Fysisk träningsinducerad plasticitet hos motoriska kontrollmekanismer hos patienter med Parkinsons sjukdom

I. Forskningsprojektets mål

Mål 1. Att karakterisera en påverkan av 8-veckors HIIT-cykel på neurofysiologiska funktioner (NPF) av: (i) motoriska kortikala strukturer (som är kritiskt beroende av den presynaptiska DA-tillgängligheten), med hjälp av EEG och (ii) skelettmuskler som är engagerade i motorisk uppgift , med yt-EMG. Följande neurofysiologiska funktioner hos CNS kommer att testas under utförandet av de DA tillgänglighetsberoende självinitierade bimanuella motoruppgifterna: (i) en nivå av aktivering av kortikala strukturer och (ii) styrkan hos funktionell koppling mellan neurala strukturer. För NPF:er för skelettmuskler kommer utredarna att studera en strategi för aktivering av motoriska enheter. Dessutom, eftersom utredarna kommer att spela in EEG och EMG samtidigt, kommer utredarna att bedöma styrkan av kortiko-muskulär koppling.

Hypotes 1. NPF kommer att förbättras efter den 8 veckor långa HIIT-cykeln jämfört med baslinjen i PD-TR-gruppen och kommer att bibehållas en månad efter HIIT. Utredarna spekulerar nämligen att för motorn i CNS-aktivitet kommer det att vara: (1) primär motorisk cortex (M1), kompletterande motorisk area (SMA); (2) minskning av aktiveringen av lateral premotorisk cortex (PMC) och cerebellum; med samtidig (3) ökning av funktionell koppling av: dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) med M1, PMC, SMA och cerebellum; (4) minskning av funktionell koppling mellan M1, PMC, SMA, cerebellum och parietal cortex. För skelettmuskelfunktionen kommer det att vara en förbättring av rekryteringsstrategin för motoriska enheter. Med hjälp av data från den samtidiga registreringen av elektrisk aktivitet hos hjärnbarken och skelettmuskler som är engagerade i motoriska uppgifter, antar utredarna förstärkning av kortikomuskulär koppling. I PD-NTR-gruppen kommer NPF inte att förbättras eller till och med försämras under samma tidsintervall.

Syfte 2. Att karakterisera en påverkan av 8-veckors HIIT-cykeln på psykomotoriska beteenden (PMB), kritiskt beroende av DA-tillgängligheten och hjärnans NPF. Följande PMB kommer att testas under flera experiment: (1) självinitierade bimanuella antifasrörelseuppgifter under samtidiga EEG-, EMG- och kraftregistreringar (2) utvärdering av alla motoriska och icke-motoriska PD-symtom, baserad på neurologisk bedömning, (3 ) övergripande kognitiv funktion och specifikt aspekter av exekutiv funktion med hjälp av psykologiska tester.

Hypotes 2. PMBs kommer att förbättras efter 8-veckors HIIT-cykeln jämfört med baslinjen i PD-TR-gruppen, och kommer att bibehållas en månad efter HIIT, som en konsekvens av förbättringarna av presynaptisk striatala DA-tillgänglighet och NPFs, PMBs förbättring kommer inte att vara närvarande i PD-NTR-gruppen, eller till och med PMB kommer att försämras under samma tidsintervall.

Syfte 3. Att utvärdera: (i) effekten av 8-veckors HIIT-cykeln på BDNF, NGF, IGF-1-utsöndringsnivå i blod behandlat som markörer för neuroplasticitetseffektivitet (uttryckt i träningsinducerad ökning av presynaptisk DA-nivå och förbättring av NPF' och PMB).

Hypotes 3. Sekretionsnivån av BDNF, NGF och IGF-1 kommer att öka efter den första och andra anfallen av HIIT-cykeln jämfört med baslinjen i PD-TR-gruppen, och kommer att bibehållas en månad efter HIIT. I motsats till PD-TR-gruppen kommer förbättringen av BDNF-, NGF- och IGF-1-utsöndringsnivåer inte att finnas i PD-NTR-gruppen eller till och med deras nivå kommer att minska.

II. Motivering för att ta itu med specifika vetenskapliga problem genom det föreslagna projektet.

II.1. EEG- och EMG-applikation för att utvärdera NPFs i hjärnans kortikala strukturer och skelettmuskler II.1.1. En nivå av aktivering av neurala kortikala strukturer kommer att utvärderas med EEG-medelvärdesberäkning och källanalys (kortikala neuronkretsar).

II.1.2. Styrkan hos funktionell koppling mellan de neurala kortikala strukturerna kommer att bedömas med EEG-EEG koherensanalys:

II.1.3. Motoriska enheters aktiveringsstrategi för skelettmuskulatur som är engagerad under motorisk uppgift kommer att testas med yt-EMG-standardanalys och SSA.

II.1.4. Styrkan hos funktionell kortiko-muskulär koppling kommer att utvärderas med analys av koherens mellan EEG- och EMG-signaler:

II.2. PMB:er kommer att utvärderas baserat på motoriska och kognitiva uppgifter, samt neurologiska och psykologiska tester/skalor:

II.2.1. Självinitierade bimanuella anti-fas pekfingerrörelser och bimanuella fingerfärdighetsuppgifter kommer att bedömas under samtidiga EEG, EMG och kraftregistreringar baserat på analys av kraftutveckling, respektive.

II.2.2. Utvärdering av motoriska och icke-motoriska PD-symtom, baserad på neurologisk bedömning med användning av hela Unified Parkinsons Disease Rating Scale (UPDRS) och Hoehn och Yahr-skalan (H&Y). I syfte att uppskatta korrelationen mellan den bimanuella fingerfärdighetsfunktionen som beskrivs i punkterna II.2.1 kommer utredarna också att välja poängen för manuell och bimanuell funktion från UPDRS. Utredarna kommer nämligen att analysera parkinsonska bradykinesipoäng för den drabbade/mer påverkade övre extremiteten baserat på objekten 23-25 ​​från UPDRS (fingerknackningar, öppnings- och stängningshänder, pronation-supinationshandrörelse; respektive). Utredarna kommer också att analysera: (i) en prestation av manuella funktioner i det dagliga livet baserat på punkterna 8-11 från UPDRS (handskrift, skärning av mat och hantering av redskap, påklädning, hygien, respektive). Dessutom kommer utredarna att bedöma livskvaliteten med hjälp av Schwab och England Daily Living Activity Scale (S&E DLA) (Fahn och Elton, 1987).

II.2.3. Psykologisk bedömning av exekutiv funktion med hjälp av två test: Trail Making Test (TMT) och Stroop Test (ST). I både TMT- och ST-testerna används tiden det tar att genomföra testet som prestationsmått med kortare tid som bättre prestanda. För att utesluta patienter med demens kommer utredarna också att tillämpa Mini Mental State Examination test (MMSE) (Folstein et al., 1975).

II.3. Utsöndring av neurotrofa faktorer i blod Genom att använda den enzymkopplade immunosorbentanalysen (ELISA-teknik) kommer utredarna att bedöma utsöndringen av serum BDNF, NGF, IGF-1 i blod, som är ansvariga för neurogenes, synaptogenes, angiogenes.

III. Arbetsplan Projektförverkligandet är planerat till 24 månader. Projektet kommer att registrera två grupper av PD-patienter: PD-TR - de PD-patienter som kommer att utföra fysisk träningscykel; PD-NTR - icke-tränade PD-patienter och en H-CO - frisk kontrollgrupp som inte kommer att utföra HIIT-cyklerna.

Projektet kommer att börja med en baslinjetestning (PRE-HIT) i båda PD-grupperna. Sedan kommer PD-TR-gruppen att utföra den 8-veckors HIIT-cykeln, och PD-NTR-gruppen kommer inte att utföra HIIT-cykeln under denna tidsperiod. Sedan, 1 vecka och en månad efter avslutad HIIT-cykel, kommer utredarna att utföra testsessioner i PD-TR- och PD-NTR-gruppen. Den friska kontrollgruppen kommer att testas endast vid en tidpunkt, när labutrymmet inte kommer att upptas av PD-patienttest.

IV. Forskningsmetodik

IV.1. Forskningsdesign Detta projekt kommer att vara en longitudinell, randomiserad (randomisering av opaka kuvert) kontrollerad studie med 3 armar. Utredarna kommer att rekrytera 40 PD-individer, som kommer att slumpmässigt fördelas i två lika grupper: PD-TR (N=20) och PD-NTR (N=20). Utredarna kommer att jämföra resultaten från dessa två grupper för att utforska en longitudinell effekt av HIIT-cykler på mätresultat. Dessutom kommer utredarna att rekrytera en frisk kontrollgrupp (H-CO; N=20) som testas endast en gång, och kommer att utgöra ett "friskt tillstånd" tillstånd för jämförelser med båda PD-patientgrupperna. Jämförelsen av PD-NTR med H-CO kommer att visa oss mekanismerna för patologiska förändringar hos PD-patienter och jämförelse av PD-TR med H-CO kommer att ge oss en möjlighet att utforska karaktären hos mekanismer (återställning eller kompensation) av HIIT-inducerad förändringar hos PD-patienter.

De 40 PD-individerna kommer att kvalificeras för vår studie efter att ha diagnostiserats att ha en idiopatisk PD, baserat på neurologisk bedömning. Diagnosen av Parkinsons sjukdom kommer att baseras på sjukdomshistoria, fysiska och neurologiska undersökningar och svar på L-dopa. IV.2.2. Ämnesrekrytering. PD-personerna kommer att rekryteras från Neurology Clinic, Wroclaw Medical University (WMU) i Wroclaw, Polen, där personen som utför den neurologiska PD-patientutvärderingen i vårt projekt (Budrewicz Slawomir, M.D, Ph.D.) är anställd som rörelsestörningsneurologer och konsultera PD-patienter där. Med hänsyn till WMU:s kapacitet och topposition är utredarna säkra på att utredarna kan rekrytera och slutligen kvalificera 40 PD-patienter. Den friska äldre kontrollgruppen av försökspersoner kommer att rekryteras baserat på: (i) offentlig reklam och (ii) kontakter med universiteten i den tredje åldern och seniorklubbarna runt staden Warszawa.

IV.2. Utbildningsprocedurer Patienterna från PD-TR-gruppen kommer att utföra en 8-veckors HIIT-cykel. Det 8-veckors HIIT-programmet kommer att bestå av tre veckovisa 1-timmes träningspass (var och en bestående av en 10-minuters uppvärmning, 40 min högintensiv intervallträning och en 10-minuters nedkylningsfas med låg frivillig hastighet ) utförs på en stationär cykelergometer (MONARK, Ergomedic 874E, Sverige) som mäter kadens (varv per minut; [rpm]) och effekt [W]. Under varje träningspass kommer intervallövningen att bestå av 8 set med 5-minutersintervaller, inklusive 3 min cykling vid ≥ 60 [rpm] men helst vid 80-90 [rpm] (snabb fas av intervallet) och 2 min cykling vid ≤ 60 [rpm] (långsam fas av intervall). Patienterna i PD-TR-gruppen kommer att bli rytmiskt uppmuntrade av en metronom och muntligt uppmuntras av en instruktör att trampa med den inställda hastigheten som är lämplig för de snabba och långsamma faserna. Kadensvärdena kommer att presenteras för varje försöksperson i realtid på en skärm som feedback för att styra varvtalet under de olika intervallfaserna. Pulsen (HR; slag per minut [bpm]) mätt med ett Polar-system (Polar, Finland), kadens [rpm] och effekt [W] kommer att övervakas och samlas in under varje träningspass. Träningsledaren kommer att justera motståndet för varje patient för att säkerställa cykling vid varje patients målpuls (THR) och med lämplig hastighet. PD-patienter kommer att cykla med 60%-75% av sin individualiserade HRmax (maximal hjärtfrekvens). PD-patienterna kommer att uppmuntras att cykla snabbare (80-90 rpm eller 30 % snabbare än deras frivilliga tramphastighet) under den snabba fasen av intervallet och att öka hans/hennes THR varannan vecka med 5 % (60 % av HRmax under intervallet). 1-2 veckor, 65% under 3-4 veckor, 70% under 5-6 veckor och 75% under 7-8 veckors träningsperiod). Dessutom kommer patienternas uppfattningar om träningsintensiteten (för de snabba och långsamma faserna av intervallet) att bedömas med hjälp av Borg Rating of Perceived Exertion (RPE) (Borg, 1982).

IV.3. Mätprocedurer Alla PD-patienter kommer att undersökas under sin medicinering utanför fas, d.v.s. efter ett 12-timmars utsättande av anti-parkinsonläkemedel (24 timmar för läkemedel med förlängd frisättning). Sekvensen för testsessionerna för specifika metoder är följande: 1:a dagen - (i) blodprovstagning; (ii) psykologiska, neurologiska och funktionella tester -> 2:a dagen - (i) EEG + EMG + kraft.

IV.4. Statistisk analys Utredarna kommer först att göra en jämförelse mellan grupperna för alla demografiska och kliniska egenskaper för att kontrollera baslinjeskillnader. Detta kommer att göras med hjälp av det tvåsidiga Student's t-testet eller Mann-Whitney U-test för normal- och icke-normalfördelade data eller Fishers exakta test för beredskapsdata. Variansanalys av upprepade mått kommer att användas för att utföra en jämförelse mellan grupper av förändringar i testpunkterna. Betydande huvudeffekter kommer sedan att utsättas för en post-hoc parvis jämförelse främst mellan PD-TR och PD-NTR, och PD-TR och H-CO. Korrelationsanalys (Pearson eller Spearman korrelationskoefficient) kommer att utföras mellan EEG, EMG (beskriver NPF), PMBs och neuroplasticitetsmarkörer. För alla analyser kommer en signifikansnivå att sättas till α=0,05 med Bonferroni-justeringar för flera jämförelser vid behov.