Neurophysiologic correlates of training-induced locomotor learning post-stroke

Emory University, Atlanta GA

Investigators

Abstract

ABSTRACT / PROJECT SUMMARY  Most stroke survivors present with gait dysfunction resulting in reduced community participation and quality of  life. A promising rehabilitation intervention for mitigating post-­stroke gait deficits is the combination of fast  walking and functional electrical stimulation (FastFES). Dr. Trisha Kesar (primary mentor) is currently leading  an NIH funded R01 comparing the long-­term effects (18 sessions and up to 12-­week follow-­up) of FastFES  versus conventional Fast on walking function and corticospinal excitability. Despite its promise, FastFES, like  virtually all gait interventions, faces the problem of variation in individual response to treatment.  Neurophysiological testing takes aim at the root of this problem by exploring the neural mechanisms underlying  each individual’s unique response. Because neuromotor circuit plasticity is a core component of treatment  response, quantifying this adaptation potentially provides a means for identifying likely responders and non-­ responders early in the treatment process. A promising tool for non-­invasively assessing changes in  corticomotor excitability is transcranial magnetic stimulation (TMS). In fact, TMS response has already been  correlated with retention of functional improvement in other post-­stroke motor interventions. However, whether  TMS-­derived measures correlate with response to Fast or FastFES training is unknown. Additionally, TMS-­ induced measures do not differentially account for changes at the spinal reflex circuit or the motoneuron level,  which can be evaluated by measuring H-­reflexes in response to peripheral nerve stimulation, another non-­ invasive technique that can probe spinal circuit neuroplasticity. Thus, I propose to gather additional TMS and  H-­reflex data prior to and following the first training session in Dr. Kesar’s parent R01 study, which will be  compared to biomechanical changes during and at 48-­hours following (retention) the training, to test the  hypothesis that baseline corticomotor and spinal excitability, as well as training-­induced acute neurophysiologic  responses to Fast and FastFES are associated with locomotor learning of biomechanical improvements.  Finally, corticomotor or spinal circuit changes in response to a single intervention do not indicate whether an  individual who exhibits a ‘response’ or non-­response to the treatment does so due to poor intervention  matching or a generalized decrease in neuroplasticity capacity. Thus, I propose a baseline measurement of  individual responses to paired associative stimulation (PAS), a non-­invasive method to quantify an individual’s  capacity for neuroplastic change. We hypothesize that baseline PAS response will be associated with  biomechanical and neurophysiological response to the gait treatment. In addition to providing novel insights  into neural correlates of acute responses to stroke gait training, this F31 project will provide the PI valuable  training in collection, processing, and interpretation of neurophysiologic data under the supervision of an elite  mentoring team comprising experts in neuromechanics processes of clinical gait rehabilitation (Kesar),  neuroplasticity and PAS (Borich), and corticospinal physiology (Nichols).               Â