Modeling of a human spinal pattern generator for locomotion and its activation by electrical epidural stimulation

Abstract

Sustained non-patterned electrical stimulation of the lumbar spinal cord can induce automatic stepping-like lower limb movements in complete spinal cord injured individuals. The underlying neuronal mechanisms were studied in the present thesis.<br />Stimulation (1-10 V and 2.2-50 Hz) was applied to the posterior lumbar spinal cord by epidural electrodes in seventeen spinal cord injured subjects. The induced lower limb muscle activity was assessed by surface electromyography. These data on the input-output behavior of the spinal cord were analyzed. Computer modeling of the applied electric field together with the activating function concept was carried out to identify the directly stimulated neural structures.<br />Epidural 2.2 Hz-stimulation induced muscle twitches in the lower limbs.<br />The neurophysiological features of these responses and computer simulations identified posterior roots as the directly stimulated neural targets. Stimulation at 25-50 Hz induced alternating burst-style electromyographic activity in the paralyzed lower limbs leading to stepping-like movements. Stimulus-evoked compound muscle action potentials were subject to well-defined amplitude modulations and demonstrated a 10 ms-increase of latency during burst-style phases.<br />Muscle twitches induced by 2.2 Hz-stimulation are monosynaptic responses to stimulation of afferent fibers within the posterior roots. Same afferent input is transmitted to spinal interneurons. Continuous posterior root stimulation at 25-50 Hz activated spinal neuronal circuits that dynamically modulated the afferent flow through monosynaptic pathways by inhibitory mechanism and controlled motoneuronal discharge by excitatory longer pathways. These capabilities of the lumbar cord isolated from brain control are an evidence for a human spinal pattern generator for locomotion.<br />

Kontinuierliche, elektrische Stimulation der posterioren Strukturen des lumbalen Rückenmarks kann unwillkürliche Schrittbewegungen der Beine in komplett Querschnittsverletzten auslösen.<br />Basierend auf dieser Beobachtung wurde eine systematische Untersuchung der zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen durchgeführt.<br />Elektrische Stimulation (1-10 V und 2.2-50 Hz) des posterioren lumbalen Rückenmarks wurde in siebzehn Patienten mit kompletter Rückenmarksverletzung mittels implantierten, epiduralen Elektroden appliziert. Die Wirkung der Stimulation wurde durch die evozierte elektromyographische Aktivität der Beinmuskulatur dokumentiert. Diese Daten wurden retrospektiv analysiert. Die direkte Wirkung der Stimulation auf neuronale Zielstrukturen wurde mittels Computersimulation des applizierten elektrischen Feldes (Finite-Elemente-Modell) und des Konzepts der Aktivierungsfunktion untersucht.<br />Epidurale 2.2 Hz Stimulation des Lumbalmarks löste Muskelzuckungen in den unteren Extremitäten aus. Die neurophysiologischen Eigenschaften dieser Muskelantworten und die Computersimulationen identifizierten die Hinterwurzelfasern als unmittelbar aktivierte Strukturen. Anregung der Hinterwurzelfasern mit 25-50 Hz induzierte schrittähnliche Bewegungen mit alternierenden EMG-"bursts" der Beinflexoren und Extensoren.<br />Muskelaktionspotentiale, welche die "burst"-Phasen zusammensetzten, zeigten um 10 ms längere Latenzen als jene einfacher Muskelzuckungen.<br />Muskelzuckungen, ausgelöst durch epidurale Stimulation mit 2.2 Hz, sind monosynaptische Reflexantworten auf Anregung afferenter Axone in den Hinterwurzeln. Dieselben afferenten Nervenimpulse werden synaptisch an Interneurone im Lumbalmark weitergeleitet. Bei kontinuierlicher Stimulation der Hinterwurzeln mit 25-50 Hz können Interneurone im Rückenmark zu funktionellen Einheiten konfiguriert und Schrittbewegungen ausgelöst werden. Dabei modulieren die Interneurone die eintreffenden Nervenimpulse, leiten sie über längere Pfade und inhibieren die entsprechenden monosynaptischen Bahnen. Diese Eigenschaften der durch 25-50 Hz Stimulation konfigurierten interneuronalen Netzwerke sind ein direkter Hinweis auf die Existenz eines Mustergenerators für Lokomotion im Menschen.<br />