Hjerne- og atferdskorrelater av armrehabilitering (BCAR)

FORMÅL MED STUDIEN OG BAKGRUNN

1. Spesifikke mål og formål med studien: Totalt sett er dette forslaget å bruke tredimensjonal bevegelsesanalyse og magnetisk resonans (fMRI) nevroavbildningsteknikker for å undersøke hjerneaktiviteten og motoriske atferdsendringer assosiert med begrensningsindusert (CI) terapi for pasienter med subakutt hjerneslag. Dette prosjektet er en ledsagerstudie til den nylig finansierte multisenter randomiserte kliniske studien (HD37606-01), Extremity Constraint-Induced Therapy Evaluation (EXCITE). Dette prosjektet utfyller EXCITE ved å undersøke mekanismene som ligger til grunn for den kliniske intervensjonen i slagrehabilitering. Men siden påmeldingen til EXCITE er fullført, vil vi registrere et nytt sett med deltakere.

A. SPESIFIKKE MÅL:

1. Bestem forholdet mellom lesjonsstørrelse og plassering som vurdert ved bruk av 3-D volumetrisk MR og funksjonelt utfall (dvs. motorisk kontroll og funksjonell bruk) som en konsekvens av CI-terapi.
2. Bestem effekten av CI-terapi på kontrollen av nå- og gripehandlinger som vurdert ved bruk av atferdskinematikk.
3. Bestem effekten av CI-terapi på det nevrale substratet (sensorimotorisk nettverk) som vurdert ved hjelp av fMRI under målrettede sikte- og gripeoppgaver (utført som aktiveringsoppgaver i skanneren).
4. Bestem persistensen og/eller stabiliteten til disse endringene i motorisk kontroll, nevralt substrat og funksjonell bruk av øvre ekstremitet ved hjerneslag med CI-behandling 6 måneder senere.

A.1: Spesifikke arbeidshypoteser for hvert mål er:

For spesifikt mål nr. 1, hypotese 1: Det vil være en forutsigbar sammenheng mellom lesjonslokalisering, størrelse og funksjonelt resultat fra CI-terapi. De med spesifikke sensorimotoriske cortex (MI, SI) lesjoner vil vise en dårligere respons enn de med lesjoner begrenset til de subkortikale regionene (f.eks. bakre lem av indre kapsel, subkortikal hvit substans eller basis pontis, paramedian pontine områder) kontrollert for lesjonsstørrelse . En arbeidsantakelse som ligger til grunn for denne hypotesen er at det vil være en differensiell effekt av CI-terapi med subkortikale vs kortikale sensorimotoriske lesjoner. Hypotese 2: Forskjellene mellom gruppene (behandlet vs ubehandlet) vil være større hos de med subkortikale lesjoner enn hos de med kortikale sensorimotoriske lesjoner, kontrollert for lesjonsstørrelse, ved tidspunktet etter test/intervensjon.

For spesifikt mål nr. 2, hypotese 1: CI-terapi vil være til nytte for kontrollen over rekkevidde- og gripehandlinger gjennom endringer i (arm)transportvarighet, tidspunkt for toppåpning, topptransporthastighet og jevnhet av både rekkevidden og gripekomponenten for griping gjenstander i forskjellige størrelser og når forskjellige avstander. Hypotese #2 er at endringen i den motoriske kontrollen av å nå og gripe handlinger fra baseline til post-test/intervensjonstidspunkt vil være større hos den behandlede sammenlignet med den ubehandlede gruppen. Hypotese #3 er at disse motoriske kontrollendringene vil være korrelert med endringer i den virkelige bruken av overekstremiteten som indeksert av Motor Activity Log (MAL) og Wolf Motor Function Test (WMFT).

For spesifikt mål nr. 3, hypotese 1: CI-terapi vil resultere i en reduksjon i ipsilateral hemisfæreaktivering og en utvidet utstrekning og/eller økt intensitet av spesifikke områder av interesse (ROI) i det kontralaterale (påvirkede) sensorimotoriske nettverket med CI-terapi. Spesifikt, og når det gjelder planlegging av mer komplekse håndhandlinger (dvs. presisjonsgrep), inkluderer spesifikke ROIer som vil vise endring i intensitet og/eller omfang primær motorisk cortex (MI), primær sensorisk cortex (S1), supplerende motorisk område (SMA) og premotorisk område (PM). Hypotese #2 er at endringen i ROI-aktivering fra baseline til post-test/intervensjonstidspunkt vil være større i den behandlede sammenlignet med den ubehandlede gruppen. Hypotese 3: Tilstedeværelsen av en utvidet utstrekning og/eller mer intens aktivering i disse kontralaterale hemisfære-ROI-ene vil være korrelert med endringer i den virkelige bruken av overekstremiteten som indeksert av MAL og WMFT.

For spesifikt mål nr. 4, hypotese 1: Vedvarende effekt av disse endringene i motorkontroll (atferdskinematikk), utvidet omfang/intensitet av sensorimotoriske nettverks ROI (fMRI) og funksjonell bruk (MAL og WMFT) vil bli demonstrert gjennom sammenligning av de behandlede og ubehandlede (forsinket intervensjon) gruppene ved 6-måneders oppfølgingspunkt. Det er mulig at forskjellene mellom gruppene ved 6-månederspunktet kan være større enn ved post-test/intervensjonspunktet, spesielt hvis funksjonell bruk fortsetter å forbedre seg i den behandlede gruppen.

2. Bakgrunn og betydning: Hjerneslag er den ledende årsaken til funksjonshemming blant amerikanske voksne. Hvert år i USA lider omtrent 750 000 mennesker av hjerneslag, og av disse overlever nesten 400 000 med en viss grad av nevrologisk svekkelse og funksjonshemming. Den kumulative summen av levende, slagrammede amerikanere er nesten 3 millioner. Tretti milliarder dollar årlig er den estimerte byrden fra slagrelatert funksjonshemming. Til tross for omfanget av denne statistikken, har det nesten ikke vært noen vitenskapelige studier av effektiviteten av rehabiliteringsintervensjoner etter hjerneslag. Som et resultat av dette har de nylig publiserte retningslinjene for klinisk praksis for rehabilitering etter slag (Gresham et al., 1995) blitt tvunget til å stole primært på ekspertuttalelser og ikke på velkontrollerte vitenskapelige studier.

En ny terapeutisk tilnærming til rehabilitering av bevegelse etter hjerneslag, kalt constraint-indused (CI) bevegelsesterapi, har blitt avledet fra grunnleggende forskning med aper gitt somatosensorisk deafferentasjon (Taub, 1980). CI-bevegelsesterapi består av en familie av terapier; deres felles element er at de får slagpasienter til å øke bruken av en berørt arm og hånd i mange timer om dagen over en periode på 10 til 14 påfølgende dager. Signaturintervensjonen innebærer motorisk begrensning av den mindre berørte armen i en slynge eller vott og trening av den berørte armen. Behandlingene resulterer i store endringer i mengden bruk av den berørte armen i dagliglivets aktiviteter utenfor klinikken som har vedvart i de 2 årene målt til dags dato (Morris et al., 1997; Taub & Wolf, 1997; Taub et al. al., 1994; Taub et al., 1993; Wolf et al., 1989). Tidligere forskning har aldri resultert i noen uheldige effekter av båndtvangen på den "gode armen/hånden".

Det er økende bevis for kortikal reorganisering som følger med utvinning av motorisk kontroll etter hjerneslag, og nylig ble lignende endringer vist i forbindelse med CI-terapi ved kronisk hjerneslag (Liepert et al., 2000). Det ser ut til å være en sammenheng mellom lesjonsstørrelse og plassering og arten av denne omorganiseringen samt tidsforløpet for denne omorganiseringen (Azari & Seitz, 2000). Det faktum at terapi (tvangsbruk) kan påvirke denne omorganiseringen som avslørt av det sub-menneskelige primatarbeidet (Nudo et al., 1996a,b) antyder at det vil være forskjeller i endringen i kortikale aktiveringsmønstre for å nå og gripe oppgaver fra baseline til post-test/intervensjonstidspunkter mellom de behandlede og ubehandlede forsøkspersonene i vårt foreslåtte prosjekt. Videre, og relatert til det nevrale nettverket for kontroll av uni-manuelle nå- og gripehandlinger, har ipsilateral (eller bilateral) hemisfæreaktivering vist seg å være en konsekvens av oppgavekompleksitet, motorisk sett og overdreven innsats (Winstein et al., 1997; Chen et al., 1997a, 1997b; Beltramello et al., 1998; Doyon et al., 1998; Winstein et al., 2000). Motorsetteffekter har blitt demonstrert mest konsekvent i motorkontrolllitteraturen ved å sammenligne forutsigbare og uforutsigbare rekkefølgeforhold. I en uforutsigbar tilstand er motorsett basert på en "beste gjetning"-plan og standardparametere velges basert på rekkevidden av mulige responser (se Winstein et al., 2000, for motorsetteffekter i utløste grepsresponser). Derimot, under forutsigbare oppgaveforhold, aktiveres en mer presis og innstilt plan ettersom den nøyaktige responsen kan planlegges på forhånd (Velicki et al., 2000). Som sådan antar vi at når det å nå og gripe handlinger forbedres med øvelsen, vil "oppgavekompleksitet" reduseres, motoriske effekter vil bli forbedret (dvs. oppgaven planlegges og utføres lettere, med mindre kognitiv etterspørsel, Lee et al. , 1994), og det bør være en samtidig reduksjon i omfanget av ipsilateral (bilateral) nevral aktivitet for berørte lembevegelser. Samtidig, og i samsvar med bruksavhengig kortikal reorganisering, ettersom ferdighetene (læringen) forbedres, bør det være en utvidelse eller økt intensitet av aktivering i de passende kontralaterale nevrale nettverkene for å nå og gripe handlinger, spesielt i områder av interesse inkludert M1 , S1, SMA og PM områder. Disse argumentene gir logikken for spesifikt mål nr. 3 for å bestemme endringene, som en konsekvens av CI-terapi, i det sensorimotoriske kortikale nettverket gjennom hendelsesrelatert fMRI under spesifikke nå- og gripeoppgaver, og våre tilhørende hypoteser.

I logisk forlengelse foreslår vi at effekten av CI-terapi på kontrollen av overekstremitetsrekke- og gripehandlinger kan indekseres både på nivået av kortikale nevrale aktiveringsmønstre (fMRI) og atferdskinematikk og i forhold til velkjente psykofysiske lover for motorikk. læring og kontroll. Videre foreslår vi at endringene i ytelse som reflektert av fysiologisk hjerneaktivering og motorisk kontrollkinematikk kan relateres til endringer i bruken av den berørte øvre ekstremitet som indeksert av MAL og WMFT. Dette ledsagerprosjektet er nyskapende ved at det representerer det første forsøket på å korrelere resultatene av psykofysiske studier av "kontroll" av å nå og gripe handlinger med nevroimaging (fMRI) studier designet for å fremheve den "sentrale motoriske sett"-effekten (Winstein et al. , 2000) ved bruk av et gjentatte mål-design (3 gjentatte tester) med en mellom gruppefaktor (behandlet og ubehandlet-kontrollgruppe). Denne studien kompletterer gjeldende forskning i utforskning av endringer i hjerneaktivitet ved å bruke forskjellige motoriske aktiveringsoppgaver og omstendigheter som er rettet mot å låne vitenskap til undersøkelsen av denne klinisk baserte terapien.

Med dette forslaget planlegger vi å vurdere endringene i nevral aktivering (kortikal reorganisering) og motorisk kontroll av nå- og gripehandlinger som er direkte knyttet til CI-terapi sammenlignet med det som er forbundet med standard og vanlig behandling. Disse eksperimentene vil bli utført på en separat dag fra baseline, post-test og 6-måneders oppfølgingstester, men de vil bli planlagt innen 1 uke etter disse testene. Denne utformingen lar oss utforske de fysiologiske nevrale kretsløpene, og motoriske kontrollvariabler som medierer den forventede atferdsendringen assosiert med CI-terapi (behandlet gruppe) og standard og vanlig behandling (forsinket intervensjonsgruppe) og karakteriserer vedvarende denne endringen i en gruppe sub - akutte slagoverlevere som har relativt små lesjoner og en viss evne til å bevege håndleddet og fingrene på den hemiparetiske siden.