Multisensory integration of postural control in Neurodegenerative diseases

Abstract

Introduction: Postural control, results from the dynamic and continuous integration of multiple systems (somatosensory, vestibular, visual, and auditory) in response to the surrounding environment, intrinsic motor condition, cognition and behavioural. Slowed reaction times, delayed information processing and/or inappropriate multisensory integration may explain higher postural instability in Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD). Albeit levodopa remains the most effective treatment of PD, its effect on postural control remains unclear, even less in Vascular Parkinson’s Disease (VPD). Objective: Herein, we aimed to study the role of the visual, somatosensory and auditory systems in postural control, and identify postural associated to increased risk of falls and/or specific neurodegenerative diseases. We seek to comprehend the role of muscle tone and levodopa on postural control in PD and VPD, and get insight of dopaminergic and non-dopaminergic networks. Finally, comprehend the compensatory postural adjustments (CPA) to external perturbations in AD and IPD, and clarify the neurophysiological electrical activity coming from different network loops (mechanical vs. cognitive). Methods: We developed technological apparatus, hardware and software, using kinematic wearable sensors and virtual reality (VR), as to implement different sensorial paradigms in AD, PD and VPD patients and healthy subjects. Under manipulation of different senses (visual suppression, auditory suppression, inclined platform, and incongruent visual-somatosensory inputs), we studied multisensory integration and reweighting in final postural control, as well as intensity of CPA (different bands of frequency) upon external perturbations. Levodopa challenge was performed in PD and VPD in order to determine the weight of musculoskeletal rigidity on postural control. Results: Visual suppression had a negative impact on postural stability, in contrast to the benefit obtained by suppressing background noise. The auditory system proved to have an important role in postural control, by providing spatial cues, and can be a potential factor of distraction. AD fallers and VPD patients presented an increased vulnerability to visual suppression. In early stages of PD, without overt clinical postural instability, postural control is still modulated by levodopa, in contrast to axial rigidity in VPD. In VR, the visual-somatosensory perturbation paradigm elicited different patterns of CPA. AD patients presented delayed CPA, and AD fallers had higher vulnerability to external perturbations (increased power in the LB of CPA). Levodopa, in PD, by reducing muscular stiffness and body restrains, lowered the power of CPA in the HB and strain on cognitive resources. Conclusion: Our results give further support to the conceptual model in which postural control results from the multisensorial integration, where different sensory inputs are dynamically and continuously reweighted. In AD, postural instability is due to delayed processing of information, unleashing self-perpetuating erroneous postural adjustments. In PD, rigidity and hypokinesia are the main culprits of postural instability. Without the added benefit of levodopa, PD patients impose a detrimental strain on cognitive resources. In VPD, strategic and/or cumulative cerebrovascular lesion on non-dopaminergic networks, may explain the inferior response to levodopa of the muscle tone in axial limbs and worse postural stability. Quantitative postural analysis opens new venues in a neurophysiological approach of postural control in clinical practice (e.g. differential diagnosis, disease progression and red flags of falls), and as an additional outcome tool in pharmacological and nonpharmacological interventions. VR, complemented by postural analysis, allowing to manipulate and/or mimic daily life ecological paradigms, has the potential to be used in cognitive, motor and behaviour rehabilitation interventions, addressing issues such as learning by trial and error, filtering and susceptibility to irrelevant and intrusive sensorial information, and analysis of the fear factor in inhibitory and compensatory postural responses. Future research, combining different techniques, neuroimaging and postural analysis, as well as mechanistic animal models with strategic vascular lesions, may tackle some of the open questions.

Introdução: O controlo postural resulta da integração dinâmica e contínua de múltiplos sistemas (somatossensorial, vestibular, visual e auditivo), em resposta ao ambiente envolvente e condição intrínseca motora, cognitiva e comportamental. Atrasos na resposta e processamento da informação e/ou inadequada integração multissensorial, poderão explicar maior instabilidade postural na Demência de Alzheimer (DA) e na Doença de Parkinson (DP). Embora a levodopa continue a ser o tratamento de eleição na DP, permanece incerto o seu efeito no controlo postural, e menos claro ainda na doença de Parkinson Vascular (DPV). Objetivo: Compreender o contributo de diferentes sistemas (visual, somatossensorial e auditivo) no controlo postural, bem como identificar perfis posturais associados a um maior risco de queda e/ou específicos de doença neurodegenerativa. Pretendemos determinar o papel dos tônus muscular e da levodopa no controlo postural na DP e na DPV. Finalmente, compreender os ajustes posturais compensatórios (APC) em reação a perturbações externas, na DA e na DP, e destrinçar a atividade neurofisiológica intrínseca de diferentes circuitos neurais (mecânico versus cognitivo). Métodos: Foi desenvolvido aparato tecnológico, hardware e software, com recurso a sensores cinemáticos e realidade virtual (RV), de forma a serem implementados diferentes paradigmas sensoriais em doentes com DA, DPI e DPV, e controlos saudáveis. Fazendo uso da manipulação sensorial (supressão visual, supressão auditiva, plataforma com inclinação, e incongruência visual-somatossensorial), analisamos a integração e reponderação multisensorial no controlo postural final, bem como a intensidade dos ACP (em diferentes bandas de frequência) perante perturbações externas. A prova da levodopa, em doses supramáximas, foi utilizada para caracterizar a contribuição da rigidez do sistema musculo-esquelético no controlo postural. Resultados: A supressão visual teve um impacto negativo na estabilidade postural, contrastando com o benefício obtido com a supressão do ruído de fundo. O sistema auditivo tem um papel importante no controlo postural, ao fornecer pistas de localização espacial, podendo ser um potencial fator de distração. Os doentes com DA e maior risco de quedas, assim como os doentes com DPV, apresentaram maior vulnerabilidade à supressão visual. Nos estádios iniciais da DP, sem instabilidade postural clinicamente objetivável, ainda é possível a modulação dopaminérgica no controlo postural, contrastando com a rigidez axial na DPV. Na RV, o paradigma de perturbação visual-somatossensorial, desencadeou diferentes padrões de ACP. Os doentes com DA apresentaram um atraso no início dos ACP, e os doentes com maior risco de queda, maior susceptibilidade a perturbações externas (maior intensidade do sinal de ACP nas baixas frequências). A levodopa, na DPI, ao reduzir a rigidez muscular e as restrições corporais, diminuiu a intensidade dos APC nas altas frequências, reduzindo a compensação por ativação de recursos cognitivos. Conclusão: Os nossos resultados suportam o modelo conceptual em que o controlo postural resulta da integração de diferentes sistemas sensoriais, sendo que o peso de cada sistema é ajustado de forma contínua e dinâmica. Na DA, a instabilidade postural é essencialmente devida a um atraso no processamento da informação, desencadeando ajustes posturais errôneos que se auto perpetuam. Na DP, a rigidez e os hipocinésia são os principais responsáveis pela instabilidade postural. Na ausência do efeito benéfico da levodopa, os doentes colocam os seus recursos cognitivos sobre excessiva pressão compensatória. Na DPV, lesões cerebrovasculares estratégicas e/ou cumulativas em redes não dopaminérgicas, poderão explicar o menor efeito da levodopa no tônus dos músculos axiais. A análise posturográfica abre novas portas a uma progressiva abordagem neurofisiológica e quantitativa do controlo postural na prática clínica, posicionando-se como uma nova ferramenta, quer a nível de diagnóstico (p.ex. diagnóstico diferencial, progressão clínica e risco aumentado de quedas), quer em intervenções farmacológicas e não farmacológicas. A RV, complementada com a análise posturográfica, permitindo a manipulação e/ou replicação de paradigmas ecológicos de vida diária, tem um futuro potencial na reabilitação cognitiva, comportamental e motora, ao abordar questões como a aprendizagem por tentativa e erro, filtragem e susceptibilidade a informação sensorial irrelevante e intrusiva, e análise do fator medo nas respostas inibitórias e compensatórias posturais. Em futuras pesquisas, a combinação de diferentes técnicas de neuroimagem com a análise posturográfica, bem como modelos animais mecanicistas de lesões vasculares estratégicas, poderão igualmente abordar algumas das questões em aberto.