A Transcutaneous Spinal Cord Stimulation protocol for motor facilitation during cycling: a proof-of-concept study with Spinal Cord Injury subjects

Spinal Cord Injury (SCI) can lead to the loss of movement control in the upper and lower limbs, significantly reducing the independence of those affected. Spinal cord stimulation (SCS) has emerged in the past decades as a SCI motor-rehabilitation technique, showing reinstatement of volitional motor control in previously completely paralysed subjects in its epidural, invasive version. Transcutaneous Spinal Cord (tSCS) stimulation is a non-invasive, accessible and cost-effective alternative to the epidural approach. Despite significantly lacking selectivity, tSCS has shown promising results and high efficacy in SCI neurorehabilitation. It has been shown that combining spinal stimulation with volitional intent and movement-based therapy is more effective for improving motor outcomes than stimulation alone. Although most of the SCI motor-rehabilitation research is focused on walking-based protocols, passive cycling removes the weight-bearing- and falling-related risks of walking. Here, we suggest an integrated protocol of tSCS and cycling for motor rehabilitation in people with SCI. A study with four SCI participants was conducted to evaluate the feasibility and the motor-facilitating effects of tSCS and tSCS combined with volitional effort during cycling. They underwent 30-minute spinal stimulation and cycling sessions on a motor-assisted trike. Stimulation electrodes were placed on the T11-T12 and L1-L2 spinous segments and delivered continuous tSCS at 20, 50, and 80 Hz during consecutive cycling intervals. Data from lower-limbs electromyography (EMG) and forces on the trike’s pedals were analyzed to evaluate the stimulation-related muscle activation and the possible effects on pedalling. Gathered results proved the validity of the proposed approach and highlighted that tSCS modulates EMG activation in the lower limbs. Data from the trike pedals showed no direct correlation between higher muscle activation and improved forces during cycling. In one subject, stimulation combined with volitional effort improved force during pedalling compared to stimulation alone, highlighting SCS’s potential amplification of residual volitional signals. EMG data showed a stretch reflex during cycling in participants with hypertonia, which was often reduced in amplitude by the stimulation, underlining the spasticity-related benefits of SCS. All participants reported no negative feelings during and after the stimulation and communicated that they experienced reduced muscle rigidity and improved bowel and bladder control in the days following the stimulation session. The study showed that tSCS combined with cycling is a feasible and promising approach for SCI motor rehabilitation and carries multiple interesting side benefits.

La lesione del midollo spinale (SCI) può portare alla perdita del controllo del movimento negli arti superiori e inferior, riducendo in modo critico l’indipendenza dei soggetti affetti. La stimolazione elettrica spinale (SCS) invasiva si è affermata negli ultimi decenni come tecnica di riabilitazione motoria nell’ambito della mielolesione, portando al ripristino del controllo motorio volontario in soggetti precedentemente completamente paralizzati. La stimolazione spinale transcutanea (tSCS) è un’alternativa non invasiva, accessibile ed economica all’approccio epidurale. Nonostante la mancanza di selettività, la tSCS ha mostrato risultati promettenti e un’elevata efficacia nella neuro-riabilitazione post mielolesione. È stato dimostrato che combinare la stimolazione spinale con l’intento volontario e/o movimenti passivi è più efficace nella riabilitazione motoria, rispetto alla sola stimo- lazione. Sebbene la maggior parte della ricerca sulla riabilitazione motoria in soggetti mielolesi sia focalizzata su protocolli basati sulla deambulazione, la pedalata passiva elimina i rischi legati al sostegno di carichi e alle cadute. Nell’ambito della presente tesi si propone un protocollo integrato di tSCS e pedalata per la riabilitazione motoria in individui con lesione spinale. Per valutare la fattibilità e la potenziale facilitazione motoria della tSCS e della tSCS combinata con lo sforzo volontario durante la pedalata è stato condotto uno studio con quattro soggetti con SCI. I partecipanti hanno svolto sessioni di stimolazione spinale su un trike con un motore per pedalata assistita della durata di 30 minuti. Gli elettrodi di stimolazione sono stati posizionati sui segmenti spinali T11-T12 e L1-L2 e la stimolazione è stata applicata a 20, 50 e 80 Hz durante intervalli di pedalata consecutivi. I dati dell’elettromiografia (EMG) degli arti inferiori e le forze sui pedali del triciclo sono stati analizzati per valutare l’attivazione muscolare in presenza di stimolazione e i possibili effetti sul movimento. I risultati raccolti hanno dimostrato la validità dell’approccio proposto e hanno dimostrato che la tSCS a livello lombare modula l’attivazione dell’EMG negli arti inferiori durante la pedalata. I dati di forza dei pedali non hanno rilevato una proporzionalità diretta tra attivazione muscolare e forze durante. In un soggetto, la stimolazione combinata con lo sforzo volontario ha incrementato la forza durante sul pedale rispetto alla sola stimolazione, evidenziando il potenziale effetto amplitificatore dei segnali volontari residue della SCS. I dati dell’EMG hanno mostrato un riflesso di stiramento durante la pedalata nei partecipanti con ipertonia, spesso ridotto in ampiezza dalla stimolazione. Tutti i partecipanti non hanno riportato alcuna sensazione negativa durante e dopo la stimolazione e hanno comunicato di aver sperimentato una riduzione della rigidità muscolare e un miglioramento della sensibilità intestinale e vescicale nei giorni successivi alla sessione di stimolazione. Lo studio dimostra che la tSCS combinata con il ciclismo è un approccio praticabile e promettente per la riabilitazione motoria SCI e legato a diversi benefici non motori.