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Low back pain: Unveiling the contribution of motor control adaption using biomechanical modeling and neuroimaging

English title Low back pain: Unveiling the contribution of motor control adaption using biomechanical modeling and neuroimaging
Applicant Meier Michael
Number 185123
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Interdisciplinary Spinal Research Department of Chiropractic Medicine Balgrist University Hospital
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.04.2019 - 31.03.2023
Approved amount 588'000.00
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Keywords (9)

functional magnetic resonance imaging; somatosensory reorganization; proprioception; vibrotactile; non-specific chronic low back pain; muscle spindle; biomechanical modeling; motor control; spine kinematics

Lay Summary (German)

Lead
Nebst grossem Leiden stellen Rückenschmerzen weltweit ein signifikantes gesundheitsökonomisches Problem dar. Bei akuten Rückenschmerzen verbessert sich die Symptomatik meist spontan, wobei sich jedoch bei 10-15 Prozent der Fälle das Problem chronifiziert. Häufig ist der Schmerz in der Lumbalgegend und im Gesäss lokalisiert, wobei in den meisten Fällen (bis zu 85%) keine präzise Diagnose mit einer entsprechenden Schmerzursache gestellt werden kann. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit Veränderungen der Sensorik und Motorik (Sensomotorik) bei Rückenschmerzen und deren Rolle bei der Schmerzentstehung bzw. -aufrechterhaltung.
Lay summary

Wir bewegen uns anders, wenn wir Schmerzen empfinden oder Angst vor Schmerzen haben. Insbesondere bei Rückenschmerzen liegt daher die Vermutung nahe, dass die Schmerzursache oder -aufrechterhaltung auch mechanischer Natur sein könnte. Veränderte sensomotorische Anpassungen und psychologische Faktoren, welche die Stabilität, Lagewahrnehmung und somit die Mechanik der Wirbelsäule beeinflussen, könnten den Schmerz verursachen oder aufrechterhalten (zum Beispiel über einen erhöhten mechanischen Druck auf die Bandscheiben). Diese Anpassungen sind anscheinend sehr individuell, denn es gibt Hinweise, dass die von Rückenschmerzen geplagten Betroffenen unterschiedliche Bewegungsstrategien anwenden. Gewisse Strategien könnten sich längerfristig negativ auswirken und zu wiederkehrenden, chronischen Rückenschmerzen führen. In einer ersten Phase verfolgt das vorliegende Projekt das Ziel, verschiedene Bewegungsstrategien bei alltäglichen Handlungen (zum Beispiel Gewicht heben, laufen, Treppen laufen, Sprünge) mittels kinematischen Analysen im Bewegungslabor zu erfassen und jene Strategien zu identifizieren, welche im Zusammenhang mit wiederkehrenden Rückenschmerzen stehen. Des Weiteren wird die Rolle des Gehirns, spezifisch jenes Gehirnareal, welches für die sensomotorische Verarbeitung des Rückens verantwortlich ist, im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Bewegungsstrategien bei Rückenschmerzen untersucht. Dies dürfte neue Einsichten bezüglich der Entstehung und Aufrechterhaltung von chronischen Rückenschmerzen ohne eindeutig erkennbare Ursache liefern und längerfristig den Weg für neue Therapieansätze eröffnen.

Direct link to Lay Summary Last update: 07.04.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Background: Low back pain (LBP) is a major health issue. Treatment of chronic LBP is still a major challenge due to a lack of pathophysiological understanding. Thus, understanding LBP pathophysiology is a research priority. Adaptions of motor control likely play a significant role in chronic or recurrent LBP because motor control is crucial for spine posture, stability and movement. Different motor adaption strategies exist across individuals with LBP and two phenotypes representing the opposite ends of a spectrum have been suggested; i.e. "tight" control and "loose" control over trunk movement. The former would be associated with reduced trunk motor variability, the later with increased trunk motor variability. This conceptual framework is very useful to explain maintenance and aggravating of LBP because motor control adaptations are expected to have long-term consequences, such as increased spinal tissue loading, associated with degeneration of intervertebral discs and other tissues. Several knowledge gaps need to be addressed to test the validity of this framework: 1) Do loose/tight control phenotypes indeed exist and/or do other motor control adaption strategies exist? 2) Is reduced/altered paraspinal proprioceptive input associated with LBP related to neuroplastic cortical changes, thereby affecting the organizational structure in sensorimotor cortices and top-down trunk motor control? 3) Do psychological factors influence the organizational structure in sensorimotor cortices and motor control strategies?To address these knowledge gaps, the objectives of the current project are: I) To establish motor control phenotypes in LBP. Proprioceptive weighting and biomechanical assessment of dynamic movement tasks, including subject-specific spine kinematic variability and its relationship to pain duration, negative pain-related cognitions, segmental loadings and paraspinal muscle forces, will be performed. II) To test whether cortical proprioceptive maps differ between healthy subjects and patients with LBP. Brain activation in response to thoracolumbar vibrotactile stimulation will be interrogated using functional magnetic resonance imaging data and univariate and multivariate analysis based on machine learning. III) To test whether proprioceptive maps demonstrate a relationship to spine kinematic patterns, pain duration and negative pain-related cognitions in LBP patients. Team: The team is well suited to carry out the proposed research; the PI has a track record in neurophysiological and brain imaging investigations of pain in healthy and chronic pain populations. Exceptional knowledge regarding MR physics and engineering is provided by Dr. Stämpfli and Prof. Dr. Schütz. Profound expertise in the assessment of proprioceptive functioning, spine kinematics and biomechanical modeling is provided by Prof. Dr. de Bruin and project partners Dr. Schmid and Dr. Senteler. Impact: The interdisciplinary approach combining spine kinematics, biomechanical modeling and neuroimaging has the potential to disentangle the biopsychological interactions underlying individual motor control adaptions in recurrent and chronic LBP. We anticipated that this will be of major therapeutic importance.
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