LONG-TERM PAIRED ASSOCIATIVE STIMULATION FOR RESTORATION OF MOTOR FUNCTION AFTER SPINAL CORD INJURY

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6063-8
Title: LONG-TERM PAIRED ASSOCIATIVE STIMULATION FOR RESTORATION OF MOTOR FUNCTION AFTER SPINAL CORD INJURY
Author: Rodionov, Andrei
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine
Doctoral Program in Clinical Research
BioMag Laboratory, HUS Medical Imaging Center, Helsinki University Hospital
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-06-04
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6063-8
http://hdl.handle.net/10138/315206
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Spinal cord injury (SCI) is a devastating condition and consequent loss of motor control remains one of the main causes of disability. Motor recovery after SCI depends on the amount of spared and restored neural connections in the spinal cord. Most SCIs are incomplete and even neurologically complete injuries possess some spared neural connections. Damaged motor pathways can be reactivated by external stimulation. However, current treatment approaches are mainly palliative, such as assisting adaptation to impairments. Thus, there is a need for novel therapies to induce neuroplasticity in the spinal cord and strengthen weak and disrupted neural connections. In this thesis, paired associative stimulation (PAS) was applied as a long-term treatment for chronic incomplete SCI of traumatic origin. PAS is a non-invasive neuromodulation paradigm where descending volleys induced by transcranial magnetic stimulation (TMS) of the motor cortex are timed to coincide with antidromic volleys elicited by peripheral nerve electrical stimulation (PNS). The stimulation protocol was designed to coincide TMS- and PNS-induced volleys at the cortico-motoneuronal synapses in the spinal cord. Continuous pairing of TMS and PNS stimuli can change synaptic efficacy and produce long-term potentiation (LTP)-like plasticity in the corticospinal tract. Augmentation of synaptic strength at the spinal level has clear therapeutic value for SCI, as it can enhance motor control over paralyzed muscles. The aim of the thesis was to investigate the possible therapeutic effects of long-term PAS on hand and leg motor function in individuals with chronic incomplete SCI of traumatic origin. Study I explored long-term PAS therapeutic potential by providing long-term PAS until full recovery of hand muscle strength or until improvements ceased. The PAS protocol was designed to coincide TMS- and PNS-induced volleys in the cervical spinal cord, which is both the location of the stimulated lower motor neuron cell bodies and the site of the injury. Improvements up to normal values of hand muscle strength (Manual Muscle Test [MMT]) and increased amplitude of motor evoked potentials (MEPs) were obtained after more than 1-year stimulation in a participant with SCI. The participant regained almost complete self-care of the upper body. This was the first demonstration of restoring normal strength and range of movement of individual hand muscles by means of long-term PAS. The effect persisted over 6 months of follow up. Study II probed the effects of long-term PAS on leg muscle strength and walking in a group of five people with SCI. The PAS protocol was designed to coincide TMS- and PNS-induced volleys in the lumbar spinal cord but the site of the injury was in the cervical spinal cord. Long-term PAS delivered for 2 months significantly increased the total lower limb MMT score. This effect was stable over a 1-month follow up. Walking speed increased after 2 months of PAS in all participants. This study was the first demonstration that long-term PAS may significantly increase leg muscle strength and affect walking. The MMT score prior to the intervention was a good predictor of changes in walking speed. Study III developed a novel technique that enables probing neural excitability at the cervical spinal level by utilizing focal magnetic coil and anatomy-specific models for re-positioning of the coil. The technique enabled recording of highly reproducible MEPs and was suitable for accurate maintenance and retrieval of the focal coil position at the cervical level. In summary, this thesis contributes to the understanding of therapeutic efficacy of long-term PAS for restoration of motor control over hand and leg muscles after chronic SCI. This work challenges the view that chronic SCI is an irreversible pathologic condition and demonstrates the possibility of restoring neurological function many years postinjury when spontaneous recovery is extremely rare. The increased amplitude of MEPs, sustainable motor improvements, and the effects observed regardless of injury location indicate that PAS induces stable changes in the corticospinal pathways.Selkäydinvamma on ihmiseen kokonaisvaltaisesti vaikuttava tila, ja motorinen heikkous on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka aiheuttavat rajoituksia päivittäiseen elämään. - Nykyiset hoitomenetelmät pääasiassa lievittävät oireita. Ne helpottavat kivun ja spastisuuden hallintaa ja sopeutumista vammaan sekä estävät sekundaarisia komplikaatioita. Keskushermosto voi kuitenkin järjestyä uudelleen sopeutuakseen heikentyneeseen toimintaan, ja tätä muovautuvuutta voidaan käyttää terapeuttisena mahdollisuutena. Vaurioituneet hermoradat voidaan aktivoida uudelleen ulkoisella stimulaatiolla. Toipuminen selkäydinvamman jälkeen riippuu niistä selkäytimen hermoyhteyksistä, jotka ovat säästyneet ja jotka on onnistuttu palauttamaan. Usein selkäydinvammat ovat osittaisia, ja neurologisesti täydellisissäkin vammoissa on joitakin säästyneitä hermoyhteyksiä. Uusilla hoitomenetelmillä voidaan aktivoida selkäytimen neuroplastisuutta ja vahvistaa heikkoja ja katkenneita hermoyhteyksiä. Tässä väitöskirjassa kaksoisstimulaatiota (PAS) käytettiin pitkäaikaisena hoitona potilailla, joilla oli krooninen, traumaattinen osittainen selkäydinvamma. PAS on neuromodulaatiomenetelmä, jossa aivokuoren transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) synkronoidaan perifeeristen hermojen sähköstimulaatioon (PNS). Stimulaatioprotokolla suunniteltiin niin että TMS: n ja PNS: n synnyttämät aktivaatiot kohtaavat selkäytimen synapseissa. Jatkuva TMS:n ja PNS:n aikaansaamien ärsykkeiden kohtaaminen selkäydintasolla voi voimistaa synapsien tehokkuutta ja tuottaa pitkäaikaisen synaptisen potentiaation (long-term potentiation, LTP) selkäytimessä. Synaptisen tehokkuuden kasvu selkäytimessä todennäköisesti parantaa lihasten tahdonalaista hallintaa. Väitöskirjan päätavoitteena on ollut tutkia pitkäaikaisen kaksoisstimulaation (PAS) mahdollisia terapeuttisia vaikutuksia käden ja jalkojen tahdonalaiseen lihasaktiivisuuteen henkilöillä, joilla on traumaattinen krooninen osittainen selkäydinvamma. Tutkimuksessa I selvitin pitkäaikaista PASin terapeuttista potentiaalia antamalla PAS-hoitoa niin kauan kunnes käden lihasten voima palautui kokonaan, tai voimassa ei tapahtunut enää kasvua. Yli vuoden kestäneen stimulaation jälkeen käsien lihasvoimat kohenivat normaaliarvoihin (Manuaalinen lihastesti, MMT) osallistujalla, jolla oli krooninen osittainen neliraajahalvaus. Sen lisäksi herätevastet (motor-evoked potentials) kasvoivat. Koehenkilön ylävartalon lihashallinta palautui lähes täydellisesti. Tämä on ensimmäinen osoitus yksittäisten käsilihasten normaalin voiman ja liikeratojen palautumisesta pitkäaikaisen PAS:n avulla selkäydinvammapotilaalla. Vaikutus säilyi 6 kuukauden seurannassa. Tutkimuksessa II tutkittiin pitkäaikaisen PAS: n vaikutuksia alaraajalihasten voimaan ja kävelyyn viidellä henkilöllä, joilla on krooninen tetraplegia. Kahden kuukauden ajan annettu pitkäaikainen PAS lisäsi merkittävästi alaraajojen MMT-pistemäärää keskimäärin yhdellä pisteellä lihasta kohden. Tämä tulos säilyi kuukauden seurannassa. Kaikkien osallistujien kävelynopeus kasvoi PAS-hoitojakson jälkeen. Tutkimus on ensimmäinen osoitus siitä, että pitkäaikainen PAS voi lisätä merkittävästi alaraajojen lihasvoimaa. MMT-pistemäärä ennen interventiota ennusti hyvin kävelynopeuden muutoksia. Tutkimuksessa III kehitettiin uusi tekniikka, joka mahdollistaa magneettistimulaation selkäydinalueella käyttäen fokaalista magneettikelaa ja pään anatomisia malleja magneettikelan toistettuun kohdentamiseen. Menetelmä mahdollisti toistettavien MEP-signaalien mittaamisen sekä kelan sijainnin tarkan, toistettavan paikannuksen ja kohdentamisen niskan alueella. Yhteenvetona voidaan todeta, että väitöskirja lisää ymmärrystä pitkäaikaisen PAS: n terapeuttisesta tehosta ylä- ja alaraajalihasten hallinnan palauttamisessa ja omatoimisuuden lisäämisessä kroonisen selkäydinvamman jälkeen. Väitöskirja haastaa käsityksen kroonisen selkäydinvamman aiheuttamien toimintahäiriöiden pysyvästä luonteesta. Sen lisäksi väitöskirja osoittaa mahdollisuuden palauttaa lihasaktiivisuutta nimenomaan kroonisessa selkäydinvammassa, jossa spontaani koheneminen on erittäin harvinaista. Voimistuneet lihasvasteet ja pysyvä lihashallinnan parannus vamman sijainnista riippumatta osoittavat, että PAS oikein käytettynä muokkaa liikejärjestelmää hyödyllisellä tavalla.
Subject: neurology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
LONG-TER.pdf 1.116Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record