Fysisk trening indusert plastisitet av motoriske kontrollmekanismer hos pasienter med Parkinsons sykdom

I. Forskningsprosjektets mål

Mål 1. For å karakterisere en påvirkning av 8-ukers HIIT-syklus på nevrofysiologiske funksjoner (NPF) av: (i) motoriske kortikale strukturer, (som er kritisk avhengig av den presynaptiske DA-tilgjengeligheten), ved bruk av EEG, og (ii) skjelettmuskulatur engasjert i motoriske oppgaver , ved bruk av overflate-EMG. Følgende nevrofysiologiske funksjoner til CNS vil bli testet under utførelse av DA-tilgjengelighetsavhengige selvinitierte bimanuelle motoriske oppgaver: (i) et nivå av aktivering av kortikale strukturer, og (ii) styrken til funksjonell kobling mellom nevrale strukturer. For skjelettmuskulatur NPF'er vil etterforskerne studere en strategi for aktivering av motoriske enheter. Siden etterforskerne vil registrere EEG og EMG samtidig, vil etterforskerne vurdere styrken til kortiko-muskulær kobling.

Hypotese 1. NPF vil forbedre seg etter den 8-ukers HIIT-syklusen sammenlignet med baseline i PD-TR-gruppen, og vil opprettholde en måned etter HIIT. Etterforskerne spekulerer nemlig i at for motoren i CNS-aktivitet vil det være: (1) primær motorisk cortex (M1), supplerende motorisk område (SMA); (2) reduksjon av aktivering av lateral premotorisk cortex (PMC) og cerebellum; med samtidig (3) økning av funksjonell kobling av: dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) med M1, PMC, SMA og cerebellum; (4) reduksjon av funksjonell kobling mellom M1, PMC, SMA, cerebellum og parietal cortex. For skjelettmuskelfunksjonen vil det være en forbedring i rekrutteringsstrategi for motoriske enheter. Ved å ta med data fra den samtidige registreringen av elektrisk aktivitet til hjernebarken og skjelettmuskulaturen engasjert i motoriske oppgaver, antar etterforskerne styrking av kortikomuskulær kobling. I PD-NTR-gruppen vil ikke NPF forbedres eller til og med bli forverret i samme tidsintervall.

Mål 2. Å karakterisere en påvirkning av den 8-ukers HIIT-syklusen på psykomotorisk atferd (PMB), kritisk avhengig av DA-tilgjengeligheten og hjernens NPF-er. Følgende PMB-er vil bli testet under flere eksperimenter: (1) selvinitierte bimanuelle antifasebevegelsesoppgaver under samtidige EEG-, EMG- og kraftregistreringer (2) evaluering av alle motoriske og ikke-motoriske PD-symptomer, basert på nevrologisk vurdering, (3 ) generell kognitiv funksjon og spesifikt aspekter ved eksekutiv funksjon ved bruk av psykologiske tester.

Hypotese 2. PMBs vil forbedre seg etter den 8-ukers HIIT-syklusen sammenlignet med baseline i PD-TR-gruppen, og vil opprettholde en måned etter HIIT, som en konsekvens av forbedringene av presynaptisk striatal DA-tilgjengelighet og NPFs, PMB-forbedringen vil ikke være tilstede i PD-NTR-gruppen, eller til og med PMB-ene vil bli forverret i samme tidsintervall.

Mål 3. For å evaluere: (i) effekten av den 8-ukers HIIT-syklusen på BDNF, NGF, IGF-1 sekresjonsnivå i blod behandlet som markører for nevroplastisitetseffektivitet (uttrykt i treningsindusert økning av presynaptisk DA-nivå, og forbedring av NPF' og PMB).

Hypotese 3. Sekresjonsnivået til BDNF, NGF og IGF-1 vil øke etter første og andre anfall av HIIT-syklus sammenlignet med baseline i PD-TR-gruppen, og vil opprettholde en måned etter HIIT. I motsetning til PD-TR-gruppen, vil ikke forbedringen i BDNF-, NGF- og IGF-1-sekresjonsnivået være tilstede i PD-NTR-gruppen, eller til og med nivået deres vil reduseres.

II. Begrunnelse for å takle spesifikke vitenskapelige problemer ved det foreslåtte prosjektet.

II.1. EEG- og EMG-applikasjon for å evaluere NPF-er av hjernekortikale strukturer og skjelettmuskler II.1.1. Et nivå av aktivering av nevrale kortikale strukturer vil bli evaluert med EEG-gjennomsnitt og kildeanalyse (kortikale nevronkretser).

II.1.2. Styrken av funksjonell kobling mellom nevrale kortikale strukturer vil bli vurdert med EEG-EEG koherensanalyse:

II.1.3. Motoriske enheters aktiveringsstrategi for skjelettmuskel engasjert under motorisk oppgave vil bli testet med overflate-EMG-standardanalyse og SSA.

II.1.4. Styrken av funksjonell kortiko-muskulær kobling vil bli evaluert med analyse av sammenheng mellom EEG- og EMG-signaler:

II.2. PMBer vil bli evaluert basert på motoriske og kognitive oppgaver, og nevrologiske og psykologiske tester/skalaer:

II.2.1. Selvinitierte bimanuelle anti-fase pekefingerbevegelser og bimanuelle fingerferdighetsoppgaver vil bli vurdert under henholdsvis samtidige EEG, EMG og kraftregistreringer basert på analyse av kraftutvikling.

II.2.2. Evaluering av motoriske og ikke-motoriske PD-symptomer, basert på nevrologisk vurdering ved bruk av hele Unified Parkinsons Disease Rating Scale (UPDRS) og Hoehn og Yahr-skalaen (H&Y). For formålet med korrelasjonsestimering mellom den bimanuelle fingerferdighetsfunksjonen beskrevet i punkt II.2.1, vil etterforskerne velge fra UPDRS poengsummene dedikert for manuell og bimanuell funksjon. Etterforskerne vil nemlig analysere parkinsonisk bradykinesi-skåre av den affiserte/mer affiserte overekstremiteten basert på elementene 23-25 ​​fra UPDRS (hhv. fingertrykk, åpne og lukke hender, pronasjon-supinasjon av hender). Etterforskerne vil også analysere: (i) en utførelse av daglige manuelle funksjoner basert på punktene 8-11 fra UPDRS (henholdsvis håndskrift, kutting av mat og håndtering av redskaper, påkledning, hygiene). I tillegg vil etterforskerne vurdere livskvaliteten ved å bruke Schwab og England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn og Elton, 1987).

II.2.3. Psykologisk vurdering av eksekutiv funksjon ved hjelp av to tester: Trail Making Test (TMT) og Stroop Test (ST). I både TMT- og ST-testene brukes tiden det tar å fullføre testen som ytelsesmål med kortere tid som bedre ytelse. For å ekskludere pasienter med demens vil etterforskerne også bruke Mini Mental State Examination test (MMSE) (Folstein et al., 1975).

II.3. Nevrotrofiske faktorer sekresjon i blod Ved å bruke den enzymkoblede immunosorbentanalysen (ELISA-teknikken), vil etterforskerne vurdere sekresjon av serum BDNF, NGF, IGF-1 i blod, som er ansvarlige for neurogenese, synaptogenese, angiogenese.

III. Arbeidsplan Prosjektrealiseringen er berammet til 24 måneder. Prosjektet vil registrere to PD-pasientgrupper: PD-TR - PD-pasientene som skal utføre fysisk treningssyklus; PD-NTR - ikke-trente PD-pasienter og en H-CO - sunn kontrollgruppe som ikke vil utføre HIIT-syklusene.

Prosjektet vil starte med baseline testing session (PRE-HIT) i begge PD-gruppene. Deretter vil PD-TR-gruppen utføre den 8-ukers HIIT-syklusen, og PD-NTR-gruppen vil ikke utføre HIIT-syklusen i denne tidsperioden. Deretter, 1 uke og en måned etter avsluttet HIIT-syklus, vil etterforskerne utføre testøkter i PD-TR- og PD-NTR-gruppen. Den friske kontrollgruppen vil kun bli testet på ett tidspunkt, når laboratorieplassen ikke vil være opptatt med PD-pasienttester.

IV. Forskningsmetodikk

IV.1. Forskningsdesign Dette prosjektet vil være en longitudinell, randomisert (ugjennomsiktig konvolutter randomisering) kontrollert studie med 3 armer. Etterforskerne vil rekruttere 40 PD-individer, som vil bli tilfeldig fordelt i to like grupper: PD-TR (N=20) og PD-NTR (N=20). Etterforskerne vil sammenligne resultatene fra disse to gruppene for å utforske en langsgående effekt av HIIT-sykluser på måleresultater. I tillegg vil etterforskerne rekruttere en sunn kontrollgruppe (H-CO; N=20) som vil bli testet bare én gang, og vil utgjøre en "sunn tilstand"-tilstand for sammenligninger med begge PD-pasientgruppene. Sammenligningen av PD-NTR med H-CO vil vise oss mekanismene for patologiske endringer hos PD-pasienter, og sammenligning av PD-TR med H-CO vil gi oss en mulighet til å utforske karakteren av mekanismer (gjenoppretting eller kompensasjon) av HIIT indusert endringer hos PD-pasienter.

De 40 PD-individene vil være kvalifisert til vår studie etter å ha blitt diagnostisert med en idiopatisk PD, basert på nevrologisk vurdering. Diagnosen Parkinsons sykdom vil være basert på sykehistorie, fysiske og nevrologiske undersøkelser og respons på L-dopa. IV.2.2. Fagrekruttering. PD-personene vil bli rekruttert fra Neurology Clinic, Wroclaw Medical University (WMU) i Wroclaw, Polen, hvor personen som utfører den nevrologiske PD-pasientevalueringen i vårt prosjekt (Budrewicz Slawomir, M.D, Ph.D.) er ansatt som bevegelsesforstyrrelsesnevrologer og konsultere PD-pasienter der. Med tanke på evnene og toppposisjonen til WMU, er etterforskerne sikre på at etterforskerne er i stand til å rekruttere og til slutt kvalifisere 40 PD-pasienter. Den friske eldre kontrollgruppen av forsøkspersoner vil bli rekruttert basert på: (i) offentlig annonsering og (ii) kontakter med universitetene i den tredje alder og seniorklubbene rundt Warszawa-byen.

IV.2. Opplæringsprosedyrer Pasientene fra PD-TR-gruppen vil utføre en 8-ukers HIIT-syklus. Det 8-ukers HIIT-programmet vil bestå av tre ukentlige 1-timers treningsøkter (hver bestående av en 10-minutters oppvarming, 40 min med høyintensiv intervalltrening og en 10-minutters nedkjølingsfase med lav, frivillig hastighet ) utført på et stasjonært syklusergometer (MONARK, Ergomedic 874E, Sverige) som vil måle tråkkfrekvens (omdreininger per minutt; [rpm]) og effekt [W]. Under hver treningsøkt vil intervalløvelsen bestå av 8 sett med 5-minutters intervaller, inkludert 3 min sykling ved ≥ 60 [rpm], men helst ved 80-90 [rpm] (rask fase av intervallet) og 2 min sykling ved ≤ 60 [rpm] (langsom fase av intervall). Pasientene i PD-TR-gruppen vil bli rytmisk oppmuntret av en metronom og muntlig oppmuntret av en instruktør til å tråkke med den innstilte hastigheten som passer for de raske og langsomme fasene. Tråkkfrekvensverdiene vil bli presentert for hvert emne i sanntid på en skjerm som tilbakemelding for å kontrollere turtallet under de forskjellige intervallfasene. Hjertefrekvensen (HR; slag per minutt [bpm]) målt med et Polar-system (Polar, Finland), tråkkfrekvens [rpm] og kraft [W] vil bli overvåket og samlet inn under hver treningsøkt. Treningsveileder vil justere motstanden for hver pasient for å sikre sykling med hver pasients målpuls (THR) og med passende hastighet. PD-pasienter vil sykle med 60–75 % av sin individualiserte HRmax (maksimal hjertefrekvens). PD-pasientene vil bli oppfordret til å sykle raskere (80-90 rpm eller 30 % raskere enn deres frivillige pedalhastighet) i løpet av den raske fasen av intervallet og til å øke hans/hennes THR hver 2. uke med 5 % (60 % av HRmax under 1-2 uker, 65 % i løpet av 3-4 uker, 70 % i løpet av 5-6 uker og 75 % i løpet av 7-8 ukers treningsperiode). I tillegg vil pasientenes oppfatning av treningsintensiteten (for de raske og langsomme faser av intervallet) bli vurdert ved hjelp av Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) (Borg, 1982).

IV.3. Måleprosedyrer Alle PD-individer vil bli undersøkt under deres medisinering off-fase, dvs. etter en 12-timers seponering av anti-parkinsonmedisiner over natten (24-timer for medisiner med forlenget frigivelse). Testsekvensen for spesifikke metoder er som følger: 1. dag - (i) blodprøvetaking; (ii) psykologiske, nevrologiske og funksjonelle tester -> 2. dag - (i) EEG + EMG + kraft.

IV.4. Statistisk analyse Etterforskerne vil først utføre en sammenligning mellom grupper for alle demografiske og kliniske karakteristika for å se etter grunnlinjeforskjeller. Dette vil bli gjort ved å bruke den tosidige Student's t-testen eller Mann-Whitney U-testene for normal- og ikke-normalfordelte data eller Fishers eksakte test for beredskapsdata. Variansanalyse av gjentatte mål vil bli brukt for å utføre en sammenligning mellom grupper av endringer i testpunktene. Betydelige hovedeffekter vil da bli utsatt for en post-hoc parvis sammenligning primært mellom PD-TR og PD-NTR, og PD-TR og H-CO. Korrelasjonsanalyse (Pearson eller Spearman korrelasjonskoeffisient) vil bli utført mellom EEG, EMG (beskriver NPF), PMB og nevroplastisitetsmarkører. For alle analyser vil et signifikansnivå bli satt til α=0,05 med Bonferroni-justeringer for flere sammenligninger når det er nødvendig.