Wywołana treningiem fizycznym plastyczność mechanizmów kontroli motorycznej u pacjentów z chorobą Parkinsona

I. Cele projektu badawczego

Cel 1. Aby scharakteryzować wpływ 8-tygodniowego cyklu HIIT na funkcje neurofizjologiczne (NPF): (i) motorycznych struktur korowych (które są krytycznie zależne od presynaptycznej dostępności DA), przy użyciu EEG oraz (ii) mięśni szkieletowych zaangażowanych w zadanie motoryczne , używając powierzchniowego EMG. Następujące funkcje neurofizjologiczne OUN będą badane podczas wykonywania zależnych od dyspozycyjności DA, samodzielnie inicjowanych bimanualnych zadań motorycznych: (i) poziom aktywacji struktur korowych oraz (ii) siła funkcjonalnego sprzężenia między strukturami nerwowymi. W przypadku NPF mięśni szkieletowych badacze zbadają strategię aktywacji jednostek motorycznych. Ponadto, ponieważ badacze będą rejestrować jednocześnie EEG i EMG, ocenią siłę sprzężenia korowo-mięśniowego.

Hipoteza 1. NPF poprawią się po 8-tygodniowym cyklu HIIT w porównaniu do wartości wyjściowych w grupie PD-TR i utrzymają się miesiąc po HIIT. Mianowicie badacze spekulują, że dla motoryki w czynności OUN będą to: (1) pierwotna kora ruchowa (M1), dodatkowy obszar ruchowy (SMA); (2) zmniejszenie aktywacji bocznej kory przedruchowej (PMC) i móżdżku; przy jednoczesnym (3) wzroście funkcjonalnego sprzężenia: grzbietowo-bocznej kory przedczołowej (DLPFC) z M1, PMC, SMA i móżdżkiem; (4) zmniejszenie funkcjonalnego sprzężenia między M1, PMC, SMA, móżdżkiem i korą ciemieniową. Dla funkcji mięśni szkieletowych będzie to poprawa strategii rekrutacji jednostek motorycznych. Biorąc pod uwagę dane z jednoczesnej rejestracji aktywności elektrycznej kory mózgowej i mięśni szkieletowych zaangażowanych w zadania ruchowe, badacze zakładają wzmocnienie sprzężenia korowo-mięśniowego. W grupie PD-NTR NPF nie poprawią się, a nawet ulegną pogorszeniu w tym samym przedziale czasowym.

Cel 2. Scharakteryzowanie wpływu 8-tygodniowego cyklu HIIT na zachowania psychomotoryczne (PMB), krytycznie zależne od dostępności DA i NPF mózgu. Następujące PMB zostaną przetestowane podczas kilku eksperymentów: (1) samodzielnie inicjowane dwuręczne zadania ruchu przeciwfazowego podczas jednoczesnego zapisu EEG, EMG i siły (2) ocena wszystkich motorycznych i niemotorycznych objawów PD na podstawie oceny neurologicznej, (3 ) ogólnej funkcji poznawczej, aw szczególności aspektów funkcji wykonawczej za pomocą testów psychologicznych.

Hipoteza 2. PMB poprawią się po 8-tygodniowym cyklu HIIT w porównaniu z wartością wyjściową w grupie PD-TR i utrzymają się miesiąc po HIIT, w wyniku poprawy dostępności presynaptycznej prążkowia DA i NPF. Poprawa PMB nie będzie być obecne w grupie PD-NTR lub nawet PMBs ulegną pogorszeniu w tym samym przedziale czasowym.

Cel 3. Ocena: (i) wpływu 8-tygodniowego cyklu HIIT na poziom wydzielania BDNF, NGF, IGF-1 we krwi, traktowanych jako markery sprawności neuroplastyczności (wyrażającej się indukowanym wysiłkiem fizycznym wzrostem poziomu presynaptycznej DA oraz poprawą NPF” i PMB).

Hipoteza 3. Poziom wydzielania BDNF, NGF i IGF-1 wzrośnie po pierwszej i drugiej serii cyklu HIIT w porównaniu z wartością wyjściową w grupie PD-TR i utrzyma się miesiąc po HIIT. W przeciwieństwie do grupy PD-TR poprawa poziomu wydzielania BDNF, NGF i IGF-1 nie będzie występowała w grupie PD-NTR lub nawet ich poziom będzie się zmniejszał.

II. Uzasadnienie rozwiązania określonych problemów naukowych przez proponowany projekt.

II.1. Zastosowanie EEG i EMG do oceny NPF struktur korowych mózgu i mięśni szkieletowych II.1.1. Poziom aktywacji struktur korowych neuronów zostanie oceniony za pomocą uśredniania EEG i analizy źródła (obwody neuronów korowych).

II.1.2. Siła sprzężenia funkcjonalnego między strukturami kory nerwowej zostanie oceniona za pomocą analizy koherencji EEG-EEG:

II.1.3. Strategia aktywacji jednostek motorycznych mięśni szkieletowych zaangażowanych podczas zadania motorycznego zostanie przetestowana za pomocą standardowej analizy powierzchniowej EMG i SSA.

II.1.4. Siła funkcjonalnego sprzężenia korowo-mięśniowego zostanie oceniona za pomocą analizy spójności między sygnałami EEG i EMG:

II.2. PMB będą oceniane na podstawie wykonania zadań motorycznych i poznawczych oraz testów/skali neurologicznych i psychologicznych:

II.2.1. Samodzielnie inicjowane bimanualne ruchy palca wskazującego w przeciwfazie oraz bimanualne zadania zręcznościowe będą oceniane podczas równoczesnych zapisów EEG, EMG i siły w oparciu odpowiednio o analizę rozwoju siły.

II.2.2. Ocena motorycznych i niemotorycznych objawów PD w oparciu o ocenę neurologiczną z wykorzystaniem całej Ujednoliconej Skali Oceny Choroby Parkinsona (UPDRS) oraz skali Hoehna i Yahra (H&Y). Również w celu oszacowania korelacji między funkcją sprawności dwuręcznej opisanej w punktach II.2.1 badacze wybiorą z UPDRS wyniki dedykowane dla funkcji manualnej i dwuręcznej. Mianowicie, badacze przeanalizują wyniki bradykinezy parkinsonowskiej dotkniętej/bardziej dotkniętej chorobą kończyny górnej na podstawie pozycji 23-25 ​​z UPDRS (odpowiednio stukanie palcami, otwieranie i zamykanie dłoni, ruch rąk pronacja-supinacja). Badacze przeanalizują również: (i) wykonywanie codziennych czynności manualnych w oparciu o pozycje 8-11 z UPDRS (odpowiednio pismo odręczne, krojenie jedzenia i obchodzenie się z naczyniami, ubieranie się, higiena). Dodatkowo, badacze ocenią jakość życia za pomocą Schwab and England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn i Elton, 1987).

II.2.3. Psychologiczna ocena funkcji wykonawczych za pomocą dwóch testów: Trail Making Test (TMT) i Stroop Test (ST). Zarówno w testach TMT, jak i ST czas potrzebny na ukończenie testu jest używany jako miara wydajności, przy czym krótszy czas oznacza lepszą wydajność. Ponadto, aby wykluczyć pacjentów z demencją, badacze zastosują test Mini Mental State Examination (MMSE) (Folstein i in., 1975).

II.3. Wydzielanie czynników neurotroficznych we krwi Za pomocą testu immunoenzymatycznego (technika ELISA) badacze ocenią sekrecję surowiczych BDNF, NGF, IGF-1 we krwi, które są odpowiedzialne za neurogenezę, synaptogenezę, angiogenezę.

III. Plan pracy Realizacja projektu przewidziana jest na 24 miesiące. Do projektu zostaną włączone dwie grupy pacjentów z PD: PD-TR - pacjenci z PD, którzy wykonają cykl treningu fizycznego; PD-NTR – nietrenujący pacjenci z PD i jedna H-CO – grupa kontrolna zdrowa, która nie będzie wykonywać cykli HIIT.

Projekt rozpocznie się sesją testów podstawowych (PRE-HIT) w obu grupach PD. Wtedy grupa PD-TR wykona 8-tygodniowy cykl HIIT, a grupa PD-NTR nie wykona cyklu HIIT w tym okresie. Następnie, 1 tydzień i 1 miesiąc po zakończeniu cyklu HIIT, badacze przeprowadzą sesje testowe w grupie PD-TR i PD-NTR. Zdrowa grupa kontrolna będzie badana tylko w jednym punkcie czasowym, kiedy przestrzeń laboratoryjna nie będzie zajęta badaniami pacjentów z PD.

IV. Metodologia Badań

IV.1. Projekt badania Ten projekt będzie podłużnym, randomizowanym (randomizacja z nieprzezroczystymi kopertami) kontrolowanym badaniem z 3 ramionami. Badacze zrekrutują 40 osób z PD, które zostaną losowo przydzielone do dwóch równych grup: PD-TR (N=20) i PD-NTR (N=20). Badacze porównają wyniki z tych dwóch grup, aby zbadać podłużny wpływ cykli HIIT na wyniki pomiarów. Dodatkowo badacze zrekrutują zdrową grupę kontrolną (H-CO; N=20), która zostanie przebadana tylko raz i będzie stanowiła warunek „zdrowego stanu” do porównań z obiema grupami pacjentów z PD. Porównanie PD-NTR z H-CO pokaże nam mechanizmy zmian patologicznych u pacjentów z PD, a porównanie PD-TR z H-CO da nam możliwość poznania charakteru mechanizmów (odbudowy lub kompensacji) wywołanego HIIT zmiany u pacjentów z ChP.

40 osób z PD zostanie zakwalifikowanych do naszego badania po zdiagnozowaniu idiopatycznej PD na podstawie oceny neurologicznej. Rozpoznanie choroby Parkinsona będzie oparte na historii medycznej, badaniach fizykalnych i neurologicznych oraz odpowiedzi na L-dopę. IV.2.2. Rekrutacja przedmiotów. Pacjenci z ChP będą rekrutowani z Kliniki Neurologii Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu (WMU), gdzie osoba dokonująca oceny neurologicznej pacjentów z ChP w naszym projekcie (dr n. med. Budrewicz Sławomir) jest zatrudniona jako neurolodzy zaburzeń ruchu i konsultować się tam z pacjentami z chorobą Parkinsona. Biorąc pod uwagę możliwości i najwyższą pozycję WMU, badacze są pewni, że są w stanie zrekrutować i ostatecznie zakwalifikować 40 pacjentów z PD. Zdrowa grupa kontrolna osób starszych będzie rekrutowana na podstawie: (i) ogłoszeń publicznych oraz (ii) kontaktów z Uniwersytetami Trzeciego Wieku i Klubami Seniora na terenie miasta Warszawy.

IV.2. Procedury treningowe Pacjenci z grupy PD-TR wykonają 8-tygodniowy cykl HIIT. 8-tygodniowy program HIIT będzie się składał z trzech cotygodniowych 1-godzinnych sesji treningowych (każda składa się z 10-minutowej rozgrzewki, 40-minutowych ćwiczeń interwałowych o wysokiej intensywności i 10-minutowej fazy schładzania przy wolnej, dobrowolnej prędkości ) na stacjonarnym ergometrze rowerowym (MONARK, Ergomedic 874E, Szwecja), który mierzy kadencję (liczbę obrotów na minutę; [rpm]) i moc [W]. Podczas każdej sesji treningowej ćwiczenie interwałowe będzie się składać z 8 serii 5-minutowych interwałów, w tym 3 min jazdy na rowerze z prędkością ≥ 60 [obr/min], ale najlepiej 80-90 [obr/min] (szybka faza interwału) i 2 min jazdy na rowerze przy ≤ 60 [rpm] (wolna faza interwału). Pacjenci z grupy PD-TR będą rytmicznie wskazywani przez metronom i ustnie zachęcani przez instruktora do pedałowania z zadaną prędkością odpowiednią dla fazy szybkiej i wolnej. Wartości kadencji będą prezentowane każdemu badanemu w czasie rzeczywistym na ekranie jako informacja zwrotna w celu kontrolowania prędkości obrotowej podczas różnych faz interwału. Tętno (HR; uderzenia na minutę [bpm]) mierzone za pomocą systemu Polar (Polar, Finlandia), kadencja [rpm] i moc [W] będą monitorowane i gromadzone podczas każdej sesji treningowej. Kierownik szkolenia dostosuje opór dla każdego pacjenta, aby zapewnić jazdę na rowerze z docelowym tętnem (THR) każdego pacjenta iz odpowiednią prędkością. Pacjenci z PD będą jeździć na cyklach przy 60%-75% ich zindywidualizowanego HRmax (maksymalnego tętna). Pacjenci z chP będą zachęcani do szybszej jazdy na rowerze (80-90 obr./min lub 30% szybciej niż ich dobrowolne tempo pedałowania) podczas szybkiej fazy interwału i do zwiększania THR co 2 tygodnie o 5% (60% HRmax podczas 1-2 tyg., 65% w 3-4 tyg., 70% w 5-6 tyg. i 75% w 7-8 tyg. okresu treningowego). Dodatkowo, percepcja intensywności ćwiczeń przez pacjentów (dla szybkich i wolnych faz interwału) zostanie oceniona przy użyciu Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) (Borg, 1982).

IV.3. Procedury pomiarowe Wszyscy pacjenci z PD zostaną zbadani w fazie poza fazą leczenia, tj. po całonocnej 12-godzinnej odstawieniu leków przeciw parkinsonizmowi (24 godziny w przypadku leków o przedłużonym uwalnianiu). Kolejność sesji testowych dla poszczególnych metod jest następująca: dzień 1 - (i) pobranie krwi; (ii) testy psychologiczne, neurologiczne i funkcjonalne -> 2 dzień - (i) EEG + EMG + siła.

IV.4. Analiza statystyczna Badacze najpierw przeprowadzą porównanie między grupami dla wszystkich danych demograficznych i klinicznych, aby sprawdzić różnice wyjściowe. Zostanie to wykonane przy użyciu dwustronnego testu t-Studenta lub testów U Manna-Whitneya dla danych o rozkładzie normalnym i nienormalnym lub dokładnego testu Fishera dla danych kontyngencji. Analiza wariancji z powtarzanymi pomiarami zostanie wykorzystana do przeprowadzenia międzygrupowego porównania zmian w punktach testowych. Znaczące efekty główne zostaną następnie poddane porównaniom parami post-hoc, głównie między PD-TR i PD-NTR oraz PD-TR i H-CO. Analiza korelacji (współczynnik korelacji Pearsona lub Spearmana) zostanie przeprowadzona między wynikami EEG, EMG (opisującymi NPF), PMB i markerami neuroplastyczności. Dla wszystkich analiz poziom istotności zostanie ustawiony na α = 0,05 z poprawkami Bonferroniego dla wielokrotnych porównań, jeśli to konieczne.