A new technology of walking regulation in children with cerebral palsy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

It is known that neural networks of the human spinal cord can initiate the stepping pattern and control posture in the absence and with impaired supraspinal input. In the rehabilitation of children with spastic diplegia due to cerebral palsy, a new technology based on electrical transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) was used. Continuous and rhythmic tSCS was performed during walking. Continuous tSCS was performed at the level of C5-C6 and T11-T12 vertebrae. Rhythmic stimulation of the dorsal roots of the spinal cord was performed at the level of the T12 and L2 vertebrae to activate the motor pools of the flexor/extensor leg muscles in the swing and stance phases, respectively. Fourteen children with spastic diplegia, age 13 ± 2 years, participated in the study. Patients in the study were able to stand and walk independently with the help of a cane/walker or with the assistance of an adult. All patients received standard therapy and locomotor training (20 min per day, 10 days). During locomotor training, tSCS -based technology was used in patients in one group and no tSCS was used in patients in the other group. The effect of tSCS on the parameters of walking over flat surface (acute effect) was determined in all patients before the course. Before and after the course all patients were examined using clinical tests, kinematic characteristics of walking were analyzed. The acute effect of stimulation is manifested in a reduction in the duration of the stance phase, in an increase in the range of motion in the knee joint. After the course in the main group the scores on the motor function change assessment scale (GMFM-88) increased, spasticity decreased, and the distance passed in the 6-minute walk test increased.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Т. R. Moshonkina

Pavlov Institute of Physiology

Author for correspondence.
Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

N. D. Shamantseva

Pavlov Institute of Physiology

Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

S. S. Ananiev

Pavlov Institute of Physiology

Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

V. A. Lyakhovetsky

Pavlov Institute of Physiology

Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

A. A. Savenkova

Saint Petersburg Municipal Budgetary Institution City Hospital № 40

Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

T. S. Ignatova

Saint Petersburg Municipal Budgetary Institution City Hospital № 40

Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

Y. P. Gerasimenko

Pavlov Institute of Physiology

Email: moshonkina@infran.ru
Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Vitrikas K., Dalton H., Breish D. Cerebral palsy: an overview // Am. Fam. Physician. 2020. V. 101. № 4. P. 213.
  2. Papageorgiou E., Simon-Martinez C., Molenaers G. et al. Are spasticity, weakness, selectivity, and passive range of motion related to gait deviations in children with spastic cerebral palsy? A statistical parametric mapping study // PLoS One. 2019. V. 14. № 10. P. e0223363.
  3. Zhou J., Butler E.E., Rose J. Neurologic correlates of gait abnormalities in cerebral palsy: implications for treatment // Front. Hum. Neurosci. 2017. V. 11. P. 103.
  4. Gerasimenko Y., Roy R.R., Edgerton V.R. Epidural stimulation: comparison of the spinal circuits that generate and control locomotion in rats, cats and humans // Exp. Neurol. 2008. V. 209. № 2. P. 417.
  5. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Moshonkina T. et al. Transcutaneous electrical spinal cord stimulation in humans // Ann. Phys. Rehabil. Med. 2015. V. 58. № 4. P. 225.
  6. Gorodnichev R.M., Pivovarova E.A., Puhov A. et al. Transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord: a noninvasive tool for the activation of stepping pattern generators in humans // Human Physiology. 2012. V. 38. № 2. P. 158.
  7. Singh G., Lucas K., Keller A. et al. Transcutaneous spinal stimulation from adults to children: a review // Top Spinal Cord Inj. Rehabil. 2023. V. 29. № 1. P. 16.
  8. Hastings S., Zhong H., Feinstein R. et al. A pilot study combining noninvasive spinal neuromodulation and activity-based neurorehabilitation therapy in children with cerebral palsy // Nat. Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 5660.
  9. Solopova I.A., Sukhotina I.A., Zhvansky D.S. et al. Effects of spinal cord stimulation on motor functions in children with cerebral palsy // Neurosci. Lett. 2017. V. 639. P. 192.
  10. Grishin A.A., Bobrova E.V., Reshetnikova V.V. et al. A system for detecting stepping cycle phases and spinal cord stimulation as a tool for controlling human locomotion // Biomed. Eng. 2021. V. 54. № 5. P. 312.
  11. Gorodnichev R.M., Pukhov A.M., Moiseev S. et al. Regulation of gait cycle phases during noninvasive electrical stimulation of the spinal cord // Human Physiology. 2021. V. 47. № 1. P. 60.
  12. Moshonkina T.R., Zharova E.N., Ananev S.S. et al. A new technology for recovery of locomotion in patients after a stroke // Dokl. Biochem. Biophys. 2022. V. 507. № 1. P. 353.
  13. Skvortsov D.V., Bogacheva I.N., Shcherbakova N.A. et al. Effects of single noninvasive spinal cord stimulation in patients with post-stroke motor disorders // Human Physiology. 2023. V. 49. № 4. P. 384.
  14. Nelson K.B., Lynch J.K. Stroke in newborn infants // Lancet Neurol. 2004. V. 3. № 3. P. 150.
  15. Aisen M.L., Kerkovich D., Mast J. et al. Cerebral palsy: clinical care and neurological rehabilitation // Lancet Neurol. 2011. V. 10. № 9. P. 844.
  16. Amirthalingam J., Paidi G., Alshowaikh K. et al. Virtual reality intervention to help improve motor function in patients undergoing rehabilitation for cerebral palsy, Parkinson’s disease, or stroke: a systematic review of randomized controlled trials // Cureus. 2021. V. 13. № 7. P. e16763.
  17. Piscitelli D., Ferrarello F., Ugolini A. et al. Measurement properties of the gross motor function classification system, gross motor function classification system‐expanded & revised, manual ability classification system, and communication function classification system in cerebral palsy: a systematic review with meta‐analysis // Dev. Med. Child Neurol. 2021. V. 63. № 11. P. 1251.
  18. Harvey A.R. The gross motor function measure (GMFM) // J. Physiother. 2017. V. 63. № 3. P. 187.
  19. Bohannon R.W., Smith M.B. Interrater reliability of a modified Ashworth scale of muscle spasticity // Phys. Ther. 1987. V. 67. № 2. P. 206.
  20. Graham H.K., Harvey A., Rodda J. et al. The functional mobility scale (FMS) // J. Pediatr. Orthop. 2004. V. 24. № 5. P. 514.
  21. Maher C.A., Williams M.T., Olds T.S. The six-minute walk test for children with cerebral palsy // Int. J. Rehabil. Res. 2008. V. 31. № 2. P. 185.
  22. Verschuren O., Zwinkels M., Ketelaar M. et al. Reproducibility and validity of the 10-meter shuttle ride test in wheelchair-using children and adolescents with cerebral palsy // Phys. Ther. 2013. V. 93. № 7. P. 967.
  23. Stang A., Poole C., Kuss O. The ongoing tyranny of statistical significance testing in biomedical research // Eur. J. Epidemiol. 2010. V. 25. № 4. P. 225.
  24. Gad P., Hastings H., Zhong H. et al. Transcutaneous spinal neuromodulation reorganizes neural networks in patients with cerebral palsy // Neurotherapeutics. 2021. V. 18. № 3. P. 1953.
  25. Alton F., Baldey L., Caplan S., Morrissey M.C. A kinematic comparison of overground and treadmill walking // Clin. Biomech. 1998. V. 13. № 6. P. 434.
  26. Semaan M.B., Wallard L., Ruiz V. et al. Is treadmill walking biomechanically comparable to overground walking? A systematic review // Gait Posture. 2022. V. 92. P. 249.
  27. Moshonkina T., Grishin A., Bogacheva I. et al. Novel non-invasive strategy for spinal neuromodulation to control human locomotion // Front. Hum. Neurosci. 2021. V. 14. P. 622533.
  28. Trevarrow M.P., Baker S.E., Wilson T.W., Kurz M.J. Microstructural changes in the spinal cord of adults with cerebral palsy // Dev. Med. Child Neurol. 2021. V. 63. № 8. P. 998.
  29. Noble J. Musculoskeletal and spinal cord imaging / Thesis abstract. King’s College London. London, 2014. 219 p.
  30. Sachdeva R., Girshin K., Shirkhani Y. et al. Combining spinal neuromodulation and activity based neurorehabilitation therapy improves sensorimotor function in cerebral palsy // Front. Rehabil. Sci. 2023. V. 4. P. 1216281.
  31. Wells G., Beaton D., Shea B. et al. Minimal clinically important differences: review of methods // J. Rheumatol. 2001. V. 28. № 2. P. 406.
  32. Storm F.A., Petrarca M., Beretta M. et al. Minimum clinically important difference of gross motor function and gait endurance in children with motor impairment: a comparison of distribution-based approaches // BioMed Res. Int. 2020. V. 2020. P. 2794036.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Research protocol and analysis of results. A – research organization scheme; testing was carried out at the beginning and end of each stage; the break between stages was 4-5 months. Б – diagram of the location of the cathodes and modes of TSCS; C5-C6, T11, L1, L3 – vertebrae; black circles – cathodes in the projection area of ​​the spinal locomotor networks, continuous stimulation; hatched circles – cathodes above the spinal roots, stimulation dependent on the step phases; in the step phase diagrams, thick and thin lines are the right and left legs, respectively, and solid lines are the phase during which stimulation is carried out through the cathode, next to which the diagram is located. В – an example of coordination of the leg joints (reciprocal goniograms) in the 10 m walk test before and after the stimulation course.

Download (152KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Effect of TSCS on walking on a flat surface (acute effect). Relative changes in walking parameters. A – duration of the step phase and step cycle, Б – range of motion of the main joints of the legs, В – areas of mutual goniograms of the joints of the legs, Г – integral electrical activity of the muscles for one stepping cycle. Shown are the median (horizontal line in the box), 25th and 75th percentiles (lower and upper boundaries of the boxes), minimum and maximum sample values ​​(whisker range), and outlier points. n. u. – initial conditions, 100%. TA – m. tibialis anterior. GM – m. musculus gastrocnemius. n = 12. #, ## – p < 0.05, p < 0.01 relative to 100%.

Download (139KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Change in walking speed during procedures throughout the rehabilitation course. A – walking on a treadmill, Б – walking on the floor. For each participant, the slope coefficient of the linear approximation of the change in speed was determined depending on the session number. n = 12 and n = 14 in the +TSSM and –TSSM samples, respectively. # – p < 0.05 relative to 0 m/s. For other designations, see Fig. 2.

Download (78KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Changes in walking parameters in locomotor tests after a rehabilitation course with and without the use of TSCS. A – change in the distance traveled in the 6-minute walk test. Б, В, Г, Д – change in speed, step period, area of ​​mutual goniograms of the hip and knee joints, area of ​​mutual goniograms of the knee and ankle joints in the 10 m quiet walking test, respectively. n. u. – initial conditions, 100%. n = 12 and n = 14 in the +TSSM and –TSSM samples, respectively. # – p < 0.05 relative to 100%. * – p < 0.05 between the compared conditions. For other designations, see Fig. 2.

Download (129KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Significant changes in assessments on clinical scales after the rehabilitation course. A – total assessment on the GMFM-88 scale. Б, В, Г – sections “lying down and turning over”, “sitting”, “crawling and “walking” on all fours” of the GMFM-88 scale. Д – changes in spasticity of the lower limb muscles on the Ashworth scale, n = 12 and n = 14 in the samples +TSCS and –TSCS, respectively. # – p < 0.05 relative to zero. Other designations see Fig. 2.

Download (135KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».