The effect of transcranial direct current stimulation and physical exercise on interlimb coordination during walking in people with Parkinson’s disease

Abstract

A estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) e o exercício físico são terapias eficazes para melhorar a coordenação de movimentos e os parâmetros do andar em pessoas com doença de Parkinson (DP), geralmente acompanhadas por mudanças na atividade cortical. Contudo, a variabilidade nos protocolos de ETCC gera dúvidas sobre quais parâmetros são eficazes, e pouco se sabe sobre os efeitos da combinação de ETCC e exercício na locomoção e na atividade cortical em DP. Esta tese investigou essas lacunas em três estudos. O Estudo #1 sintetizou achados de estudos sobre protocolos de ETCC para melhorar a coordenação motora em parkinsonianos e idosos saudáveis por meio de uma revisão sistemática nas bases PubMed, Embase e Web of Science. O Estudo #2 investigou os efeitos agudos, e o Estudo #3 os efeitos crônicos, de um protocolo combinado de ETCC e exercício locomotor na coordenação intermembros, parâmetros do andar e atividade cortical de 22 indivíduos com DP. No protocolo de ETCC, o ânodo foi posicionado sobre o córtex motor contralateral ao lado mais afetado pela DP e o catodo na área supraorbital contralateral. A corrente elétrica de 2 mA foi aplicada por 20 minutos (ativo) ou 10 segundos (sham), concomitantemente ao exercício (20 minutos). No protocolo de exercício, os participantes percorreram um circuito de 18 m em duas condições: i) andar aumentando amplitude dos braços (10 min); ii) andar aumentando velocidade dos braços (10 min). No Estudo #2, os participantes realizaram ambas as condições de estimulação com sete dias de intervalo, sendo avaliados antes e após cada sessão. No Estudo #3, 22 participantes foram divididos em dois grupos (ativo, n = 12; sham, n = 10) e realizaram seis sessões em dias alternados. As avaliações ocorreram antes da primeira sessão, 48 horas após e 30 dias após a última sessão. O andar foi avaliado com o sistema GaitRite posicionado em uma passarela de 8 m. A coordenação intermembros foi analisada via fase relativa contínua entre sinais de acelerômetros nos punhos e tornozelos contralaterais. A atividade cortical foi analisada por EEG de 64 canais, considerando a densidade do poder espectral (alpha, beta e gamma) nos canais Fz, F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 e P4. O Estudo #1 mostrou que a ETCC melhora a coordenação motora, especialmente com protocolos de 20 min e 2 mA. O Estudo #2 revelou que uma sessão de ETCC combinada com exercício não potencializou os efeitos do exercício. O Estudo #3 mostrou que seis sessões potencializaram os efeitos do exercício, com menor variabilidade do ângulo de fase e redução do poder espectral na banda alfa do córtex pré-frontal no grupo ativo. Conclui-se que exercícios focados na amplitude e velocidade dos braços promovem melhorias na marcha e na atividade cortical em DP. Contudo, múltiplas sessões de ETCC são necessárias para potencializar esses efeitos, sugerindo que intervenções combinadas e repetidas são mais eficazes.

Transcranial direct current stimulation (tDCS) and physical exercise are effective therapies for improving motor coordination and gait parameters in people with Parkinson’s disease (PD), often accompanied by changes in cortical activity. However, variability in tDCS protocols raises questions about which parameters are effective, and little is known about the effects of combining tDCS and exercise on locomotion and cortical activity in PD. This thesis investigated these gaps through three studies. Study #1 synthesized findings from studies on tDCS protocols aimed at improving motor coordination in individuals with parkinsonism and healthy older adults through a systematic review of PubMed, Embase, and Web of Science databases. Study #2 investigated the acute effects, and Study #3 the chronic effects, of a combined tDCS and locomotor exercise protocol on interlimb coordination, gait parameters, and cortical activity in 22 individuals with PD. In the tDCS protocol, the anode was positioned over the motor cortex contralateral to the most affected side and the cathode over the contralateral supraorbital area. A 2 mA current was applied for 20 minutes (active) or 10 seconds (sham) during 20 minutes of exercise. In the exercise protocol, participants walked an 18 m circuit under two conditions: i) walking with increased arm swing amplitude (10 min); ii) walking with increased arm swing speed (10 min). In Study #2, participants performed both stimulation conditions seven days apart, with assessments conducted before and after each session. In Study #3, 22 participants were divided into two groups (active, n = 12; sham, n = 10) and completed six sessions on alternate days. Assessments were performed before the first session, 48 hours after, and 30 days after the final session. Gait was assessed using the GaitRite system positioned on an 8 m walkway. Interlimb coordination was analyzed via continuous relative phase between signals from accelerometers placed on contralateral wrists and ankles. Cortical activity was analyzed using 64-channel EEG, considering spectral power density (alpha, beta, gamma) in channels Fz, F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3, and P4. Study #1 showed that tDCS improves motor coordination, particularly with 20-minute, 2 mA protocols. Study #2 revealed that one tDCS session combined with exercise did not enhance exercise effects. Study #3 demonstrated that six sessions amplified exercise effects, with the active group showing lower phase angle variability and reduced alpha-band power in the prefrontal cortex. In conclusion, exercise protocols focusing on arm amplitude and speed improve gait and cortical activity in PD. However, multiple tDCS sessions are necessary to enhance these effects, suggesting that combined and repeated interventions are more effective.