Κινητικοαισθητικές πλαστικές αλλαγές του εγκεφάλου σε ασθενείς με ανεπάρκεια πρόσθιου χιαστού συνδέσμου γόνατος

Abstract

INTRODUCTION. The mechanoreceptors located in the peripheral joints in conjunction with vestibular and visual receptors constitute an afferent source of information towards CNS regarding body position and balance. The ascending afferent information is processed at three levels of theCNS (spinal cord, brain stem and motor cortex) and contributes to the motor programming.Therefore, the perception that a peripheral joint injury causes a disturbance in the neuromuscular control, affects the central programs and consequently the motor response resulting in dysfunction of the injured limb is considered a tenable argument in the rehabilitation science in nowadays. The anterior cruciate ligament (ACL) of the knee joint has a high incidence in the athletic injuries and frequently leads to limitations not only in sports but also in everyday functional level. However the functional deficiencies after an ACL rupture well documented they are, the aetiology has not been yet clarified. A number of studies have suggested that the provoked dysfunction is based on the modifications of CNS. The current opinion is supported by three different remarks elicited by the literature review: (a) the existence of two different categories of ACL patients, the copers and non-copers, presenting different features of functional deficiencies, (b) the demand of a sufficient posttraumatic time (more than 6 months) for the dysfunction development and (c) the fact that the dysfunction is not limited to the injured limb but also concerns the non- injured one. The aim of the current study was the examination of brain activation in ACL patients (non copers) in order to be investigated whether a peripheral joint injury could lead to the development of brain plastic functional changes. METHODS. Eighteen volunteers (males, aged 27 ± 5 years) (control group) and 17 ACL patients (non copers) (males, 25.5 ± 5 years) (ACL group) participated in a motor block-design study, performing unilateral right and left repetitive knee movements, after giving written informed consent. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to examine the brainactivity pattern in both groups. All movements were auditory paced at 72 beats/ min (1.2 Hz) using Presentation 0.72 program. Aiming to ensure a reliable procedure of volunteers’ selection in both groups, cross cultural adaptation of two questionnaires (KOS- ADLS and WFQ-R) was conducted. Additionally, due to a lack of prior studies on the pattern and the somatotopy of brain activity during the movements of isolated lower limb joints in healthy male subjects, an analogues study was previously performed in order to provide standards for the further analysis of brain activity in the main study. RESULTS. Α) In the group of healthy male subjects, isolated lower limbs movements required the activation of a distributed motor network, including primary and non-primary motor and sensory areas, such as SMC, PMC, SMA, CMA, SII, basal ganglia, thalamus and cerebellum (vermis, anterior and posterior lobes). A large overlap was evident in SM1 and cerebellum representations of the three lower limb joints. The finger presented a clearly separatedactivation site in comparison with the lower limb joints. A somatotopic arrangement was recognizable with reference to center- of-mass coordinates of each individual joint in SM1 and cerebellum, although ankle and toes presented a close neighboring position. The activated areas differed for the different joints of upper and lower limbs, not only considering the somatotopy but also the activation pattern of specific areas, implying the functional variation of the corresponding joints. There were differences in brain activation during finger and lower limb joints movements with regard to the MR signal change and lateralization index. The more bilateral brain activation during lower limb joints compared to finger movement and the different extent to which several cortical and subcortical regions were involved (finger movement resulted in a higher degree of involvement of contralateral primary sensorimotor cortex and ipsilateral cerebellum whereas all joints of lower limb led to a predominant involvement of SMA-proper) suggest that lower limb joints and upper limb joints have a different functional specialization. Differences were also found between the joints of the lower limb itself. The ankle and toes revealed to have the same extend ofactivation in the majority of the examined brain areas, whereas knee joint was associated with a quite different pattern, especially during the movement of the non-dominant limb. This might be related to four factors notably the dissimilar afferent projection, the different mechanical properties, the disparate movement performance that characterize these isolated lower limb joints and the spatial overlap issue. The results of the current study could support the concept that some brain regions may contribute to the configuration of the lower limb dominance (mainly the SM1 and basal ganglia) and some other areas (mainly the cerebellum) to its joints’ functional individuality. The first element is supported by the LI difference in SM1 and BG between movements performed with dominant and non-dominant lower limb joints. The second element is supported by an increase of LI from proximal to distal lower limb joints at cerebellum, irrespective of the motion side. B) The whole sensorimotor network in control group presented higher activation compared to ACL group. On the contrary, ACL group demonstrated a higher MR signal change in three brain regions (left- contralateral hemisphere: pre-SMA and SIIp, right- ispilateral hemisphere: pITG) in comparison with control group. DISCUSSION- CONCLUSIONS. The results of the current study revealed that plastic functional changes in ACL patients (non copers) are evident, supporting the hypothesis that a peripheral joint injury such as a ligament injury can cause re-organization of CNS and therefore it can be regarded as a neurophysiological dysfunction, not being a simple musculoskeletal injury.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Η παρουσία ιδιοϋποδοχέων στις περιφερικές αρθρώσεις σε συνδυασµό µε τους αιθουσαίους και οπτικούς υποδοχείς αποτελούν πηγή πληροφόρησης του ΚΝΣ για την αντίληψη τηςθέσης των µελών του σώµατος, στο χώρο και ως προς το ίδιο το σώµα. Η επεξεργασία τωνπληροφοριών αυτών από το ΚΝΣ σε τρία διαφορετικά επίπεδα (νωτιαίο µυελό, στέλεχος καιεγκεφαλικό φλοιό) έχει ως αποτέλεσµα τη διαµόρφωση της κινητικής απάντησης. Αποτελείπλέον πάγια αντίληψη στο χώρο της αποκατάστασης ότι ο τραυµατισµός µιας περιφερικήςάρθρωσης έχει ως αποτέλεσµα την διαταραχή αυτής της αλληλουχίας διεργασιών µε αποτέλεσµα την πρόκληση δυσλειτουργίας. O πρόσθιος χιαστός σύνδεσµος (ΠΧΣ) του γόνατος εµφανίζει µεγάλη συχνότητα τραυµατισµού, οδηγώντας συνήθως σε περιορισµό του επιπέδου των αθλητικών, αλλά και καθηµερινών δραστηριοτήτων. Παρά την εκτεταµένη ερευνητική µελέτη των λειτουργικών επιπτώσεων της ανεπάρκειας του ΠΧΣ, η αιτιολόγηση της πρόκλησης τους δεν έχει ακόµη αποσαφηνιστεί. Υπάρχουν ενδείξεις που ενισχύουν την άποψη ότι ο µηχανισµός πρόκλησης βασίζεται στο ΚΝΣ και στις προσαρµογές τις οποίες επιφέρει διαµέσου ενός προστατευτικού µηχανισµού. Η άποψη αυτή υποστηρίζεται µέσω τριών διαφορετικών επισηµάνσεων στο πλαίσιο της αρθρογραφικής ανασκόπησης: α) στην ύπαρξη δύο διαφορετικών κατηγοριών ασθενών µε ΑΠΧΣ, τους αντισταθµιστές και τους µη αντισταθµιστές, οι οποίοι παρουσιάζουν διαφορετικού βαθµού δυσλειτουργία, β) στην απαίτηση ενός επαρκούς µετατραυµατικού χρόνου (περισσότερο των 6 µηνών) για την ανάπτυξη της δυσλειτουργίας και γ) στην εµφάνιση λειτουργικών επιπτώσεων και στο µη τραυµατισµένο ετερόπλευρο κάτω άκρο. Ο σκοπός της παρούσας µελέτης ήταν η εξέταση της ενεργοποίησης των ανωτέρων κέντρων του ΚΝΣ σε άτοµα µε ανεπάρκεια ΠΧΣ γόνατος (µη αντισταθµιστές) ώστε να διαπιστωθεί εάν ένας τέτοιος περιφερικός τραυµατισµός µπορεί να οδηγήσει σε κινητικοαισθητικές πλαστικές αλλαγές του εγκεφάλου. ΜΕΘΟ∆ΟΣ. Στην παρούσα έρευνα συµµετείχαν 18 υγιείς άντρες, ηλικίας 27 ± 5 έτη (οµάδα ελέγχου) και 17 άντρες µε ανεπάρκεια ΠΧΣ, ηλικίας 25,5 ± 5 έτη (οµάδα ΑΠΧΣ- µη αντισταθµιστές) αφού πρώτα ενηµερώθηκαν για τις διαδικασίες της έρευνας και έδωσαν την έγγραφη συγκατάθεσή τους. Η εξέταση της ενεργοποίησης του εγκεφάλου και στις δύο οµάδες πραγµατοποιήθηκε µε Λειτουργικό Μαγνητικό Τοµογράφο (ΛΜΤ) στα πλαίσια πειραµατικού σχεδιασµού µε σταθερά επαναλαµβανόµενες (block design) κινητικές συνθήκες (παύση- κίνηση αριστερού γόνατος- κίνηση δεξιού γόνατος), οι οποίες καθορίζονταν ηχητικά (72 χτύποι/ λεπτό= 1,2 Hz) µέσω του προγράµµατος Presentation 0.72. Με σκοπό την διασφάλιση έγκυρων οργάνων µέτρησης για την επιλογή των δοκιµαζόµενων των δύο οµάδων, χρειάστηκε να γίνει διαπολιτισµική διασκευή δύοερωτηµατολογίων (KOS- ADLS και WFQ-R). Επιπλέον, δεδοµένης της έλλειψης προηγούµενων αναφορών σχετικά µε το πρότυπο και τη σωµατοτοπογραφική διάταξη της εγκεφαλικής ενεργοποίησης κατά την κίνηση των αρθρώσεων του κάτω άκρου σε υγιείς άντρες, προηγήθηκε ερευνητική µελέτη ώστε να υπάρχει σηµείο αναφοράς στην περαιτέρω ανάλυση της εγκεφαλικής ενεργοποίησης της κύριας µελέτης. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ. Α) Η κίνηση των µεµονωµένων αρθρώσεων του κάτω άκρου σε υγιείς άντρες προϋποθέτει την ενεργοποίηση ενός εκτεταµένου δικτύου που αποτελείται από κύριες και συµπληρωµατικές κινητικές και σωµατοαισθητικές περιοχές όπως την SM1, PMC, SMA, CMA, SII, τα βασικά γάγγλια, τον θάλαµο και την παρεγκεφαλίδα (σκώληκας, πρόσθιος και οπίσθιος λοβός). Η σωµατοτοπογραφική αντιπροσώπευση της ενεργοποίησης των τριών αρθρώσεων του κάτω άκρου στις περιοχές SM1 και παρεγκεφαλίδας παρουσίαζε µεγάλη επικάλυψη. Η ενεργοποίηση του χεριού στις αντίστοιχες περιοχές του εγκεφάλου είχε ξεκάθαρη διαχωρισµένη σωµατοτοπογραφική θέση σε σχέση µε αυτή των αρθρώσεων του κάτω άκρου. Στη περιοχή SM1 βρέθηκε σωµατοτοπογραφική διάταξη του κέντρου µάζας της ενεργοποίησης της κάθε άρθρωσης κυρίως στο οβελιαίο επίπεδο και σε έναν µικρότερο βαθµό στο στεφανιαίο και εγκάρσιο επίπεδο για τις τέσσερις αρθρώσεις (χέρι και αρθρώσεις κάτω άκρου). Οµοίως, σωµατοτοπογραφική διάταξη βρέθηκε στον πρόσθιο λοβό της παρεγκεφαλίδας για κάθε άρθρωση στο στεφανιαίο και εγκάρσιο επίπεδο. Τέλος, τόσο στην SM1 περιοχή όσο και στην παρεγκεφαλίδα το κέντρο της µάζας των συντεταγµένων της ποδοκνηµικής και των δακτύλων βρισκόταν σε στενή γειτονική θέση. Το πρότυπο της εγκεφαλικής ενεργοποίησης διέφερε κατά την κίνηση του χεριού και των αρθρώσεων του κάτω άκρου, επισηµαίνοντας τη λειτουργική τους διαφοροποίηση. Ένα σηµαντικό εύρηµα που υποστηρίζει αυτό το συµπέρασµα ήταν η αρνητική µεταβολή του σήµατος στην οµόπλευρη SM1 περιοχή κατά την κίνηση του κυρίαρχου χεριού. Το πρότυπο της εγκεφαλικής ενεργοποίησης διέφερε επίσης και κατά την κίνηση των µεµονωµένων αρθρώσεων του κάτω άκρου. Η ποδοκνηµική και τα δάκτυλα βρέθηκαν να έχουν παρόµοια µεταβολή του σήµατος στις περισσότερες εγκεφαλικές περιοχές, ενώ το γόνατο ακολουθούσε ένα διαφορετικό πρότυπο ενεργοποίησης. Τέλος, ο δείκτης ασυµµετρίας στην περιοχή SM1 και BG φάνηκε να επηρεάζεται από τον παράγοντα πλευρίωση του κάτω άκρου, ενώ στην περιοχή της παρεγκεφαλίδας φάνηκε να επηρεάζεται από τον παράγονταάρθρωση, ανεξαρτήτως της πλευράς κίνησης. Όλες οι άλλες υποφλοιώδεις περιοχές οι οποίες εξετάστηκαν δεν παρουσίαζαν µια τέτοια ξεκάθαρη συµπεριφορά. Επιπλέον, η θεωρία διαφοροποιηµένης ενεργοποίησης κεντρικής / περιφερικής άρθρωσης φαίνεται ότι υφίσταται και στο κάτω άκρο όσο αφορά κυρίως την ενεργοποίηση της παρεγκεφαλίδας σε αντίθεση µε το άνω άκρο όπου προηγούµενες µελέτες έχουν επισηµάνει ότι η αντίστοιχη θεωρία ισχύει για την SM1περιοχή.Β) Ολόκληρο το σωµατοαισθητικό-κινητικό δίκτυο στην οµάδα ελέγχου παρουσίαζε µεγαλύτερη ενεργοποίηση σε σχέση µε την οµάδα ΑΠΧΣ. Αντιθέτως, η οµάδα ΑΠΧΣ παρουσίαζε µεγαλύτερη µεταβολή του σήµατος του ΛΜΤ σε σχέση µε την οµάδα ελέγχου σε τρεις περιοχές του εγκεφάλου (αριστερό- ετερόπλευρο ηµισφαίριο: pre-SMA και SIIp και δεξί- οµόπλευρο ηµισφαίρο: pITG.ΣΥΖΗΤΗΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ. Τα αποτελέσµατα της παρούσας µελέτης έδειξαν ότι υπάρχει αναδιοργάνωση του ΚΝΣ σε άτοµα µε ΑΠΧΣ (µη αντισταθµιστές), επιβεβαιώνοντας την πληθώρα των προηγούµενων ερευνών που ηγούνταν µιας τέτοιας θεωρίας και ενισχύει την άποψη ότι ένας αρθρικός περιφερικός τραυµατισµός αποτελεί, όχι απλά µια µυοσκελετική δυσλειτουργία, αλλά µιανευροφυσιολογική παθολογική κατάσταση. Η άποψη αυτή αιτιολογεί αναπάντητα ερευνητικά ερωτήµατα και ανοίγει νέους ορίζοντες στην αποκατάσταση. Η ρήξη ενός συνδέσµου, όπως στην περίπτωση του ΠΧΣ, µπορεί να προκαλέσει πλαστικές αλλαγές στον εγκέφαλο µε συνέπεια την λειτουργική ανεπάρκεια που παρατηρείται σε άτοµα µε τραυµατισµό.