Modulação de direção de sinergias musculares após um acidente vascular cerebral

Introdução: A função do membro superior após um acidente vascular cerebral é prejudicada e caracterizada por um padrão de movimento anormal, estereotipado e descoordenado. Diminuição do impulso neural no sistema corticospinal danificado, causando diminuição do disparo das unidades motoras agonistas, espasticidade, coordenação motora prejudicada. Uma compreensão mais abrangente da maneira como nosso cérebro controla e regula os movimentos dos membros, por meio da medula espinhal, pode aprimorar técnicas de reabilitação mais avançadas.

O conceito atual de controle motor sugere que o córtex cerebral modula e sincroniza a ativação de um número discreto de unidades funcionais dentro do tronco cerebral e da medula espinhal. Essas unidades funcionais neurais, ou seja, sinergias musculares, quando combinadas linearmente facilitam a produção de diversos movimentos dos membros. Esse mecanismo de controle pode, em grande parte, explicar a maneira como o SNC reduz a dimensionalidade do grande número de graus de liberdade embutidos no SNC a um número discreto de sinergias musculares. Portanto, a execução de um movimento pode exigir apenas combinar linearmente essas sinergias e regular sua intensidade de ativação ao longo do domínio do tempo.

A existência de tal mecanismo de controle atraiu a atenção de médicos e cientistas para usar suas propriedades para melhorar a recuperação motora após um acidente vascular cerebral. Portanto, surgiram estudos para investigar como o dano cortical afeta a sincronização das sinergias e também se altera a estrutura interna das sinergias. Apesar de numerosos estudos neste domínio, há falta de consenso sobre como o AVC afeta esse mecanismo de controle e a extensão da correlação entre o nível de comprometimento e a estrutura de sinergia. Os objetivos do estudo são comparar a estrutura de sinergia e o MAP em movimentos de alcance da mão em múltiplas direções entre indivíduos pós-AVC e indivíduos saudáveis, e correlacionar essas propriedades com as deficiências motoras em indivíduos pós-AVC.

Métodos:

Participantes: Doze voluntários saudáveis ​​(grupo controle) e 20 indivíduos pós-AVC (grupo de estudo) participarão do estudo. Os critérios de inclusão para o grupo de estudo serão indivíduos, acima de 20 anos de idade, que sofreram acidente vascular cerebral unilateral, com hemiparesia. Os critérios de exclusão para o ensaio são afasia sensorial, negligência unilateral e presença de outra doença neurológica, como doença de Parkinson ou doença de Alzheimer.

Equipamento: O Hand-reaching Spatial Device (HRSD) é uma ferramenta simples e ajustável que permite a padronização do movimento de apontar a mão para 9 direções diferentes entre diferentes participantes. É composto por duas hastes verticais às quais estão fixadas três prateleiras semicirculares. Cada prateleira contém três pinos apontadores móveis que podem ser ajustados para a esquerda e para a direita para acomodar o comprimento variável do braço de cada participante. A prateleira mais baixa estava localizada 10 cm acima da mesa, a do meio estava localizada 35 cm acima da mesa e a mais alta 55 cm acima da mesa. Para cada participante, o HRSD foi localizado na distância máxima de alcance da mão na frente do ombro testado. Os pinos laterais estavam localizados em um ângulo de 45 graus em relação à articulação do ombro em ambos os lados. A disposição dos alvos no HRSD foi projetada para cobrir a maioria dos movimentos de alcance manual.

EMGs de superfície foram registrados (Trigno 8, Delsys, Boston, MA) de 8 músculos da cintura escapular e braço: trapézio (TRS); deltoide anterior (AD), medial (MD) e fibras posteriores (PD); e peitoral maior (PECT); infraespinal (IS); bíceps (BI); tríceps (TRI). Os eletrodos foram colocados de acordo com as diretrizes do Surface Electromyography for the Non-Invasive Assessment of Muscles-European Community Project (SENIAM) [34]. As contrações voluntárias máximas (MVCs) foram realizadas antes da coleta de dados para verificar a colocação correta do eletrodo e para a normalização. Períodos de descanso de um minuto seguiram cada MVC para limitar a possibilidade de fadiga. Os sinais EMG foram filtrados em banda (20-450 Hz) e amostrados a 2000 Hz.

Protocolo: O MVC foi medido por teste muscular padrão [35]. Em seguida, o participante sentava-se em frente a uma mesa com o antebraço apoiado em posição confortável. O HRSD foi localizado como mencionado acima. Os participantes foram solicitados a apontar para cada alvo 5 vezes de acordo com o prompt de voz que foi ativado pelo software EMG a cada 10 segundos, por 45 movimentos de apontar. A ordem de apontar os alvos foi constante para todos os participantes.

Análise de dados Pré-processamento de EMG A análise de dados foi realizada usando Matlab (The MathWorks, Inc.). Os EMGs foram diminuídos, seguidos pelo cálculo do RMS usando janela de sobreposição de 50 amostras (25 milissegundos em torno de cada ponto de tempo). Os EMGs médios da linha de base para cada tentativa foram subtraídos dos dados médios para a sequência de movimentos de alcance. Portanto, os dados de EMG para cada tentativa, um vetor cuja dimensão era 8 (o número de músculos registrados), correspondia à geração de força ativa além de qualquer atividade muscular basal residual. Os dados EMG foram normalizados de acordo com a Contração Isométrica Máxima (CVM) para cada músculo.

O algoritmo NMF originalmente utilizado por Lee e Seung (1999 e 2001), foi aplicado para identificar sinergias musculares e seus pesos de ativação. Um padrão EMG registrado em movimentos de alcance da mão foi modelado como uma combinação linear de um conjunto de N sinergias musculares, cada uma das quais especificando o nível relativo de ativação em 8 músculos e ativada por um coeficiente de ativação variável no tempo:

V^(M×T)≈W^(M×N)∙H^(N×T) (4) Onde V é a matriz do conjunto de dados EMG com M como o número de músculos (8 músculos), T como o número de amostras de tempo, W é a matriz de sinergia e H é a matriz de coeficientes. W é m×n é uma matriz com n sinergias, m é o número de músculos e H é a matriz n×t de coeficientes de ativação de sinergia. Assim, cada coluna de W representa os pesos de cada músculo para uma única sinergia, e cada linha de H representa o quanto a sinergia correspondente foi ativada ou usada para gerar força. Nesse modelo, é possível que cada músculo pertença a mais de uma sinergia e, portanto, o EMG de qualquer músculo pode ser atribuído a ativações simultâneas ou sequenciais de várias sinergias musculares.

Para determinar o número ideal de sinergias para todo o grupo, os dados EMG de todos os alvos foram concatenados para cada participante. Em seguida, os EMGs de toda a amostra foram concatenados antes da aplicação do NMF. O número ideal de sinergias (d) foi definido como o número de sinergias que capturou a maior variância total dos dados, sugerindo que as sinergias adicionais capturaram apenas pequenas quantidades residuais de variação atribuíveis ao ruído. Este procedimento nos permitiu estimar o número ideal de sinergias para toda a amostra para executar qualquer movimento de alcance no espaço, independentemente da direção do movimento.

O algoritmo NMF exigia que o número de sinergias extraídas fosse especificado antes da aplicação do algoritmo. Portanto, para cada conjunto de dados, o VAF foi calculado alterando o número de sinergias de 1 para 7. O VAF foi calculado usando a equação:

VAF(H)=100%×(1-(|(|V-WH|)|_2^2)/(|(|V|)|_2^2 )) (6) Onde V é a matriz original, e W e H são as matrizes derivadas e fatoradas.

Generalização de direções de movimento

O objetivo nesta fase de análise foi estabelecer se existe um conjunto de números discretos de sinergias que controlam qualquer movimento de alcance no espaço. Portanto, foi investigado como o movimento em certas direções poderia explicar os movimentos em outras direções. Os dados EMG para cada direção de movimento foram agrupados separadamente nos 8 músculos e concatenados para toda a amostra. Dessa forma, o conjunto derivado de sinergias teria que explicar a variação entre diferentes assuntos, mas também seria específico apenas para essa direção. O NMF foi aplicado separadamente para cada direção de movimento de acordo com a equação:

V_i≈W_i∙H_i (7) onde i é o número alvo, que corresponde à direção específica do movimento no espaço. Nesta etapa da análise, V_i (a matriz EMG) foi fornecida como entrada para cada alvo, i∈[1,9], e as matrizes W_i,H_i foram atualizadas iterativamente. O procedimento do estudo incluiu o alcance de 9 direções alvo diferentes no espaço, permitindo-nos investigar mais a fundo se havia um único conjunto de sinergias que pudesse explicar os movimentos em outras direções.

Isso foi feito usando uma técnica de validação cruzada entre as matrizes V_i e as matrizes W_j, aplicando uma versão modificada do algoritmo NMF, seguido pelo cálculo do VAF correspondente alterando o número de sinergias (d) de apenas 3 para 5, e não de 1 a 7 com base nos resultados do NMF para todos os participantes e para todos os alvos, conforme detalhado na seção de resultados. Na versão modificada do algoritmo, tanto V_i quanto W_j (a matriz de sinergias) foram dados como entrada. Somente a matriz de coeficientes H_(i,j) do alvo i foi atualizada e gerada.

O processo de validação cruzada do NMF modificado foi realizado para cada combinação de uma matriz de dados V_i (do alvo i) e uma matriz de sinergia W_j (do alvo j), resultando em matrizes 9×9 H_ji. Para todo i,j∈[1,9], fatorizamos V_i tal que W_j H_ji≈V_i.

O conjunto de referência de sinergias musculares foi escolhido calculando o VAF para cada uma das fatorações 9 × 9:

VAF(H_ij )=100%×(1-(|(|V_i-W_j H_ij |)|_2^2)/(|(|V_i |)|_2^2 )) (8) assumindo que altos valores consistentes de VAF (H_ij) para um V_i específico pode indicar que as sinergias obtidas de movimentos nessa direção podem explicar com precisão o movimento em outras direções.

Assim, para cada número predefinido de sinergias (d) foi recebida uma matriz 9×9 na qual cada célula representava a responsabilidade de uma determinada sinergia (linha) para uma direção especificada (coluna). Cada linha na matriz resultante representava o "desempenho" geral do conjunto apropriado de sinergias e, portanto, a linha com o VAF médio mais alto era escolhida para o próximo estágio de análise.

Modulação da direção das sinergias musculares Uma vez escolhido o conjunto de sinergias (W_j ), definindo os coeficientes de ativação para cada alvo (H_ij,quando i∈[9,1]), determinou-se quais sinergias são dominantes para cada uma das direções. Para cada número de sinergias, o coeficiente de ativação médio de cada sinergia para cada direção foi calculado. Definir o número de sinergias para 4, por exemplo, resultou em 9 vetores (um para cada direção de movimento) de 4 valores, representando as 4 sinergias. Em seguida, mediu-se a amplitude média de cada uma das sinergias na direção do movimento e entre os movimentos em diferentes direções nas sinergias.