Ganganalyse Vergleich der EMG-Aktivitätsmuster bei willkürlicher und unwillkürlicher Aktivierung bei Parkinsonpatienten und gesunden Kontrollpersonen

Abstract

Differences between voluntary and involuntary muscle activation in Parkinsonian patients—C. Groß *, M. Rubly, J.Bürmann, J. Spiegel, M. Unger, K. Faßbender, U. Dillmann (Universitätsklinikum des Saarlandes, Neurologie, Homburg, Germany) Introduction: Altered force development in Parkinson’s disease has already been known since the first descriptions by James Parkinson. Several causes have been assumed, mainly focused on alterations of the central activation of motor neurons. In our study, we focused on the question, whether there are differences concerning the ability to activate muscles during voluntary and involuntary movements. Patients and Methods: We studied 30 Parkinsonian patients (PP, 14 female, 16 male; mean age: 66.1 years ± 9.4, range: 41–81years), 13 of them had an UPDRS-score below 20 points and 17 of them a score higher than 20 points. Our controls consisted of two groups: (1) old healthy subjects (8 f, 18 m); mean age 58 years ± 10.8, range: 44–85 years, and (2) young healthy subjects (12 f, 11 m), mean age 26.5 years ± 4.4, range: 17–34 years. We examined EMG-pattern of 4 muscles of the lower extremities of both sides: tibialis anterior muscle (TA), vastus lateralis muscle (VL), gastrocnemius muscle (GC) and biceps femoris muscle (BF). EMG activities were recorded with surface electrodes placed on the muscle belly. EMG amplitude was measured during a maximal isometric voluntary contraction of each muscle. Thereafter EMG amplitudes were measured during free walking and walking on treadmill using the individual convenient gait velocity. The mean amplitude of the rectified EMG signal was analyzed from at least 10 step-cycles. The EMG activity during gait was expressed as a percentage of the mean EMG amplitude recorded during the maximal isometric voluntary contractions. ANOVA with Bonferroni post hoc-Test were used for statistical analysis. Results: The absolute EMG amplitudes in Parkinsonian patients and the healthy control groups did not differ. Concerning the relative EMG-amplitudes, no differences of the amplitudes of GC and BF were found between PP and the old control-group. However, the relative EMG amplitudes from TA and VL were significantly higher in PP in comparison to both control groups. These alterations were caused by significantly reduced EMG amplitudes during maximal voluntary isometric contractions of these muscles in Parkinsonian patients. Conclusion: Our data showed an impaired ability to activate muscles voluntarily in Parkinsonian patients compared to the ability to activate the muscles during a motor program. This impairment may contribute to the weakness complained by Parkinsonian patients.

Deutsche Zusammenfassung Vergleich der EMG-Aktivitätsmuster bei willkürlicher und unwillkürlicher Aktivierung bei Parkinsonpatienten und gesunden Kontrollpersonen. Eine veränderte Kraftentwicklung bei der Parkinson-Krankheit ist bereits seit den ersten Beschreibungen von James Parkinson im Jahr 1817 bekannt. Es wurden mehrere Ursachen vermutet, die sich hauptsächlich auf Veränderungen der zentralen Aktivierung ausrichten. In unserer Studie konzentrierten wir uns auf die Frage, ob es Unterschiede in Bezug auf die Fähigkeit zur Aktivierung von Muskeln bei willentlichen und unwillkürlichen Bewegungen gibt. Wir verglichen EMG-Aktivität bei willkürlicher maximaler Anspannung und bei unwillkürlicher Muskelaktivierung beim Gehen unter zwei Bedingungen: beim Gehen auf einem Laufband und beim freien Gehen. Die Aufzeichnung erfolgte mittels Oberflächen-EMG an der unteren Extremität beidseits vom M. tibialis anterior, M. gastrocnemius, M. vastus lateralis und M. biceps femoris. Unser Gesamtkollektiv bestand aus 79 Probanden. Die Ganganalyse wurde an 30 Parkinsonpatienten und 49 gesunden Probanden durchgeführt. Der Schweregrad erfolgte mittels dem motorischen Teil (Teil III) der Unified Parkinson’s Disease Rating Scale. Es wurden nur Patienten untersucht, die problemlos auf einem Laufband laufen konnten. Die gesunden Probanden wurden in eine ältere und jüngere Vergleichsgruppe geteilt, um den Einfluss des Alters abschätzen zu können. Damit wurden von jeder Versuchsperson die EMG-Aktivitäten bei individuell normaler Geschwindigkeit auf dem Laufband und beim Gehen auf ebener Erde, zusätzlich die EMG-Aktivität bei maximaler isometrischer Kontraktion erhoben. Die Datenaufzeichnung erfolgte durch das Bewegungsanalysesystem der Firma Zebris Medical GmbH. Die mittlere Amplitude des gleichgerichteten EMG-Signals wurde aus 20 Schrittzyklen für das Laufband bestimmt und beim freien Gehen aus 10 Schrittzyklen berechnet. Die EMG-Aktivität während des Gehens wurde als Prozentsatz der mittleren EMG-Amplitude ausgedrückt, die während der maximalen isometrischen willentlichen Kontraktionen aufgezeichnet wurde. Die Verteilung der Messdaten wurde anhand des Kolmogorov-Smirnov-Tests beurteilt. Für die weitere statistische Analyse wurden entweder ANOVA oder bei fehlender Normalverteilung ein Kruskal-Wallis-Test mit jeweiligem Post-Hoc-Test durchgeführt. Das Signifikanzniveau wurde auf 5 % festgelegt. Die Berechnung erfolgte mit dem Programm SPSS 9. Bei der maximalen isometrischen Kontraktion zeigten die jüngeren Gesunden deutlich höhere EMG-Amplituden als die Parkinsonpatienten. Auch bei den älteren Gesunden konnten in drei Muskeln signifikant höhere Unterschiede gegenüber den Parkinsonpatienten ermittelt werden. 2 Die auf die bei maximaler isometrischer Anspannung gemessenen EMG-Amplituden und somit normierten Messergebnisse („relative Amplituden“) auf dem Laufband und dem freien Gehen zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Patienten und der jüngeren Vergleichsgruppen in allen Muskeln bis auf den M. gastrocnemius: Parkinsonpatienten hatten auf dem Laufband und beim freien Gehen signifikante höhere relative Amplituden beidseits als das Kontrollkollektiv. Im Vergleich der beiden Kontrollgruppen zeigten die älteren Probanden höhere relative Amplituden als die Jüngeren. Unsere Daten weisen auf eine Beeinträchtigung der Fähigkeit bei Parkinsonpatienten hin, Muskeln willkürlich zu aktivieren, verglichen mit der Aktivierung der Muskeln während eines unwillkürlich ablaufenden motorischen Programmes. Diese Beeinträchtigung kann ein Aspekt der von Parkinsonpatienten beklagten Schwäche sein.