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U Hofstötter, K. Minassian, F. Rattay:
"Neuromodulative Mobilitätsverbesserung in Paraplegikern";
Report for FWF; 2011; 21 pages.

Summary for public relations work

Spinal cord injury is a severe neurological condition and often results in confined and dependent lives of the persons concerned. Spinal cord injury interrupts descending neural pathways originating from the brain. The terminal spinal cord, that controls the lower limb muscles, is then (partially) separated from brain influence. Depending on the severity of the injury, one of many consequences is the impairment or loss of voluntary control of muscles below the lesion, including the ability to walk. Therapeutic interventions to improve mobility after spinal cord injury are continuously being sought. In regards to locomotor recovery specifically, assisted body-weight supported treadmill training has become the accepted therapeutic method. However, the recovery of stepping ability is variable and depends on the severity of injury.
In the FWF-funded Translational Brainpower Project, a novel approach to activate neural structures for stepping within the spinal cord was tested. This method of transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) utilizes self-adhesive skin electrodes as used in physical therapy and rehabilitation for different indications.
By applying state-of-the-art computational methods, we described the biophysics underlying the selective and reliable electrical stimulation of specific neuronal structures of the spinal cord by the skin-electrode based technique.
The evaluation of neurophysiological studies demonstrated that tSCS applied during assisted treadmill stepping considerably enhanced rhythmic lower limb muscle activities in patients with a functionally complete separation of the lower spinal cord from the brain. In fact, the lack of muscle activation produced by treadmill stepping alone is a major issue in the rehabilitation of patients with such severe injuries. TSCS thus augmented the activity of the neural structures for stepping in the spinal cord, yet functional, independent movements were not achieved. In patients with some remaining voluntary control of lower limb movements, tSCS applied during active treadmill stepping led to an increase of the volitionally produced motor outputs and to a modification of the gait patterns. Thereby, tSCS was continuously applied at an intensity that did not directly produce lower limb muscle activities, but became only effective when the movements were volitionally initiated. All augmented muscle activities were controlled and could be terminated by the spinal cord injured person.
The transfer of tSCS to clinical centers showed that the method can be applied by professionals in rehabilitation of spinal cord injury patients. Demonstrating that tSCS is safe and unproblematic in its application and that its effects were reproducible was an important step towards the future introduction of the method into clinical practice.

Die Diagnose Querschnittsverletzung bedeutet für die Betroffenen einschneidende Veränderungen im Alltag und meist ein Leben im Rollstuhl. Die Querschnittsverletzung unterbricht (teilweise) die Leitungsbahnen im Rückenmark. Je nach Schweregrad der Verletzung ist die willentliche Ansteuerung von Muskeln unterhalb der Läsion beeinträchtigt oder sogar gänzlich unmöglich, auch die Fähigkeit zu gehen ist davon betroffen. Zur Steigerung der Gehfähigkeit wird die Lokomotionstherapie angewendet, bei der der Patient gewichtsentlastet und unterstützt durch Therapeuten am Laufband trainiert. Jedoch profitieren nicht alle Patienten gleichermaßen von den derzeitigen Rehabilitationsmethoden.
In dem vom FWF geförderten Translational Brainpower Projekt wurde ein neuartiger Ansatz zur Aktivierung von neuronalen Zentren im Rückenmark, die für das Gehen relevant sind, getestet. Die Methode der transkutanen Rückenmarkstimulation basiert auf selbstklebenden Hautelektroden, wie sie von verschiedenen Anwendungen in der physikalischen Therapie bekannt sind.
Durch umfangreiche Computersimulationen konnten die biophysikalischen Mechanismen beschrieben werden, die eine selektive und zuverlässige Stimulation spezifischer Nervenstrukturen des Rückenmarks durch die transkutane Rückenmarkstimulation von der Körperoberfläche aus zulassen.
Die Auswertung neurophysiologischer Messdaten ergab, dass die Anwendung der transkutanen Rückenmarkstimulation bei Patienten mit kompletter Querschnittsverletzung während dem Laufbandtraining zu deutlich gesteigerten Aktivitäten der Beinmuskeln führte. Tatsächlich ist in dieser Patientengruppe die geringe Muskelaktivierung durch das Laufbandgehen alleine Grund für den geringen Erfolg der Therapie. Die transkutane Rückenmarkstimulation konnte diese fehlende Aktivierung teilweise ausgleichen. Funktionelle, unabhängige Beinbewegungen konnten nicht ausgelöst werden. Bei Patienten mit inkompletter Querschnittsverletzung erhöhte die transkutane Rückenmarkstimulation die willkürlichen Muskelaktivitäten beim aktiven Laufbandgehen und beeinflusste zudem das Gangbild. Die transkutane Rückenmarkstimulation wurde dabei mit Intensitäten angewendet, die keine direkten Muskelaktivitäten produzierten. Die Effekte der Stimulation kamen also erst in Kombination mit der willkürlichen Ansteuerung der Beine durch die Patienten zustande. Alle stimulationsbedingt gesteigerten Aktivitäten der Beinmuskeln wurden gänzlich durch die Patienten kontrolliert und gesteuert.
Der Transfer der transkutanen Rückenmarkstimulation in klinische Zentren im Rahmen des Projektes hat gezeigt, dass die Methode sicher und problemlos angewandt werden kann. Zusammen mit der Demonstration, dass die beschriebenen Effekte unabhängig reproduzierbar sind, stellt dies einen wesentlichen Schritt in Richtung Einführung der Technik in die klinische Praxis dar.