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Energia vibratoria

 

LINEE GUIDA E MEDICINA BASATA SULL’EVIDENZA IN RIABILITAZIONE

 

Roma, 5-6 dicembre 2005

PREMESSE

Da molti anni, periodicamente, compaiono, spesso ad ondate articoli scientifici sull’utilizzo dell’energia vibratoria in ambito clinico e/o sportivo. Negli ultimi 5-6 anni l’attenzione della ricerca si è accesa nuovamente su questo tema e dati effettivamente nuovi ed innovativi si sovrappongono a risultati già da tempo acquisiti. Appare quindi importante fissare i fondamentali, da un punto di vista strettamente fisiologico, basandosi sulle acquisizioni di base per orientarsi su un tema potenzialmente importante, ma confuso.

È, come sempre, opportuno iniziare facendo chiarezza sulla terminologia. Il termine “energia vibratoria” è fortemente intuitivo, ma la sua grande imprecisione da un punto di vista fisico può essere altamente fuorviante. L’energia vibratoria in sé non esiste, la vibrazione è un modo di propagazione dell’energia, sia essa elettromagnetica, elettrica, magnetica, termica o meccanica. Una vibrazione è semplicemente un’oscillazione di ampiezza, spesso periodica, dell’energia. Nel nostro caso si tratta parlando di “energia vibratoria” ci riferiamo ad una propagazione di energia meccanica.

Data tale premessa, è abbastanza evidente che una vibrazione meccanica può essere straordinariamente variata nelle sue grandezze di intensità (che si esprimono in genere, in ambito biologico, in millimetri di spostamento ma, più correttamente, con unità di misura di forza, Newton o grammi o chili), frequenza, durata dei cicli (tempo di erogazione o applicazione della vibrazione). È altrettanto evidente che nella nostra quotidianità siamo esposti ad un enorme numero di vibrazioni meccaniche, sui mezzi di trasporto, spesso sui posti di lavoro, tenendo in mano un cellulare che vibra ecc.. Non per tale ragione se ne traggono benefici, al contrario di solito se ne hanno danni.

Nell’ambito della sperimentazione biologica si distinguono essenzialmente due tipi di vibrazione meccanica:

1. La vibrazione meccanica che, partendo ad esempio dai piedi o dalle mani, ha capacità di invadere tutto il corpo (Whole Body Vibration, WBV).

2. La vibrazione localizzata, ad es. ad un singolo gruppo muscolare.

La WBV è considerata in modo unanime dalla comunità scientifica fortemente dannosa (Seidel H Am J Ind Med. 1993; 23:589-604; Bovenzi M. Int Arch Occup Environ Health 1998; 71:509-519; Lings S, Leboeuf-Yde C., Int Arch Occup Environ Health 2000; 73:290-2977). Il dato è così certo che la dannosità della WBV è stata ormai recepita dalle legislazioni di quasi tutti gli stati industrializzati (Kakosy T. Baillieres Clin Rheumatol 1989;3:25-50). Esistono pochi lavori che ipotizzano anche degli effetti positivi della WBV (Bosco C et al., Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1999; 79:306-11; Bosco C et al. Clin Physiol 1999; 19:183-7; Bosco C et al., Eur J Appl Physiol 2000; 81: 449-54), ma la certezza della sua dannosità, anche su individui sani rende l’applicabilità del tutto sconsigliabile. La WBV esplica i suoi effetti dannosi in ordine crescente per gravità sulle articolazioni del ginocchio e del gomito, dell’anca e della spalla, sulla colonna vertebrale. Ragione di ciò è la deformazione che il segnale d’onda meccanica subisce nella propagazione a distanza attraverso i tessuti e il suo avvicinarsi alla frequenza di risonanza delle articolazioni. L’avvicinamento alla frequenza di risonanza implica l’amplificazione dell’energia meccanica e il conseguente rapido e ed esteso instaurarsi del danno.

La vibrazione localizzata risulta sostanzialmente innocua, è largamente utilizzata nella ricerca per attivare il sistema propriocettivo di singoli muscoli od articolazioni. Si è tentato a lungo di utilizzarla a fini terapeutici essendo ben nota la sua azione sui fusi neuromuscolari. Poiché questi recettori nervosi sono sensibili all’allungamento, questo tipo di vibrazione è utilizzato in modo da imporre al muscolo sequenze di allungamenti ed accorciamenti di almeno 0,5 millimetri, di solito 1-2 millimetri, con frequenze tra i 20 e i 60-80 Hz. I risultati ottenuti, pur presenti (Karnath HO et al. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2000; 69:658-660), hanno tuttavia brevissima durata (minuti). Inoltre si è evidenziato come la vibrazione, se impone al muscolo variazioni di lunghezza superiori a 0,12 millimetri (120 micron), provoca lesioni muscolari (Necking LE et al. J Hand Surg 1996; 21:753-759).

INTRODUZIONE

Negli anni ’80 un gruppo americano ha dimostrato che è possibile produrre potenziamenti plastici della rete propriocettiva utilizzando stimoli meccanici secondo paradigmi associativi pavloviani (Wolpaw JR, Tennissen AM. Annu Rev Neurosci 2001; 24:807-843). Pavlov dimostrò nel 1927 che l’opportuna associazione di due adeguati stimoli poteva modificare alcune funzioni motorie e/o comportamentali del gatto (paradigmi di condizionamento neuronale associativo, per l’associazione temporale di due stimoli). Successivamente tale fenomeno è stato definito a livello cellulare e si parla di Long Term Potentiation (LTP), ovvero di un potenziamento a lungo termine (mesi) di selezionate reti nervose (Kandel ER. Cellular mechanisms of learning and the biological basis of individuality. In:Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM editors Principles of neural sciences New York. McGraw-Hill 2000, pp. 1247-1277). Ogni anno alcune centinaia di pubblicazioni scientifiche utilizzano una molteplicità di metodiche per indurre fenomeni di LTP in reti neuronali. Gli effetti dei condizionamenti associativi si caratterizzano per una persistenza di settimane o mesi a fronte di minuti od ore di condizionamento, grande ampiezza di effetti e meccanismi del tutto fisiologici in quanto queste procedure possono solo attivare meccanismi fisiologici. Il trasferimento alla clinica di queste procedure si è rivelato a tutt’oggi improbabile in quanto i protocolli, pur molto potenti negli effetti risultano troppo complessi per essere trasferiti fuori dei laboratori.

Dato questo corpus di lavori è apparso possibile indurre una forma di LTP nella rete propriocettiva, migliorando così rapidamente e a lungo termine la performance muscolare, utilizzando una procedura molto semplice e del tutto non invasiva.

Alcuni gruppi di ricerca, afferenti a diversi Istituti universitari (Dipartimento di Scienze dell’ Apparato Locomotore e Scuola di Medicina dello Sport Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, Cattedra di Medicina Fisica e Riabilitazione. Dipartimento Medicina Interna , Sez. Fisiologia Umana e Dipartimento di Specialità Medico Chirurgiche sez. Ortopedia, Università degli Studi di Perugia, Istituto di Fisiologia Umana Università Cattolica Roma, Dipartimento of Scienze e Società, Facoltà di Scienze Motorie Università di Cassino) hanno così cercato di individuare uno stimolo meccanico vibratorio in grado in primo luogo di non provocare alcun danno, in secondo luogo di avere effetti terapeutici agendo sulla rete di controllo propriocettiva.

Una stimolazione vibratoria meccanica per essere certamente non lesiva deve essere localizzata e caratterizzata da uno spostamento inferiore a 0,12 millimetri (<120 micron). Si è così optato per una vibrazione in grado di provocare variazioni di lunghezza minori di 0,02 millimetri, ovvero di 20 micron, quindi 5 volte minori del limite di sicurezza. Si è quindi deciso di utilizzare uno stimolo basato sull’intensità della forza (700-900 grammi massimo), di fatto senza variazioni di lunghezza. In tal modo i propriocettori attivati non sarebbero stati i fusi, ma probabilmente i Golgi e ancor di più i numerosissimi e poco studiati meccanocettori isometrici di tipo III e IV.

L’efficacia si è ipotizzato dipendesse dal pattern di stimolazione necessario, come d’altra parte tipico nei processi di induzione di fenomeni di LTP. Lavori molto recenti convergono su due aspetti: la vibrazione meccanica per avere effetti persistenti deve durare un tempo adeguato (10-15 minuti) ed avere una frequenza (Rosenkranz K, Rothwell JC. J Physiol 2003; 551.2:649-660; Rosenkranz K, Rothwell JC. J Physiol 2004; 561:307-320) cui il sistema circuitale propriocettivo appare particolarmente sensibile (80-120 hz). Inoltre per produrre un condizionamento pavloviano, al segnale prodotto dalla stimolazione meccanica vibratoria è stato aggiunto quello generato dalla volontà del paziente. Lo stimolo meccanico è stato quindi associato alla contemporanea contrazione volontaria del muscolo stimolato: in tal modo sulla rete di controllo del muscolo giungevano 2 stimoli contemporanei, uno indotto dal paziente, il secondo dato dalla vibrazione.

Sono state eseguite sempre 3 applicazioni di 10 minuti al giorno per 3 giorni consecutivi. Ogni applicazione era separata da 30-60 secondi di rilasciamento muscolare e sospensione dello stimolo vibratorio. I trattamenti sono stati eseguiti con una strumentazione specifica in grado di garantire quanto richiesto e trasmettere senza distorsioni il segnale meccanico ai tessuti, riducendo gli effetti di smorzamento dei tessuti molli sovrastanti i muscoli.

I risultati preliminari di queste ricerche sono stati presentati in sedi congressuali (Effetti della stimolazione meccanica dei propriocettori in donne osteoporotiche in postmenopausa. Congresso Nazionale SINFER 21-23 Settembre 2004 CHIETI; Effect of vibrating proprioceptive activation on the posture of patients after ACL-reconstruction. Assisi 8th Intern. Conf. Orthopaedics, Biomechanics, Sport Rehabilitation Nov 19-21 2004; Persistance des effets de la stimulation mécanique sur le contrôle et l'efficacité musculaire. 35° Congres National S.F.M.K.S 3-4-5 Juin 2005saint-Tropez – France; Trattamento con energia vibratoria in pazienti affetti da paralisi cerebrale infantile SIMFER Catania 2005).

RISULTATI

Sia su soggetti sani, sia in pazienti patologici (es. atleti cui era stato ricostruito il Legamento Crociato Anteriore, ACL), il paradigma sopra descritto ha prodotto effetti coerenti, imponenti nell’ampiezza ed a lungo termine.

In soggetti sani, sedentari, la stimolazione del Quadricipite di una sola gamba ha ridotto marcatamente il tempo necessario ad esplodere la forza sia in isometria, nei primi 200 msec, (+27.8% ±10), sia in tutto il movimento (-20.2% ±2.9) testato in isocinesi. Sugli stessi pazienti la gamba non trattata non ha subito variazioni di performance. In isotonia, la resistenza alla fatica nell’esercizio di “leg-extension” è aumentata nella gamba trattata del 40.3 % ±16.9. Tutti questi dati sono stati raccolti 15 giorni dopo il trattamento vibratorio.

I pazienti operati di ACL, tutti atleti, sono stati scelti in quanto considerati un buon modello in cui il sistema propriocettivo articolare è stato perso (Johansson H (1991) J Electromyogr Kinesiol 1:158 179; Shiraishi Muscolo et al. (1996) Clin J Sport Med 6:32-39). Il recupero di tali pazienti è infatti in genere incompleto probabilmente a causa di tale deficit. L’applicazione del protocollo sopradescritto, valutato in doppio cieco, ha prodotto un immediato (a 24 ore dal trattamento) incremento della stabilità su una sola gamba ad occhi chiusi (24%), aumentata fino al 32% dopo 270 giorni, contro il 12% dei soggetti non trattati e riabilitati solo tradizionalmente. Inoltre gli stessi pazienti trattati hanno mostrato a 270 giorni un recupero di forza pari alla gamba non operata. Il trattamento è stato eseguito a 30 giorni dall’intervento chirurgico.

DISCUSSIONE

Gli effetti unilaterali sui soggetti sani, la rapidità di manifestazione degli effetti (24 ore) nei pazienti ortopedici suggeriscono un’azione diretta del trattamento sul sistema nervoso centrale. Inoltre il recupero di stabilità su una gamba sola ad occhi chiusi nei pazienti con ricostruzione dell’ACL consente di ipotizzare che il trattamento eseguito potrebbe avere modificato l’analisi dell’informazione propriocettiva. La persistenza degli effetti infine suggerisce l’effettiva induzione di modifiche plastiche della circuitazione propriocettiva. Non sono mai stati osservati effetti collaterali.

L’insieme dei risultati ottenuti e sopra descritti suggerisce che la funzione propriocettiva esaltata dal trattamento concerni la regolazione della rigidità articolare. Il termine “rigidità” articolare ha in ambito clinico una connotazione negativa, patologica. Tuttavia da un punto di vista fisiologico, la “rigidità” articolare o “stiffness” articolare è un parametro assolutamente cruciale nella regolazione del controllo motorio. La stiffness articolare è classicamente distinta in due componenti, una intrinseca dettata dalle caratteristiche dei materiali articolari e quindi invariante, una funzionale, dettata dal Sistema Nervoso Centrale e variabile istante per istante in relazione all’atto motorio. L’importanza della stiffness diviene del tutto evidente nella patologia, in cui un aumento o una diminuzione della stiffness costituisce uno dei maggiori ostacoli riabilitativi. Una stiffness eccessiva, anche in soggetto normale, produrrà una rigidità del movimento, un aumento di contrazione degli antagonisti per un’erronea regolazione articolare (contrazione eccentrica) è in grado di provocare lesioni delle fibre muscolari e liberare fattori che producono la sensazione di “fatica”. In tal caso un adeguamento della stiffness produrrà un ritardo nella sensazione di fatica per una minore contrazione eccentrica in fase di flessione della gamba sotto carico, dopo la fase di estensione nell’esercizio di leg-extension. Al contrario una migliore fissazione articolare consentirà al soggetto di esplodere più rapidamente tutta la forza di cui dispone senza rischio di pericolose dislocazioni articolari.

In tale ottica il trattamento, sia per gli effetti, sia per la sua non invasività, appare potenzialmente indicato non solo in soggetti sani in cui aumentare il controllo propriocettivo a fini sportivi, o in pazienti da riabilitare per recuperare il giusto assetto articolare, ma anche nei casi in cui la stiffness è tipicamente alterata come nelle forme di spasticità. In particolare appaiono rilevanti la rapidità d’azione (gli stessi risultati se ottenibili, si raggiungono con molte settimane di training tradizionale) e la totale assenza di carico sulle strutture scheletriche.

Autore:

Prof. Guido Maria Filippi M.D.
Professore Associato di Fisiologia Umana
Università Cattolica

 
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