Fysieke training veroorzaakte plasticiteit van motorische controlemechanismen bij patiënten met de ziekte van Parkinson

I. Doelstellingen van het onderzoeksproject

Doel 1. Karakteriseren van een invloed van een HIIT-cyclus van 8 weken op neurofysiologische functies (NPF's) van: (i) motorische corticale structuren (die kritisch afhankelijk zijn van de beschikbaarheid van presynaptische DA), met behulp van EEG, en (ii) skeletspieren die betrokken zijn bij motorische taken , met behulp van oppervlakte-EMG. De volgende neurofysiologische functies van het CZS zullen worden getest tijdens de uitvoering van de DA-beschikbaarheidsafhankelijke zelf geïnitieerde bimanuele motorische taken: (i) een niveau van activering van corticale structuren, en (ii) sterkte van functionele koppeling tussen neurale structuren. Voor NPF's van skeletspieren zullen de onderzoekers een strategie van activatie van motoreenheden bestuderen. Aangezien de onderzoekers tegelijkertijd EEG en EMG zullen opnemen, zullen de onderzoekers ook de sterkte van cortico-musculaire koppeling beoordelen.

Hypothese 1. NPF's zullen verbeteren na de HIIT-cyclus van 8 weken in vergelijking met de uitgangswaarde in de PD-TR-groep, en zullen een maand na HIIT aanhouden. De onderzoekers speculeren namelijk dat het voor de motor in CZS-activiteit zal zijn: (1) primaire motorische cortex (M1), aanvullend motorisch gebied (SMA); (2) afname van activering van laterale premotorische cortex (PMC) en cerebellum; met gelijktijdige (3) toename van functionele koppeling van: dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC) met M1, PMC, SMA en cerebellum; (4) afname van functionele koppeling tussen M1, PMC, SMA, cerebellum en pariëtale cortex. Voor de skeletspierfunctie zal het een verbetering zijn in de rekruteringsstrategie van motorische eenheden. Rekening houdend met de gegevens van de gelijktijdige registratie van elektrische activiteit van hersenschors en skeletspieren die betrokken zijn bij motorische taken, gaan de onderzoekers ervan uit dat de corticomusculaire koppeling wordt versterkt. In de PD-NTR-groep zullen NPF's niet verbeteren of zelfs verslechteren in hetzelfde tijdsinterval.

Doel 2. Karakteriseren van de invloed van de 8-weekse HIIT-cyclus op het psychomotorische gedrag (PMB's), kritisch afhankelijk van de DA-beschikbaarheid en de NPF's van de hersenen. De volgende PMB's zullen tijdens verschillende experimenten worden getest: (1) zelf geïnitieerde bimanuele anti-fase bewegingstaken tijdens de gelijktijdige EEG-, EMG- en krachtregistraties (2) evaluatie van alle motorische en niet-motorische PD-symptomen, gebaseerd op neurologische beoordeling, (3 ) algemene cognitieve functie en specifiek aspecten van uitvoerende functie met behulp van psychologische tests.

Hypothese 2. PMB's zullen verbeteren na de HIIT-cyclus van 8 weken in vergelijking met baseline in de PD-TR-groep, en zullen een maand na HIIT aanhouden, als gevolg van de verbeteringen van presynaptische striatale DA-beschikbaarheid en NPF's. De verbetering van PMB's zal niet aanwezig zijn in de PD-NTR-groep, of zelfs de PMB's zullen in hetzelfde tijdsinterval verslechteren.

Doel 3. Het evalueren van: (i) het effect van de HIIT-cyclus van 8 weken op het BDNF-, NGF- en IGF-1-secretieniveau in bloed dat wordt behandeld als markers van neuroplasticiteitsefficiëntie (uitgedrukt in door inspanning geïnduceerde toename van presynaptisch DA-niveau en verbetering van NPF's en PMB's).

Hypothese 3. Het secretieniveau van de BDNF, NGF en IGF-1 zal toenemen na de eerste en tweede periode van de HIIT-cyclus in vergelijking met de uitgangswaarde in de PD-TR-groep, en zal een maand na HIIT aanhouden. In tegenstelling tot de PD-TR-groep zal de verbetering van het BDNF-, NGF- en IGF-1-secretieniveau niet aanwezig zijn in de PD-NTR-groep of zelfs hun niveau zal afnemen.

II. Motivering voor het aanpakken van specifieke wetenschappelijke problemen door het voorgestelde project.

II.1. EEG- en EMG-toepassing om NPF's van hersencorticale structuren en skeletspieren te evalueren II.1.1. Een niveau van activering van neurale corticale structuren zal worden geëvalueerd met EEG-middeling en bronanalyse (corticale neuronencircuits).

II.1.2. De sterkte van de functionele koppeling tussen de neurale corticale structuren zal worden beoordeeld met EEG-EEG coherentieanalyse:

II.1.3. De activeringsstrategie van motorische eenheden van skeletspieren die tijdens motorische taken worden gebruikt, zal worden getest met oppervlakte-EMG-standaardanalyse en SSA.

II.1.4. De sterkte van functionele cortico-musculaire koppeling zal worden geëvalueerd met analyse van de samenhang tussen EEG- en EMG-signalen:

II.2. PMB's zullen worden geëvalueerd op basis van motorische en cognitieve taakprestaties en neurologische en psychologische tests/schalen:

II.2.1. Zelf geïnitieerde bimanuele anti-fase wijsvingerbewegingen en bimanuele behendigheidstaken zullen worden beoordeeld tijdens gelijktijdige EEG-, EMG- en krachtopnames op basis van respectievelijk analyse van krachtontwikkeling.

II.2.2. Evaluatie van motorische en niet-motorische PD-symptomen, gebaseerd op neurologische beoordeling met behulp van de volledige Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) en de Hoehn en Yahr-schaal (H&Y). Ook zullen de onderzoekers, met het oog op de correlatieschatting tussen de bimanuele behendigheidsfunctie beschreven in punten II.2.1, uit de UPDRS de scores kiezen die zijn toegewezen aan de handmatige en bimanuele functie. De onderzoekers zullen namelijk parkinson-bradykinesiescores van de aangedane/meer aangedane bovenste extremiteit analyseren op basis van de items 23-25 ​​van UPDRS (respectievelijk vingertikken, openen en sluiten van handen, pronatie-supinatie handenbeweging). De onderzoekers zullen ook analyseren: (i) een uitvoering van handmatige functies in het dagelijkse leven op basis van de items 8-11 van UPDRS (respectievelijk handschrift, voedsel snijden en gebruiksvoorwerpen hanteren, aankleden, hygiëne). Bovendien zullen de onderzoekers de kwaliteit van leven beoordelen met behulp van Schwab en England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn en Elton, 1987).

II.2.3. Psychologische beoordeling van de executieve functie met behulp van twee tests: de Trail Making Test (TMT) en Stroop Test (ST). In zowel de TMT- als de ST-test wordt de tijd die nodig is om de test af te ronden gebruikt als prestatiemaatstaf, met kortere tijd als betere prestatie. Om de patiënten met dementie uit te sluiten, passen de onderzoekers ook de Mini Mental State Examination-test (MMSE) toe (Folstein et al., 1975).

II.3. Uitscheiding van neurotrofe factoren in bloed Door gebruik te maken van de enzym-gekoppelde immunosorbenttest (ELISA-techniek), zullen de onderzoekers de uitscheiding van serum BDNF, NGF, IGF-1 in het bloed, die verantwoordelijk zijn voor neurogenese, synaptogenese, angiogenese, beoordelen.

III. Werkplan De realisatie van het project is gepland voor 24 maanden. Het project zal twee PD-patiëntengroepen inschrijven: PD-TR - de PD-patiënten die de fysieke trainingscyclus zullen uitvoeren; PD-NTR - niet-getrainde PD-patiënten en één H-CO - gezonde controlegroep die de HIIT-cycli niet zal uitvoeren.

Het project start met een baseline testsessie (PRE-HIT) in beide PD-groepen. Vervolgens voert de PD-TR-groep de HIIT-cyclus van 8 weken uit en de PD-NTR-groep voert in deze periode geen HIIT-cyclus uit. Vervolgens, 1 week en 1 maand na beëindiging van de HIIT-cyclus, zullen de onderzoekers testsessies uitvoeren in de PD-TR- en PD-NTR-groep. De gezonde controlegroep wordt slechts op één tijdstip getest, wanneer de laboratoriumruimte niet bezet zal zijn met tests voor PD-patiënten.

IV. Onderzoeksmethode

IV.1. Onderzoeksopzet Dit project zal een longitudinale, gerandomiseerde (ondoorzichtige enveloppen randomisatie) gecontroleerde studie zijn met 3 armen. De onderzoekers zullen 40 PD-individuen rekruteren, die willekeurig zullen worden toegewezen aan twee gelijke groepen: PD-TR (N=20) en PD-NTR (N=20). De onderzoekers zullen de resultaten van deze twee groepen vergelijken om een ​​longitudinaal effect van HIIT-cycli op meetresultaten te onderzoeken. Bovendien zullen de onderzoekers een gezonde controlegroep rekruteren (H-CO; N=20) die slechts één keer zal worden getest en die een "gezonde toestand" zal vormen voor vergelijkingen met beide PD-patiëntengroepen. De vergelijking van PD-NTR met H-CO zal ons de mechanismen van pathologische veranderingen bij PD-patiënten laten zien en vergelijking van PD-TR met H-CO zal ons de mogelijkheid bieden om de aard van mechanismen (herstel of compensatie) van door HIIT geïnduceerde veranderingen bij PD-patiënten.

De 40 PD-individuen zullen worden gekwalificeerd voor onze studie nadat de diagnose idiopatische PD is gesteld, op basis van neurologische beoordeling. De diagnose van de ziekte van Parkinson zal gebaseerd zijn op de medische geschiedenis, lichamelijk en neurologisch onderzoek en de reactie op L-dopa. IV.2.2. Onderwerpen werving. De PD-proefpersonen zullen worden gerekruteerd uit de Neurology Clinic, Wroclaw Medical University (WMU) in Wroclaw, Polen, waar de persoon die de neurologische PD-patiëntenevaluatie uitvoert in ons project (Budrewicz Slawomir, M.D., Ph.D.) werkzaam is als neurologen voor bewegingsstoornissen. en raadpleegt daar PD-patiënten. Rekening houdend met de capaciteiten en toppositie van de WMU, zijn de onderzoekers er zeker van dat de onderzoekers in staat zijn om 40 PD-patiënten te rekruteren en uiteindelijk te kwalificeren. De controlegroep gezonde ouderen zal worden geworven op basis van: (i) openbare advertenties en (ii) contacten met de universiteiten van de derde leeftijd en de seniorenclubs rond de stad Warschau.

IV.2. Trainingsprocedures De patiënten uit de PD-TR-groep zullen een HIIT-cyclus van 8 weken uitvoeren. Het HIIT-programma van 8 weken bestaat uit drie wekelijkse trainingssessies van 1 uur (elk bestaande uit een warming-up van 10 minuten, 40 minuten intensieve intervaltraining en een afkoelfase van 10 minuten op een langzaam, vrijwillig tempo. ) uitgevoerd op een stationaire fietsergometer (MONARK, Ergomedic 874E, Zweden) die cadans (omwentelingen per minuut; [rpm]) en vermogen [W] meet. Tijdens elke trainingssessie bestaat de intervaltraining uit 8 sets van intervallen van 5 minuten, waarvan 3 minuten fietsen met ≥ 60 [rpm] maar bij voorkeur 80-90 [rpm] (snelle fase van het interval) en 2 minuten fietsen bij ≤ 60 [rpm] (langzame fase van interval). De patiënten in de PD-TR-groep worden ritmisch aangespoord door een metronoom en verbaal aangemoedigd door een instructeur om te trappen met de ingestelde snelheid die geschikt is voor de snelle en langzame fasen. De cadanswaarden worden in realtime op een scherm aan elke proefpersoon gepresenteerd als feedback om het toerental tijdens de verschillende intervalfasen te regelen. De hartslag (HR; slagen per minuut [bpm]) gemeten met een Polar-systeem (Polar, Finland), cadans [rpm] en vermogen [W] worden tijdens elke trainingssessie gecontroleerd en verzameld. De trainingssupervisor past de weerstand voor elke patiënt aan om ervoor te zorgen dat er wordt gefietst met de doelhartslag (THR) van elke patiënt en met de juiste snelheid. PD-patiënten fietsen op 60%-75% van hun geïndividualiseerde HRmax (maximale hartslag). De PD-patiënten zullen worden aangemoedigd om sneller te fietsen (80-90 tpm of 30% sneller dan hun vrijwillige trapfrequentie) tijdens de snelle fase van het interval en om hun THR elke 2 weken te verhogen met 5% (60% van de HFmax tijdens 1-2 weken, 65% gedurende 3-4 weken, 70% gedurende 5-6 weken en 75% gedurende 7-8 weken trainingsperiode). Bovendien zal de perceptie van de patiënt van de trainingsintensiteit (voor de snelle en langzame fasen van het interval) worden beoordeeld met behulp van de Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) (Borg, 1982).

IV.3. Meetprocedures Alle patiënten met de ziekte van Parkinson zullen worden onderzocht tijdens hun medicatie-off-fase, d.w.z. na een nachtelijke stopzetting van 12 uur van antiparkinsongeneesmiddelen (24 uur voor medicatie met verlengde afgifte). De volgorde van de testsessies voor specifieke methoden is als volgt: 1e dag - (i) bloedafname; (ii) psychologische, neurologische en functionele tests -> 2e dag - (i) EEG + EMG + kracht.

IV.4. Statistische analyse De onderzoekers zullen eerst een vergelijking tussen de groepen uitvoeren voor alle demografische gegevens en klinische kenmerken om te controleren op basislijnverschillen. Dit wordt gedaan met behulp van de tweezijdige Student's t-test of Mann-Whitney U-tests voor normaal en niet-normaal verdeelde gegevens of de Fisher's exact-test voor onvoorziene gegevens. Variantieanalyse met herhaalde metingen zal worden gebruikt om een ​​vergelijking tussen groepen uit te voeren van veranderingen in de testpunten. Significante hoofdeffecten zullen vervolgens worden onderworpen aan een post-hoc paarsgewijze vergelijking, voornamelijk tussen PD-TR en PD-NTR, en PD-TR en H-CO. Er zal een correlatieanalyse (Pearson- of Spearman-correlatiecoëfficiënt) worden uitgevoerd tussen EEG-, EMG- (beschrijvende NPF's), PMB's en neuroplasticiteitsmarkers. Voor alle analyses wordt een significantieniveau ingesteld op α=0,05 met Bonferroni-aanpassingen voor meervoudige vergelijkingen indien nodig.