra UPDRS (hhv. fingertap, åbne og lukke hænder, pronation-supination hænder bevægelse); Efterforskerne vil også analysere: (i) en udførelse af manuelle daglige funktioner baseret på punkterne 8-11 fra UPDRS (henholdsvis håndskrift, skæring af mad og håndtering af redskaber, påklædning, hygiejne). Derudover vil efterforskerne vurdere livskvaliteten ved hjælp af Schwab og England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn og Elton, 1987).

II.2.3. Psykologisk vurdering af eksekutiv funktion ved hjælp af to tests: Trail Making Test (TMT) og Stroop Test (ST). I både TMT- og ST-testen bruges tiden det tager at gennemføre testen som præstationsmål med kortere tid som bedre præstation. For at udelukke patienter med demens vil efterforskerne også anvende Mini Mental State Examination test (MMSE) (Folstein et al., 1975).

II.3. Neurotrofiske faktorers sekretion i blod Ved at bruge det enzym-linkede immunosorbent assay (ELISA teknik), vil efterforskerne vurdere sekretion af serum BDNF, NGF, IGF-1 i blod, som er ansvarlige for neurogenese, synaptogenese, angiogenese.

III. Arbejdsplan Projektrealiseringen er planlagt til 24 måneder. Projektet vil indskrive to PD-patientergrupper: PD-TR - de PD-patienter, der skal udføre fysisk træningscyklus; PD-NTR - ikke-trænede PD-patienter og en H-CO - sund kontrolgruppe, der ikke vil udføre HIIT-cyklusserne.

Projektet starter med baseline test session (PRE-HIT) i begge PD grupper. Derefter vil PD-TR-gruppen udføre den 8-ugers HIIT-cyklus, og PD-NTR-gruppen vil ikke udføre HIIT-cyklussen i dette tidsrum. Derefter, 1 uge og en måned efter ophør med HIIT-cyklus, vil efterforskerne udføre testsessioner i PD-TR- og PD-NTR-gruppen. Den raske kontrolgruppe vil kun blive testet på ét tidspunkt, hvor laboratoriepladsen ikke vil være optaget af PD-patienter.

IV. Forskningsmetodik

IV.1. Forskningsdesign Dette projekt vil være et longitudinelt, randomiseret (uigennemsigtigt konvolutter randomisering) kontrolleret undersøgelse med 3 arme. Efterforskerne vil rekruttere 40 PD-individer, som vil blive tilfældigt fordelt i to lige store grupper: PD-TR (N=20) og PD-NTR (N=20). Efterforskerne vil sammenligne resultaterne fra disse to grupper for at udforske en longitudinel effekt af HIIT-cyklusser på måleresultater. Derudover vil efterforskerne rekruttere en sund kontrolgruppe (H-CO; N=20), som kun vil blive testet én gang og vil udgøre en "sund tilstand"-tilstand for sammenligninger med begge PD-patientgrupper. Sammenligningen af ​​PD-NTR med H-CO vil vise os mekanismerne for patologiske forandringer hos PD-patienter, og sammenligning af PD-TR med H-CO vil give os mulighed for at udforske karakteren af ​​mekanismer (genopretning eller kompensation) af HIIT induceret ændringer hos PD-patienter.

De 40 PD-personer vil blive kvalificeret til vores undersøgelse efter at være blevet diagnosticeret med en idiopatisk PD, baseret på neurologisk vurdering. Diagnosen af ​​Parkinsons sygdom vil være baseret på sygehistorie, fysiske og neurologiske undersøgelser og respons på L-dopa. IV.2.2. Fagrekruttering. PD-personerne vil blive rekrutteret fra Neurology Clinic, Wroclaw Medical University (WMU) i Wroclaw, Polen, hvor den person, der udfører den neurologiske PD-patient-evaluering i vores projekt (Budrewicz Slawomir, M.D, Ph.D.) er ansat som bevægelsesforstyrrelsesneurologer og konsultere PD-patienter der. Under hensyntagen til WMU's evner og topposition er efterforskerne sikre på, at efterforskerne er i stand til at rekruttere og endelig kvalificere 40 PD-patienter. Den raske ældre kontrolgruppe af forsøgspersoner vil blive rekrutteret baseret på: (i) offentlig annoncering og (ii) kontakter med universiteterne i den tredje alder og seniorklubberne omkring Warszawa by.

IV.2. Træningsprocedurer Patienterne fra PD-TR-gruppen vil udføre en 8-ugers HIIT-cyklus. Det 8-ugers HIIT-program vil bestå af tre ugentlige 1-timers træningssessioner (hver bestående af en 10-minutters opvarmning, 40 minutters højintensiv intervaltræning og en 10-minutters nedkølingsfase ved en langsom frivillig hastighed ) udført på et stationært cyklusergometer (MONARK, Ergomedic 874E, Sverige), der vil måle kadence (omdrejninger pr. minut; [rpm]) og effekt [W]. Under hver træningssession vil intervaløvelsen bestå af 8 sæt af 5-min intervaller, inklusive 3 min cykling ved ≥ 60 [rpm], men helst ved 80-90 [rpm] (hurtig fase af interval) og 2 min cykling ved ≤ 60 [rpm] (langsom fase af interval). Patienterne i PD-TR-gruppen vil blive rytmisk cued af en metronom og verbalt opmuntret af en instruktør til at pedalere med den indstillede hastighed, der passer til de hurtige og langsomme faser. Kadenceværdierne vil blive præsenteret for hvert emne i realtid på en skærm som feedback for at styre omdrejningstallet under de forskellige intervalfaser. Pulsen (HR; slag pr. minut [bpm]) målt ved hjælp af et Polar-system (Polar, Finland), kadence [rpm] og effekt [W] vil blive overvåget og indsamlet under hver træningssession. Træningsvejleder vil justere modstanden for hver patient for at sikre cykling ved hver patients målpuls (THR) og med passende hastighed. PD-patienter vil cykle ved 60%-75% af deres individualiserede HRmax (maksimal hjertefrekvens). PD-patienterne vil blive opfordret til at cykle hurtigere (80-90 rpm eller 30 % hurtigere end deres frivillige pedalhastighed) under den hurtige fase af intervallet og til at øge hans/hendes THR hver 2. uge med 5 % (60 % af HRmax under 1-2 uger, 65% i løbet af 3-4 uger, 70% i løbet af 5-6 uger og 75% i løbet af 7-8 ugers træningsperiode). Derudover vil patienternes opfattelse af træningsintensiteten (for de hurtige og langsomme faser af intervallet) blive vurderet ved hjælp af Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) (Borg, 1982).

IV.3. Måleprocedurer Alle PD-patienter vil blive undersøgt under deres medicin-off-fase, dvs. efter 12 timers seponering natten over af anti-parkinsonmedicin (24 timer for forlænget frigivelsesmedicin). Testsessionernes rækkefølge for specifikke metoder er som følger: 1. dag - (i) blodprøvetagning; (ii) psykologiske, neurologiske og funktionelle tests -> 2. dag - (i) EEG + EMG + kraft.

IV.4. Statistisk analyse Efterforskerne vil først udføre en sammenligning mellem grupper for alle demografiske og kliniske karakteristika for at kontrollere for forskelle i baseline. Dette vil blive gjort ved hjælp af den tosidede Student's t-test eller Mann-Whitney U-test for normalt og ikke-normalfordelte data eller Fishers eksakte test for beredskabsdata. Variansanalyse af gentagne mål vil blive brugt til at udføre en sammenligning mellem grupper af ændringer i testpunkterne. Væsentlige hovedeffekter vil derefter blive udsat for en post-hoc parvis sammenligning primært mellem PD-TR og PD-NTR, og PD-TR og H-CO. Korrelationsanalyse (Pearson eller Spearman korrelationskoefficient) vil blive udført mellem EEG, EMG (beskriver NPF'er), PMB'er og neuroplasticitetsmarkørers resultater. For alle analyser vil et signifikansniveau blive sat til α=0,05 med Bonferroni-justeringer for flere sammenligninger, når det er nødvendigt.