Model of spinal cord reflex circuits in humans: Stimulation frequency-dependence of segmental activities and their interactions

Abstract

Die elektrische Stimulation des lumbosakralen Rückenmarks von Probanden mit kompletter Querschnittsläsion durch rückenmarksnahe Implantate generiert Aktivitäten in der gelähmten Beinmuskulatur.<br />Niedrige Stimulationsfrequenzen (2.1 Hz) führen zu Muskelzuckungen, die als monosynaptische spinale Reflexe identifiziert wurden. Höhere Stimulationsfrequenzen (25-50 Hz) können unwillkürliche schreitähnliche Bewegungen in den gelähmten Beinen bewirken.<br />In der vorliegenden Dissertation wurden die spinalen Reflexe der unteren Extremitäten in einer neurophysiologischen Studie an 6 Personen mit kompletter Querschnittslähmung eingehend analysiert. Die ausgelösten Reflexe bei 2.1 Hz waren segmentaler, monosynaptischer Natur und wurden unabhängig von den Aktivitäten in antagonistischen Muskelgruppen generiert. Im Flexormuskel Tibialis anterior wurde zudem ein bislang nicht bekannter Reflextyp mit Charakteristika von mono- als auch oligo-/polysnaptischen Reflexen beschrieben. Stimulationsfrequenzen von 11-22 Hz erhöhten den zentralen Anregungszustand. Die Aktivität dadurch angeregter interneuronaler Netzwerke bewirkte die Generierung von periodischen, jeweils 2 aufeinander folgende Antworten umfassenden Reflexmodulationen.<br />In umfangreichen Computersimulationen wurde die Fähigkeit eines biologisch realistischen Netzwerkmodells, diese Reflexmodulationen zu generieren, positiv getestet. Das hierfür entwickelte mathematische Modell basierte auf dem Leaky Integrate-and-Fire Modell und wurde durch detaillierte Beschreibungen realistischer Zeitverläufe postsynaptischer Aktivitäten von spezialisierten Rückenmarksneuronen erweitert. Die Implementierung erfolgte als nicht-linearer, rekursiver Algorithmus zur Simulation räumlich sowie zeitlich verteilter neuronaler Effekte. Die Signifikanz der vorliegenden Dissertation liegt in der Standardisierung monosynaptischer Rückenmarksreflexe im Menschen, vor allem aber in der Vertiefung des Verständnisses für die Rolle der Signalfrequenz in der Konfiguration neuronaler Netzwerke. Sie liefert somit einen wesentlichen Beitrag für den Bereich der Neurowissenschaften. Die mathematische Modellierung gewährte Einblicke in die Rolle spezialisierter Interneurone bei der Generierung rhythmischer Aktivitäten.

Electrical stimulation of the lumbosacral spinal cord in humans with complete spinal cord injury (SCI) elicits muscle activities in the paralyzed lower limbs. Low stimulation frequencies (2.1 Hz) elicit muscle twitches that have been suggested to be monosynaptic spinal reflexes. Stimulation at higher rates (25-50 Hz) can produce automatic stepping-like movements in the supine individuals.<br />Within the present thesis, 'standard' spinal reflex responses to 2.1 Hz-stimulation were scrutinized by analyzing electrophysiological data derived of 6 complete SCI individuals. The responses were identified as segmental, monosynaptic reflexes that were independent from antagonistic muscles. Furthermore, a not-yet described reflex was detected in the flexor muscle tibialis anterior with features of mono- as well as oligo-/polysynaptic reflexes. Increasing the stimulation frequency to 11-22 Hz elevated the central state of excitability. The stimulation effect then expanded to lumbar circuits that in turn modified the reflexes with simple periodic patterns covering 2 successive responses.<br />The capacity of biologically realistic network models to re-produce these simple patterns was positively tested by computer simulations. The employed mathematical model extended the Leaky Integrate-and-Fire model by realistic time courses of postsynaptic events. The model was implemented as a non-linear recursive algorithm simulating spatially and temporally distributed neuronal effects. The significance of the present thesis lies in the standardization of human reflexes in response to 2.1 Hz-stimulation. The main contribution, however, is in elaborating the role of signal frequency in the configuration of neuronal circuits. The mathematical model identified the functional roles of specialized spinal cord interneurons in generating rhythmic activities.