Spasticita jako projev maladaptivní plasticity CNS a její ovlivnění botulotoxinem

MUDr. Tomáš VEVERKA

Doctoral thesis

Spasticity as a manifestation of maladaptive plasticity and its modulation by botulinum toxin treatment

Abstract:

Cílem vlastní výzkumné práce bylo pomocí BOLD metody fMRI registrovat a lokalizovat změny aktivace mozkového kortexu u pacientů po cévní mozkové příhodě s reziduální spasticitou ruky léčených botulotoxinem typu A (BoNT-A). Specifickým cílem bylo přinést nové důkazy o centrálních (vzdálených) efektech lokální aplikace BoNT-A. V první práci byly srovnány dvě pilotní skupiny pacientů po ischemické cévní mozkové příhodě s manifestní spasticitou ruky. Skupina A byla tvořena 4 mladými pacienty (2 muži, 2 ženy, věk 25?3,4 let) s plegií ruky. Skupina B byla tvořena 5 staršími pacienty (4 muži, 2 ženy, věk 67?11,1 let) s parézou ruky. Vzorec mozkové aktivace byl mapován pomocí fMRI během kinestetické představy pohybu prsty (skupina A), respektive během reálného pohybu prsty v sekvenci podle Rolandova paradigmatu (skupina B). Vyšetření bylo provedeno vždy před (W0) a čtyři týdny (W4) po aplikaci BoNT-A. Skupina B byla vyšetřena ještě potřetí s odstupem 11 týdnů (W11) od aplikace BoNT-A. Změna spasticity byla hodnocena pomocí modifikované Ashworthovy škály (MAS). FMRI před aplikací BoNT-A prokázalo abnormně rozsáhlou a bilaterální aktivaci korových a podkorových oblastí během aktivační úlohy. Po aplikaci BoNT-A došlo k dočasné a částečné normalizaci obrazu aktivace. Kontrast pre> post-BTX prokázal signifikantní snížení aktivace v zadním cingulu/precuneu (skupina A) a dorzolaterálním prefrontálním kortexu (skupina B). V druhé studii bylo vyšetřeno 14 pacientů (5 mužů, 9 žen, průměrný věk 55,3 let, rozpětí 22?78 let) v chronickém stádiu ischemické CMP s reziduální těžkou spastickou parézou či plegií ruky. Klinické (MAS) a funkčně-zobrazovací vyšetření (fMRI) bylo provedeno před aplikací (W0), čtyři týdny (W4) a 11 týdnů (W11) po aplikaci BoNT-A. Jako aktivační úloha byla použita kinestetická představa pohybu prsty postižené končetiny. K minimalizaci věkově vázané variability BOLD odpovědi zahrnovala skupinová analýza obrazových dat věkový kovariát. Podobně jako v první práci bylo zmírnění spasticity po aplikaci BoNT-A (W4) provázeno zmenšením objemu mozkové aktivace, přičemž tento trend pokračoval i po odeznění lokálního účinku BoNT-A na svalová vlákna (W11). Při přímém statistickém srovnání byl signifikantní pokles aktivace registrován v ipsilezionálním laterálním okcipitálním kortexu, gyrus supramarginalis, precuneu, inzule, kontralezionální pre-SMA a v oblasti frontálního pólu. Podle očekávání vedla v obou studiích kombinovaná terapie s využitím BoNT-A a rehabilitace k redukci spasticity. Obě prezentované práce přinesly důkazy o tom, že efektivní terapie spasticity vede k redukci abnormně rozsáhlé bilaterální aktivace korových a podkorových oblastí během provádění nebo mentální simulace pohybu prsty. Domníváme se, že rozsáhlá bilaterální aktivace před léčbou představuje uniformní reakci poškozeného mozku. Tento vzorec zřejmě obsahuje jak změny adaptační (neuroplasticita - substituce), tak maladaptační v důsledku patologicky zvýšené proprioceptivní aferentace (cestou Ia vláken), jež provází spasticitu. V obou experimentech jsme zaznamenali pokles aktivace nejen v tradičně motorických oblastech, ale také v oblastech, které funkčně spadají do tzv. ?širšího? motorického systému, nebo jsou v souvislosti s řízením volní motoriky popisovány jen výjimečně. Předpokládáme, že se výše uvedené struktury podílejí na provádění pohybu v situaci, kdy senzomotorická a s ní sousedící kůra musí zpracovávat abnormální proprioceptivní impulsy ze spastických svalů paretické končetiny. Prezentované výsledky přinášejí funkčně-zobrazovací důkazy o centrálních (vzdálených) účincích BoNT-A a o tom, že úspěšná terapie spast

Abstract:

icity moduluje kortikální reorganizaci.

Abstract:

The aim of the research was to register and localize changes of cerebral cortex activation using blood oxygenation level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) in stroke patients suffering from hand spasticity treated with botulinum toxin type A (BoNT-A). The specific aim was to provide new evidence of the central (remote) effects of intramuscular BoNT-A application. In the first study, two small groups of patients following ischemic stroke manifesting hand spasticity were compared. Group A consisted of four young patients (2 males, 2 females, aged 25 ? 3.4 years) who suffered from hand plegia. Group B consisted of five elderly patients (4 males, 2 females, aged 67 ? 11.1 years) who were able to perform finger movement actively. Brain activation pattern was mapped using fMRI during kinesthetic imagery of finger movement (group A) or real sequential finger movement of the impaired hand (group B). Investigations were performed before (W0) and four weeks (W4) after BoNT-A treatment. Group B underwent additional fMRI 11 weeks (W11) after BoNT-A application. The change of spasticity was assessed by using the modified Ashworth scale (MAS). In the second study, 14 patients (5 males, 9 females, mean age 55.3 years, range 22-78 years) suffering from severe hand paralysis with arm spasticity following ischemic stroke were investigated. Clinical assessment (MAS) and functional imaging (fMRI) were performed prior to BoNT-A application (W0), then four weeks (W4) and 11 weeks (W11) after BoNT-A application. Patients were scanned while performing imaginary movement with the impaired hand. Because of large age range of the studied group, patient age was used as a covariate to minimize the confounding age-related variability in the BOLD response. As expected, in both studies the combination of BoNT-A treatment and physiotherapy significantly relieved spasticity. Both the present studies provided evidence that effective treatment of spasticity led to a reduction of abnormal extensive bilateral activation of cortical and subcortical areas during actively performed or imagery of finger movement. We assume that the pretreatment activation might represent a general response of the lesioned brain. This pattern probably contains both adaptive changes (neuroplasticity ? substitution) and maladaptative changes due to pathologically increased proprioceptive afferentation, associated with spasticity. In both experiments, we observed a decrease in activation not only in traditional motor areas but also in areas that have been considered to be a part of a "broader" motor system or have only rarely been reported in the context of volitional motor control. We assume that the above-mentioned structures may contribute to movement performance in the situation when sensorimotor and adjacent cortex has to process abnormal proprioceptive inputs from the spastic muscles of the paretic extremity. The presented results provide functional imaging evidence of central (remote) effects of BoNT-A and suggest that successful treatment of spasticity modulates cortical reorganization.

Keywords

cévní mozková příhoda, plasticita, spasticita, botulotoxin, kortex

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 9. 2013

Accessible from:: 18. 9. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2013

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Neurology / Neurology