Durch körperliches Training induzierte Plastizität motorischer Kontrollmechanismen bei Patienten mit Parkinson-Krankheit

I. Ziele des Forschungsprojekts

Ziel 1. Charakterisierung eines Einflusses des 8-wöchigen HIIT-Zyklus auf neurophysiologische Funktionen (NPFs) von: (i) motorischen kortikalen Strukturen (die entscheidend von der präsynaptischen DA-Verfügbarkeit abhängen), unter Verwendung von EEG, und (ii) Skelettmuskeln, die an motorischen Aufgaben beteiligt sind , unter Verwendung von Oberflächen-EMG. Die folgenden neurophysiologischen Funktionen des ZNS werden während der Ausführung der DA-Verfügbarkeits-abhängigen selbstinitiierten bimanuellen motorischen Aufgaben getestet: (i) ein Aktivierungsniveau kortikaler Strukturen und (ii) die Stärke der funktionellen Kopplung zwischen neuralen Strukturen. Für Skelettmuskel-NPFs werden die Forscher eine Strategie zur Aktivierung motorischer Einheiten untersuchen. Da die Ermittler EEG und EMG gleichzeitig aufzeichnen, werden die Ermittler auch die Stärke der kortiko-muskulären Kopplung beurteilen.

Hypothese 1. NPFs verbessern sich nach dem 8-wöchigen HIIT-Zyklus im Vergleich zum Ausgangswert in der PD-TR-Gruppe und halten einen Monat nach HIIT an. Die Forscher spekulieren nämlich, dass es sich bei dem Motor in der ZNS-Aktivität um Folgendes handeln wird: (1) primärer motorischer Kortex (M1), ergänzender motorischer Bereich (SMA); (2) Abnahme der Aktivierung des lateralen prämotorischen Kortex (PMC) und des Kleinhirns; bei gleichzeitiger (3) Steigerung der funktionellen Kopplung von: dorsolateralem präfrontalem Kortex (DLPFC) mit M1, PMC, SMA und Kleinhirn; (4) Abnahme der funktionellen Kopplung zwischen M1, PMC, SMA, Cerebellum und Parietalcortex. Für die Skelettmuskelfunktion wird es eine Verbesserung der Rekrutierungsstrategie motorischer Einheiten sein. Unter Berücksichtigung der Daten aus der simultanen Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von Hirnrinde und Skelettmuskulatur, die an motorischen Aufgaben beteiligt sind, gehen die Forscher von einer Verstärkung der kortikomuskulären Kopplung aus. In der PD-NTR-Gruppe werden sich die NPFs im gleichen Zeitintervall nicht verbessern oder sogar verschlechtern.

Ziel 2. Charakterisierung eines Einflusses des 8-wöchigen HIIT-Zyklus auf das psychomotorische Verhalten (PMBs), das entscheidend von der DA-Verfügbarkeit und den NPFs des Gehirns abhängt. Die folgenden PMBs werden während mehrerer Experimente getestet: (1) selbstinitiierte bimanuelle Anti-Phasen-Bewegungsaufgaben während der gleichzeitigen EEG-, EMG- und Kraftaufzeichnungen (2) alle motorischen und nicht-motorischen PD-Symptombewertungen, basierend auf einer neurologischen Beurteilung, (3 ) allgemeine kognitive Funktion und speziell Aspekte der exekutiven Funktion unter Verwendung psychologischer Tests.

Hypothese 2. PMBs verbessern sich nach dem 8-wöchigen HIIT-Zyklus im Vergleich zum Ausgangswert in der PD-TR-Gruppe und halten einen Monat nach HIIT an, als Folge der Verbesserungen der präsynaptischen striatalen DA-Verfügbarkeit und NPFs. Die Verbesserung der PMBs wird nicht in der PD-NTR-Gruppe vorhanden sein, oder sogar die PMBs werden sich im gleichen Zeitintervall verschlechtern.

Ziel 3. Bewertung: (i) der Wirkung des 8-wöchigen HIIT-Zyklus auf den BDNF-, NGF-, IGF-1-Sekretionsspiegel im Blut, der als Marker für die Neuroplastizitätseffizienz (ausgedrückt in einem belastungsinduzierten Anstieg des präsynaptischen DA-Spiegels und einer Verbesserung) behandelt wird von NPF' und PMBs).

Hypothese 3. Das Sekretionsniveau von BDNF, NGF und IGF-1 steigt nach dem ersten und zweiten Durchgang des HIIT-Zyklus im Vergleich zum Ausgangswert in der PD-TR-Gruppe und hält einen Monat nach dem HIIT an. Im Gegensatz zur PD-TR-Gruppe wird die Verbesserung des BDNF-, NGF- und IGF-1-Sekretionsspiegels in der PD-NTR-Gruppe nicht vorhanden sein oder sogar ihr Spiegel sinken.

II. Begründung für die Behandlung spezifischer wissenschaftlicher Probleme durch das vorgeschlagene Projekt.

II.1. EEG- und EMG-Anwendung zur Bewertung von NPFs von kortikalen Hirnstrukturen und Skelettmuskeln II.1.1. Der Grad der Aktivierung neuraler kortikaler Strukturen wird mit EEG-Mittelwertbildung und Quellenanalyse (kortikale Neuronenschaltungen) bewertet.

II.1.2. Die Stärke der funktionellen Kopplung zwischen den neuralen kortikalen Strukturen wird mit der EEG-EEG-Kohärenzanalyse bewertet:

II.1.3. Die Aktivierungsstrategie der motorischen Einheiten des Skelettmuskels während der motorischen Aufgabe wird mit Oberflächen-EMG-Standardanalyse und SSA getestet.

II.1.4. Die Stärke der funktionellen kortikomuskulären Kopplung wird mit einer Analyse der Kohärenz zwischen EEG- und EMG-Signalen bewertet:

II.2. PMBs werden basierend auf der Leistung von motorischen und kognitiven Aufgaben sowie neurologischen und psychologischen Tests/Skalen bewertet:

II.2.1. Selbstinitiierte bimanuelle Anti-Phasen-Zeigefingerbewegungen und bimanuelle Geschicklichkeitsaufgaben werden während gleichzeitiger EEG-, EMG- und Kraftaufzeichnungen basierend auf der Analyse der Kraftentwicklung bewertet.

II.2.2. Bewertung der motorischen und nicht-motorischen PD-Symptome basierend auf einer neurologischen Beurteilung unter Verwendung der gesamten Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) und der Hoehn- und Yahr-Skala (H&Y). Zum Zweck der Korrelationsschätzung zwischen der in Punkt II.2.1 beschriebenen bimanuellen Geschicklichkeitsfunktion wählen die Prüfer aus dem UPDRS die Werte für die manuelle und die bimanuelle Funktion aus. Die Ermittler analysieren nämlich die Parkinson-Bradykinesie-Scores der betroffenen/stärker betroffenen oberen Extremität basierend auf den Items 23-25 ​​von UPDRS (Fingerklopfen, Öffnen und Schließen der Hände, Pronation-Supination-Handbewegungen). Die Ermittler werden auch Folgendes analysieren: (i) eine Ausführung manueller Funktionen des täglichen Lebens basierend auf den Punkten 8-11 von UPDRS (Handschrift, Schneiden von Lebensmitteln und Handhabung von Utensilien, Ankleiden, Hygiene). Zusätzlich werden die Ermittler die Lebensqualität anhand der Schwab and England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn und Elton, 1987) bewerten.

II.2.3. Psychologische Bewertung der Exekutivfunktion mit zwei Tests: dem Trail Making Test (TMT) und dem Stroop Test (ST). Sowohl beim TMT- als auch beim ST-Test wird die Zeit, die zum Abschließen des Tests benötigt wird, als Leistungsmaß verwendet, wobei eine kürzere Zeit eine bessere Leistung bedeutet. Um die Patienten mit Demenz auszuschließen, wenden die Ermittler außerdem den Mini Mental State Examination Test (MMSE) an (Folstein et al., 1975).

II.3. Sekretion neurotropher Faktoren im Blut Unter Verwendung des enzymgebundenen Immunadsorptionstests (ELISA-Technik) werden die Forscher die Sekretion von Serum-BDNF, NGF, IGF-1 im Blut beurteilen, die für die Neurogenese, Synaptogenese und Angiogenese verantwortlich sind.

III. Arbeitsplan Die Projektrealisierung ist auf 24 Monate angelegt. Das Projekt wird zwei PD-Patientengruppen einschreiben: PD-TR – die PD-Patienten, die einen körperlichen Trainingszyklus durchführen werden; PD-NTR – nicht trainierte PD-Patienten und eine H-CO – gesunde Kontrollgruppe, die die HIIT-Zyklen nicht durchführt.

Das Projekt beginnt mit einer Baseline-Testsitzung (PRE-HIT) in beiden PD-Gruppen. Dann führt die PD-TR-Gruppe den 8-wöchigen HIIT-Zyklus durch, und die PD-NTR-Gruppe führt in diesem Zeitraum keinen HIIT-Zyklus durch. Dann, 1 Woche und einen Monat nach Beendigung des HIIT-Zyklus, führen die Ermittler Testsitzungen in der PD-TR- und PD-NTR-Gruppe durch. Die gesunde Kontrollgruppe wird nur zu einem Zeitpunkt getestet, wenn der Laborraum nicht mit PD-Patiententests belegt ist.

IV. Forschungsmethodik

IV.1. Forschungsdesign Bei diesem Projekt handelt es sich um eine randomisierte (Opaque Envelopes Randomization) kontrollierte Längsschnittstudie mit 3 Armen. Die Ermittler werden 40 PD-Personen rekrutieren, die nach dem Zufallsprinzip in zwei gleiche Gruppen eingeteilt werden: PD-TR (N = 20) und PD-NTR (N = 20). Die Forscher werden die Ergebnisse dieser beiden Gruppen vergleichen, um einen Längsschnitteffekt von HIIT-Zyklen auf die Messergebnisse zu untersuchen. Darüber hinaus werden die Forscher eine gesunde Kontrollgruppe (H-CO; N=20) rekrutieren, die nur einmal getestet wird und einen „gesunden Zustand“ für Vergleiche mit beiden PD-Patientengruppen darstellt. Der Vergleich von PD-NTR mit H-CO zeigt uns die Mechanismen pathologischer Veränderungen bei PD-Patienten, und der Vergleich von PD-TR mit H-CO gibt uns die Möglichkeit, den Charakter der Mechanismen (Wiederherstellung oder Kompensation) von HIIT-induzierten zu untersuchen Veränderungen bei PD-Patienten.

Die 40 PD-Personen werden für unsere Studie qualifiziert, nachdem basierend auf einer neurologischen Beurteilung eine idiopatische PD diagnostiziert wurde. Die Diagnose der Parkinson-Krankheit basiert auf der Krankengeschichte, körperlichen und neurologischen Untersuchungen und dem Ansprechen auf L-Dopa. IV.2.2. Rekrutierung von Probanden. Die PD-Probanden werden von der Neurologischen Klinik der Wroclaw Medical University (WMU) in Breslau, Polen, rekrutiert, wo die Person, die die neurologische PD-Patientenbewertung in unserem Projekt durchführt (Budrewicz Slawomir, M.D., Ph.D.) als Neurologe für Bewegungsstörungen beschäftigt ist und dort PD-Patienten konsultieren. Unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit und Spitzenposition der WMU sind sich die Prüfärzte sicher, dass die Prüfärzte in der Lage sein werden, 40 Parkinson-Patienten zu rekrutieren und abschließend zu qualifizieren. Die gesunde ältere Kontrollgruppe von Probanden wird rekrutiert auf der Grundlage von: (i) öffentlicher Werbung und (ii) Kontakten mit den Universitäten des dritten Lebensalters und den Seniorenclubs in der Stadt Warschau.

IV.2. Trainingsverfahren Die Patienten der PD-TR-Gruppe durchlaufen einen 8-wöchigen HIIT-Zyklus. Das 8-wöchige HIIT-Programm besteht aus drei wöchentlichen 1-stündigen Trainingseinheiten (jeweils bestehend aus einem 10-minütigen Aufwärmen, 40-minütigen hochintensiven Intervallübungen und einer 10-minütigen Abkühlphase in einer langsamen freiwilligen Geschwindigkeit ) durchgeführt auf einem stationären Fahrradergometer (MONARK, Ergomedic 874E, Schweden), das die Trittfrequenz (Umdrehungen pro Minute; [rpm]) und die Leistung [W] misst. Während jeder Trainingseinheit besteht das Intervalltraining aus 8 Sätzen von 5-Minuten-Intervallen, einschließlich 3 Minuten Radfahren bei ≥ 60 [U/min], vorzugsweise jedoch bei 80-90 [U/min] (schnelle Phase des Intervalls) und 2 Minuten Radfahren bei ≤ 60 [rpm] (langsame Phase des Intervalls). Die Patienten in der PD-TR-Gruppe werden von einem Metronom rhythmisch angeleitet und von einem Instruktor verbal ermutigt, mit der eingestellten Geschwindigkeit zu treten, die für die schnellen und langsamen Phasen geeignet ist. Die Trittfrequenzwerte werden jedem Probanden in Echtzeit auf einem Bildschirm als Feedback zur Steuerung der Drehzahl während der verschiedenen Intervallphasen präsentiert. Die mit einem Polar-System (Polar, Finnland) gemessene Herzfrequenz (HF; Schläge pro Minute [bpm]), Trittfrequenz [U/min] und Leistung [W] werden während jeder Trainingseinheit überwacht und erfasst. Der Trainingsleiter passt den Widerstand für jeden Patienten an, um sicherzustellen, dass das Radfahren mit der Zielherzfrequenz (THR) jedes Patienten und mit angemessener Geschwindigkeit erfolgt. PD-Patienten radeln mit 60 % bis 75 % ihrer individualisierten HRmax (maximale Herzfrequenz). Die PD-Patienten werden ermutigt, während der schnellen Phase des Intervalls schneller zu fahren (80–90 U/min oder 30 % schneller als ihre freiwillige Tretfrequenz) und ihre ZHF alle 2 Wochen um 5 % zu erhöhen (60 % der HFmax während 1-2 Wochen, 65 % während 3-4 Wochen, 70 % während 5-6 Wochen und 75 % während 7-8 Wochen des Trainingszeitraums). Zusätzlich wird die von den Patienten wahrgenommene Belastungsintensität (für die schnellen und langsamen Phasen des Intervalls) mit dem Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) (Borg, 1982) bewertet.

IV.3. Messverfahren Alle PD-Patienten werden während ihrer Medikations-Off-Phase untersucht, d. h. nach einem 12-stündigen Absetzen von Anti-Parkinson-Medikamenten über Nacht (24 Stunden für Medikamente mit verzögerter Freisetzung). Die Reihenfolge der Testsitzungen für bestimmte Methoden ist wie folgt: 1. Tag – (i) Blutentnahme; (ii) psychologische, neurologische und funktionelle Tests -> 2. Tag – (i) EEG + EMG + Kraft.

IV.4. Statistische Analyse Die Prüfärzte führen zunächst einen Vergleich zwischen den Gruppen für alle demografischen und klinischen Merkmale durch, um auf Basislinienunterschiede zu prüfen. Dazu werden der zweiseitige Student-t-Test oder Mann-Whitney-U-Tests für normal- und nicht-normalverteilte Daten oder der exakte Fisher-Test für Kontingenzdaten verwendet. Die Varianzanalyse mit wiederholten Messungen wird verwendet, um einen Vergleich der Änderungen in den Testpunkten zwischen den Gruppen durchzuführen. Signifikante Haupteffekte werden dann einem post-hoc paarweisen Vergleich primär zwischen PD-TR und PD-NTR und PD-TR und H-CO unterzogen. Es wird eine Korrelationsanalyse (Pearson- oder Spearman-Korrelationskoeffizient) zwischen den Ergebnissen von EEG, EMG (zur Beschreibung von NPFs), PMBs und Neuroplastizitätsmarkern durchgeführt. Für alle Analysen wird ein Signifikanzniveau auf α = 0,05 mit Bonferroni-Anpassungen für Mehrfachvergleiche festgelegt, falls erforderlich.