Impatto delle conduttanze persistenti sull'accensione delle unità motorie nella SCI

Background/Razionale/Revisione della letteratura

Iperreflessia, spasmi e perdita di coordinazione motoria sono disturbi comuni negli individui con LM. Sebbene non completamente compresi, studi recenti suggeriscono che le correnti interne persistenti (PIC) nei motoneuroni svolgono un ruolo importante nella generazione di iperreflessia e spasmi involontari (Gorassini et al. 2004; Nickolls et al. 2004; Norton et al. 2008; Thomas et al. 2008; Thomas et al. al.2002). I modelli animali di lesione cronica del midollo spinale indicano inoltre il coinvolgimento differenziale dell'aumento dei PIC di sodio e calcio nei riflessi prolungati associati alla spasticità (Harvey et al. 2006; Li e Bennett 2003; Li et al. 2004a; Li et al. 2004c). Inoltre, è stato dimostrato che la somministrazione orale del farmaco Rilutek®, un inibitore selettivo, progressivo e persistente della corrente di sodio, riduce le risposte di astinenza in flessione in soggetti con LM cronica (Theiss et al. 2008), presumibilmente a causa della riduzione delle correnti di sodio persistenti nei neuroni partecipanti.

Oltre alla perdita della spinta corticale discendente, anche l'input monoaminergico al midollo spinale è spesso interrotto nella LM. Come ipotizzato da Jacobs e Fornal (Jacobs e Fornal 1993; Jacobs et al. 2002), la serotonina agisce per facilitare l'output motorio e inibire l'input sensoriale. La rimozione dell'input monoaminergico nell'uomo può quindi portare a debolezza motoria e riflessi ipereccitabili con conseguente compromissione della funzione motoria.

Oltre ai cambiamenti nella modulazione facilitativa o inibitoria dei circuiti spinali, la perdita dell'input monoaminergico discendente può anche modificare l'eccitabilità intrinseca dei neuroni spinali stessi. Dopo la completa transezione spinale, gli studi sulle proprietà elettriche dei neuroni spinali al di sotto della lesione rivelano che inizialmente gli interneuroni, specialmente nel corno dorsale, diventano ipereccitabili, mentre l'eccitabilità dei motoneuroni precipita. Nel motoneurone, un fattore chiave in questa drastica diminuzione è la perdita di correnti interne persistenti (PIC). Le correnti persistenti sono conduttanze che, una volta attivate, non si spengono, o almeno si inattivano a un ritmo estremamente lento. I PIC hanno un profondo effetto sull'eccitabilità dei neuroni spinali, sia amplificando che prolungando il loro input (Prescott e De Koninck 2005) e consentendo loro di produrre output di lunga durata, potenziali di plateau e comportamento bistabile (Heckman et al. 2005; Hounsgaard et al. 1984; Lee e Heckman 1998). La perdita di PIC ha un impatto così forte che i motoneuroni producono solo output brevi e deboli agli input ipereccitabili degli interneuroni (Baldissera et al. 1981; Heckman 1994; Kehne et al. 1985; Nygren e Olson 1976).

Nei modelli animali di lesioni croniche, tuttavia, i PIC motoneuronali ritornano (Li e Bennett 2003; Li et al. 2004a), ripristinando la capacità dei motoneuroni di produrre output sostenuto in risposta all'input sinaptico. Il ritorno dei PIC motoneuroni, che consente ai motoneuroni di recuperare completamente la loro capacità di produrre output sostenuto in risposta all'input sinaptico, coincide con la comparsa della spasticità (Li et al. 2004b). Inoltre, il blocco di questi PIC e dei potenziali di plateau di lunga durata inibisce il comportamento spastico (Bennett et al. 2001a; Li et al. 2004a). Per riassumere, nel modello animale della condizione SCI cronica, i motoneuroni dimostrano un notevole recupero dei PIC, che probabilmente svolgono un ruolo importante nella trasmissione degli input del riflesso sinaptico che generano la spasticità.

Precedenti studi su modelli animali hanno dimostrato che NaP è essenziale per la produzione di scariche ritmiche a input sostenuti o che aumentano lentamente, come il potenziale d'azione dopo l'iperpolarizzazione (AHP) (Kuo et al. 2006; Lee e Heckman 2001). Il blocco del NaP con il riluzolo diminuisce le capacità di fuoco ripetitivo (Harvey et al. 2006; Kuo et al. 2006; Kuo et al. 2005; Ptak et al. 2005; Theiss et al. 2007; Urbani e Belluzzi 2000) e riduce il guadagno accompagnato da uno spostamento di polarizzazione verso destra nella relazione input-output (Kuo et al. 2006; Theiss et al. 2007), che è indicativo di un aumento dell'input necessario per avviare l'output. Inoltre, NaP amplifica e prolunga le risposte di depolarizzazione a stimoli brevi (Prescott e De Koninck 2005). Il CaP, come la corrente di calcio di tipo L, è responsabile dei potenziali di plateau, che sono una depolarizzazione sostenuta dopo la cessazione dell'input di corrente (Hounsgaard e Kiehn 1989; Morisset e Nagy 1999; Russo e Hounsgaard 1996; Voisin e Nagy 2001). Inoltre, il CaP contribuisce al prolungamento delle risposte depolarizzanti a stimoli brevi (Prescott e De Koninck 2005).

Negli studi sull'uomo, i modelli di attivazione in singole unità motorie da soggetti con LM cronica hanno mostrato differenze nella modulazione della frequenza (Thomas e Ross 1997), relazioni forza-velocità (Thomas et al. 1997), aumenti nella variabilità della scarica (Thomas et al. 2002) e durata prolungata dei potenziali post-sinaptici in risposta a input transitori utilizzando la tecnica PSF (Norton et al. 2008). Questi fenomeni, in particolare quelli che riflettono una prolungata attività muscolare involontaria in risposta a stimoli di breve durata, sono stati attribuiti alla presenza di PIC nei motoneuroni. Recenti risultati di Theiss (co-ricercatore del progetto) et al. (2008) hanno anche dimostrato che la somministrazione di agenti farmacologici che riducono i PIC, ad es. riluzolo, (che riduce NaP), diminuisce la risposta di flessione-ritiro in modo tale da imitare gli effetti del riluzolo osservati nei modelli animali. Questi sono uno spostamento di polarizzazione verso destra e una diminuzione del guadagno nella relazione input-output dei neuroni spinali animali (Kuo et al. 2006; Theiss et al. 2007). È interessante notare che la somministrazione di riluzolo ha anche migliorato la specificità dell'agonista nella produzione di coppia volontaria diminuendo la co-contrazione e aumentando l'area di coppia totale durante una contrazione volontaria massima (Theiss et al. 2008).

Diversi agenti farmacologici che riducono artificialmente i PIC nei neuroni spinali degli animali sono disponibili per uso umano. Il riluzolo, un inibitore specifico e progressivo della corrente NaP (Ptak et al. 2005; Urbani e Belluzzi 2000) è stato proposto come promettente trattamento neuroprotettivo per la LM acuta (Baptiste e Fehlings 2006; Fehlings e Baptiste 2005; Hawryluk et al. 2008; Schwartz e Fehlings 2002). Anche i bloccanti della corrente del CaP, come la nimodipina, (Harvey et al. 2006; Li e Bennett 2003), sono stati testati come potenziale trattamento nella LM acuta per ridurre l'eccitabilità neuronale (Fehlings e Baptiste 2005; Pointillart et al. 2000; Winkler et al.2003). L'isradipina, un bloccante della corrente del CaP canale-specifico (Fitton e Benfield 1990), è stata proposta come trattamento preventivo e acuto per il morbo di Parkinson (Surmeier 2007).

È interessante notare che, con l'eccezione delle indagini di Theiss (co-ricercatore del progetto) e colleghi sugli effetti di riluzolo e isradipina sulla risposta di ritiro della flessione e sui cambiamenti nella forza volitiva (Theiss et al. 2008, Theiss et al, 2011), gli effetti di entrambi gli agenti sulla funzione motoria, spasmi, spasticità e comportamenti di attivazione delle unità motorie nella LM cronica non sono stati studiati sistematicamente. Come studi di Theiss et al. (2008, 2011) hanno dimostrato che forniscono un meccanismo sicuro per esaminare i contributi delle correnti neuronali intrinseche alle menomazioni motorie.

Studi su modelli animali hanno anche dimostrato che le correnti mediate da NMDA hanno un ruolo nella produzione di riflessi spastici nella LM cronica (Bennett et al, 2001b). Queste correnti sono state discusse come un altro possibile contributo a spasmi prolungati anche nella LM cronica umana (Norton et al, 2008). Tenendo conto di questi ulteriori studi, un ulteriore obiettivo è quello di espandere il nostro studio per includere un'indagine preliminare su un possibile contributo delle correnti post-sinaptiche mediate da NMDA all'eccitabilità dei neuroni spinali e ai riflessi ipereccitabili nella SCI cronica.

Infine, lo stretching muscolare è un intervento clinico comunemente utilizzato e raccomandato dai terapeuti per ridurre l'impatto negativo della spasticità sulla funzione motoria (Smania et al 2010, Harvey & Herbert 2002). Fino a sette ore alla settimana di terapia vengono dedicate allo stretching (Taylor-Schroeder et al 2011) e il 27-41% delle PLM che si sottopongono a riabilitazione ospedaliera (Zanca et al 2011) riferiscono di fare stretching come parte della loro riabilitazione programma. Tuttavia, al momento non ci sono prove conclusive che dimostrino che lo stretching influenzi l'eccitabilità riflessa nelle persone con lesioni del midollo spinale (Bovend'Eerdt et al 2008).

Ipotesi/Domande chiave, Obiettivi della ricerca

Gli obiettivi di questo studio sono di indagare il contributo delle correnti interne persistenti (PIC) di sodio e calcio verso la mediazione dell'iperreflessia e dei disturbi del controllo motorio osservati nella lesione cronica del midollo spinale (SCI) utilizzando agenti farmacologici mirati. Questo studio metterà alla prova l'ipotesi che l'attività corrente aberrante nei motoneuroni spinali contribuisca all'iperreflessia spastica in seguito a lesione cronica del midollo spinale. Per valutare questa ipotesi si propongono tre obiettivi specifici:

1. indagare le caratteristiche chiave che distinguono il muscolo spastico negli individui con lesione cronica del midollo spinale da quello dei controlli spinale intatti valutando le differenze nei modelli di attivazione delle singole unità motorie e nel corso del tempo delle risposte agli input riflessi transitori e sostenuti, nonché durante il controllo volontario, e
2. analizzare l'impatto relativo delle conduttanze persistenti del sodio e del calcio alla base delle differenze tra muscoli spastici e non spastici, valutando i cambiamenti nei modelli di attivazione di una singola unità motoria e il decorso temporale dopo la somministrazione orale di Rilutek®, un inibitore persistente della corrente di sodio, e isradipina, un calcio-antagonista persistente.
3. studiare l'impatto delle correnti post-sinaptiche mediate da NMDA sulle differenze tra muscoli spastici e non spastici valutando i cambiamenti nei modelli di attivazione di singole unità motorie e l'eccitabilità riflessa dopo la somministrazione orale di memantina (Namenda®), un farmaco che diminuisce le correnti NMDA .

Un ulteriore obiettivo di questo studio è quello di indagare gli effetti di una breve procedura di allungamento muscolare intermittente sull'eccitabilità riflessa testando le risposte riflesse prima e dopo un intervento di stretching.

Scopo della ricerca Tutte le procedure in questo studio sono a scopo di ricerca.

Questo studio farà avanzare la comprensione dei meccanismi cellulari alla base dei riflessi iperattivi e della perdita del controllo motorio nella LM cronica. Sebbene non proposti come agenti di trattamento in questa fase, gli antagonisti PIC farmacologici e l'antagonista NMDA utilizzati in questo studio sono intesi come strumenti per comprendere i meccanismi dell'ipereccitabilità. Dal punto di vista terapeutico, la capacità di manipolare l'eccitabilità neuronale (ad esempio per aumentare la specificità della forza volitiva o diminuire l'iperreflessia) può portare a trattamenti più efficaci. Riluzolo e isradipina forniscono un controllo artificiale, ma specifico, dei PIC. La memantina fornisce anche un certo grado di controllo delle correnti sinaptiche post-sinaptiche mediate da NMDA. Comprendere i meccanismi cellulari delle menomazioni della SCI e la loro modulazione può identificare nuovi approcci per controllare l'eccitabilità dei neuroni spinali e fornire un'adeguata personalizzazione dei trattamenti farmacologici specifici per gli attributi della spasticità e delle menomazioni di un individuo.

Questo studio aggiungerà anche alle conoscenze esistenti sugli effetti fisiologici di un intervento terapeutico comunemente usato ma con una base di prove limitate per ridurre gli impatti negativi dell'ipereccitabilità riflessa sulla funzione motoria nella LM.