Korkean intensiteetin intervalliharjoittelun vaikutus neuroplastisuuden mekanismeihin Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla

I. Tutkimusprojektin tavoitteet

Tavoite 1. Tutkia kahden HIIT-syklin vaikutusta presynaptiseen aivojuovion DA:n saatavuuteen (dorsaalisessa putamenissa) testatuilla PD-potilailla käyttämällä PET-kuvausmenetelmää 18F-dopa - [18F]fluorodopan sisäänoton kanssa, joka tarjoaa tässä tapauksessa erittäin hyvän palautumisindeksin. striataalinen presynaptinen dopaminerginen toiminta (Brooks ja Pavese, 2011).

Hypoteesi 1. Presynaptinen aivojuovion dopaminerginen toiminta paranee (18F-dopan sisäänoton lisääntyminen) HIIT-syklin ensimmäisen ja toisen kierroksen jälkeen verrattuna PD-TR-ryhmän lähtötasoon ja säilyy 1 vuoden seuranta-ajan puitteissa (3 kuukautta toisen HIIT:n jälkeen). syklin lopettaminen). PD-NTR-ryhmässä presynaptinen striatalin dopaminerginen toiminta ei parane tai jopa huononee (18F-dopan sisäänoton väheneminen) samassa aikavälissä. Tämän hypoteesin kannalta on tärkeää, että putaminaalisen 18F-dopan vuotuinen lasku on noin 10 % varhaisessa PD:ssä (Morrish et al., 1995).

Tavoite 2. Karakterisoida kahden HIIT-syklin vaikutusta neurofysiologisiin toimintoihin (NPF) seuraavissa: (i) motorisissa ja kognitiivisissa aivokuoren ja aivokuoren rakenteissa (jotka ovat kriittisesti riippuvaisia ​​presynaptisen DA:n saatavuudesta) käyttämällä fMRI:tä ja EEG:tä, ja (ii) ) motoriseen tehtävään osallistuvat luustolihakset pinta-EMG:n avulla. Seuraavia keskushermoston (CNS) neurofysiologisia toimintoja testataan suoritettaessa DA:n saatavuudesta riippuvaa itse aloitettua etusormimotorista tehtävää ja tämän motorisen tehtävän (kognitiivinen tehtävä) mielikuvituksen aikana: (i) aivokuoren aktivaatiotaso ja aivokuoren rakenteet ja (ii) hermorakenteiden välisen toiminnallisen kytkennän vahvuus (toiminnallinen liitettävyys). Luustolihasten NPF:iden osalta tutkijat tutkivat motoristen yksiköiden aktivointistrategiaa. Lisäksi, koska tutkijat tallentavat EEG:n ja EMG:n samanaikaisesti, tutkijat arvioivat aivokuoren ja lihaksen kytkennän voimakkuutta.

Hypoteesi 2. NPF:t paranevat ensimmäisen ja toisen HIIT-syklin jälkeen verrattuna PD-TR-ryhmän lähtötasoon ja säilyvät 1 vuoden seuranta-ajan puitteissa. Nimittäin tutkijat spekuloivat, että motorisessa tehtävässä ja mielikuvatehtävässä keskushermostotoiminnassa se tulee olemaan: (1) aktivaation lisääntyminen substantia nigrassa (SN), putamenissa (PUT), primaarisessa motorisessa aivokuoressa (M1), täydentävässä motorisessa aivokuoressa. alue (SMA); (2) lateraalisen esimotorisen aivokuoren (PMC) ja pikkuaivojen aktivaation väheneminen; samanaikaisesti (3) lisäämällä toiminnallista kytkentää: SN ja PUT; PUT, jossa on M1, PMC, SMA ja dorsolateraalinen prefrontaalinen aivokuori (DLPFC); ja DLPFC M1:n, PMC:n, SMA:n ja pikkuaivojen kanssa; (4) M1:n, PMC:n, SMA:n, pikkuaivojen ja parietaalikuoren välisen toiminnallisen kytkennän väheneminen; ja (5) mentaalisen kuvantamistehtävän osalta tutkijat olettavat lisäksi parietaalisen aivokuoren aktivaation lisääntymisen ja niskakuoren aktivaation vähenemisen. Luustolihasten toiminnan kannalta se on parannus motoristen yksiköiden rekrytointistrategiassa. Ottaen huomioon aivokuoren ja motorisia tehtäviä suorittavien luurankolihasten sähköisen aktiivisuuden samanaikaisen tallennuksen tiedot, tutkijat olettavat kortikomuskulaarisen kytkennän vahvistumista. PD-NTR-ryhmässä NPF:t eivät parane tai jopa pahenevat samalla aikavälillä ja erityisesti 1 vuoden kuluttua lähtötasosta.

Tavoite 3. Luonnehtia kahden HIIT-syklin vaikutusta psykomotorisiin käyttäytymismalleihin (PMB), jotka ovat kriittisesti riippuvaisia ​​DA:n saatavuudesta ja aivojen NPF:istä. Seuraavia PMB:itä testataan useiden kokeiden aikana: (1) itse aloitettu bimanuaalinen anti-vaiheinen etusormen taivutus/extension liiketehtävä ja henkinen kuva tästä tehtävästä fMRI-skannausten aikana, (2) itse aloitettu bimanuaalinen vaiheen vastainen etusormen sieppaus/ adduktioliiketehtävä ja tämän tehtävän mielikuvat samanaikaisten EEG-, EMG- ja voimatallenteiden aikana; (3) yksinkertainen bimanuaalisen kätevyyden toiminnallinen testi (käyttämällä peg board -testiä), (4) kaikkien motoristen ja ei-motoristen PD-oireiden arviointi, joka perustuu neurologiseen arviointiin, (5) yleinen kognitiivinen toiminta ja erityisesti toimeenpanotoiminnan näkökohdat psykologisten testien avulla.

Hypoteesi 3. PMB:t paranevat ensimmäisen ja toisen HIIT-syklin jälkeen verrattuna PD-TR-ryhmän lähtötasoon ja säilyvät 1 vuoden seuranta-ajan puitteissa, mikä johtuu presynaptisen striataalisen DA:n saatavuuden ja NPF:ien parantumisesta. PMB-parannuksia ei esiinny PD-NTR-ryhmässä tai jopa PMB:t huononevat samalla aikavälillä ja varsinkin 1 vuoden kuluttua lähtötasosta.

Tavoite 4. Arvioida: (i) kahden HIIT-syklin vaikutus BDNF:n (aivoperäinen neurotrofinen tekijä), NGF:n (hermokasvutekijä), IGF-1:n (insuliinin kaltainen kasvutekijä tyyppi 1) eritystasoon markkereina käsitellyssä veressä neuroplastisuuden tehokkuudesta ja (ii) BDNF-polymorfismin vaikutuksesta PD-potilaiden neuroplastiseen vasteeseen HIIT:lle (ilmaistuu harjoituksen aiheuttamana presynaptisen DA-tason nousuna ja NPF'- ja PMB-arvojen paranemisena).

Hypoteesi 4. BDNF:n, NGF:n ja IGF-1:n eritystaso nousee ensimmäisen ja toisen HIIT-syklin jälkeen verrattuna lähtötasoon PD-TR-ryhmässä ja säilyy 1 vuoden seuranta-ajan puitteissa. Toisin kuin PD-TR-ryhmässä, BDNF:n, NGF:n ja IGF-1:n eritystason paranemista ei ole havaittavissa PD-NTR-ryhmässä tai jopa niiden taso laskee 1 vuoden seurannan jälkeen. BDNF-polymorfismin tyyppi vaikuttaa PD-potilaiden neuroplastiseen vasteeseen HIIT:lle, ja mahdollisesti huonompi vaste BDNF:n Val66Met-polymorfismille (tämä polymorfismi aiheuttaa valiinin muutoksen metioniiniksi proBDNF-proteiinin kohdassa 66).

Tavoite 5. Tutkia presynaptisen DA:n saatavuuden yhteyksiä tietyn polymorfismityypin NPF-, PMB- ja BDNF-tasoihin.

Hypoteesi 5. Tutkijat olettavat, että HIIT:hen liittyvä presynaptisen DA:n saatavuuden lisääntyminen korreloi merkittävästi positiivisesti seuraavien kanssa: (i) NPF:n ja PMB:n paraneminen ja lisääntynyt BDNF:n eritys veressä ja (ii) negatiivisesti BDNF Val66Met:n kanssa. polymorfismityyppi PD-TR-ryhmässä. Toisin kuin edellä, presynaptisen striataalisen DA:n saatavuuden ja NPF-, PMB- ja BDNF-tason korrelaatiot puuttuvat tai ovat vähemmän merkittäviä PD-NTR-ryhmässä.

II. Tutkimussuunnitelma ja työsuunnitelma

Tämä projekti on pitkittäinen, 1 vuoden seuranta, satunnaistettu kontrolloitu tutkimus, jossa on kolme haaraa. Tämän tutkimuksen tutkijat suorittavat koko lohkotyypin satunnaistusprosessin käyttämällä peräkkäin numeroituja suljettuja kirjekuoria. Läpinäkymättömiä kirjekuoria käytetään allokoinnin piilottamiseen. Hankkeessa on mukana kaksi PD-potilasryhmää: PD-TR - PD-potilaat, jotka suorittavat fyysisen harjoittelujakson; PD-NTR - kouluttamattomat PD-potilaat ja yksi H-CO - terve kontrolliryhmä, joka ei suorita HIIT-syklejä. Kaikki PD-potilaat (PD-TR ja PD-NTR) tutkitaan heidän lääkityksensä "OFF-vaiheen" aikana seuraavina ajankohtina: Pre HIIT 1, 1 viikko, 1,5 kuukautta ja 3 kuukautta HIIT 1:n jälkeen; ja sitten vastaavasti 1 viikko, 1,5 kuukautta ja 3 kuukautta HIIT 2:n jälkeen. H-CO:n koehenkilö testataan vain kerran.

III. Tutkimusmenetelmät

III.1.1. Koehenkilöiden ominaisuudet Neurologisen arvioinnin perusteella 40 PD-henkilöä (ikä 45-65 vuotta) kelpuutetaan tutkimukseen sen jälkeen, kun heillä on diagnosoitu idiopaattinen PD. Parkinsonin taudin diagnoosi perustuu sairaushistoriaan, fyysisiin ja neurologisiin tutkimuksiin sekä L-dopa-vasteeseen. Kokenut liikehäiriöneurologi arvioi potilaat kliinisesti UPDRS- ja H&Y-asteikolla. Saadakseen mahdollisimman homogeenisen potilasryhmän, jolla on yhtenäinen lääkitys (tärkeä PET-mittauksissa), joka pystyy suorittamaan HIIT-syklin ja osallistumaan täysimääräisesti testausistuntoihin, tutkijat rajoittavat potilaiden rekrytoinnin lievään PD:hen (1-2 pistettä). H&Y-asteikolla) ja bradykinesian esiintyvyys ja vapina puuttuminen tai vähemmän korostunut. Terveet kontrolliryhmät koostuvat iän, sukupuolen, pituuden ja ruumiinpainon suhteen vastaavista terveistä yksilöistä.

III.1.2. Koehenkilöiden rekrytointi PD-kohteet on rekrytoitu Neurology Clinicsistä Varsovassa, Puolassa. Terveet vanhukset koehenkilöiden rekrytointi perustuu: (i) julkiseen ilmoitukseen ja (ii) yhteyksiin Varsovan kaupungin kolmannen iän yliopistoihin ja senioriklubeihin.

III.2. Harjoittelutoimenpiteet PD-TR-ryhmän potilaat suorittavat kaksi 12 viikon HIIT-sykliä jaettuna 3 kuukauden tauolla. Tämä HIIT-sykli koostuu kolmesta 1 tunnin harjoituksesta viikossa. Jokainen 1 tunnin harjoituskerta koostuu 10 minuutin lämmittelystä (hitaalla vapaaehtoisella nopeudella), 40 minuutin intervalliharjoittelusta ja 10 minuutin jäähdytysvaiheesta. Jokaisella harjoituskerralla intervalliharjoitusosuus koostuu 10 sarjasta 4 minuutin intervallisarjaa sisältäen 2 minuutin pyöräilyn nopeudella ≥ 60 [rpm], mutta mieluiten 80-90 [rpm] (nopea välivaihe) ja 2 minuutin pyöräilyä nopeudella ≤ 60 [rpm] (välin hidas vaihe). Harjoittelu suoritetaan kiinteällä pyöräergometrillä (MONARK, Ergomedic 874E, Ruotsi), jolla voidaan mitata poljinnopeus [rpm] ja teho [W]. Syke (HR, [bpm]) mitataan Polar-järjestelmällä (Polar, Suomi). Harjoittelun valvoja säätää vastuksen jokaiselle potilaalle varmistaakseen pyöräilyn kunkin potilaan tavoitesykenopeudella (THR) ja sopivalla nopeudella. Kaikki harjoitukset suoritetaan potilaiden lääkityksen aikana (parkinson-lääkityksen edullinen vaikutus). Potilaat polkevat sykloergometriä 60–80 %:lla yksilöllisestä sykestään ja heitä rohkaistaan ​​pyöräilemään nopeammin (80–90 rpm tai 30 % nopeampi kuin heidän toivomansa vapaaehtoinen nopeus) intervalliharjoittelun nopean vaiheen aikana. Jokainen potilas nostaa tavoitesykeään 2 viikon välein 5 % 60 %:sta 80 %:iin seuraavassa järjestyksessä: 60 % HRmax:sta kahden ensimmäisen viikon aikana, 65 % 3-4 viikon aikana, 70 %. 5-6 viikon aikana, 75 % 7-9 viikon aikana ja 80 % 10-12 viikon harjoitusjakson aikana. Näiden 36 harjoituskerran jokaisen osan aikana (lämmittely; intervalliharjoittelun nopea ja hidas vaihe; hidastus) tutkijat mittaavat kunkin kohteen osalta: (i) HRmax-prosenttien arvot, (ii) poljinnopeuden ja teho, ja (iii) potilaiden käsitys harjoituksen intensiteetistä käyttämällä Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) -luokitusta (Borg, 1982). Kognitiivisen sitoutumisen tehostamiseksi harjoitteluissa PD-potilaissa poljinnopeustiedot (pyöräilynopeus) esitetään kunkin potilaan näytöllä räätälöidyn palautejärjestelmän avulla. Potilas näkee kaksi pystysuoraa palkkia, joista ensimmäinen on asetettu nopeuden tavoitetaso (sopii hitaan tai nopean intervallin vaiheeseen) ja toinen on potilaan harjoittelun synnyttämä todellinen nopeus. Lisäksi PD-potilaita ohjataan metronomilla ja ohjaajan suullisilla kommenteilla polkemaan sopivalla rytmillä, joka sovitetaan asetettuun nopeuteen.

IV. Tilastollinen analyysi

Tutkijat suorittavat ensin ryhmien välisen vertailun kaikille demografisille ja kliinisille ominaisuuksille tarkistaakseen lähtötilanteen erot (opiskelijan t-testi tai Mann-Whitney U -testit normaalisti ja ei-normaalisti jakautuneille tiedoille tai Fisherin tarkka testi satunnaisille tiedoille). Toistuvia mittauksia ANOVAa käytetään testauspisteiden muutosten ryhmien väliseen vertailuun. Merkittävät päävaikutukset tehdään sitten post-hoc-parikohtaiseen vertailuun ensisijaisesti PD-TR:n ja PD-NTR:n sekä PD-TR:n ja H-CO:n välillä. Korrelaatioanalyysi (Pearsonin tai Spearmanin korrelaatiokerroin) suoritetaan PET-tietojen (näyttää DA:n saatavuuden) ja fMRI:n, EEG:n, EMG:n (kuvaavat NPF:t), PMB:iden ja neuroplastisuusmarkkerien tulosten välillä. Kaikissa analyyseissä merkitsevyystasoksi asetetaan α=0,05 Bonferroni-säädöillä useiden vertailujen suorittamiseksi tarvittaessa.