Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Laboratorij za sistemsko programsko opremo Univerza v Mariboru

Objektivno in natančno ocenjevanje vzbujanja skeletnih mišic in njihovih interakcij po možganski kapi

(Znanstvenoraziskovalno sodelovanje med Republiko Slovenijo in Združenimi državami Amerike od 1. 1. 2018 do 31. 12. 2019)

Možganska kap prizadene živčnomišični sistem in izdatno poslabša kakovost življenja preživelih. Rehabilitacija je dolgotrajna, draga in pogosto neprijetna za prizadete. Vzorcev živčnih kod in električnega vzbujanja skeletnih mišic po kapi ali med njeno rehabilitacijo ne razumemo dobro, predvsem zaradi številnih preteklih metodoloških omejitev njihovega preučevanja in vivo.

V skeletnih mišicah je več deset mišičnih vlaken oživčenih z istim motoričnim nevronom (MN), ki skupaj z mišičnimi vlakni tvori tako imenovano motorično enoto (ME). Centralni živčni sistem (CNS) modulira mišično silo s spreminjanjem števila aktiviranih ME in njihovih frekvenc proženja. V zdravi mišici prejme več MN skupne ali vsaj podobne vzorce supraspinalnih vzbujanj, ki narekujejo skupne modulacije prožilnih hitrosti ME. MN kažejo tudi individualna nihanja frekvenc proženj, ki izvirajo iz sprememb sinaptičnih vhodov (tako imenovani sinaptični šum) in vzdražljivosti posameznega MN.

Kap povzroči precejšnje spremembe v aktivaciji ME in njihovih vzorcih proženja. Frekvence proženja se znižajo, zviša pa se njihova variabilnost, kar se odrazi v nesposobnosti preživelega po kapi, da natančno nadzira vzbujanja svojih mišic. Patofiziologije v ozadju teh mehanizmov ne razumemo dobro saj skupna in individualna nihanja prožilnih trenutkov MN v paretični mišici še nikoli niso bila sistematično analizirana. Tudi interakcije med sinergijskimi in antagonističnimi mišicami so še slabo raziskana, kar otežuje podrobno oceno motoričnih sposobnosti posameznega bolnika po možganski kapi in njihovih sprememb zaradi različnih terapij.

Klinične preiskave elektrofiziologije skeletnih mišic temeljijo na invazivni igelni elektromiografiji (EMG) in na obsežnem poznavanju strukturnih sprememb ME zaradi različnih bolezenskih stanj. Vendar pa so igelne merilne elektrode visoko selektivne in omogočajo detekcijo električne aktivnosti mišičnih vlaken, ki so od igle oddaljeni manj kot 2 mm. Posledično lahko sočasno zajamemo in analiziramo majhno število aktivnih ME. Hkratno snemanje z več iglami je manj praktično in se ni uveljavilo v klinični praksi. Zaradi teh omejitev je bila klinična analiza EMG osredotočena predvsem na analizo morfologije akcijskih potencialov posameznih ME. Skupna in individualna proženja ME/MN še niso bila izdatneje analizirana, predvsem zaradi metodoloških omejitev. Vendar pa se človeški gibi kodirajo ravno s prožilnimi vzorci ME in ne z morfologijo njihovih akcijskih potencialov.

Zgoraj omenjene metodološke omejitve so bile nedavno odpravljene z razvojem večkanalnih površinskih snemalnih elektrod. Površinske elektrode so veliko manj selektivne kot igelne in zaznajo prispevke iz več deset ME. To se kaže v zelo interferenčnih signalih EMG, ki smo jih s pomočjo računalnikih algoritmov šele pred kratkim uspešno razstavili v prispevke posameznih ME. Naša raziskovalna skupina na Univerzi v Mariboru je v svetovnem merilu vodilna na področju analize površinskih signalov EMG. Naša metodologija podpira podrobne preiskave ME, tudi pri maksimalnih stopnjah mišične skrčitve. Prav tako smo v sodelovanju s tujimi strokovnjaki razvili metodologijo za natančno ocenjevanje skupnih in individualnih variacij prožilnih frekvenc ME. Večje kot je število analiziranih ME, večja je natančnost ocene mišičnega vzbujanja. Pred kratkim smo demonstrirali identifikacijo 70 sočasno aktivnih ME v posamezni mišici, kar izdatno presega rezultate ostalih znanih metodologij.

V bilateralnem projektu smo omenjene metodologije, razvite na Univerzi v Mariboru, uporabili za preiskovanje glavnih značilnosti mišičnih vzbujanj v hemiparetičnih osebah po možganski kapi, ki so bile obravnavane na Inštitutu Shirley Ryan AbilityLab, in:

  • Opravili študijo primernosti predlagane metodologije za dolgoročno objektivno spremljanje živčno-mišičnega sistema med rehabilitacijo po možganski kapi.
  • preučili vzorce vzbujanj ME v mišicah hemiparetičnih oseb.
  • Ocenili časovni potek sinaptičnih vzbujanj motoričnih nevronov v spastičnih mišicah po možganski kapi.
  • Opredelili prostorske lastnosti aktivacije oslabljenih mišic v terapijah po možganski kapi.

Te študije bodo pripomogle k novim spoznanjem o patofiziologiji možganske kapi in njenih vplivih na živčnomišični sistem.

missing
Slika 1: Identifikacija vzorcev proženja motoričnih enot iz večkanalnih površinskih elektromiogramov (EMG) z metodo kompenzacije konvolutivnih jeder (angl. Convolution Kernel Compensation – CKC): Vsaka navpična barvna črta predstavlja proženje posamezne motorične enote; Na zgornjem delu slike so prikazani akcijski potenciali motoričnih enot, zaznani z večkanalnimi površinskimi elektromiogrami.

Projektni partnerji

Laboratorij za sistemsko programsko opremo,
Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko,
Univerza v Maribor
Vodja projekta: red. prof. Aleš Holobar

Shirley Ryan AbilityLab
Chicago, IL, ZDA
Vodja projekta: prof. William Zev Rymer, MD, PhD, Nina L Suresh PhD

Ta projekt sofinancira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije v okviru znanstvenoraziskovalnega sodelovanja med Republiko Slovenijo in Združenimi državami Amerike pod pogodbo BI-US/18-19-037, " Objektivno in natančno ocenjevanje vzbujanja skeletnih mišic in njihovih interakcij po možganski kapi ".