The effects of short term exposure (5 minutes) to EEFs at relatively high dosages (10, 25, 39, kV/m) on the electrical activity in rat pineal glands was studied. Daytime and nighttime recordings were taken from an implanted microelectrode in the gland. The data show that (1) both the activity and frequency were enhanced when the animals were exposed to EEFs at 39 kV/m continuously and discontinuously; (2) the later condition yielded a sustained increase (36%) whereas the former a brief (10 sec) increase. This enhancement was statistically significant under both conditions (day and night). The effects observed were thought to be due to membrane alterations either in the pineal gland itself or in the neural inputs to the gland.

<p>Mainstream electrical stimulation therapies, e.g., spinal cord stimulation (SCS) and deep brain stimulation, use pulse trains that are delivered at rates no higher than 200 Hz. In recent years, stimulation of nerve fibers using kilohertz-frequency (KHF) signals has received increased attention due to the potential to penetrate deeper in the tissue and to the ability to block conduction of action potentials. As well, there are a growing number of clinical applications that use KHF waveforms, including transcutaneous electrical stimulation (TES) for overactive bladder and SCS for chronic pain. However, there is a lack of fundamental understanding of the mechanisms of action of KHF stimulation. The goal of this research was to analyze quantitatively KHF neurostimulation. </p><p>We implemented a multilayer volume conductor model of TES including dispersion and capacitive effects, and we validated the model with in vitro measurements in a phantom constructed from dispersive materials. We quantified the effects of frequency on the distribution of potentials and fiber excitation. We also quantified the effects of a novel transdermal amplitude modulated signal (TAMS) consisting of a non-zero offset sinusoidal carrier modulated by a square-pulse train. The model revealed that high-frequency signals generated larger potentials at depth than did low frequencies, but this did not translate into lower stimulation thresholds. Both TAMS and conventional rectangular pulses activated more superficial fibers in addition to the deeper, target fibers, and at no frequency did we observe an inversion of the strength-distance relationship. In addition, we performed in vivo experiments and applied direct stimulation to the sciatic nerve of cats and rats. We measured electromyogram and compound action potential activity evoked by pulses, TAMS and modified versions of TAMS in which we varied the amplitude of the carrier. Nerve fiber activation using TAMS showed no difference with respect to activation with conventional pulse for carrier frequencies of 20 kHz and higher, regardless the size of the carrier. Therefore, TAMS with carrier frequencies >20 kHz does not offer any advantage over conventional pulses, even with larger amplitudes of the carrier, and this has implications for design of waveforms for efficient and effective TES. </p><p>We developed a double cable model of a dorsal column (DC) fiber to quantify the responses of DC fibers to a novel KHF-SCS signal. We validated the model using in vivo recordings of the strength-duration relationship and the recovery cycle of single DC fibers. We coupled the fiber model to a model of SCS in human and applied the KHF-SCS signal to quantify thresholds for activation and conduction block for different fiber diameters at different locations in the DCs. Activation and block thresholds increased sharply as the fibers were placed deeper in the DCs, and decreased for larger diameter fibers. Activation thresholds were > 5 mA in all cases and up to five times higher than for conventional (~ 50 Hz) SCS. For fibers exhibiting persistent activation, the degree of synchronization of the firing activity to the KHF-SCS signal, as quantified using the vector strength, was low for a broad amplitude range, and the dissimilarity between the activities in pairs of fibers, as quantified using the spike time distance, was high and decreased for more closely positioned fibers. Conduction block thresholds were higher than 30 mA for all fiber diameters at any depth and well above the amplitudes used clinically (0.5 – 5 mA). KHF-SCS appears to activate few, large, superficial fibers, and the activated fibers fire asynchronously to the stimulation signal and to other activated fibers. </p><p>The outcomes of this work contribute to the understanding of KHF neurostimulation by establishing the importance of the tissue filtering properties on the distribution of potentials, assessing quantitatively the impact of KHF stimulation on nerve fiber excitation, and developing and validating a detailed model of a DC fiber to characterize the effects of KHF stimulation on DC axons. The results have implications for design of waveforms for efficient and effective nerve fiber stimulation in the peripheral and central nervous system.</p> / Dissertation

Potenciais evocados somatossensitivos e motores são modalidades de testes neurofisiológicos com capacidade para avaliar funcionalmente a integridade das vias sensoriais e motoras, respectivamente, podendo ser utilizados na avaliação neurológica, no estabelecimento de prognóstico e na monitoração da evolução de uma lesão na medula espinhal. Este trabalho visa descrever as técnicas de obtenção de potenciais evocados com estimulação elétrica em cães portadores de doença de disco intervertebral toracolombar, e verificar se há associação com os sinais clínicos e com os achados da tomografia computadorizada (TC). Cinco cães hígidos (grupo controle) e dez cães condrodistróficos com paralisia de membros pélvicos (grupo afetado) devido à extrusão de disco intervertebral toracolombar foram avaliados com relação à classificação neurológica, imagens por TC e potenciais evocados somatossensitivos e motores sob anestesia geral. Presença ou ausência de registros caudais à lesão, mensuração de latências e amplitudes foram efetuadas. Foram captados registros cranianos em todos os cães após estimulação dos membros torácicos, mas apenas em seis cães após estimulação dos membros pélvicos. Da mesma forma, todos os cães apresentaram registros em membros torácicos após estimulação transcraniana, mas apenas em seis cães nos membros pélvicos e esfíncter anal. Houve diferença significativa quanto à presença ou ausência de registros entre os grupos afetado e controle para os membros pélvicos. Os valores mensurados de latência e amplitudes entre os grupos também são discutidos. Potenciais evocados e motores são factíveis de serem produzidos em cães com e sem paralisia de membros pélvicos sob anestesia geral, e foram correlacionados aos sinais clínicos. / Somatosensory and motor evoked potentials are neurophysiologic tests that assesse the integrity of sensory and motor pathways, and may be used in the neurological assessment, prognosis establishment and spinal cord injury monitoration. This study aims to describe the technique for evoked potentials recording with electrical stimulation in healthy dogs and in dogs with thoracolumbar intervertebral disc disease, and determine whether there is any association with clinical signs and computed tomography (CT) findings. Five clinically normal dachshunds (control group) and ten chondrodystrophic dogs with hind limb paralysis (affected group) due to thoracolumbar intervertebral disc extrusions were evaluated according to their neurological status, CT scans and somatosensory and motor evoked potentials under general anesthesia. Recordings presence or absence caudal to lesion, onset latencies and peak-to-peak amplitudes were measured. Records were captured in the scalp in all dogs after front limb stimulation, but only in six dogs after hind limb stimulation. Likewise, in all dogs records were obtained in forelimbs after transcranial stimulation, but only in six dogs on pelvic limbs and on external anal sphincter muscle. There were significant differences in presence or absent recordings between affected and control groups related to pelvic limbs PESS and PEM. Latencies and amplitudes measured between groups are discussed. Somatosensory and motor evoked potentials are feasible to produce in dogs with or without hind limb paralysis under general anesthesia, and correlated with clinical signs.

A postura ortostática consiste na manutenção da projeção do centro de gravidade dentro da base de suporte dos pés. Esta simplicidade aparente esconde a enorme complexidade desta postura básica, uma vez que é através dela que outras atividades motoras são passíveis de serem realizadas. Para assegurar uma boa regulação da postura, o sistema de controle neural depende dos componentes de organização sensorial, biomecânico e de coordenação motora. Portanto, além da interpretação das informações sensoriais é extremamente importante analisar o controle das contrações musculares, ou mesmo, das sinergias. Os músculos do pé são co-ativos com os músculos da perna durante várias atividades motoras, como a postura ou a marcha. E, apesar da postura ser um tema bastante discutido e amplo, surpreendentemente pouca atenção tem sido devotada ao papel dos músculos do pé, principalmente na postura ortostática. Este estudo avaliou o papel do músculo Flexor Digitorum Brevis na postura ortostática. Esta avaliação foi realizada através: i) da análise dos efeitos de uma contração sustentada deste músculo sobre a postura ereta quieta; ii) da quantificação destes efeitos através de uma relação com o Sóleus e finalmente, iii) de uma análise da função do FDB durante perturbações horizontais na postura ortostática. Resultados mostram que o FDB tem a capacidade de alterar a posturografia estática principalmente na situação de olhos fechados e possui uma relação de aproximadamente 5,5 % em relação ao Sóleus, mostrando a sua importância, considerando a área de secção transversa destes músculos. A atividade funcional durante perturbações horizontais mostrou que além do FDB estar presente em todas as direções do deslocamento dado, ele apresentou um aumento da sua atividade eletromiográfica pós-estímulo e concomitante uma diminuição da atividade do Sóleus. Estes dados mostram que o músculo Flexor Digitorum Brevis tem um efeito direto sobre o Centro de Pressão e uma potencial influência no sistema de controle postural. Os efeitos mecânicos do músculo Flexor Digitorum Brevis podem e devem ser úteis na reabilitação postural e podal. / Postural control is the ability to maintain equilibrium in a gravitational field by keeping the center of body mass over its base of support. This simple activity hides a very complex postural control. The ability to maintain stability in stance is based on which motion can originate. The postural control system involves the complex organization of many senses, biomechanics components and motor coordination. Therefore, the effectiveness of postural control system depends on the availability and integrity of both various sensory inputs and motor outputs. Leg and foot muscles were recruited together during daily activities as posture and gait. Surprisingly little attention has been devoted to the role played by the intrinsic muscles of the human foot during stance. The aim of this work is quantify the activity of the foot muscle (Flexor Digitorum Brevis) during stance. The present study will analyze: i) the effects of external electrical muscle contraction at Center Of Pressure (COP); ii) quantify these effects through a ratio between the activity of the FDB and the Soleus; iii) the role of FDB at horizontal perturbation at stance posture. Results show FDB as a muscle that can change static posture especially without visual input. 5.5% is the ratio between the sagital moments of FDB and Soleus.. The functional analysis during the horizontal perturbations shows the activity of FDB on both evaluated horizontal directions. Moreover, the electromiographic activity of this muscle increased and Soleus decreased after the perturbation. Theses results show the direct effect through COP by the Flexor Digitorum Brevis and consequently action at postural control. The mechanical effects of FDB can be a tool to provide information of the postural and podal rehabilitation.

A estimulação elétrica neuromuscular (EENM) é uma técnica que vem sendo utilizada para melhora das capacidades de força, potência de salto e velocidade, em diferentes modalidades esportivas, buscando o aumento do desempenho atlético. Contudo, até o presente momento existem poucos estudos acerca desta temática, sendo que, nenhum destes é um ensaio clínico randomizado. Outro método que tem se mostrado promissor, para ganho de força e hipertrofia muscular, é a realização do treinamento de baixa intensidade durante a oclusão do fluxo sanguíneo (OFS). Nesse sentido, o presente estudo buscou avaliar a eficácia do treinamento com a EENM durante a OFS dos membros inferiores. Para tal, foram convidados atletas de basquete de alto rendimento, do sexo masculino, com idades entre 16 e 35 anos e IMC entre 20 e 24 Kg/m2. Os atletas foram randomizados nos seguintes grupos: Grupo Controle (n = 17), Grupo EENM (n = 16) e grupo EENM+OFS (n = 16). Os atletas randomizados para os grupos EENM e EENM+OFS foram submetidos a 12 sessões de treinamento, durante quatro semanas consecutivas, 3 dias por semana, em 3 séries com 20 a 30% da resistência máxima até a exaustão. A EENM foi aplicada no músculo quadríceps femoral, por uma corrente pulsada, quadrática, bifásica simétrica, com frequência de 50 Hz, duração da fase de 400 µs, Ton/Toff- 2 segundos, subida e descida - 2 segundos, com intensidade máxima tolerada pelo atleta, realizando o movimento de extensão do joelho, com amplitude de movimento de 90 - 0°. A oclusão foi realizada por um manguito de pressão (18 x 90 cm), posicionado na região proximal da coxa, logo abaixo da linha glútea com pressão média de 221,67 (26,57) mmHg. Os voluntários foram avaliados antes e após o treinamento, por meio das seguintes variáveis: área de secção transversal e espessura muscular; quantificação do desempenho muscular (força, potência, trabalho, resistência e a relação agonista-antagonista); salto vertical e horizontal; teste de agilidade; teste de equilíbrio; quantificação de CK, hGH, IGF-1 e IGFBP-3. Para análise de normalidade dos dados foi realizada a análise de histogramas no resíduo do modelo e o teste de Shapiro-Wilk, em seguida o teste Linear de Modelos Mistos para as comparações entre grupos e post hoc de Bonferroni para a comparação intragrupos, sendo assim, considerados dois fatores nas comparações, tempo e grupo. Os resultados demonstraram que ambos os treinamentos resultaram no aumento do hormônio de crescimento humano. O treinamento com a EENM+OFS resultou no aumento da área de secção transversa e espessura do músculo reto femoral. Pode-se observar também que o treinamento com a EENM, proporcionou aumento da área de secção transversa do músculo reto femoral e melhora do desempenho de alguns testes funcionais. Sendo assim, pode-se concluir que os treinamentos EENM e EENM+OFS foram capazes de promover a hipertrofia muscular, sem repercussão nas das capacidades de força e potência. / Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is a technique that has been used to improve the strength, jumping power and speed capabilities in different sports modalities, seeking to increase athletic performance. However, to date there are few studies on this subject, none of which is a randomized clinical trial. Another method that has shown promise for increased strength and muscle hypertrophy, is the realization of low intensity training during blood flow occlusion (BFO). In this sense, the present study sought to evaluate the effectiveness of training with NMES during OBF of lower limbs. To this end, they invited high performance basketball players, male, aged between 16 and 35 years and BMI between 20 and 24 kg/m2. The athletes were randomized into the following groups: Control Group (n = 17), NMES Group (n = 16) and NMES+BFO group (n = 16). Athletes randomized for NMES and NMES+BFO groups were subjected to 12 sessions of training for four consecutive weeks, 3 days a week, for 3 sets of 20 to 30% of maximum resistance to exhaustion. The NMES was applied to the quadriceps femoral muscle by a pulsed, quadratic, symmetrical biphasic current with a frequency of 50 Hz, phase duration of 400 ?s, Ton / Toff- 2 seconds, rise and fall - 2 seconds, with maximum tolerated intensity by the athlete, performing the movement of extension of the knee, with range of movement of 90 - 0°. The occlusion was performed by a pressure cuff (18 x 90 cm), positioned in the proximal region of the thigh, just below the gluteal line with a mean pressure of 221.67 (26.57) mmHg. The volunteers were evaluated before and after training, through the following variables: cross-sectional area and muscle thickness; quantification of muscle performance (strength, power, work, endurance and the agonist-antagonist relationship); vertical and horizontal jump; agility test; balance test and quantification of CK, hGH, IGF-1 and IGFBP-3. For analysis of normality of the data, histograms were analyzed in the model residue and the Shapiro-Wilk test, followed by the Linear Mixed Models test for comparisons between groups and Bonferroni post hoc for intragroup comparison, considered two factors in the comparisons, time and group. The results showed that both training resulted in the increase of human growth hormone. Training with NMES+BFO resulted in increased cross-sectional area and thickness of the rectus femoris muscle. It can also be observed that training with NMES provided an increase in the cross-sectional area of the rectus femoris muscle and improved the performance of some functional tests. Thus, it can be concluded that NMES and NMES+BFO training were able to promote muscle hypertrophy, with no effect on the strength and power capabilities.

Esta tese de doutorado está dividida em três capítulos. O primeiro capítulo teve sua fundamentação em resultados da literatura, que mostraram que a aplicação de trens de alta freqüência de estimulação elétrica na perna pode gerar forças maiores do que seria esperado pela estimulação direta de axônios motores, por um mecanismo central gerado em motoneurônios por ativação de sinapses de aferências sensoriais. O objetivo foi investigar se estímulos vibratórios aplicados ao tendão de Aquiles são também capazes de gerar torques extras de grande magnitude no grupo muscular do tríceps sural. Para tanto, o torque isométrico gerado pelo tornozelo foi medido em resposta a diferentes padrões de associação entre estímulos elétricos e mecânicos aplicados ao grupo muscular do tríceps sural. As salvas de estímulos vibratórios puderam gerar torques extras substanciais, que eram acompanhados por um aumento da excitabilidade motoneuronal, visto que foi observado um concomitante aumento na amplitude pico a pico das ondas F captadas no músculo sóleo. Esses resultados mostraram que estímulos vibratórios aplicados juntamente a uma estimulação elétrica basal podem gerar níveis de força consideráveis, devido ao recrutamento de motoneurônios na medula espinhal. Os resultados indicam que a associação entre vibração e estimulação elétrica pode ser benéfica para diversas intervenções terapêuticas e programas de exercícios baseados em vibração. O comando para a geração de torques extras pela vibração provavelmente ativa motoneurônios na medula espinhal seguindo o princípio do tamanho, o que é uma característica desejável para paradigmas de estimulação. O segundo capítulo teve como ponto de partida o fato de que, quando indivíduos exercem um leve toque com a ponta dedo indicador sobre uma superfície estacionária, observa-se uma melhora na estabilidade postural. Nosso estudo investigou se uma melhora adicional na estabilidade postural pode ser atingida pela aplicação de um baixo nível de ruído mecânico (ruído vibratório) à superfície de contato com o dedo. Tal hipótese foi baseada na teoria da ressonância estocástica, que consiste na idéia de que a detecção e transmissão de um sinal fraco ou subliminar podem ser otimizadas pela presença de um nível particular de ruído. Os sujeitos permaneceram em postura ortostática sobre uma plataforma de força, enquanto tocavam com a ponta do dedo indicador direito um aparato usado para produzir oscilações vibratórias na superfície de contato do dedo. Parâmetros caracterizando as oscilações posturais foram computados a partir de medidas provenientes dos sinais do centro de pressão (adquiridos por uma plataforma de força). Os resultados mostraram que a aplicação de um ruído vibratório à superfície de contato do dedo causou uma melhora significativa na estabilidade postural quando comparada à condição em que a superfície de contado permanecia estacionária. Os resultados podem ter implicações clínicas relevantes em relação ao projeto de dispositivos de auxílio a pessoas com déficits sensório-motores, como bengalas, visando aumentar a estabilidade postural. Por fim, o terceiro capítulo investigou os efeitos da aplicação de ruído elétrico nos músculos da perna sobre o controle neuromuscular (i.e. variabilidade da força de flexão plantar exercida isometricamente) e sobre o controle postural humano (i.e. medida das oscilações posturais por uma plataforma de força). Os resultados mostraram pela primeira vez que um ruído elétrico abaixo do limiar sensorial pode causar uma melhora no controle neuromuscular durante uma tarefa de manter um determinado nível de força isométrica o mais constante possível, por mecanismo provavelmente associado à ressonância estocástica. Além disso, foi encontrada uma correlação significativa entre as reduções obtidas na variabilidade do torque e as reduções observadas em algumas medidas do centro de pressão, indicando que a variabilidade do torque de flexão plantar obtida com os sujeitos sentados pode ser um bom indicativo da amplitude das oscilações posturais para certas intervenções. Em conjunto, os resultados indicam um potencial de uso clínico de estimulações com ruído elétrico para a melhora do controle neuromuscular de pessoas com diferentes acometimentos sensório-motores. / This doctorate thesis is divided into three chapters. The first chapter was inspired on previous results from the literature which showed that high-frequency trains of electrical stimulation applied over the lower limb muscles can generate forces higher than would be expected by direct activation of motor axons, by a mechanism generated within the central nervous system by synaptic input from sensory afferents to motoneurons. The objective was to investigate if vibration applied to the Achilles tendon is also able to generate large magnitude extra torques in the triceps surae muscle group. The isometric ankle torque was measured in response to different patterns of coupled electrical and mechanical stimuli applied to the triceps surae muscle group. The vibratory bursts could generate substantial extra torques that were accompanied by increased motoneuron excitability, since a parallel increase in the peak-to-peak amplitude of soleus F waves was observed. These results showed that vibratory stimuli applied with a background electrical stimulation generate considerable force levels due to the spinal recruitment of motoneurons. So, the association of vibration and electrical stimulation could be beneficial for many therapeutic interventions and vibration-based exercise programs. The command for the vibration-induced extra torques presumably activates spinal motoneurons following the size principle, which is a desirable feature for stimulation paradigms. The second chapter was based on the knowledge that when a subjects index fingertip touches lightly a rigid and stationary surface there is an improvement of his/her postural stability. Our study investigated whether a further increase in postural steadiness may be achieved by applying a low level mechanical noise (vibratory noise) to the fingertip contact surface. Such a hypothesis is based on the stochastic resonance theory, which says that the detection and transmission of a weak or sub-threshold input signal may be enhanced by the presence of a particular level of noise. The subjects stood as quietly as possible over a force plate while touching with their right index fingertip a surface that could be either quiescent or vibrated. Body sway parameters were computed from measurements of the center of pressure (acquired from the force plate). The results showed that the delivery of the vibratory noise to the fingertips contact surface caused a significant improvement on postural stability when compared with the condition in which the surface was stationary. The results could be helpful for the design of rehabilitation aids such as canes commonly used to improve stability in people with sensory deficits. Finally, in the third chapter, the effects of electrical noise applied to the leg muscles on neuromuscular control (i.e. isometric plantar flexion force variability) and on human postural control (i.e. measures of postural sway) were investigated. The results showed for the first time that a sub-threshold electrical noise may improve neuromuscular control during a task in which an isometric force level is maintained as constant as possible, presumably by a stochastic resonance mechanism. Furthermore, a significant correlation was found between the reductions in torque variability and the improvements in postural sway, indicating that plantarflexion torque variability acquired while subjects are in a seated position may provide a good estimate of their postural sway under the same intervention. Taken together, the results indicate the potential for the clinical usage of noise-based stimulations to enhance neuromuscular control in a population with sensory-motor impairments.

O desenvolvimento de insuficiência cardíaca após infarto agudo do miocárdio (IAM) está intimamente associado com alterações profundas na geometria, estrutura e função cardíaca, conhecido por \"remodelamento ventricular\". Um crescente número de evidências sugere que uma resposta inflamatória acentuada ou prolongada pós-infarto resulta em um remodelamento patológico, comprometendo a função ventricular esquerda que se configura como um dos principais preditores de mortalidade após infarto agudo do miocárdio. Estudos recentes têm investigado a modulação da inflamação pelo sistema autonômico, principalmente por meio da estimulação vagal (elétrica e medicamentosa), possibilitando uma nova abordagem terapêutica para a modulação da inflamação no IAM. Nesse sentido, o presente estudo avaliou o efeito da estimulação elétrica dos aferentes barorreceptores na modulação autonômica e o possível efeito da mesma na modulação da resposta inflamatória pós infarto agudo do miocárdio em ratos. Os animais foram divididos em 3 grupos: Grupo Sham (SHAM): 5 animais não infartados sem tratamento; Grupo infartado não estimulado (IAM): 10 animais infartados sem tratamento e Grupo infartado e estimulado (IAM+EST): 10 animais infartados tratados com estimulação elétrica do nervo depressor aórtico (NDA). Foram realizadas cinco sessões de 30 min de estimulação do NDA entre os dias 1 e 3 pós IAM. A corrente elétrica aplicada foi capaz de reduzir a PAM durante o período da estimulação em mais de 30 mmHg e não houve diferença de resposta ao estímulo elétrico quando comparados os três dias de sessões. A relação LF/HF, que reflete o equilíbrio simpático-vagal global, apresentou-se elevada no grupo IAM (0,36±0,066) quando comparada aos grupos SHAM (0,18±0,015) e IAM+EST (0,16±0,022). Dessa forma, foi possível observar que os parâmetros HF e LF, importantes indicadores da função autonômica, foram semelhantes entre os grupos SHAM e IAM+EST, demonstrando efeito benéfico da estimulação elétrica do NDA na manutenção da modulação autonômica. A sensibilidade barorreflexa (BPM/mmHg) ficou diminuída no grupo IAM (ITR=1,44±0,20; IBR=-0,82±0,15) quando comparado com o grupo SHAM (ITR=2,79±0,58; IBR=-1,10±0,43). O grupo IAM+EST apresentou uma melhor sensibilidade barorreflexa induzida (ITR=3,40±0,18; IBR=-3,32±0,43) e espontânea em relação ao grupo IAM, sendo semelhante ou maior quando comparado ao grupo SHAM. A função cardíaca avaliada por meio da ecocardiografia revelou uma melhor função sistólica no grupo IAM+EST (Fração de Ejeção (%)=53±3,8) quando comparado ao grupo IAM (Fração de Ejeção (%)=43±2,0). Analisando o percentual de colágeno na lesão, o grupo IAM apresentou valores significativamente maior (14,24±1,75) quando comparado com os grupos SHAM (0,85±0,04) e IAM+EST (5,35±0,46). A análise imuno-histoquímica mostrou uma maior concentração (número de células por campo) de macrófagos M1 no grupo IAM (131,13±11,75) em relação ao grupo IAM+EST (95,46±16,27) e um maior número de macrófagos M2 no grupo IAM+EST (143,69±15,23) quando comparado com o grupo IAM (96,38±22,35). Marcadores de estresse oxidativo indicaram um maior conteúdo carbonílico de proteínas (nmol/mg) no grupo IAM (2,24±0,09) em relação ao grupo IAM+EST (1,96±0,07). O grupo IAM+EST apresentou uma maior atividade da enzima SOD (USOD/mg) (5,55±0,04) quando comparado ao grupo IAM (5,16±0,06). Esses achados sugerem que a estimulação elétrica do NDA foi capaz de modular a resposta inflamatória pós IAM levando a um remodelamento menos patológico e melhorando os índices da função cardíaca avaliados por ecocardiografia, apresentando-se como uma nova abordagem terapêutica na prevenção do desenvolvimento de insuficiência cardíaca pós IAM / The development of heart failure following acute myocardial infarction (AMI) is closely associated with deep changes in cardiac geometry, structure and function, known as \"ventricular remodeling\". A growing body of evidence suggests that a marked or prolonged post-infarction inflammatory response leads to a pathologic remodeling, impairing the left ventricle function that is the most important predictor of heart failure development. Recent studies have investigated the modulation of inflammation by the autonomic system, mainly by electrical or drug vagal stimulation, making possible a new therapeutic approach for the modulation of the inflammation in the AMI. Our study evaluated the effect of the electrical stimulation of the aortic depressor nerve (ADN) on autonomic modulation and the possible effect on inflammatory response post AMI. The animals were divided into 3 groups: Sham Group (SHAM) - 5 animals not infarcted without treatment; Infarcted group (AMI) - 10 infarcted animals without treatment; Infarcted and stimulated group (AMI+EST) - 10 infarcted animals treated with electrical stimulation of the ADN. Five sessions of 30 min of ADN stimulation were performed between days 1 and 3 post AMI. The electric current was able to reduce the median arterial pressure during the stimulation period by more than 30 mmHg in all sessions. The LF/HF ratio, which reflects the global sympathetic-vagal balance, was elevated in the AMI group (0.36±0.066) when compared to SHAM (0.18±0.015) and AMI+EST (0.16±0.022). Thus, it was possible to observe that the HF and LF parameters, important indicators of autonomic function, were similar between the SHAM and AMI+EST groups, demonstrating the beneficial effect of ADN electrical stimulation on the maintenance of autonomic modulation. The baroreflex sensitivity (BPM/mmHg) was reduced in the IAM group (ITR=1.44±0.20; IBR=-0.82±0.15) when compared to the SHAM group (ITR=2.79±0.58; IBR=1.10±0.43). The IAM+EST group presented higher induced baroreflex sensitivity (ITR=3.40±0.18; IBR=-3.32±0.43) and spontaneous compared to the AMI group, being similar or higher when compared to the SHAM group. Cardiac function assessed by echocardiography revealed a better systolic function in the AMI+EST group (Ejection Fraction %=53±3,8) when compared to the AMI group (Ejection Fraction %=43±2,0). Regarding collagen deposition in the lesion (% of collagen), the AMI group presented significantly higher values (14.24±1.75) when compared to SHAM (0.85±0.04) and AMI+EST (5.35±0, 46). Immunohistochemical analysis showed a higher concentration (cells per field) of M1 macrophages in the AMI group (131.13±11.75) in comparison to the AMI+EST group (95.46±16.27) and a higher number of M2 macrophages in the AMI+EST group (143.69±15.23) when compared to the AMI group (96.38±22.35). Oxidative stress markers indicated a higher carbonyl content of proteins (nmol/mg) in the AMI group (2.24±0.09) in comparison to the AMI+EST group (1.96±0.07). The IAM+EST group had a higher activity of the superoxide dismutase enzyme (USOD/mg) (5.55±0.04) when compared to the AMI group (5.16±0.06). These findings suggest that the electrical stimulation of the ADN was able to modulate the inflammatory response post AMI, leading to a less pathological remodeling and improving the indexes of the cardiac function evaluated by echocardiography, presenting as a new therapeutic approach in the prevention of heart failure development after AMI

Suite à une lésion (ex: blessure médullaire, accident vasculaire cérébral) ou une maladie neurodégénérative (ex: maladie de Parkinson), le système nerveux central humain peut être sujet à de multiples déficiences sensori-motrices menant à des handicaps plus ou moins lourds au cours du temps.Face aux méthodes thérapeutiques classiques, la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) des muscles préservés permet de restaurer le mouvement et de fournir une assistance afin d’améliorer la condition des personnes atteintes et de faciliter leur réadaptation fonctionnelle.De nombreuses problématiques intrinsèques à la complexité du système musculo-squelettique et aux contraintes technologiques rendent néanmoins difficile la démocratisation de solutions de stimulation électro-fonctionnelle en dépit d’avancées majeures dans le domaine.Visant à favoriser l’utilisabilité et l’adaptabilité de telles solutions, cette thèse s’appuie sur un réseau de capteurs/actionneurs génériques embarqués sur le sujet, afin d’utiliser la connaissance issue de l’observation et l’analyse du mouvement pathologique des membres inférieurs pour étudier et valider expérimentalement de nouvelles solutions de commande de la SEF à travers une approche orientée-patient. / The human central nervous system (CNS) can be subject to multiple dysfunctions. Potentially due to physical lesions (e.g.: spinal cord injuries, hemorrhagic or ischemic stroke) or to neurodegenerative disorders (e.g.: Parkinson’s disease), these deficiencies often result in major functional impairments throughout the years.As an alternative to usual therapeutic approaches, functional electrical stimulation (FES) of preserved muscles enables to assist individuals in executing functional movements in order to improve their daily life condition or to help enhancing rehabilitation process.Despite major technological advances in rehabilitation engineering, the complexity of the musculoskeletal system and the technological constraints associated have led to a very slow acceptance of neurorehabilitation technologies.To promote usability and adaptability, several approaches and algorithms were studied through this thesis and were experimentally validated in different clinical and pathological contexts, using low-cost wearable sensors combined to programmable stimulators to assess and control motion through a patient-centered approach.

La stimulation électrique fonctionnelle (FES) est présente depuis des décennies dans les centres de rééducation. Le principe de cette technique est de créer une dépolarisation de la membrane (potentiel d’action) des cellules excitables (axones ou myocytes) entrainant une contraction musculaire. Employée dans la plupart des cas pour le renforcement musculaire et la prévention des atrophies musculaires faisant suite à une lésion de la moelle épinière, la FES peut également être utilisée pour diminuer la spasticité et restaurer des mouvements des membres. Ainsi, certains dispositifs (neuroprothèses) utilisant la FES sont utilisés depuis plus de 25 ans, pour permettre à certains patients atteints de paralysies des membres supérieurs de pouvoir effectuer des préhensions. Les patients gagnent alors en autonomie dans les activités de la vie quotidienne ce qui limite leurs recours aux aides humaines. Cependant, bien que ce type de neuroprothèse se présente comme l’une des techniques les plus prometteuses pour le rétablissement de la fonction de préhension chez des sujets atteints d’une lésion de la moelle épinière, son utilisation reste limitée. En effet, les dispositifs de stimulation externe provoque des mouvements peu précis et les modes de pilote de cette stimulation, peu ergonomiques, ne sont pas accessibles à la plupart des patients lésés médullaires. Ces difficultés sont atténuées lorsque la stimulation est implantée et le mode de contrôle adapté à la pathologie. Parmi les dispositifs implantées, tous utilisent la stimulation des points moteurs pour rétablir des mouvements de main ce qui nécessite l’implantation de nombreuses électrodes et donc une opération chirurgicale lourde. Des complications liées aux matériels implantés peuvent apparaître au cours du temps. Ce travail de thèse propose une approche originale basée sur (i) la stimulation sélective nerveuse (à l’aide d’une électrode gouttière multi contact) pour rétablir des mouvements de préhension chez des patients tétraplégiques et (ii) l’utilisation de signaux émanant de muscles supra lésionnels pour le contrôle de cette stimulation. Des expérimentations humaines et animales réalisées en conditions aiguës ont démontré la faisabilité de notre approche. Ainsi, la stimulation du nerf sciatique par notre électrode gouttière a permis d’activer sélectivement plusieurs muscles antagonistes chez les 5 animaux de l’étude inclus dans l’étude. Une sélectivité intra fasciculaire est retrouvée chez 3 des 5 animaux. La stimulation du nerf médian chez un patient tétraplégique a permis d’activer sélectivement les muscles palmaris longuset flexor carpi radialis. Concernant le contrôle de la neuroprothèse, nous avons mis en évidence chez les 5 sujets tétraplégiques ayant participé aux expérimentations, une combinaison de muscles pouvant être utilisée pour piloter facilement un dispositif. Des contractions continues ou gradées de ces muscles peuvent être maintenues et ce, sans aucun apprentissage ou entrainement préalable. Les modalités de contrôle et les muscles préférentiels sont patient-dépendant. / Functional electrical stimulation (FES) is used for decades in rehabilitation centers. The principle of this technique is to create a membrane depolarization (action potential) of excitable cells (myocytes or axons) to cause a muscle contraction. Used in most cases for muscle strengthening and prevention of muscle atrophy following a spinal cord injury, FES can also be used to reduce spasticity and restore limb movement. For example, some devices (neuroprostheses) using FES are used for over 25 years, to allow some patients with paralysis of the upper limbs to perform hand movements. Patients then becoming more independent in activities of daily living which limits their use of human aid. However, although this type of neuroprosthesis stands as one of the most promising techniques for the recovery of the gripping function in subjects with spinal cord injury, its use is limited. Indeed, external stimulation devices cause imprecise movements and modes of control modes, not very ergonomic, are not accessible to most spinal cord injured patients. These difficulties are alleviated when the stimulation is implanted and control mode adapted to the pathology. Among the implanted devices all use the stimulation of motor pointsto restore hand movements which requires the implantation of many electrodes and therefore a major surgery. Complications related to the implanted materials can occur over time. This thesis proposes an original approach based on (i) selective nerve stimulation (using a multi contact cuff electrode) to restore gripping motion in tetraplegic patients and (ii) use of signals from supra lesional muscles to control this stimulation. Human and animal experimentations performed in acute conditions have demonstrated the feasibility of our approach. Thus, stimulation of the sciatic nerve by our cuff electrode allowed to selectively activate several antagonistic muscles in the 5 animals included in the study. Intra fascicular selectivity was found in 3 of 5 animals. The stimulation of the median nerve of a tetraplegic patient allowed to selectively activate the palmaris longus and flexor carpi radialis muscles. For the control of neuroprosthesis we demonstrated in the 5 tetraplegics subjects who participated in the experiments, a combination of muscles that can be used to easily control a device. Continuous or graded contractions of these muscles can be maintained, without any prior learning or training. The control modalities and preferential muscles are patient-dependent.

A estimulação do córtex motor (CM) é usada para tratar pacientes com síndromes dolorosas resistentes a outros tratamentos. Dados do nosso grupo demonstram que a estimulação do córtex motor (ECM) induz analgesia em ratos, e este efeito depende de opióides. Este estudo investigou a topografia do efeito antinociceptivo induzido pela ECM e o padrão de ativação neuronal na coluna posterior da medula espinal (CPME) e na PAG pela expressão de Fos e Egr-1. Ratos receberam implantes de eletrodos transdurais posicionados sobre áreas distintas do CM equivalentes à: patas anterior, posterior, vibrissas e cauda e após 1 semana passaram por sessões de ECM de 15min, sendo então avaliados nos testes comportamentais: pressão da pata, monofilamentos de von Frey, von Frey eletrônico e pinçamento da cauda. A ECM induziu analgesia no membro equivalente à área do CM estimulada em cada grupo, envolvendo a inibição da CPME, demonstrada pela diminuição da imunoreatividade nas lâminas superiores; e ativação do sistema de analgesia endógeno, pelo aumento da imunoreastividade na PAG. / Stimulation of the motor cortex (MC) has been used to treat patients with pain syndromes resistant to other treatments. Data from our group demonstrates that electrical stimulation of the motor cortex (MCS) induces opioid-dependent analgesia in rats. This study investigated the topography of the antinociceptive effect induced by MCS and the pattern of neuronal activation in the dorsal horn of the spinal cord (DHSC) and in the PAG through Fos and Egr-1 expression. Rats received implantation of transdural electrodes positioned on distinct areas of the corresponding MC: fore limb, hind limb, whiskers and tail and after 1 week were submitted to 15min. MCS sessions, and were evaluated in behavioral tests: paw pressure test, von Frey microfilaments, electronic von Frey and tail pinch. MCS induced analgesia only in the limb area corresponding to the stimulated MC in each group, involving the inhibition of DHSC, demonstrated by decrease of immunoreactivity in the superficial laminae; and activation of endogenous analgesia systems, by the increase of PAG immunoreactivity.