治疗性空气混合物和电刺激相结合改善脊髓损伤的呼吸和手部功能 (AIHH+tSCS)

本提案的目的是测试将 AIHH 暴露与 tSCS 结合应用以对慢性 SCI 任务特定训练做出主要反应的准确性和有效性，通过追求以下具体目标：

目标 1：检验以下假设：与单独的任何治疗相比，单次 AHH 与 tSCS 配对呼吸力量训练相结合将协同诱导慢性 SCI 更大的呼吸运动输出。

理由。 脊髓回路的呼吸相位依赖性激活需要脑干神经驱动。 因此，用 AIHH 增强下行驱动力，同时用 tSCS 降低脊髓神经元回路的激活阈值将产生协同效应。

目标 2：检验以下假设：与单独的任何治疗相比，将单次 AHH 与 tSCS 配对上肢力量训练相结合将协同诱导慢性 SCI 中更大的上肢运动输出。

理由。 精确的上肢功能需要直接的皮质脊髓神经支配和传入反馈。 因此，用 AIHH 增强下行驱动力和用 tSCS 降低传入神经激活阈值将产生协同效应。

目标 3：确定与慢性 SCI 中 AIHH 与 tSCS 配对功能力量训练组合反应减弱相关的生物标志物。

理由。 参与神经可塑性相关细胞信号传导的基因中存在单核苷酸多态性 (SNP)，将破坏治疗反应。

实验步骤

该研究将总共涉及 5 次访问，每次持续约 3 小时。 第一次访问将进行临床评估，然后进行 4 次实验暴露和测试访问。

临床评估。 除了在现场筛选期间进行的临床评估外，还将进行评估以全面描述每个人的临床表现和 SCI，并确定初始状态以监测安全性和对研究程序的反应。 标准化临床测试将用于评估痉挛、神经性疼痛和慢性疼痛、生命体征以及睡眠呼吸障碍的存在和严重程度。 具体而言，脊髓损伤神经学分类国际标准将用于评估节段感觉和运动功能并确定损伤特征（Kirshblum 等，2011）。 痉挛状态将使用痉挛反射脊髓评估工具 (SCATS) 进行评估，这是一种客观、可靠的阵挛、伸肌和屈肌痉挛测量方法（Benz 等，2005）。 神经病理性疼痛问卷简表（Backonja & Krause，2003）将用于评估神经病理性疼痛，而简短疼痛量表是一种经过验证的疼痛严重程度及其对功能影响的自我报告评估，将用于评估和监测疼痛（凯勒，2004）。 将评估心率和血压等生命体征，并使用基线测量来监测安全性和评估对研究程序的反应，并评估异常自主反应，例如自主神经反射障碍。 由于咖啡因和尼古丁会改变心肺功能，并可能影响对研究干预措施的反应，因此参与者将被要求在参与研究前至少 2 小时内避免饮用含咖啡因的饮料和使用尼古丁（例如烟草制品和电子烟）程序（Turnbull 等人，2017 年；Hernandez-Lopez 等人，2013 年；Navarrete-Opazo 等人，2017a）。 作为监测程序的一部分，参与者将被要求自我报告咖啡因和尼古丁的使用情况（以及疼痛、痉挛、药物等的变化）。 我们考虑了对这些物质的使用进行更严格的限制，并得出结论，如果参与者被排除或预期放弃使用这些常见产品，招募和保留将会受到负面影响。 参与者将使用经过验证的柏林问卷（Chung 等人，2008 年）自行报告其睡眠呼吸障碍（即睡眠呼吸暂停）的风险。 睡眠呼吸暂停和睡眠呼吸障碍在慢性 SCI 患者中非常普遍，这可能会影响 AIH 的影响（Sankari 等人，2014 年；Mateika 和 Syed，2013 年；Vivodtzev 等人，2020 年）。 需要注意的是，排除睡眠呼吸暂停患者是不切实际的，因为最近的估计表明，近 80% 的颈椎 SCI 患者和超过 50% 的胸部 SCI 患者至少经历过一定程度的睡眠呼吸障碍（Sankari 等人） .，2014）。 事实上，睡眠呼吸暂停似乎实际上增强了 SCI 患者的 AIH 治疗效果（Vivodtzev 等，2020）。 总的来说，这些临床评估将使我们能够全面描述研究参与者的特征并描述我们研究人群的特征。 详细的临床特征还将使我们能够密切监测参与者的安全性和不良反应。

完成初始文书工作和临床评估后，将收集参与者的生物样本（唾液和血液）。

被动流口水。 唾液样本将在组合治疗疗程的第一天采集一次。 参与者将被要求在收集唾液前 10 分钟仅喝水并用水漱口。 然后，参与者将被要求将唾液集中在口中，并将 2 ml 唾液放入无菌的无 DNAase/RNAase 唾液收集管中。 唾液采集后立即冷冻并保存在-20°C。 唾液样本将列出受试者的编码 ID、样本采集日期和研究 IRB 编号。 随后，样本将被运送到杰斐逊校友堂杰伊·奈尔研究实验室并储存在 -80°C 下，研究调查员杰伊·奈尔博士将在那里对其进行分析。 唾液样本将被解冻并离心以进行分析。 研究完成后，剩余的样品将通过将 10% 的漂白剂溶液倒入样品中而被破坏。 漂白的样品将被倒入实验室下水道并丢弃。

在上述生物标志物样本收集和初步安全测试之后，我们将在杰斐逊康复研究所研究实验室继续进行实验程序。 按照随机顺序，参与者将接受 AIIH/Sham 暴露，休息 20 分钟，然后进行 tSCS 搭配呼吸力量训练（研究 1）或功能性上肢训练（研究 2）。 研究 1/研究 2 实验的剩余部分将在至少 1 周的清除期后进行。

同样，参与者将接受 AIIH/Sham 暴露，休息 20 分钟，然后进行 tSCS 搭配上肢功能训练（研究 2）。 研究 2 实验的剩余部分将在至少 1 周的清除期后进行。

神经生理学

研究 1 表面肌电图 (EMG)。 使用放置在锁骨中线上第七或第八肋间的表面电极，在安静呼吸和最大吸气努力期间记录肋膈肌、外肋间肌、胸锁乳突肌活动。 信号将被放大 (x 200) 和带通滤波（0.1-3 kHz；型号 78D，Grass Instruments；Oakville，ON，加拿大），以 10 kHz 采样（PowerLab 16SP，AD Instruments；Colorado Springs，CO，USA） ，并使用 LabChart 软件（AD Instruments；美国科罗拉多斯普林斯市）进行在线监测 [9] [10]。

研究 2 表面肌电图：第一背侧骨间肌电图 (FDI)：为了记录上肢肌肉的电活动，自粘表面电极将放置在主导侧 FDI 固定在肌肉肌腱的皮肤上，其中一个电极放置在上肢肌腱上肌肉腹部（相距约 3 厘米）。 使用的电极和放大器与上面相同。

接地电极放置在肩胛骨的肩峰突或骨盆的髂前上棘上。 在放置电极之前使用导电凝胶清洁皮肤以最小化电阻抗。 这可能包括剃除将放置电极的皮肤区域的毛发。

经颅磁刺激

研究 1：膈肌运动诱发电位：受试者舒适地坐着，充分支撑，颈部稍微弯曲。 经颅磁刺激是根据[11]描述的技术进行的。 头骨的顶点由鼻根到枕骨和耳屏到耳屏之间的交点来识别。 负责膈肌运动激活的皮层区域位于顶点外侧约 3 厘米、前方 2 厘米。 使用由磁刺激器供电的手持式 70 毫米 8 字形线圈提供单脉冲 (1 Hz) 刺激。 线圈固定在大脑的左半球上，电流沿前后方向流动。 然后将线圈从预定位置稍微移动并以 45° 的方式旋转，直到观察到最大的 MEP。 该位置标记在受试者头部上方的紧身泳帽上，以确保线圈在未来刺激中准确定位。

研究 2：FDI 运动诱发电位：受试者将舒适地坐着接受刺激。 在 FDI 肌肉（热点）中引发运动诱发电位的最佳位置是通过移动线圈来确定的，手柄指向后方并远离中线 45°，沿着初级运动皮层的手部表征以小步移动。 使用由磁刺激器供电的手持式 70 毫米 8 字形线圈提供单脉冲 (1 Hz) 刺激。 线圈固定在大脑的主导侧半球上方，电流沿前后方向流动。 热点被定义为可以以最小强度引起 FDI 中最大 MEP 的区域（Rothwell 等，1999）。 该位置标记在受试者头部上方的紧身泳帽上，以确保线圈在未来刺激中准确定位。

宫颈磁刺激。

对于研究 1 和 2，CMS 刺激的位置是相同的。 这将根据[12]描述的技术来完成。 将使用放置在颈椎 (C3-C7) 上的 90 毫米手持式圆形线圈来传递单脉冲 (1 Hz) 刺激。 通过以 5% 的增量将刺激强度从最大刺激器输出的 40% 逐渐增加到 100% 来绘制招募曲线。 每个强度将进行大约 3-10 次刺激，间隔 10-30 秒。 如果受试者希望在刺激之间休息较长时间，他们可以这样做，直到准备好继续。 即使在最高刺激器输出下，单脉冲 (1 Hz) 刺激也非常安全 [13]。 如果受试者希望在刺激之间休息较长时间，他们可以这样做，直到准备好继续。 与所有程序一样，将密切监测参与者是否有任何不适。 将绘制 CMS 的募集曲线，但从 60% 的刺激强度开始。 在这些刺激过程中，我们将密切监测受试者是否感到不适，并鼓励他们告知实验者是否希望测试暂停并休息一下，或者是否不再希望发生刺激。

通风（研究 1 和 2）

执行基线刺激（CMS 和 TMS）后，我们将记录正常静息呼吸期间的呼吸频率、潮气量、每分钟通气量和吸入/呼出气体浓度，持续 5-10 分钟。 这些措施将在整个 AIHH/Sham 暴露期间以及之后持续 1 小时内持续。

功能评估

呼吸评估（研究 1）

研究入组后，将在干预前的两个时间点评估基线呼吸功能：1) 参与者筛选期间，以及 2) 每次干预的第 1 天（预测试）（AIHH/Sham + tSCS 配对呼吸力量训练） 。 这种方法将确保有效的初始评估并最大限度地减少运动学习对结果的影响（Larson 等，1993）。 随后的呼吸功能测试将在干预后的第 1、3 和 7 天进行。 对于每次干预，我们将计算初始效果，以从测试前到测试后的功能变化来衡量。 测试后时间表确保我们能够量化每次干预（或假）方案后的持续变化。 呼吸系统测试将按随机顺序进行，每次测试至少进行 3 次试验，试验之间有休息时间。 测试将在一天中的同一时间以一致的坐姿进行（Terson de Paleville 等，2014）。 所有测试都将按照美国胸科学会测试指南（ATS，2002）进行，并且值将针对 SCI 个体进行调整（Kelley 等人，2003）。 我们的研究团队拥有临床呼吸测试方面的专业知识，这些是布鲁克斯康复中心的常规测量。

最大吸气和呼气压力是主要研究结果。 吸气压力的产生指示吸气强度，并与肺部健康和感染风险相关（Raab 等人，2016 年；Postma 等人，2013 年；Stolzmann 等人，2008 年）。 呼气压力的产生反映了呼气呼吸强度，并且与气道清理和咳嗽相关（Park 等，2010）。 经过数周的呼吸力量训练和单日 AIH 训练后，吸气和呼气压力的产生得到改善（Roth 等人，2010；Mueller 等人，2012；Ahmed 等人，2017；Sutor 等人，2021）。 将使用连接到呼吸器（美国堪萨斯州肖尼市的汉斯·鲁道夫）的咬嘴来测量通气指数和鼻夹的使用情况。 为了获得最大吸气压力，参与者将呼气至残余量，并在吸气线闭塞的情况下尝试最大吸气至少 2 秒。 最大呼气压力将在参与者吸气至接近总肺活量后通过用力呼气对闭塞的呼气管进行测量（ATS，2002）。

用力肺活量是指用力呼气时排出的空气量，在完全吸气后达到残气量，达到总肺活量。 用力肺活量将使用连接到呼吸机的咬嘴（美国堪萨斯州肖尼市的汉斯·鲁道夫）和鼻夹来测量。 将使用 Powerlab（AD Instruments；科罗拉多斯普林斯，科罗拉多州，美国）记录信号。 将记录至少三个可接受的流量-体积曲线。 肺功能受损与呼吸系统疾病的较高风险和较高的死亡率相关（Postma 等，2009；Stolzmann 等，2010）。

气道闭塞压 (P0.1) 是指呼气末气道意外闭塞时，吸气前 0.1 秒内口腔产生的压力。 0.1 秒内产生的负压反映了呼吸运动驱动，没有时间被感觉系统（肺伸展、视觉等）修改。 本质上，P0.1 反映了休息时吸气肌的自发（自动）功能活动。 此时的口腔咬合压力通常被视为吸气神经肌肉驱动的指标（Whitelaw和Derenne，1993）。 当参与者通过连接到闭路中的二通阀的吹嘴呼吸时，将获得该测量值。 吸气阀将在呼气期间在参与者不知情的情况下被关闭，并保持到随后的吸气努力。 将使用连接到加热呼吸器的压力传感器记录负压的产生（Hans Rudolph，Shawnee，KS，USA）；将获得至少 6-7 个记录并取平均值。

上肢功能评估（研究2）[JN1]

我们将使用盒子和积木以及握力释放测试来评估手部功能。 对于功能性任务练习，我们将使用 Edee Field-Fote 协议。

实验干预

研究 1 和 2 的急性间歇性高碳酸血症缺氧/假暴露

完成基线记录后（研究 1 进行磁刺激和静息通气，研究 2 进行上肢功能测试），受试者将在两项研究中进行 AIHH/Sham 的定位。 受试者将舒适地坐着，背部和头部得到支撑。 实验空气通过附在储气袋上的面罩输送，其中含有预定比例的吸入氧气和二氧化碳。 对于急性间歇性缺氧伴高碳酸血症（吸入氧目标分数 [FIO2] = 0.09；吸入二氧化碳目标分数 [FICO2] = 0.04）。 将总共​​进行 15 次低氧和高碳酸血症发作，每次持续 60 秒，间隔 90 秒呼吸室内空气。 对于假空气暴露，参与者将在相同的时间内呼吸室内空气。 在实验过程中每隔几分钟就会询问受试者是否感觉良好，并在整个过程中监测心血管生命体征（心率、血压和血氧饱和度）。 上述通气参数也将受到监测。

研究 1 和研究 2 的心血管监测

在 AIH 期间，使用无创手指脉搏血氧仪连续测量氧合血红蛋白饱和度 (SpO2)。 在基线潮式呼吸期间以及在 AIH 试验中每 2-3 个阶段使用自动血压计监测一次心率 (HR) 和血压 (BP)。 如果在低氧剂量期间 SpO2 降至 80% 以下，则吸入的 O2 将升高，直到 SpO2 水平≥80%。 AIH 期间心率或血压预计不会过度升高（心率 < 100 bpm；血压 < 160/100）。 先前使用 AIH 的研究报告称，对 AIH 没有不良反应，并且大多数参与者无法区分呼吸短暂的低氧和室内空气 [14, 15]。 只有按照 AIH 方案，生命体征恢复正常后，我们才会继续实验。

tSCS 配对呼吸力量训练（研究 1）

研究 1 的 tSCS 配对呼吸力量训练将在 AIHH 或 Sham 治疗后 20 分钟进行。 闭环刺激参数将用于与呼吸力量训练配对。 在闭环刺激中，参数根据人当时的确切运动状态不断实时更新。 刺激将与由训练有素的职业和物理治疗师团队指导的呼吸力量训练同时进行。 呼吸力量训练将使用标准弹簧加载阈值装置（Respironics Inc，Murrysville，PA，USA）进行。 可以调节弹簧以改变打开阀门所需的压力，并且该装置可反转用于吸气和呼气训练。 该手持式设备很容易获得并且在临床实践中普遍使用。 参与者将完成 1 次热身设置，压力阈值约为其预测试结果（当天获得）的 40%，以产生最大吸气和呼气压力。 热身后，参与者将在压力阈值下进行训练，大约为测试前结果的 70%，并将包括三组吸气和呼气力量训练，每组重复 6-12 次。 训练呼吸包括通过设备进行约 1-2 秒的持续努力，中间间隔 5-10 秒的安静呼吸。 这种先进行特定任务训练的 AIH 形式已成功应用于之前的研究中（Hayes 等，2014；Ahmed 等，2017），并且能够在 AIH 或 AIHH 后有足够的时间来增加 BDNF，从而增强 AIH 的影响。特定任务训练（Baker-Herman 等人，2004 年；Lovett-Barr 等人，2012 年；Welch 等人，2020 年）。

tSCS 配对上肢功能训练（研究 2）

研究 2 的 tSCS 配对上肢功能训练将在 AIHH 或 Sham 治疗后 20 分钟进行。 闭环刺激参数将用于与上肢功能训练配对。 在闭环刺激中，参数根据人当时的确切运动状态不断实时更新。 刺激将与上肢功能训练同时进行，由训练有素的职业和物理治疗师团队指导。 tSCS 配对上肢功能训练课程持续时间约为 1 小时。 训练可能包括上肢的大小动作训练、游戏以及大小物体操作。 上肢 FTP 可能包括重复伸手、抓握和操纵动作。

冲洗期。 每次干预之间将有 1 周的冲洗期，以尽量减少残留影响。 该清除期的持续时间基于人类数据，表明一周后无法再检测到单次 AIH 研究的效果（Sutor 等人，2021）。 清洗持续时间与影响参与者保留的因素的经验进行了平衡，例如参与者参与度、因较长时间延迟而增加的安排困难以及研究人员-参与者-临床医生的伙伴关系。 基于平衡这些对立考虑因素的需要，我们在较长的冲洗之间寻求平衡，使可塑性减弱，同时最大限度地减少失去参与者和破坏我们的交叉设计的风险。

测试后研究 1 和 2

对于研究 1 和 2，将继续记录 AHH 暴露后 1 小时的通气情况，以监测安全性。

后期神经生理学评估：在研究 1 的 AIH/Sham 暴露和 tSCS 配对呼吸训练以及研究 2 的上肢训练后大约 30 分钟，我们将进行另一轮刺激。 将遵循上述 CMS 和 TMS 程序对膈肌（研究 1）和 FDS 肌肉（研究 2）进行后期测试。 这包括生成招募曲线，其中刺激强度从 CMS 的 40-100% 和 TMS 的 60-100% 以 5% 的增量逐渐增加。 每个强度将进行大约 3-10 次刺激，间隔 10-30 秒。 如果受试者感到不适，可以在测试期间随时长时间休息。

后功能评估：神经生理学测试后不久，参与者将接受如上所述的功能测试。 对于研究 1，将进行呼吸功能评估，对于研究 2，将进行上肢功能测试。

C。数据分析：提供评估或衡量研究目的/目的的方法，即统计分析计划、定性研究方法（例如进行主题分析和增强有效性的程序）、项目评估方法和分析计划或混合方法分析计划。 对于定量研究，请包括将应用哪些统计工具以及如何推动研究（如果适用）。 试点研究不需要统计计划，但需要概述如何使用结果来支持未来的研究。

测试具体目标 1，即“将单次 AHH 与 tSCS 配对呼吸力量训练相结合，将协同诱导慢性 SCI 中比任何单独治疗更大的呼吸运动输出”；我们将量化并比较心肺结果指标相对于基线的变化百分比。 将分析诱发膈肌电位的潜伏期（刺激伪影和诱发反应开始之间的时间差）、持续时间（诱发反应开始和偏移之间的时间差）、幅度（正峰值和负峰值之间的差异）和面积（校正肌电图）。 中枢运动传导时间计算为 TMS 和 CMS 诱发电位潜伏期之间的差异。 我们将比较 AIHH 与 Sham 暴露配对组合治疗之间通气、心肺参数的治疗差异。

检验假设 2，即“与单独的任何治疗相比，将单次 AHH 与 tSCS 配对上肢力量训练相结合将协同诱导慢性 SCI 中更大的上肢运动输出”；我们将量化并比较上肢神经生理学和功能结果测量相对于基线的变化百分比。 将分析第一背侧骨间手指电位相对于基线的％变化的潜伏期（刺激伪影和诱发反应开始之间的时间差）、持续时间（诱发反应开始和偏移之间的时间差）、幅度（正峰值和负峰值之间的差异）和面积（校正肌电图的总面积）。 中枢运动传导时间计算为 TMS 和 CMS 诱发电位潜伏期之间的差异。 还将通过一系列标准化功能测试对参与者的上肢功能进行量化。

检验假设 3，即“调节神经可塑性的基因中存在亚临床炎症和/或功能失调的单核苷酸多态性，将减弱对治疗的运动反应”；我们将根据与神经可塑性相关的基因中是否存在亚临床炎症和/或功能失调的单核苷酸多态性对参与者进行分类。

功率计算：我们的功率计算基于健康人使用 AIHH 的先前数据以及隔膜电机诱发电位相对于假空气的差异。 假设 I 型错误率为 0.05，治疗差异为 30%，相应的标准差为 41，在样本量为 29 的情况下，我们有 80% 的功效检测 AIHH 相对于假暴露的治疗改善。 鉴于本研究采用组合治疗方法并且没有可用于功效估计的初步数据，我们假设 29 名患有慢性 SCI 的参与者的样本量足以为实验提供功效 [JN1]目前研究中使用的是什么这里也可以使用功能评估。

数据分析

仅提供主要终点的统计设计。 请说明该研究的动力以及将应用哪些统计工具：

注意：请不要剪切并粘贴申办者协议中的整个统计部分。 试点研究不需要统计计划，但需要概述如何使用结果来支持未来的研究。） 测试具体目标 1，即“将单次 AHH 与 tSCS 配对呼吸力量训练相结合，将协同诱导慢性 SCI 中比任何单独治疗更大的呼吸运动输出”；我们将量化并比较心肺结果指标相对于基线的变化百分比。 将分析诱发膈肌电位的潜伏期（刺激伪影和诱发反应开始之间的时间差）、持续时间（诱发反应开始和偏移之间的时间差）、幅度（正峰值和负峰值之间的差异）和面积（校正肌电图）。 中枢运动传导时间计算为 TMS 和 CMS 诱发电位潜伏期之间的差异。 我们将比较 AIHH 与 Sham 暴露配对组合治疗之间通气、心肺参数的治疗差异。

检验假设 2，即“与单独的任何治疗相比，将单次 AHH 与 tSCS 配对上肢力量训练相结合将协同诱导慢性 SCI 中更大的上肢运动输出”；我们将量化并比较上肢神经生理学和功能结果测量相对于基线的变化百分比。 将分析第一背侧骨间手指电位相对于基线的％变化的潜伏期（刺激伪影和诱发反应开始之间的时间差）、持续时间（诱发反应开始和偏移之间的时间差）、幅度（正峰值和负峰值之间的差异）和面积（校正肌电图的总面积）。 中枢运动传导时间计算为 TMS 和 CMS 诱发电位潜伏期之间的差异。 还将通过一系列标准化功能测试对参与者的上肢功能进行量化。

检验假设 3，即“调节神经可塑性的基因中存在亚临床炎症和/或功能失调的单核苷酸多态性，将减弱对治疗的运动反应”；我们将根据与神经可塑性相关的基因中是否存在亚临床炎症和/或功能失调的单核苷酸多态性对参与者进行分类。

功率计算：我们的功率计算基于健康人使用 AIHH 的先前数据以及隔膜电机诱发电位相对于假空气的差异。 假设 I 型错误率为 0.05，治疗差异为 30%，相应的标准差为 41，在样本量为 29 的情况下，我们有 80% 的功效检测 AIHH 相对于假暴露的治疗改善。 鉴于本研究采用组合治疗方法并且没有可用于功效估计的初步数据，我们假设 29 名患有慢性 SCI 的参与者的样本量足以进行实验。