Mechanizm powstawania spastyczności: rola górnego neuronu ruchowego i łuku odruchowego

Spastyczność to zaburzenie kontroli mięśniowej polegające na wzmożonym napięciu mięśniowym o charakterze zależnym od szybkości ruchu, które pojawia się w wyniku uszkodzenia górnego neuronu ruchowego w mózgu lub rdzeniu kręgowym.

Wynika ono z zaburzenia równowagi między hamowaniem a pobudzeniem w rdzeniowych łukach odruchowych, gdzie normalne impulsy hamujące z mózgu zostały przerwane, powodując nadmierną reaktywność refleksów mięśniowych.

Czym jest spastyczność i jak powstaje w systemie nerwowym?

Spastyczność to zaburzenie napięcia mięśniowego, które pojawia się jako konsekwencja uszkodzenia górnego neuronu ruchowego. Ponadto, w zdrowiu system nerwowy utrzymuje dokładną równowagę między bodźcami pobudzającymi mięśnie do skurczów a bodźcami hamującymi, które uniemożliwiają nadmierne napięcie. Gdy dochodzi do uszkodzenia mózgu lub szlaków prowadzących z mózgu do rdzenia kręgowego, ta równowaga zostaje zachwiana. Uszkodzenie nie powoduje bezpośrednio spastyczności – raczej powoduje utratę hamowania, które normalnie kontroluje refleksy mięśniowe. W wyniku tego refleksy stają się nadmiernie wrażliwe i reagują zbyt silnie na bodźce, co objawia się charakterystycznym wzmożonym napięciem mięśniowym.

Definicja spastyczności jako zaburzenia napięcia mięśniowego

Spastyczność jest zaburzeniem napięcia mięśniowego o specyficznej charakterystyce klinicznej i neurobiologicznej. Dlatego, normalne napięcie mięśniowe – muscle tone – to stan gotowości mięśni do działania – pewien poziom napięcia podstawowego, który pozwala na szybkie i sprawne wykonywanie ruchów. Spastyczność różni się fundamentalnie: opór mięśni na rozciągnięcie wzrasta wraz ze wzrostem szybkości tego rozciągnięcia – jest to cecha medycznie określana mianem oporu zależnego od szybkości (velocity-dependent resistance). Ta właściwość jest patognomiczna – charakterystyczna – dla spastyczności i pozwala na jej rozróżnienie od innych zaburzeń napięcia mięśniowego. Dodatkowo, spastyczność wiąże się ze wzmożonymi odruchami ścięgnistownikowymi i możliwością pojawienia się klonusa – rytmicznych, powtarzających się skurczów mięśni. Wszystkie te cechy są przejawem zaburzenia górnego neuronu ruchowego (UMNL – upper motor neuron lesion), nie zaś uszkodzenia samych mięśni czy periferyjnych nerwów.

Czym się spastyczność różni od normalnego napięcia mięśniowego?

Różnica między normalnym napięciem a spastycznością jest zasadnicza. Co więcej, w normalnym mięśniu opór na rozciągnięcie wynika głównie z właściwości elastycznych samego mięśnia i ścięgna – zwiększa się stopniowo i równomiernie, gdy mięsień jest rozciągany szybciej. W spastyczności opór jest minimalny przy wolnych, delikatnych rozciągnięciach, ale w miarę przyspieszania ruchu nagle, dramatycznie wzrasta. Jeśli lekarz powoli robi gimnastykę bierną pacjenta ze spastyczną nogą, czuje minimalny opór. Natomiast jeśli szybko rozciąga tę samą nogę, czuje nagły, silny opór – jest to charakterystyczne dla spastyczności i rzadko widoczne w normalnych mięśniach.

Ta zależność od szybkości wynika z podłoża neurobiologicznego spastyczności: szybkie rozciągnięcie mięśnia silnie aktywuje rdzeniowe łuki odruchowe – reflex arcs -, które w wyniku utraty hamowania z mózgu reagują zbyt intensywnie. W rezultacie, wolne rozciągnięcie nie aktywuje wystarczająco tych refleksów, stąd opór jest słaby. Warto nadmienić, że inna postać wzmożonego napięcia mięśniowego – rigidity – sztywność – obserwowana w chorobie Parkinsona – charakteryzuje się jednorodnym oporem na wszystkich szybkościach ruchu; to nie jest spastyczność, choć oba stany powodują wzmożone napięcie. Zrozumienie tej różnicy jest istotne dla prawidłowego rozpoznania i planowania leczenia.

Rola górnego neuronu ruchowego w kontroli napięcia mięśniowego?

Górny neuron ruchowy to system nerwowy odpowiedzialny za inicjowanie i kontrolowanie dobrowolnych ruchów. Jednak, w zdrowiu górny neuron ruchowy pełni rolę „kierownika" – wydaje polecenia i, co równie ważne, utrzymuje stały „hamulec" na refleksach odruchowych, które mogłyby zakłócać zamierzone ruchy. Kiedy górny neuron ruchowy jest uszkodzony – na przykład w wyniku udaru mózgu, urazu czaszkowo-mózgowego lub uszkodzenia rdzenia kręgowego – ten hamulec przestaje działać. Bez hamowania z mózgu, rdzeniowe łuki odruchowe stają się nadmiernie wrażliwe. To właśnie powoduje spastyczność. Najważniejsze jest zrozumienie, że spastyczność nie wynika z tego, że refleksy są uszkodzone – wciąż działają prawidłowo. Problem polega na tym, że działają zbyt intensywnie, ponieważ brakuje normalnego hamowania z mózgu.

Struktura i funkcja górnego neuronu ruchowego

Górny neuron ruchowy to długa komórka nerwowa, której ciało komórkowe – soma – znajduje się w korze ruchowej mózgu, konkretnie w pierwotnym polu ruchowym – Brodmann area 4 – i przedwstępnym polu ruchowym. Bowiem, charakterystyczną cechą górnego neuronu ruchowego jest bardzo długi akson – wyrostek – biegnący z mózgu aż do rdzenia kręgowego – może on mieć nawet jeden metr długości u wysokich osób. Ten akson zstępuje przez struktury mózgu (włączając w to torebkę wewnętrzną), przechodzi przez pień mózgu i dalej przez rdzień kręgowy, gdzie ostatecznie łączy się z dolnymi neuronami ruchowymi – tymi komórkami, które bezpośrednio unerwają mięśnie.

Funkcja górnego neuronu ruchowego jest wieloraka. Z kolei, po pierwsze, przesyła sygnały initiujące ruch: impulsy elektryczne biegnące w dół aksonu decydują, który mięsień powinien się skurczyć. Po drugie, górny neuron ruchowy wysyła sygnały hamujące – to jest krytyczne. Mózg nie tylko mówi „ścięgnij ten mięsień", ale także mówi „nie pozwól innemu mięśniowi się skurczyć". Trzecia, ważna funkcja to regulacja napięcia podstawowego mięśni. W zdrowiu mózg ciągle wysyła sygnały, które utrzymują mięśnie w stanie wysokiej czujności, ale zarazem hamują refleksy. To gwarantuje, że ruchy są precyzyjne, kontrolowane i niezakłócone przez samoistne refleksy.

Neurotransmiteryami, którymi górny neuron ruchowy komunikuje się w rdzeniu kręgowym, są głównie substancje hamujące: kwas gamma-aminomasłowy – GABA – i glicyna. Przede wszystkim, te substancje chemiczne hiperpolaryzują – zmniejszają wrażliwość – dolne neurony ruchowe, sprawiając, że są mniej skłonne do zapalenia się w odpowiedzi na bodźce. Kiedy górny neuron ruchowy jest uszkodzony – na przykład w wyniku niedotlenienia mózgu podczas udaru lub fizycznego urazu – ten przepływ hamujących sygnałów zostaje przerwany. W rezultacie dolne neurony ruchowe pozostają bez swoich normalnych hamujących sygnałów z mózgu i stają się nadmiernie reaktywne.

Szlaki mózgowe kontrolujące napięcie mięśniowe

Kontrola ruchu i napięcia mięśniowego nie pochodzi z jednego miejsca w mózgu, lecz z wielu wzajemnie połączonych struktur, które wysyłają impulsy w dół rdzenia kręgowego poprzez różne szlaki nerwowe. Natomiast, główne szlaki odpowiadające za hamowanie refleksów i kontrolę napięcia to:

1. Szlak kortykopiramidowy – corticospinal tract – – biegnie od motorycznej kory mózgu przez pień mózgu, gdzie większość włókien (75-90%) przekrzyżowuje się w piramidach przedłużonego mózgu, i schodzi w rdzeniu kręgowym. Ponieważ, jest to głównie szlak hamujący dla refleksów; uszkodzenie tego szlaku (na przykład podczas udaru na jedną stronę mózgu) powoduje spastyczność na przeciwnej stronie ciała.

2. Szlak rubrospinalny – rubrospinal tract – – pochodzi z jądra czerwonego w śródmózgowiu i również niesie głównie sygnały hamujące. W konsekwencji, ten szlak wspólnie z szlakiem kortykopiramidowym stanowi znaczną część hamujących wpływów z mózgu na rdzień kręgowy.

3. Szlak retikulospinalny – reticulospinal tract – – pochodzi z formacji siatkowatej w pniu mózgu i jest bardziej zróżnicowany; zawiera zarówno włókna pobudzające, jak i hamujące. Ponadto, w zdrowiu funkcjonuje głównie w funkcjach hamujących, utrzymując kontrolę nad refleksami.

4. Szlak wieściowo-rdzeniowy – vestibulosspinal tract – – pochodzi z jądra wieściowego i ma większościowo charakter pobudzający, wspierając napięcie mięśni wyprężaczy (agonistów przeciw grawitacji).

Kluczowe jest zrozumienie, że szlaki hamujące zdecydowanie dominują w zdrowiu. Dlatego, mózg spędza więcej „wysiłku" na hamowaniu refleksów niż na ich pobudzaniu. W wyniku tego rdzień kręgowy pozostaje w „czuwającym, ale spokojnym" stanie. Kiedy szlaki hamujące są uszkodzone – niezależnie od tego, czy uszkodzenie dotyczy motorycznej kory mózgu, pnia mózgu czy samego rdzenia kręgowego – hamowanie ulega redukcji. Rdzień kręgowy, pozostawiony bez tych hamujących sygnałów, zaczyna reagować na każdy bodziec zbyt intensywnie. Stąd obserwujemy spastyczność.

Co się dzieje z napięciem mięśniowym po uszkodzeniu górnego neuronu?

Po uszkodzeniu górnego neuronu ruchowego napięcie mięśniowe przechodzi charakterystyczną ewolucję czasową. Bezpośrednio po uszkodzeniu – pierwsze godziny do dni – obserwujemy wzmożoną podatność na ruchy biernie, którą określamy flacidity – wiotość – lub „szok rdzeniowy". Co więcej, paradoksalnie, chory w tym okresie nie ma spastyczności – mięśnie są raczej wiotkie, poruszają się łatwo, a refleksy są słabe lub nieobecne. Wynika to z faktu, że rdzień kręgowy, tak jak cała система nerwowa, zostaje „zszokowany" uszkodzeniem. Refleksy odruchowe zostają tymczasowo wyłączone jako mechanizm obronny. Etap ten trwa zwykle od kilku godzin do dwóch tygodni, w zależności od rozmiaru i lokalizacji uszkodzenia.

Po około tygodniu do dwóch tygodni – faza podskórna – zaczynają pojawiać się pierwsze oznak powrotu refleksów. Rdzień kręgowy powoli „budzi się" ze stanu szoku. Refleksy zaczynają wracać do funkcjonalności, ale bez hamowania z mózgu, które zostało utracone, są hiperwrażliwe. W tym okresie obserwujemy zwykle stopniowy wzrost napięcia mięśniowego, coraz bardziej widoczne wzmożone refleksy, i początek charakterystycznych oznak spastyczności.

W fazie przewlekłej – tygodnie do miesięcy – spastyczność osiąga pełny rozwój. W ciągu pierwszych trzech do sześciu miesięcy po udarze, uszkodzeniu rdzenia kręgowego lub innym urazie górnego neuronu ruchowego, spastyczność zazwyczaj osiąga swoją maksymalną intensywność. Staje się coraz trudniej pracować z pacjentem; pasywne ruchy spotkają się z silnym oporem. Refleksy są dramatycznie wzmożone. Jeśli spastyczność nie zostaje leczony, może szybko postępować i prowadzić do zaciśnięcia – contracture – – trwałego skrócenia mięśni i więzadeł.

Biologiczny mechanizm stojący za tą ewolucją jest złożony. W rezultacie, w fazie bezpośrednio ponadarżeniowej rdzień kręgowy pozostaje w „szoku" – wszystkie neurony motoryczne są niedostatecznie wrażliwe. W miarę upływu czasu, bez hamujących sygnałów z mózgu, dolne neurony ruchowe przechodzą proces zwany denerwacyjną hiperwrażliwością (denervation hypersensitivity). Oznacza to, że neurony motoryczne, które straciły swoją normalną wejściową informacje z mózgu, stają się niezwykle wrażliwe na wszelkie pozostałe bodźce. Rozwijają się nowe receptory dla neurotransmiterów. Ich membrana staje się bardziej ekscytowalna – łatwiej przesyłają potencjały czynnościowe. Jednocześnie, mechanizmy hamujące wewnątrz samego rdzenia kręgowego – te, które normalnie byłyby wspierane i wzmacniane sygnałami z mózgu – ulegają zanikowi. Powoli, ale systematycznie, rdzień kręgowy reorganizuje się w maladaptacyjny wzór, w którym refleksy odruchowe są hiperwrażliwe i niedostatecznie hamowane.

Łuk odruchowy rdzeniowy i jego znaczenie w spastyczności?

Łuk odruchowy – reflex arc – to neuronowy obwód znajdujący się w rdzeniu kręgowym, który umożliwia szybkie, automatyczne odpowiedzi mięśniowe na bodźce – wszystko bez udziału mózgu. Jednak, w zdrowiu łuk odruchowy funkcjonuje jako część bardziej złożonego systemu kontroli ruchu, gdzie mózg wyrażnie „weto" jego aktywność poprzez stałe hamowanie. W spastyczności, gdy to hamowanie zostaje utracone, łuk odruchowy działa bez hamulców, co powoduje wzmożone i niewłaściwe skurcze mięśni.

Jak funkcjonuje normalny łuk odruchowy rozciągnięcia?

Łuk odruchowy rozciągnięcia – stretch reflex arc – to jeden z najszybszych i najprostszych systemów nerwowych w ludzkim ciele. Bowiem, proces przebiega w następujących etapach:

** – 1 – Bodźiec stretch – rozciągnięcie -**: Mięsień jest nagle rozciągnięty – na przykład, gdy lekarz szybko robi gimnastykę bierną kolana pacjenta, rozcią­gając mięśnie czworogłowe uda – quadriceps -.

** – 2 – Aktywacja receptora**: Wewnątrz mięśnia znajdują się czujniki zwane wrzecionami mięśniowymi – muscle spindles -, które są specjalizowane w detekcji zmian długości mięśnia. Kiedy mięsień jest rozciągany, wrzeciona mięśniowe zostają poddane naciągowi i natychmiast wysyłają sygnał.

** – 3 – Transmisja czuciowa**: Czujnik wysyła sygnał poprzez bardzo szybkie włókno nerwowe – włókna Ia afferent – bezpośrednio do rdzenia kręgowego. Ten sygnał biegnie z prędkością do 120 metrów na sekundę.

** – 4 – Synaptyczne połączenie w rdzeniu**: Włókno czuciowe trafia do rdzenia kręgowego i tworzy bezpośrednie połączenie (monosynaptyczne – tylko jedna synapsa) z dolnym neuronem ruchowym – motor neuron – tego samego mięśnia. To jest absolutnie krytyczne: brak pośrednich neuronów, żaden „translator" – czucie łączy się bezpośrednio z ruchem.

** – 5 – Odpowiedź ruchowa**: Pobudzony dolny neuron ruchowy natychmiast wysyła impuls do mięśnia, powodując jego skurcz w odpowiedzi na rozciągnięcie.

** – 6 – Recykling**: Skurcz mięśnia powoduje jego skrócenie, usuwając naciąg na wrzeciono mięśniowe. Czujnik przestaje wysyłać sygnał, reflek się kończy.

Cały ten proces trwa zaledwie 20-30 milisekund – szybciej niż czas potrzebny mózgowi na zarejestowanie i odpowiedź na bodźce. Z kolei, to jest ewolucyjnie sprytne: refleks ochronny zapobiega przeciągnięciu mięśnia zanim mózg zdąży zareagować.

Ważne jest wprowadzenie pojęcia reciprocal inhibition – wzajemnego hamowania –. Przede wszystkim, kiedy mięsień kurczy się w odpowiedzi na rozciągnięcie, jego mięsień antagonista – przeciwny – powinien się rozluźnić. Nie dzieje się to automatycznie – rdzień kręgowy aktywnie hamuje antagonistę poprzez włókna hamujące – inhibitory interneurons -. W wyniku tego, gdy uda rozciągnięte mięśnie czworogłowe – extensor – się kurczą, hamstring – flexor – jest jednocześnie hamowany. To zapewnia płynne, skoordynowane ruchy.

W zdrowiu ten reflek jest zarazem szybki (chronić przed uszkodzeniami) i kontrolowany (nie zakłócać zamierzone ruchy). Natomiast, mózg można sobie wyobrazić jako stanie powyżej rdzenia i nieustannie mówiącego: „Reflek, działaj, ale nie za mocno, i tylko wtedy gdy chcę." W spastyczności mózg przestaje to mówić – reflek działalność jest niepohamowana.

Receptory mięśniowe: wrzeciona mięśniowe i receptory Golgiego

Mięśnie posiadają dwa główne rodzaje czujników, które komunikują się z rdzeniem kręgowym. Ponieważ, te dwa systemy sensoryczne pracują razem, tworząc złożoną pętlę sprzężenia zwrotnego, która pomaga regulować zarówno długość, jak i siłę mięśnia.

Wrzeciona mięśniowe – muscle spindles – to czujniki długości. Znajdują się wewnątrz mięśnia, równolegle do włókien kurczliwych – contractile fibers -, co pozwala im czuć każde rozciągnięcie mięśnia. Wrzeciono mięśniowe składa się z kilku części: włókien intrafuzalnych (modyfikowanych włókien mięśniowych wewnątrz wrzeciona) i włókien receptorowych otaczających je. Kiedy mięsień jest rozciągany, włókna afferentne Ia (od słowa „different" – niosące informacje od mięśnia) wysyłają silny sygnał do rdzenia kręgowego, mówiąc: „Mięsień jest zbyt długi! Skórcz się!" To jest sygnał pobudzający – aktywuje dolne neurony ruchowe tego mięśnia, powodując jego skurcz. W zdrowiu wrażliwość wrzeciona mięśniowego jest dokładnie wykaliwana, aby refleks był ani zbyt czuły, ani zbyt tępy.

Receptory Golgiego – Golgi tendon organs, GTO – to czujniki siły/napięcia. Znajdują się między mięśniem a ścięgnem, w idealnej pozycji do pomiaru napięcia wytwarzanego przez mięśnie. Kiedy mięsień kurczy się i generuje siłę, receptory Golgiego to czują. Ich włókna afferentne – typu Ib – wysyłają informacje do rdzenia kręgowego, ale – i to jest kluczowe – wysyłają sygnały hamujące. Innymi słowy, aktywują one interneurony hamujące, które tłumią aktywność tego samego mięśnia. System ten działa jak „bezpiecznik": jeśli mięsień generuje zbyt dużo napięcia, receptory Golgiego mówią: „Zatrzymaj się, zanim się skrzywdzisz!"

Te dwa systemy pracują w harmonii: wrzeciona mięśniowe mówią „rozciągnęli nas – kurczymy się", receptory Golgiego mówią „zbyt dużo siły – hamujemy się". W konsekwencji, razem tworzą równowagę, która gwarantuje kontrolę ruchu i ochronę przed uszkodzeniem.

W spastyczności ta równowaga jest tragicznie zachwiana. Ponadto, wrażliwość wrzeciona mięśniowego wzrasta dramatycznie – stają się nadzwyczaj reaktywne na najmniejsze rozciągnięcia. Jednocześnie, hamujące sygnały z receptorów Golgiego są osłabione, ponieważ hamujące interneurony, które powinny być wspierane sygnałami hamującymi z mózgu, ulegają dezorganizacji. Rezultat: system staje się całkowicie niezrównoważony. Wrzeciona mówią „rozciągnięcie! Rozciągnięcie!" zbyt głośno, a receptory Golgiego odpowiadają zbyt cicho.

Zaburzenie równowagi między hamowaniem a pobudzeniem odruchowym

W zdrowym rdzeniu kręgowym istnieje precyzyjna, dynamiczna równowaga między sygnałami pobudzającymi a hamującymi. Dlatego, wyobraź sobie hipotędy obwód, w którym 100 sygnałów pobudzających wpada z jednej strony, ale jednocześnie 70 sygnałów hamujących wpada z drugiej strony. Saldo netto wynosi: 30 jednostek pobudzenia – wystarczająco, aby mięsień odpowiedział, ale nie tyle, aby wybuchnął w niekontrolowany spazm.

Ta proporcja – gdzie hamowanie stanowi około 70% i pobudzenie około 30% – nie jest przypadkowa. Co więcej, ewolucja wyprodukowała mózg, który więcej energii spędza na hamowaniu refleksów niż na ich pobudzaniu. Dlaczego? Ponieważ rdzień kręgowy sam w sobie ma tendencję do automatycznego działania – refleksy „chcą" się włączać. Mózg musi stale naciskać hamulec, aby zapobiec chaosowi.

W spastyczności ta równowaga zostaje fundamentalnie zachwiana. W rezultacie, kiedy górny neuron ruchowy jest uszkodzony, hamujące sygnały z mózgu zostają przerwane lub znacznie zmniejszone. Nagle, w naszej hipotędy analogii: zamiast 30 jednostek pobudzenia względem 70 hamowania – równowaga -, mamy 30 jednostek pobudzenia względem 10 hamowania. Nasze saldo zmienia się z +30 do +90 – wzrost pobudzenia netto o 200-300%. Niedźwiękownie, ale to dokładnie pokazuje, co się dzieje w rdzeniu kręgowym pacjenta ze spastycznością.

Ta utrata hamowania to nie pojedyncze zdarzenie – zachodzi na wielu poziomach. Jednak, tracą się:hamowanie recydywne (Renshaw cells hamują własne neurony, aby zapobiec przegrzaniu), hamowanie wzajemne między antagonistami, hamowanie pochodzące z receptorów Golgiego – autogenic inhibition -, i zwłaszcza hamowanie pochodzące z mózgu (descending inhibition z korty motorycznej, pnia mózgu, rdzenia).

Skoro rozumiemy ten podstawowy mechanizm – utratę hamowania prowadzącą do hiperreaktywności – możemy zacząć wyobrażać sobie, jak leki i rehabilitacja mogą pomóc. Bowiem, leki mogą próbować „przywrócić hamowanie" do rdzenia poprzez wzmocnienie działania pozostałych hamujących systemów. Rehabilitacja może „przeszkolić" rdzień kręgowy w bezpieczniejszych, bardziej funkcjonalnych wzorach aktywności.

Mechanizmy patofizjologiczne: utrata hamowania mózgowego?

Spastyczność nie pojawia się z dnia na dzień w pełnej klinicznej manifestacji. Z kolei, jest to proces, w którym zaburzenia neurologiczne i biochemiczne rozwijają się etapami w wyniku utraty kontroli mózgowej nad rdzeniem kręgowym. Zrozumienie tych mechanizmów patofizjologicznych pomaga wyjaśnić, dlaczego spastyczność pojawia się z opóźnieniem, dlaczego postępuje z czasem i dlaczego pewne leczenia działają poprzez regulację tych konkretnych systemów.

Neurotransmitery hamujące spastyczność – GABA, glicyna –

Neurotransmiteryami, czyli „molekułami komunikacyjnymi" rdzenia kręgowego, które odpowiadają za hamowanie refleksów, są przede wszystkim dwie substancje: kwas gamma-aminomasłowy – GABA – i glicyna. Przede wszystkim, te dwa neurotransmitery są jedynymi znaczącymi hamującymi neurotransmiterami w rdzeniu kręgowym – bez nich rdzień byłby skazany na nieprzerwane hałasliwe pobudzenie.

GABA jest wytwarzany przez interneurony hamujące rozsiane w rdzeniu kręgowym. Kiedy GABA jest zwolniony z końcówki neuronowej, wiąże się z receptorami GABA-A i GABA-B na docelowych neuronach. Receptory GABA-A otwarcie kanały dla jonów chlorku, które wpływają do komórki i hiperpolaryzują ją – to znaczy zmniejszają jej potencjał elektryczny, czyniąc mniej prawdopodobnym jej zapalenie się. Receptory GABA-B działają poprzez inne mechanizmy, ale również zmniejszają ekscytowność. GABA jest wszechobecny w systemach hamujących rdzenia kręgowego – uczestniczy we wzajemnym hamowaniu, hamowaniu recydywnym, i otrzymywaniu hamujących sygnałów z mózgu.

Glicyna jest specyficznym dla rdzenia kręgowego hamującym neurotramisterem. Jest szczególnie ważna w receptorze dla hamowania między antagonistami – kiedy jeden mięsień się kurczy, jego antagonista jest hamowany głównie poprzez glicynę. Glicyna wiąże się z receptorami glicyny, które są kanałami jonowymi dla chlorku, hiperpolaryzując neurony i czyniąc je mniej reaktywnymi.

W zdrowiu, GABA i glicyna są stale uwalnianie w rdzeniu kręgowym, utrzymując wiele neuronów motorycznych poniżej ich progu zapalenia. Natomiast, reprezentują one tę 70-procentową „hamującą część" naszego równania równowagi.

W spastyczności, te hamujące systemy są zachwiane na kilka sposobów:

• Zmniejszona produkcja: Interneurony wytwarzające GABA i glicynę mogą być uszkodzane lub denerwowane (utraca wejście ze zwyczajnych źródeł), zmniejszając produkcję tych transmiterów.
• Zmniejszone uwalnianie: Nawet jeśli neurony są całe, mogą uwalniać mniej GABA i glicyny w wyniku zaburzenia mechanizmów uwalniania neurotransmiterów.
• Zmniejszona wrażliwość receptorów: Neurony motoryczne mogą stracić część swoich receptorów GABA i glicyny, lub te receptory mogą stać się mniej wrażliwe.
• Zaburzone sprzątanie: Mechanizmy, które zwyczajnie usuwają GABA i glicynę ze szczeliny synaptycznej – recycling -, mogą się zawiesić.

Rezultat wszystkich tych zaburzeń: rdzień kręgowy pacjenta ze spastycznością ma zbyt mało hamowania. Ponieważ, badania pokazują, że w cerebrospinalnym płynie pacjentów ze spastyczną mózgowych porażenia dziecięcej lub urazem rdzenia kręgowego, poziomy GABA i glicyny są znacznie niższe niż u zdowych osób. To nie jest współzbieg – to jest bezpośredni przyczyna hiperwrażliwości refleksów.

Zmiana wrażliwości neuronu motorycznego na impulsy

Po utracie hamujących sygnałów z mózgu, dolne neurony ruchowe (których ciała komórkowe siedzą w przedniej części rdzenia kręgowego, zwane ventral horn) przechodzą serię zmian biologicznych, które czynią je bardziej reaktywnymi na każdy bodziec. W konsekwencji, proces ten określany jest jako denerwacyjna hiperwrażliwość lub denervation supersensitivity.

Wyobraź sobie neuron motoryczny jako pracownika biurowego, który zwyczajnie odbiera instrukcje od swojego szefa (mózg wysyła sygnały hamujące). Ponadto, pracownik ma specyficzną pracę do wykonania i robi ją dobrze, ponieważ dokładnie wie, kiedy powinien działać, a kiedy powinien czekać. Teraz wyobraź sobie, że szef wyjeżdża na długi urlop i nigdy nie wraca – mózg jest uszkodzony. Pracownik, bez jasnych instrukcji, zaczyna zachowywać się inaczej. Z czasem jego biuro zaczyna wzmacniać linie telefoniczne, aby lepiej słyszeć, każda wiadomość wchodząca jest teraz wzmacniana dziesięciokrotnie. Pracownik staje się hiperwrażliwy na wszelkie wiadomości przychodzące ze świata zewnętrznego.

W biologicznym kontekście, ta zmiana wrażliwości wiąże się z:

1. Zaburzeniami kanałów jonowych: Neurony motoryczne wykazują zmniejszoną aktywność kanałów potasowych, które zwyczajnie pomagają w tłumieniu potencjałów czynnościowych. Dlatego, wynikiem jest łatwość w zapaleniu się neuronów.

2. Proliferacją receptorów: Neurony motoryczne, które straciły normalną regulacyjną wejście z mózgu, zaczynają wytwarzać nowe receptory dla neurotransmiterów. Co więcej, ich powierzchnia zewnętrzna staje się pokryta coraz większą liczba receptorów NMDA, AMPA, i innych receptorów glutaminergicznych – pobudzających -. To sprawia, że nawet słabe sygnały pobudzające są wzmacniane.

3. Zmianami w receptorach GABA: Kontraintuitywnie, neurony mogą tworzyć nowe receptory GABA, ale są to inne podtypy receptorów niż w zdrowiu, i mogą mieć zmniejszoną funkcjonalność hamującą.

4. Uaktualnianiem się już istniejących, niemych synapseach: W mózgu i rdzeniu kręgowym wiele połączeń nerwowych jest „niemych" – są fizycznie obecne, ale nie przesyłają sygnałów. W rezultacie, po denerwacji, niektóre z tych niemych synapseach mogą się „obudzić" i zacząć przesyłać, potencjalnie wzmacniając sygnały pobudzające.

Te zmiany nie zachodzą natychmiast – trwają tygodnie do miesięcy. Jednak, to wyjaśnia, dlaczego pacjent ma flakoweznę zaraz po udarze, a spastyczność pojawia się dopiero po tygodniach. To jest czas potrzebny na denerwacyjną hiperwrażliwość, aby w pełni się rozwinąć.

Zrozumienie denerwacyjnej hiperwrażliwości wyjaśnia również, dlaczego leki i rehabilitacja działają lepiej, gdy są podane wcześnie. Bowiem, jeśli zaczniemy hamować refleksy i przeszkolimy rdzień kręgowy w bardziej funkcjonalnych wzorach z samego początku (w первых tygodniach po uszkodzeniu), możemy zmieniać kierunek patologicznych zmian, zanim staną się one nieodwracalne.

Plastyczność synaptyczna i reorganizacja połączeń nerwowych

Mózg i rdzeń kręgowy nie są sztywne jak marmur – są plastyczne, zdolne do reorganizacji w odpowiedzi na doświadczenie i aktywność. Neuroplastyczność jest procesem, poprzez który układ nerwowy zmienia się strukturalnie i funkcjonalnie w odpowiedzi na użycie, bezużytkowość i rehabilitację. Z kolei, jest to błogosławieństwem i przekleństwem w spastyczności.

Błogosławieństwem, ponieważ plastyczność pozwala na pewien stopień powrotu funkcji po uszkodzeniu – pozostałe części mózgu mogą „przejąć" funkcje uszkodzonych regionów. Przede wszystkim, przekleństwem, ponieważ jeśli plastyczność nie jest kierowana prawidłowo, może to wzmacniać maladaptacyjne wzory aktywności, w tym spastyczność.

Kilka mechanizmów neuroplastyczności jest istotne dla spastyczności:

1. Wzmacnianie synaptyczne (Long-Term Potentiation, LTP): Kiedy pathway nerwowy jest powtarzanie aktywowany, synapsy wzdłuż tej drogi są wzmacniane. Natomiast, więcej neurotransmiterów jest uwalniane, receptory są wzmacniane, transmisja sygnału jest bardziej efektywna. W spastyczności, jeśli rdzień kręgowy jest powtarzanie aktywowany w maladaptacyjnych wzorach (na przykład poprzez nieustanne spastyczne skurcze), te wzory stają się coraz bardziej „wytarte" – bardziej pewne i bardziej trudne do zmiany.

2. Kiełkowanie włókien – Sprouting –: Uszkodzenie nerwowe powoduje, że uszkodzone włókna próbują się regenerować. Ponieważ, będące uszkodzonym włókiem mogą wysłać nowe odgałęzienia – collaterals -, szukając nowych celów. W niektórych przypadkach, to może prowadzić do powrotu funkcji – ale czasami prowadzi to do maladaptacyjnych nowych połączeń, które wzmacniają problemy.

3. Unmaskowanie istniejących połączeń: W normalnym mózgu, wiele „potencjalnych" synapseach jest aktywnie hamowanych – istnieją, ale nie przesyłają sygnałów. W konsekwencji, po uszkodzeniu i utracie hamowania, niektóre z tych potencjalnych synapseach mogą się „odsłonić" i zacząć funkcjonować. Niektóre z nich mogą okazać się pożyteczne, inne mogą wzmacniać niepożądane refleksy.

4. Reorganizacja mapy motorycznej: Motoryczne reprezentacja ciała w korze mózgowej – somatosensory map – może się przesunąć po uszkodzeniu. Ponadto, oto przykład: jeśli lewa kora motoryczna jest uszkodzony, prawa kora może "przejąć" niektórych funkcji lewej ręki. To jest wspaniałe dla powrotu – ale może również wiąże się z nieprecizyją motoryczną i anomalnym zaangażowaniem mięśni.

Czasowa progresja jest krytyczna. Dlatego, w pierwszych tygodniach do 2-3 miesięcy po uszkodzeniu, plastyczność jest na szczycie. Jest to „złota godzina" rehabilitacji. Jeśli w tym okresie zapewnimy intensywne, powtarzane, celem ukierunkowaną aktywność, możemy kierować plastyczność w kierunku powrotu funkcji. Jeśli jednak pacjent jest unieruchomiony, nieaktywny, lub bez prawidłowego kierowania, plastyczność może konsolidować maladaptacyjne wzory, wzmacniając spastyczność.

W późnych fazach spastyczności – miesiące do lat -, plastyczność zwolnia, ale nigdy całkowicie nie znika. Co więcej, to wyjaśnia, dlaczego rehabilitacja może pomóc nawet u pacjentów z przewlekłym spastyczności – ale wymaga intensywności i czasu, aby osiągnąć zmianę, ponieważ istniejące drogi są już mocno „wytarte".

Choroby i uszkodzenia górnego neuronu prowadzące do spastyczności?

Spastyczność może wynikać z wielu różnych chorób i urazów, zarówno u dzieci, jak i dorosłych. W rezultacie, tym, co wszystkie te stany mają wspólne, jest uszkodzenie górnego neuronu ruchowego lub szlaków schodżących z mózgu do rdzenia kręgowego. Chociaż przyczyny mogą być bardzo różne – od nagłej katastrofy jak udar do powolnego postępu choroby neurodegeneracyjnej – podstawowy mechanizm patofizjologiczny pozostaje niezmienny: utrata hamowania, wzmożona reaktywność refleksów, spastyczność. To jest ważna zasada: niezależnie od tego, co spowodowało uszkodzenie, strategie leczenia są często podobne, ponieważ problem jest zawsze taki sam – zachwiana równowaga hamowania i pobudzenia w rdzeniu kręgowym.

Udar mózgu i spastyczność poudarowa

Udar mózgu – stroke – to nagła utrata przepływu krwi do części mózgu, powodująca niedotlenienie i śmierć komórek nerwowych. Jednak, jest to najczęstsza przyczyna spastyczności u dorosłych – około 30-40% pacjentów z udarem rozwija spastyczność w ciągu trzech miesięcy. Udar może być niedokrwienny (blokada naczynia krwionośnego, 80% przypadków) lub krwotoczny (pęknięcie naczynia, 20% przypadków). W obu przypadkach, konsekwencja jest tragiczna dla neuronów w tym obszarze: brak tlenu powoduje uszkodzenie, otępianie i ostatecznie śmierć.

Lokalizacja udaru determinuje, które części ciała staną się spastyczne. Udar w pierwotnym polu ruchowym – motor cortex – powoduje spastyczność po przeciwnej stronie ciała – kontralateralnie – – na przykład udar mózgu po lewej stronie powoduje spastyczność prawej ręki, nogi i twarzy. Bowiem, charakterystycznie w udarze, spastyczność dotyka pierwsze fleksory – zginacze – w ramieniu i wyprostniki – prostowniki – w nogach – powodując charakterystyczną pozycję: ramię zgnięte w łokciu, noga wyprostowana w kolanie.

Udar w pniu mózgu (w którym przechodzą szlaki motoryczne) może powodować spastyczność na tej samej stronie ciała – ipsilateralnie – lub kombinuje objawów, w zależności od dokładnej lokalizacji.

Ewolucja czasowa spastyczności postroku jest charakterystyczna: pacjent ma flakoweznę w pierwszych godzinach i dniach – spinal shock -, następnie powoli rozwija się spastyczność przez pierwsze tygodnie, osiągając apogeum zwyczajnie około 3-6 miesięcy po udarze. Z kolei, jeśli spastyczność nie jest leczony, może szybko postępować do zaciśnięcia mięśni – contractures – i deformacji, dodatkowo zmniejszając funkcjonalność.

Zapobieganie i wczesne leczenie spastyczności poudarowej jest krytyczne, ponieważ pacjent obchodzi przeformidable challenge: muszą się uczyć poruszać ponownie z jedną stroną ciała, która może być niedowładzna, i jednocześnie walczyć z wzrastającym spastyczności. Przede wszystkim, intensywna wczesna rehabilitacja, czasami wspierana przez leki antyspastyczne lub [INTERNAL_LINK: toksyna botulinowa -> toksyna-botulinowa-zastosowanie], może znacznie poprawić wyniki.

Mózgowe porażenie dziecięce – zaburzenie rozwojowe górnego neuronu

Mózgowe porażenie dziecięce – MPD, cerebral palsy – to najczęstsza przyczyna spastyczności u dzieci, dotykając około 2-3 na 1000 żywych urodzeń w krajach uprzemysłowionych. Natomiast, w przeciwieństwie do udaru (które jest nagłym uszkodzeniem dorosłego mózgu), MPD jest zaburzeniem rozwojowym, powstającym w wyniku uszkodzenia mózgu dziecka w okresie prenatalnym, during porodu, lub wczesnej niemowlęctwa, zwyczajnie w pierwszych 2-3 latach życia.

Przyczyny MPD są różne: niedotlenienie prenatalnej (oligohydramnios, przełożenie łożyska), komplikacje porodu (zasnucie, przedłużony poród), przyczyny postnatalne (infekcje, uraz, niedotlenienie), lub anomalie mózgowe. Ponieważ, w każdym przypadku, wynik jest uszkodzenie lub niedorozwój części mózgu odpowiadającej za ruchy – częściowo, górne neuronów ruchowych.

Klasycznie, MPD dzieli się na różne typy:

• Spastyczne MPD (70-80%): Spowodowane uszkodzeniem szlaków motorycznych; charakteryzuje się spastyczności w jakiej mówiliśmy. W konsekwencji, może być jednostronna – hemiplegic -, obustronna (diplegic, zwyczajnie mniej ułożona u nóg), lub czterokończynowa (quadriplegic, najcięższa forma).
• Dyskinetyczne MPD (10-15%): Spowodowane uszkodzeniem jąder podstawowych; charakteryzuje się dystonią, choreadą, i chaotycznymi ruchami zamiast spastyczności.
• Ataksalne MPD (5-10%): Spowodowane uszkodzeniem mózgu – – eczkiem; charakteryzuje się brakiem koordynacji i równowagi.
• Mieszane MPD: Kombinacja powyższych.

W spastycznym MPD, spastyczność jest obecna od niemowlęctwa, ale może zmienić się znacząco w miarę wzrostu dziecka i neuronalne sprzęu rozwojowego. Ponadto, niektóre dzieci wykazują niezwykłą plastyczność – potrafią częściowo pokonać uszkodzenie i rozwinąć funcjonalność poprzez reorganizację pozostałych części mózgu. Inne mogą mieć bardziej stałe deficyty.

Wczesna interwencja jest absolutnie krytyczna u dzieci z MPD. Dlatego, niemowlęta i małe dzieci mają ogromną neuroplastyczność – ich mózgi mogą się reorganizować szybko. Intensywna fizjoterapia, terapia zajęciowa, i czasami [INTERNAL_LINK: wczesne wspomaganie -> wczesne-wspomaganie-mpd] w pierwszych latach życia mogą znacznie wpłynąć na ostateczne wyniki motoryczne. Leki antyspastyczne i toksyna botulinowa również są stosowane w MPD do kontroli spastyczności.

Uraz rdzenia kręgowego i inne przyczyny uszkodzenia szlaków ruchowych

Uraz rdzenia kręgowego – SCI, spinal cord injury – jest tragicznym zdarzeniem, które bezpośrednio uszkadza szlaki motoryczne w rdzeniu – dokładne struktury, które przesyłają sygnały z mózgu do mięśni. Co więcej, w wyniku urazu (na przykład upadek, wypadek samochodowy, rana postrzałowa), rdzień kręgowy może być częściowo lub całkowicie przerwany.

Pacjenci z SCI zwyczajnie doświadczają:

• Paraplegia – paraliż nóg -: jeśli uraz jest w dolnym, piersiowym, lub lędźwiowym rdzeniu kręgowym.
• Tetraplegia/Quadriplegia – paraliż czterech kończyn -: jeśli uraz jest w szyjnym rdzeniu kręgowym.

Charakterystyczne dla SCI jest, że spastyczność zwyczajnie rozwija się w paraliżowanych mięśniach poniżej poziomu urazu. W rezultacie, wynikiem jest bardzo silna, często ograniczająca funkcjonalność spastyczność. W rzeczywistości, co najmniej 65-80% pacjentów z SCI rozwija spastyczność – znacznie wyższa procent niż w udarze.

Inne przyczyny uszkodzenia szlaków motorowych i spastyczności to:

• Uraz czaszkowo-mózgowy – TBI –: Uderzenia głowy mogą uszkodzić motoryczne obszary mózgu i może prowadzić do spastyczności.
• Stwardnienie rozsiane – MS, multiple sclerosis –: Choroba autoimmunologiczna, która niszczy osłonkę mielinową włókien nerwowych. Jednak, może uszkodzić szlaki motoryczne i powodować spastyczność.
• Stwardnienie zanikowe boczne (ALS, amyotrophic lateral sclerosis): Choroba neurodegeneracyjna, która niszczy neuronów ruchowych (zarówno górne, jak i dolne); może powodować spastyczność, zwłaszcza w typach wyższych neuronu ruchowego.
• Nowotwory mózgu i rdzenia: Mogą naciskać lub zniszczyć szlaki motoryczne.
• Infekcje mózgu i rdzenia: Meningitis, encephalitis mogą uszkodzić struktury motoryczne.
• Zatrucia: Na przykład zatrucie tlenkiem węgla może uszkodzić określone obszary mózgu, w tym części odpowiadające za ruchy.

W każdym z tych przypadków, podstawowy mechanizm prowadzący do spastyczności pozostaje taki sam: uszkodzenie górnego neuronu ruchowego lub szlaków schodzących z mózgu, utrata hamowania, wzmożona reaktywność refleksów.

Cechy kliniczne spastyczności wynikające z zaburzeń górnego neuronu?

Zrozumienie podstawowych mechanizmów patofizjologicznych spastyczności pozwala na rozpoznanie jej charakterystycznych znaków klinicznych, które lekarze wyszukują podczas badania pacjenta. Bowiem, te objawy kliniczne nie pojawiają się losowo – każdy z nich jest bezpośrednim przejawem zaburzenia górnego neuronu i utraty hamowania refleksów, które omówiliśmy.

Opór velocity-dependent – kluczowa cecha spastyczności

Opór zależny od szybkości (velocity-dependent resistance) jest definiującą cechą spastyczności – jest to objaw, który odróżnia spastyczność od innych przyczyn wzmożonego napięcia mięśniowego. To jest kluczowa cecha, którą lekarz neurologa testuje pierwszy, aby rozpoznać spastyczność.

Jak się je testuje? Z kolei, lekarz passively – biernie – robi gymnastykę pacjenta – na przykład wolno robi gymnastykę kolana, rozciągając mięśnie czworogłowe uda. W normalnym mięśniu, będzie czuć łagodny, stopniowy opór. Ale w spastycznym mięśniu, opór będzie minimalny przy wolnym rozciągnięciu. Następnie, lekarz podwyższa szybkość rozciągnięcia – robi szybki, nagły ruch. Teraz, poczuje nagły skok w oporze – nagle staje się bardzo silne, jakby napotykał mur. To jest charakterystyczne dla spastyczności.

Czym różni się to od normalności? W normalnym mięśniu, opór wzrasta liniowo – proporcjonalnie do szybkości ruchu. W spastyczności, opór wzrasta eksponencjalnie – minimalny przy niskich szybkościach, ale ogromny przy wysokich szybkościach.

Dlaczego tak się dzieje? Przede wszystkim, przypomnijmy sobie z wcześniejszej dyskusji: wrzeciona mięśniowe – muscle spindles – są czujnikami rozciągnięcia, które aktywują reflex arc. Reflex arc wysyła sygnały pobudzające do mięśnia, powodując jego skurcz w odpowiedzi na rozciągnięcie. W zdrowiu, mózg wysyła hamujące sygnały, które tłumią tę odruchową odpowiedź, więc reflex jest słaby. W spastyczności, hamowanie z mózgu jest utracone, więc reflex jest wzmożony.

Teraz, reflex jest dynamiczny – odpowiada na zmiany szybkości. Natomiast, wolne rozciągnięcie powoli aktywuje receptory stretch, reflex jest miękki. Szybkie rozciągnięcie intensywnie aktywuje receptory stretch, i ponieważ reflex nie jest hamowany, powoduje to ogromny, nagły skurcz mięśnia. To jest opór velocity-dependent – to jest spastyczność.

Efekt kliniczny to to, co lekarze obserwują jako "catch" – początkowy brak oporu, następnie nagła bariera. Ponieważ, pacjent może czuć ostry, bolesny skurcz w momencie, gdy lekarz przyspieszył ruch. To jest nie tylko objaw – to jest okno do podstawowego mechanizmu zaburzenia w rdzeniu kręgowym pacjenta.

[INTERNAL_LINK: Pomiar spastyczności -> skala-ashworth-pomiar-napiecia]

Wzmożone odruchy ścięgnistownikowe jako przejaw zaburzenia łuku odruchowego

Wzmożone odruchy ścięgnistownikowe (hyperreflexia, hiperrefleksja) to wzmożona, przesadnie silna odpowiedź odruchowa, gdy lekarz bada refleksy pacjenta. W konsekwencji, w normalnym badaniu neurologicznym, lekarz uderzą młoteczkiem neurologicznym w ścięgno patelarne – pod kolanem -, powodując mały, kontrolowany skurcz mięśnia czworogłowego – normal jest, gdy noga trzepocze lekko. W spastyczności, ten sam dotknięcie powoduje bardzo silny, gwałtowny skurcz – noga może wystrzelić gwałtownie.

To jest przejaw tego samego zaburzenia, które wyjaśnia opór velocity-dependent: reflex arc jest nadmiernie reaktywny, ponieważ hamowanie z mózgu jest utracone. Ponadto, ale hiperrefleksja pokazuje coś więcej – pokazuje rozprzestrzenianie się – irradiation – odruchów.

W normalnym człowieku, refleks patellarne powoduje głównie skurcz mięśnia czworogłowego – extensor kolana -. Dlatego, to jest precyzyjne, ukierunkowane. Ale w spastyczności, zwłaszcza w poważnych przypadkach, uderzenie w ścięgno patelarne może powodować nie tylko skurcz czworogłowego, ale także skurcz mięśni biodra – psoas -, mięśni łydki – pantomimiassi – i nawet mięśni drugiej nogi. To jest anomalnie.

Dlaczego się to dzieje? Co więcej, to wynika z utraty wzajemnego hamowania – reciprocal inhibition – i rozprzestrzeniania się sygnałów pobudzających w rdzeniu kręgowym, który jest bez normalnego hamowania mózgowego. W zdrowiu, refleks jest ograniczony do określonych neuronów motorycznych poprzez dokładne hamowanie – mózg mówi "aktywuj ten neuron, hamuj tamtego". W spastyczności, bez tego hamowania, sygnały pobudzające rozprzestrzeniają się szerzej, wzbudzając wiele neuronów motorycznych.

Obecność rozprzestrzeniania się refleksów – irradiation – wskazuje na znacznie zachwianą równowagę hamowania i pobudzenia w rdzeniu – innymi słowy, ciężką spastyczność. W rezultacie, to jest ważny kliniczny wskaźnik, że system jest znacznie zaburzony.

Klonus i jego związek z uszkodzeniem górnego neuronu

Klonus – clonus – to rytmiczne, powtarzające się