Terapeutiska effekter av elektrisk vestibulär stimulering (EV) på balans och gång (VST)

Bakgrund och skäl

Stående balans och stabil gång upprätthålls genom integration av sensorisk feedback från den visuella, somatosensoriska (muskel-, hud-, sen- och ledreceptorer) och vestibulära system. Kvaliteten på denna feedback och förmågan hos centrala nervsystemet (hjärn- och ryggmärgen) att integrera dessa signaler och generera lämpliga motoriska svar dikterar balans och gångprestanda. Åldersrelaterad balansnedgång, kliniskt känd som Presbystasis, är en av de mest synliga och försvagande tecken på åldrande. Mer än 60 miljoner människor i USA över 40 år lever med åldersrelaterade balansnedsättningar som ökar deras risker för fallrelaterade skador och gör det allt svårare att fortsätta leva aktivt och oberoende. 1-i-3 vuxna över 65 år faller varje år och fall är den ledande dödsorsaken hos seniorer. Men det finns mindre än 20 000 kliniska specialister i USA med verktyg för att diagnostisera balansnedsättningar, så för de flesta görs lite för att ta itu med minskande balans tills efter en fallrelaterad skada inträffar. Lösningen som erbjuds de flesta äldre vuxna är ett mekaniskt balanshjälpmedel som en rullator, vars långvariga användning endast destabiliserar balansen ytterligare.

Vestibular dysfunktion har identifierats som den främsta orsaken till balansnedgång hos mer än 55% av vuxna över 50 år, eller cirka 34 miljoner människor i USA Denna dysfunktion påverkar både de perifera vestibulära organen i det inre örat och centrala vestibulära bearbetning i hjärnan, och den har också kopplats till kognitiv nedgång. Nuvarande terapeutiska alternativ för att återställa förlorad balansfunktion är begränsade till högrisk kirurgiska vestibulära implantat. Den nuvarande vårdstandarden är träningsbaserad terapi som syftar till att hjälpa till att kompensera för nedgång av vestibulär balans, men det finns fortfarande ett kritiskt gap: ingen allmänt tillgänglig icke-invasiv lösning finns för att återställa förlorad vestibulär funktion eller förhindra ytterligare försämring.

En växande mängd forskning indikerar att låg nivå, icke-invasiv elektrisk stimulering av det vestibulära balanssystemet (EVS) kan inducera neuroplastiska förändringar på både cell- och kretsnivåer, vilket effektivt återställer perifera och centrala vestibulära funktioner. Återställd vestibulär funktion har också kopplats till återställd kognitiv funktion. Utredarna har utvecklat en ny undertröskel bredbandsstokastisk EVs (SWSEV) neuroplastisk stimulering, som riktar sig till perifera och centrala vestibulära vägar. Flera studier har visat att SWSEV: s frekvenser och nuvarande nivåer är säkra, bekväma, väl tolererade och inte har några negativa biverkningar. Dessa studier har också visat att ett terapeutiskt behandlingsprotokoll med 18 tjugo minuters SWSEV-sessioner levererade under en 5-6-veckors period resulterade i betydande förbättringar i balansprestanda hos annars friska vuxna i åldern 50-98 år. Dessa förbättringar tillskrivs neuroplastisk återställning av både perifer och central vestibulär funktion. De observerade förbättringarna varade i minst 3-6 månader och var tillräckliga för att beskriva individer med hög fallrisk för att sänka fallrisken.

Mål

Med den föreslagna prekliniska studien syftar utredarna till att bestämma säkerhet, genomförbarhet, effektivitet och uthållighet av ovanstående icke-invasiva SWSEV: er för att förbättra balans och gångprestanda hos friska individer över hela livslängden. Specifikt är vårt mål att mäta balans och gångprestanda före, under och efter exponering för enstaka sessioner och över upprepade sekvenser av SWSEV på flera studiepartnerplatser. Utredarna förutspår att SWSEVS-inducerad neuroplasticitet kan främja återhämtning av vestibulär funktion via dokumenterade mekanismer som inkluderar: 1) regenerering av vestibulära hårceller; 2) En ökning av synaptisk förstärkning i det vestibulära systemet, 3) En ökning av vestibular afferent/efferent nervfiberledningsförmåga och excitabilitet, och 4) ökade central neural integration av sensoriska signaler (vestibular, visuell, somatosensorisk) för motorisk kontroll. Som sådan är vår huvudsakliga hypotes med denna forskning att exponering för upprepade sekvenser av SWSEV kommer att förbättra balans och gångprestanda (t.ex. gångkadens, stabilitet etc.).

Ett sekundärt mål med denna studie är att bestämma om förändringar i vestibulär funktion åtföljs av mätbara förändringar i kognitiv funktion.

Slutligen är ett tertiärt mål för denna forskning att avgöra om SWSEV har någon potentiell fördel för deltagare som lider av tillfällig huvudvärk. Det finns några anekdotiska bevis på att EV: er kan hjälpa till med huvudvärk, särskilt för så kallade "vestibulära migrän"; Hittills har detta emellertid inte formellt studerats.

Deltagare

Friska unga och äldre vuxna deltagare (18 - 100 år) kommer att rekryteras i denna studie. Deltagarna kommer att rekryteras på varje studieplats från sitt lokalsamhälle via word of mouth, studyannonsposteringar och UCALGARY deltagande webbplats. Alla deltagare kommer att ges detaljerade skriftliga och muntliga förklaringar av experimentella mål och förfaranden, och protokollet kommer att godkännas av Ucalgarys Clinical Health Research Ethics Board (CHREB). Deltagarna kommer att tillhandahålla skriftligt informerat samtycke före deltagande.

Metodik

Deltagande i detta experiment kommer att involvera 18 testsessioner under en 5-6-veckors period, liksom 3-veckors, 6-veckors, 3-månaders och 6-månaders uppföljningssessioner. Varje test- och uppföljningssession kommer att pågå under 1 timme. Det föreslagna projektet kommer att använda sex primära tekniker: (i) elektrisk vestibulär stimulering (SWSEV); (ii) accelerometri; (iii) smartphone-appbaserade gång- och balanstester; (iv) kliniker-administrerade funktionella gångbedömningar; (v) statiska och dynamiska balansprov med en instrumenterad balansplattform; (vi) Kognitiva bedömningar. SWSEVS -testadministratörer kommer också att samla in information om eventuella biverkningar under varje besök och sedan det senaste besöket. Deltagarna kommer också att fylla i frågeformulär när de kommer in och lämnar studien för att bedöma förekomsten och svårighetsgraden av huvudvärk, kognition, yrsel, fysisk aktivitet, samt för att avgöra om dessa huvudvärk orsakar någon anmärkningsvärd funktionshinder.

(i) Elektrisk vestibulär stimulering (EVS) involverar elektriskt aktivering av det perifera vestibulära systemet genom att passera små elektriska strömmar genom elektroder placerade på mastoidprocesserna (bakom öronen) via batteridrivna, konstantströmisolerade stimulatorer. Denna icke-invasiva, säkra och smärtfri bioelektroniska stimuleringsteknik använder vanligtvis antingen en stokastisk signal (vitt brus) eller monopolära eller bipolära fyrkantiga eller sinusvågspulser. EVS typically used different bandwidths of stimulation, from broad-band (0-1 kHz) to narrow-band (0-2 Hz).EVS may also be applied at different stimulation amplitudes, ranging from those that are below the level of evoking any sensation by the participant ("sub-threshold"; typically < 0.5 mA), to those that evoke overt vestibular sensations and balance responses ("supra-threshold"; > 0,5 mA). SWSEV: s neuroplastiska restaurering i den aktuella studien ger undertröskel, bredband, stokastiska stimuli via 2 par engångs engångselektroder fästa vid varje mastoid och baksidan av nacken. EVS överstiger aldrig +/- 3 MA (hårdvara och mjukvarutrimited), vilket ger den en utmärkt säkerhetsprofil över en stor och växande mängd vetenskaplig litteratur.

(ii) Accelerometri: Deltagarna kommer att instrumenteras med bärbara accelerometrar (phybrata -sensor; Protxx Inc.) på huvudet över toppen av den högra mastoidprocessen, liksom på toppen av varje fot. Sensorn som placerats på huvudet har validerats som ett mått på gång- och balansprestanda i flera tidigare studier. Sensorerna som placeras på fotens överst kommer att användas för att rekonstruera steg-för-steg fotplaceringskinematik under gångtestning. Sensorer fästa på huvudet kommer att fästas på huden med engångs-dubbelsidig medicinsk tejp, efter rengöring av huden med en alkoholpinne. Sensorer som appliceras på foten under gångtestning kommer att fästas med medicinskt band. Accelerometrarna samlar och vidarebefordrar automatiskt de kinematiska data till ett appbaserat system för smartphone.

(iii) App-baserad gång och balanstestning: Gait- och balansbedömningar kommer att utföras med en smartphone-app utvecklad av Protxx Inc. Appen styr användaren genom de experimentella procedurerna genom instruktioner på skärmen och hörseln. Utredare kommer att använda appen för att utföra bedömningar av tyst stående (3 x 2 min intervall för att stå stilla och avslappnade med sina armar vid sina sidor; 1 min ögon öppna, 1 min ögon stängda), såväl som standardtidsinställda och gå (tug) uppgift och en överjordisk gånguppgift. För bogserbåten kommer deltagarna att börja sitta i en stol, sedan när de uppmanas av appen, kommer att stå upp, gå 3 m fram till en pilon på golvet, vända 180 grader, sedan återgå till stolen och sitta ner. För den över markens gånguppgift kommer deltagarna helt enkelt att börja stå med tårna över en bandlinje på golvet, sedan kommer de att gå framåt (<50 ') till en slutmålpilon.

(iv) Functional Gait Assessment (FGA): The investigators will have trained clinicians administer the FGA, which involves timing 10 different tests of mobility, including: 1) level surface walking (20'), 2) 'change-in-gait-speed' task alternating between 'slow' and 'fast' speeds (5' each), 3) walking with horizontal head turns every 3 steps (20'), 4) walking with vertical head turns every 3 steps (20'), 5) walking with pivot turn to reverse direction and stop (5'), 6) walking with a step over a 9" obstacle (i.e., the height of 2 shoe boxes), 7) walking with narrow base of support (i.e., stepping 'heel-to-toe') for 10 steps, 8) walking with eyes closed (20'), 9) walking backwards (20'), and 10) walking up and down a set of 4 steps, using a railing if nödvändigt.

(v) Kognitiva bedömningar: Kognitiva bedömningar kommer att använda pappersbaserade frågeformulärformer av symbolsiffriga matchningsuppgift (SDMT) och Montreal Cognitive Assessment (MOCA).

Experimentöversikt

Under deras första intagssession på studieplatsen kommer alla deltagare att genomgå EVS -tröskeltest för att bestämma normaliserade nivåer av EV: er som resulterar i balansstörningar. Denna EVS -tröskeltestning kommer att genomföras genom att administrera mycket låga strömmar (börjar vid ~ 0,1 Ma) till deltagarna som står med stängda ögon och ökar den nuvarande nivån över försök tills en EVS -balansgräns har bestämts.

Under alla 18 efterföljande testningssessioner kommer deltagarna att utföra gång- och balanstester som administreras via en smartphone -app (se nedan) före och efter en enda kontinuerlig session med SWSEV (<20 min). Under varje SWSEVS -session kommer deltagarna att växla mellan att sitta, stå på det hårda golvet och stå på en skumdyna, med intervaller att ha ögonen öppna och stängda. En utredare kommer alltid att vara i närheten av deltagarna för att skydda dem från att falla och ge postural stöd om det behövs.

Kognitiva test- och huvudvärkfrågeformulär kommer att slutföras under den första och sista av de 18 behandlingssessionerna.

Under 3-veckors, 6-veckors, 3-månaders och 6-månaders uppföljningssessioner kommer deltagarna att upprepa gång- och balanstester för att bedöma uthålligheten av eventuella prestationsförbättringar som mättes efter de 18 testsessionerna.

Statistisk design

För att bestämma den terapeutiska effekten av upprepade EVS-sessioner kommer beroende variabler att överlämnas till upprepade åtgärder ANCOVA med stimuleringstyp ('undertröskel', 'supra-tröskel') och kön ('man', 'kvinnlig') som mellan ämnesfaktorer och ålder som ett samvarigt. Ytterligare undersökande analys av förhållanden mellan ålder och olika beroende variabler kommer att utföras med Pearson -korrelationer. En alfa -nivå på 0,05 kommer att användas som den statistiska signifikansgränsen för alla testning.