Συσχετισμένοι νευρικοί ρυθμοί ως βάση παραγωγής τρόμων σε υγεία και κινητικές διαταραχές: o ρόλος τους στο ρυθμικό έλεγχο εκούσιων μυϊκών συστολών

Abstract

The emergence of tremor at rest or while a stable posture is maintained are both common signs of Parkinson’s disease. These involuntary rhythmical oscillations of a body segment are exhibited in a frequency range between 4 to 8 Hz. The neural mechanisms underlying their generation have been studied extensively. The great majority of the researchers have focused their attention on corresponding oscillations at supraspinal sites, namely basal ganglia, motor cortex and thalamus. However, our understanding of these mechanisms remains limited. In this study, we alternatively examined the firing patterns and synchrony of motor units during limb tremors. These behaviors determine the features of muscle force tremors and associated neurogenic components of limb tremors. They additionally carry information on the tremor-related synaptic input to the motoneurons. We recorded the instantaneous acceleration of the upper limb of Parkinson’s disease patients and control subjects at rest and while they tried to hold a stable posture. Simultaneously, we recorded surface EMG and single motor unit discharges of upper-limb muscles. The firing patterns were studied via spectral and interspike interval analyses. The synchrony was measured using coherence and cross-correlation computations between motor unit discharges and surface EMG. Our results demonstrated two auto-spectral components, ca. 1.5-Hz apart, for the patients’ rest and postural tremor. These components represented different intervals of randomly interchanged activity epochs, termed I and II. Epoch-I resembled physiological tremor in that it was characterized by 6-10 Hz non-overt tremor, motor unit synchrony with normal strength, and rhythmical motor unit firing at the intrinsic rate of the unit. In contrast, epoch-II intervals were characterized by the presence of 4-8 Hz overt tremor, enhanced motor unit synchrony, and spike-doublets or triplets bearing a one-to-one relation to each tremor cycle. The frequency of non-overt and overt tremor, along with the remaining characteristics of epoch-I and epoch-II intervals, did not differ whether a patient was at rest or held a stable posture. Spike-doublets and triplets had incidences obeying a strict rule, and exhibited interspike intervals in the 30-50-ms (beta) range with mean values that remained roughly constant for any given patient, irrespective of motor unit rate and tremor type. On the contrary, these mean values of the interspike intervals were correlated only with the difference between the periods of overt and non-overt tremor. Overall, our findings reveal shared features of motor unit firing for either of the two epochs whether a patient was at rest or held a stable posture, thus suggesting an encompassing model of alternating, frequency-linked neural generators of tremor. The abnormal motor unit firing in epoch-II intervals underlies the greatly enhanced auto-spectral component which corresponds to overt tremor. It also likely reflects distinct features of the tremor-related synaptic input to the motoneurons, thus providing a useful basis for studying the generator of such tremor. On this basis, we propose that the spinal stretch reflex loop, which in Parkinson’s disease remains intact, acts as a two-state oscillator. This conception could be succeeded through intermittently descending, supraspinally produced, beta oscillations that interact with the spinal stretch reflex loop, inducing a transition to overt tremor. Other than that, our bottom-up approach could in any case facilitate tremor studies in other movement disorders.

Ο τρόμος ηρεμίας καθώς και ο τρόμος θέσης, συνιστούν κοινά χαρακτηριστικά της νόσου του Πάρκινσον. Αποτελούν ακούσιες ρυθμικές ταλαντώσεις ενός τμήματος του σώματος και η συχνότητά τους κυμαίνεται μεταξύ 4 και 8 Hz. Οι νευρικοί μηχανισμοί παραγωγής τους έχουν ευρέως μελετηθεί. Η μεγάλη πλειοψηφία των ερευνητών έχουν εστιάσει την προσοχή τους στις αντίστοιχες ταλαντώσεις υπερνωτιαίων περιοχών και κυρίως στα βασικά γάγγλια, τον κινητικό φλοιό και τον θάλαμο. Παρ’ όλα αυτά η κατανόηση αυτών των μηχανισμών παραμένει περιορισμένη.Στη παρούσα μελέτη, υιοθετώντας διαφορετική προσέγγιση, εξετάσαμε τα πρότυπα πυροδότησης και συγχρονισμού των κινητικών μονάδων σε τρόμους άκρων. Αυτές οι συμπεριφορές καθορίζουν τα γνωρίσματα του μυικού τρόμου δύναμης καθώς και των συσχετιζόμενων νευρικών συνιστωσών των τρόμων άκρων. Επιπροσθέτως, μεταφέρουν πληροφορίες οι οποίες σχετίζονται με τον τρόμο και αφορούν στη συναπτική είσοδο των κινητικών νευρώνων. Για το λόγο αυτό, καταγράψαμε τη στιγμιαία επιτάχυνση άνω άκρων, στην ηρεμία και κατά τη διατήρηση θέσης, ασθενών με τη νόσο του Πάρκινσον και υγιών εθελοντών. Ταυτόχρονα, καταγράψαμε επιφανειακό ΗΜΓ και εκφορτίσεις μεμονομένων κινητικών μονάδων από μύες των άνω άκρων. Τα πρότυπα πυροδότησης μελετήθηκαν με φασματικές αναλύσεις και αναλύσεις των μεσοδιαστημάτων ώσεων. Ο συγχρονισμός μετρήθηκε με τη χρήση υπολογισμών συνάφειας και ετεροσυσχέτισης μεταξύ εκφορτίσεων κινητικών μονάδων και επιφανειακού ΗΜΓ. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν δύο συνιστώσες στα ιδιοφάσματα τρόμου, με απόσταση μεταξύ τους περίπου 1.5 Hz, τόσο στην ηρεμία όσο και στην προσπάθεια διατήρησης θέσης. Αυτές οι συνιστώσες αντανακλούν διαφορετικά διαστήματα περιόδων δραστηριότητας που εναλλάσσονται τυχαία και ονομάζονται περίοδος-Ι και -ΙΙ. Η περίοδος-Ι ομοιάζει φυσιολογικό τρόμο με την έννοια ότι χαρακτηρίζεται από μη ορατό τρόμο συχνότητας 6-10 Hz, συγχρονισμό κινητικών μονάδων με φυσιολογική ισχύ και ρυθμική πυροδότηση κινητικών μονάδων στην ιδιοσυχνότητα της κάθε μονάδας. Από την άλλη, η περίοδος-ΙΙ χαρακτηρίζεται από ορατό τρόμο συχνότητας 4-8 Hz, ισχυρό συγχρονισμό κινητικών μονάδων και παρουσία δυάδων ή τριάδων ώσεων σε ένα προς ένα σχέση με κάθε κύκλο τρόμου. Η συχνότητα του μη ορατού και ορατού τρόμου, καθώς και των υπόλοιπων χαρακτηριστικών των περιόδων Ι και ΙΙ, παρέμειναν αμετάβλητα τόσο κατά την ηρεμία όσο και κατά την προσπάθεια διατήρησης θέσης για κάθε ασθενή. Η επίπτωση των δυάδων και τριάδων ώσεων εμφάνιζε αυστηρή κανονικότητα, ενώ τα μεσοδιαστήματά τους που βρίσκονταν στο εύρος 30-50 ms (βήτα ρυθμός), παρουσίαζαν μέσες τιμές οι οποίες ήταν σταθερές για κάθε ασθενή, χωρίς να σχετίζονται με τη συχνότητα πυροδότησης της κινητικής μονάδας ή τον τύπο του τρόμου κατά τον οποίο είχε καταγραφεί η δραστηριότητα της κινητικής μονάδας. Αντίθετα, οι μέσες αυτές τιμές των μεσοδιαστημάτων των ώσεων σχετίζονταν μόνο με τη διαφορά μεταξύ των περιόδων του ορατού και του μη ορατού τρόμου του κάθε ασθενούς. Συνοψίζοντας, τα ευρήματά μας αναδεικνύουν την παρουσία κοινών χαρακτηριστικών της πυροδότησης των κινητικών μονάδων για κάθε μία από τις δύο περιόδους, τόσο στην ηρεμία όσο και στην προσπάθεια διατήρηση θέσης, προτείνοντας έτσι ένα μοντέλο που περικλείει δύο εναλλασσόμενες γεννήτριες τρόμου των οποίων οι συχνότητες συνδέονται. Η ασυνήθης πυροδότηση των κινητικών μονάδων στην περίοδο-ΙΙ αποτελεί τη βάση της ιδιαίτερα αυξημένης ιδιο-φασματικής συνιστώσας η οποία αντιστοιχεί στον ορατό τρόμο. Κατα συνέπεια, αντανακλά ιδιαίτερα γνωρίσματα της συναπτικής εισόδου στους κινητικούς νευρώνες τα οποία σχετίζονται με τον τρόμο και άρα αποτελεί κατάλληλο πεδίο μελέτης της γεννήτριας του τρόμου. Βάσει των ανωτέρω, προτείνουμε ότι ο βρόχος του νωτιαίου μυοτατικού αντανακλαστικού, ο οποίος στη νόσο του Πάρκινσον παραμένει ανέπαφος, λειτουργεί ως ένας ταλαντωτής δύο φάσεων. Αυτή η θεώρηση θα μπορούσε να επιτευχθεί μέσω διαλείποντως κατερχόμενων, υπερνωτιαία παραγόμενων, βήτα ταλαντώσεων που αλληλεπιδρούν με το βρόχο του νωτιαίου μυοτατικού αντανακλαστικού προκαλώντας την παραγωγή του ορατού τρόμου. Επιπροσθέτως, θα πρέπει να τονιστεί ότι η ανιούσα προσέγγιση που ακολουθήθηκε σε αυτή τη μελέτη, θα μπορούσε να διευκολύνει τη διερεύνηση του τρόμου και σε άλλες κινητικές διαταραχές.