Använda enkelriktade rotationer för att förbättra vestibulära systemet asymmetri hos patienter med vestibulära dysfunktion
Summary
En ny rehabiliterings metod presenteras för ombalansering av det vestibulära systemet hos patienter med asymmetriska reaktioner, som består av enkelriktade rotationer mot den svagare sidan. Genom att direkt modifiera den vestibulära vägen snarare än att förbättra de multisensoriska aspekterna av kompensation, asymmetri kan normaliseras inom 1-2 sessioner och Visa bestående effekter.
Abstract
Det vestibulära systemet ger information om huvudrörelser och förmedlar reflexer som bidrar till balans kontroll och blick stabilisering under dagliga aktiviteter. Vestibulära sensorer är placerade i innerörat på båda sidor av huvudet och projekt till vestibulära kärnor i hjärnstammen. Vestibulära dysfunktion beror ofta på en asymmetri mellan input från de två sidorna. Detta resulterar i asymmetriska neurala ingångar från de två öronen, som kan producera en illusion av rotation, manifesteras som svindel. Det vestibulära systemet har en imponerande kapacitet för kompensation, som tjänar till att balansera hur asymmetrisk information från de sensoriska änd organen på båda sidor bearbetas på central nivå. För att främja kompensation, olika rehabiliteringsprogram används i kliniken; men de använder främst övningar som förbättrar multisensorisk integration. Nyligen har visuell-vestibulära träning har också använts för att förbättra absider-okulär reflex (VOR) hos djur med kompenserade ensidiga lesioner. Här introduceras en ny metod för ombalansering av den vestibulära aktiviteten på båda sidor hos försökspersoner. Denna metod består av fem enkelriktade rotationer i mörker (topp hastighet på 320 °/s) mot den svagare sidan. Effekten av denna metod visades i en sekventiell, dubbelblind klinisk prövning hos 16 patienter med VOR asymmetri (mätt med riktnings övervikt som svar på sinusformade rotationer). I de flesta fall minskade VOR asymmetri efter en enda session, nådde normalvärden inom de två första sessionerna på en vecka, och effekterna varade i upp till 6 veckor. Ombalanserings effekten beror både på en ökning av VOR-responsen från den svagare sidan och en minskning av responsen från den starkare sidan. Resultaten tyder på att enkelriktad rotation kan användas som en övervakad rehabilitering metod för att minska VOR asymmetri hos patienter med långvarig vestibulära dysfunktion.
Introduction
Vestibulära dysfunktion är en vanlig sjukdom med en prevalens av ~ 35% hos vuxna över 40 år gammal1. De flesta vestibulära störningar resultera i en asymmetri mellan input från båda sidor, vilket resulterar i en illusion av rotation kallas Vertigo. I avsaknad av normal vestibulära funktion, även enkla dagliga aktiviteter kan vara utmanande. Vestibulära dysfunktion är ofta kvantifieras av absider-okulär reflex (VOR). Under naturliga aktiviteter, som att gå eller springa, rör sig VOR ögonen i motsatt riktning och med samma hastighet som huvud rörelse. Denna reflex har en kort fördröjning på ~ 5 MS, och det förmedlas i horisontalplanet genom en enkel, tre-neuron Arc2. Informationen färdas från vestibulära receptorer till vestibulära kärnor, sedan till abducens motoriska nervceller. Dessa ögonrörelser resultera i stabilisering av horisontell blick under dagliga aktiviteter. Den symmetri av VOR som svar på medurs och motsols rotationer är ett viktigt test av vestibulära funktion.
Ensidig vestibulära dysfunktion ger centrala kompenserande förändringar och centralt drivna perifera förändringar för att övervinna defekta asymmetriska VOR och resulterande vestibulära obalans. Även efter permanenta vestibulära lesioner, såsom en ensidig vestibulära neurectomy, svindel och åtföljande symtom förbättras under en kort period (dagar till veckor) tid. På grund av denna förmåga, det vestibulära systemet har varit en modell för att studera anpassning och kompensation i neurala vägar. Det har tidigare visats3 att förändringar i centrala vestibulära vägar kan genomföras genom en enkelriktad rotation baserad på en hypotes som föreslagits av en av författarna (Norberg) om 20 år sedan. Andra studier har också visat kompenserande förändringar i olika delar av den sensoriska vägen, inklusive vestibulära kärnor (VN)4,5,6,7,8, commissural vägar mellan VN på båda sidor9, cerebellär ingångar10, och vestibulära peripheryen11. Dessa kompenserande förändringar resultera i en ny balans i aktiviteten av VN neuroner på båda sidor.
Trots den imponerande förmåga vestibulära systemet för att kompensera för asymmetriska ingångar från de två öronen, forskning har visat att svaren på snabba rörelser är aldrig helt kompenseras12,13. Det är nu känt att naturlig vestibulära kompensation inte använder systemets fulla kapacitet, och det kompenserade vor-svaret kan förbättras hos djur som har deltagit i visuell-vestibulära träning14,15. Det har länge varit känt att vestibulära rehabiliteringsövningar förbättra ersättningen till patienter med kronisk obalans problem genom att förbättra (icke-vestibulära) multisensorisk karaktär av balans kontroll16,17, 18 , 19 , 20 , 21. målet med dessa vestibulära rehabiliteringsövningar är att använda fysiologiska eller beteendemässiga metoder för att förbättra symtomen samt patientens livskvalitet och självständighet22,23.
Beskrivs häri är en rehabiliterings metod som använder enkelriktade rotationer mot den “svagare” sidan (figur 1a). Den grundläggande idén för denna metod kommer från Hebbian plasticitet, där neurala anslutningar blir starkare när de stimuleras. Denna metod modifierar specifikt vestibulära ingångar snarare än att förbättra multisensorisk integration, som är grunden för andra vestibulära rehabiliteringsövningar. Tidigare forskning har visat att enkelriktade rotationer minskar VOR asymmetri i 1-2 sessioner hos patienter med ensidig vestibulära dysfunktion3. Denna effekt berodde främst på en ökning av aktiviteten hos den sida med en lägre respons (LR), samt en liten minskning i aktiviteten av sidan med en högre respons (HR). Denna förändring förmedlas sannolikt genom modifieringar i centrala vägar (t. ex. förstärkning av afferenta vägar, såsom VN-anslutningar eller förändringar i commissural ingångar). I själva verket, denna teknik kan användas som en övervakad metod för vestibulära rehabilitering i de med långvariga vestibulära asymmetri.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den rehabiliterings metod som presenteras här består av upprepade enkelriktade rotationer i mörker mot mindre lyhörd (LR) sida hos patienter med vestibulära obalans och VOR asymmetri. De flesta rehabiliterings tekniker förbättra multisensorisk integration för att förbättra balansen16,17,18,19,20. Den metod som presenteras här riktar sig till vestibu…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
N. R. stöddes av en forskningsfond från Shahid Beheshti University of Medical Sciences and Health Services. S. G. S. stöddes av NIDCD R03 DC015091 Grant.
Materials
| VEST operating and analysis software | NeuroKinetics | ||
| Electronystagmograph | Nicolet | Spirit Model 1992 | Equipment used for collecting the data presented in the Results section |
| I-Portal NOTC (Neurotologic Test Center) | NeuroKinetics | Equipment shown for current studies and shown in the movie |
Riferimenti
- Agrawal, Y., Ward, B. K., Minor, L. B. Vestibular dysfunction: prevalence, impact and need for targeted treatment. Journal of Vestibular Research. 23 (3), 113-117 (2013).
- Huterer, M., Cullen, K. E. Vestibuloocular reflex dynamics during high-frequency and high-acceleration rotations of the head on body in rhesus monkey. Journal of Neurophysiology. 88 (1), 13-28 (2002).
- Sadeghi, N. G., Sabetazad, B., Rassaian, N., Sadeghi, S. G. Rebalancing the Vestibular System by Unidirectional Rotations in Patients With Chronic Vestibular Dysfunction. Frontiers in Neurology. 9, 1196 (2018).
- Beraneck, M., et al. Long-term plasticity of ipsilesional medial vestibular nucleus neurons after unilateral labyrinthectomy. Journal of Neurophysiology. 90 (1), 184-203 (2003).
- Beraneck, M., et al. Unilateral labyrinthectomy modifies the membrane properties of contralesional vestibular neurons. Journal of Neurophysiology. 92 (3), 1668-1684 (2004).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Neural correlates of motor learning in the vestibulo-ocular reflex: dynamic regulation of multimodal integration in the macaque vestibular system. Journal of Neuroscience. 30 (30), 10158-10168 (2010).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Multimodal integration after unilateral labyrinthine lesion: single vestibular nuclei neuron responses and implications for postural compensation. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 661-673 (2011).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Neural correlates of sensory substitution in vestibular pathways following complete vestibular loss. Journal of Neuroscience. 32 (42), 14685-14695 (2012).
- Galiana, H. L., Flohr, H., Jones, G. M. A reevaluation of intervestibular nuclear coupling: its role in vestibular compensation. Journal of Neurophysiology. 51 (2), 242-259 (1984).
- Cullen, K. E., Minor, L. B., Beraneck, M., Sadeghi, S. G. Neural substrates underlying vestibular compensation: contribution of peripheral versus central processing. Journal of Vestibular Research. 19 (5-6), 171-182 (2009).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Response of vestibular-nerve afferents to active and passive rotations under normal conditions and after unilateral labyrinthectomy. Journal of Neurophysiology. 97 (2), 1503-1514 (2007).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Dynamics of the horizontal vestibuloocular reflex after unilateral labyrinthectomy: response to high frequency, high acceleration, and high velocity rotations. Experimental Brain Research. 175 (3), 471-484 (2006).
- Halmagyi, G. M., Black, R. A., Thurtell, M. J., Curthoys, I. S. The human horizontal vestibulo-ocular reflex in response to active and passive head impulses after unilateral vestibular deafferentation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1004, 325-336 (2003).
- Maioli, C., Precht, W. On the role of vestibulo-ocular reflex plasticity in recovery after unilateral peripheral vestibular lesions. Experimental Brain Research. 59 (2), 267-272 (1985).
- Ushio, M., Minor, L. B., Della Santina, C. C., Lasker, D. M. Unidirectional rotations produce asymmetric changes in horizontal VOR gain before and after unilateral labyrinthectomy in macaques. Experimental Brain Research. 210 (3-4), 651-660 (2011).
- Whitney, S. L., Rossi, M. M. Efficacy of vestibular rehabilitation. Otolaryngology Clinics of North America. 33 (3), 659-672 (2000).
- Telian, S. A., Shepard, N. T. Update on vestibular rehabilitation therapy. Otolaryngology Clinics of North America. 29 (2), 359-371 (1996).
- Hall, C. D., et al. Treatment for Vestibular Disorders: How Does Your Physical Therapist Treat Dizziness Related to Vestibular Problems. Journal of Neurological Physical Therapy. 40 (2), 156 (2016).
- Hillier, S., McDonnell, M. Is vestibular rehabilitation effective in improving dizziness and function after unilateral peripheral vestibular hypofunction? An abridged version of a Cochrane Review. European Journal of Physical Rehabilitation Medicine. 52 (4), 541-556 (2016).
- Denham, T., Wolf, A. Vestibular rehabilitation. Rehabilitation Management. 10 (3), 93-94 (1997).
- Cooksey, F. S. Rehabilitation in Vestibular Injuries. Proceedings of the Royal Society of Medicine. 39 (5), 273-278 (1946).
- Enticott, J. C., Vitkovic, J. J., Reid, B., O’Neill, P., Paine, M. Vestibular rehabilitation in individuals with inner-ear dysfunction: a pilot study. Audiology and Neurootology. 13 (1), 19-28 (2008).
- Cohen, H. S., Kimball, K. T. Increased independence and decreased vertigo after vestibular rehabilitation. Otolaryngological Head and Neck Surgery. 128 (1), 60-70 (2003).
- Baloh, R. W., Halmagyi, G. M. . Disorders of the vestibular system. , (1996).
- Furman, J. M., Cass, S. P., Furman, J. M. . Vestibular disorders: a case-study approach. , (2003).
- Brey, R. H., McPherson, J. H., Lynch, R. M., Jacobson, G. P., Shepard, N. T. . Balance Function Assessment and Management. , 253-280 (2008).
- Funabiki, K., Naito, Y. Validity and limitation of detection of peripheral vestibular imbalance from analysis of manually rotated vestibulo-ocular reflex recorded in the routine vestibular clinic. Acta Otolaryngology. 122 (1), 31-36 (2002).
- Zalewski, C. K. . Rotational Vestibular Assessment. , (2018).
- Furman, J. M., Cass, S. P., Baloh, R. W., Halmagyi, G. M. Ch. 17. Disorders of the vestibular system. , 191-210 (1996).
- Desmond, A. . Vestibular function: evaluation and treatment. , (2004).
- Shepard, N. T., Goulson, A. M., McPherson, J. H., Jacobson, G. P., Shepard, N. T. Ch. 15. Balance function assessment and management. , 365-390 (2016).
- Clement, G., Flandrin, J. M., Courjon, J. H. Comparison between habituation of the cat vestibulo-ocular reflex by velocity steps and sinusoidal vestibular stimulation in the dark. Experimental Brain Research. 142 (2), 259-267 (2002).
- Clement, G., Tilikete, C., Courjon, J. H. Retention of habituation of vestibulo-ocular reflex and sensation of rotation in humans. Experimental Brain Research. 190 (3), 307-315 (2008).
- Clement, G., Tilikete, C., Courjon, J. H. Influence of stimulus interval on the habituation of vestibulo-ocular reflex and sensation of rotation in humans. Neuroscience Letters. 549, 40-44 (2013).
- Cohen, H., Cohen, B., Raphan, T., Waespe, W. Habituation and adaptation of the vestibuloocular reflex: a model of differential control by the vestibulocerebellum. Experimental Brain Research. 90 (3), 526-538 (1992).
- Maxwell, S. S., Burke, U. L., Reston, C. The effect of repeated rotation on the duration of after-nystagmus in the rabbit. American Journal of Physiology. 58, 432-438 (1922).
- Griffith, C. R. The Ettect Upon the White Rat of continued Bodily Rotation. American Naturalist. 54, 524-534 (1920).
- Shepard, N. T., Telian, S. A. Programmatic vestibular rehabilitation. Otolaryngologicla Head and Neck Surgery. 112 (1), 173-182 (1995).
- Itani, M., Koaik, Y., Sabri, A. The value of close monitoring in vestibular rehabilitation therapy. The Journal of Laryngology & Otology. 131 (3), 227-231 (2017).
- Pavlou, M., Bronstein, A. M., Davies, R. A. Randomized trial of supervised versus unsupervised optokinetic exercise in persons with peripheral vestibular disorders. Neurorehabilitation and Neural Repair. 27 (3), 208-218 (2013).
- Kao, C. L., et al. Rehabilitation outcome in home-based versus supervised exercise programs for chronically dizzy patients. Archives of Gerontology and Geriatrics. 51 (3), 264-267 (2010).
- Topuz, O., et al. Efficacy of vestibular rehabilitation on chronic unilateral vestibular dysfunction. Clinical Rehabilitation. 18 (1), 76-83 (2004).
- Black, F. O., Pesznecker, S. C. Vestibular adaptation and rehabilitation. Current Opinion in Otolaryngological Head and Neck Surgery. 11 (5), 355-360 (2003).
