Abstract The basal ganglia are thought to play an important role in regulating motor programs involved in gait and in the fluidity and sequencing of movement. We postulated that the ability to maintain a steady gait, with low stride‐to‐stride variability of gait cycle timing and its subphases, would be diminished with both Parkinson's disease (PD) and Huntington's disease (HD). To test this hypothesis, we obtained quantitative measures of stride‐to‐stride variability of gait cycle timing in subjects with PD (n = 15), HD (n = 20), and disease‐free controls (n = 16). All measures of gait variability were significantly increased in PD and HD. In subjects with PD and HD, gait variability measures were two and three times that observed in control subjects, respectively. The degree of gait variability correlated with disease severity. In contrast, gait speed was significantly lower in PD, but not in HD, and average gait cycle duration and the time spent in many subphases of the gait cycle were similar in control subjects, HD subjects, and PD subjects. These findings are consistent with a differential control of gait variability, speed, and average gait cycle timing that may have implications for understanding the role of the basal ganglia in locomotor control and for quantitatively assessing gait in clinical settings.

Hausdorff, Jeffrey M., Susan L. Mitchell, Renée Firtion, C. K. Peng, Merit E. Cudkowicz, Jeanne Y. Wei, and Ary L. Goldberger. Altered fractal dynamics of gait: reduced stride-interval correlations with aging and Huntington’s disease. J. Appl. Physiol. 82(1): 262–269, 1997.—Fluctuations in the duration of the gait cycle (the stride interval) display fractal dynamics and long-range correlations in healthy young adults. We hypothesized that these stride-interval correlations would be altered by changes in neurological function associated with aging and certain disease states. To test this hypothesis, we compared the stride-interval time series of 1) healthy elderly subjects and young controls and of 2) subjects with Huntington’s disease and healthy controls. Using detrended fluctuation analysis, we computed α, a measure of the degree to which one stride interval is correlated with previous and subsequent intervals over different time scales. The scaling exponent α was significantly lower in elderly subjects compared with young subjects (elderly: 0.68 ± 0.14; young: 0.87 ± 0.15; P < 0.003). The scaling exponent α was also smaller in the subjects with Huntington’s disease compared with disease-free controls (Huntington’s disease: 0.60 ± 0.24; controls: 0.88 ± 0.17; P < 0.005). Moreover, α was linearly related to degree of functional impairment in subjects with Huntington’s disease ( r = 0.78, P < 0.0005). These findings demonstrate that stride-interval fluctuations are more random (i.e., less correlated) in elderly subjects and in subjects with Huntington’s disease. Abnormal alterations in the fractal properties of gait dynamics are apparently associated with changes in central nervous system control.

Summary

 Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease of the motor nervous system. We show using multielectrode array and patch-clamp recordings that hyperexcitability detected by clinical neurophysiological studies of ALS patients is recapitulated in induced pluripotent stem cell-derived motor neurons from ALS patients harboring superoxide dismutase 1 (SOD1), C9orf72, and fused-in-sarcoma mutations. Motor neurons produced from a genetically corrected but otherwise isogenic SOD1^+/+ stem cell line do not display the hyperexcitability phenotype. SOD1^A4V/+ ALS patient-derived motor neurons have reduced delayed-rectifier potassium current amplitudes relative to control-derived motor neurons, a deficit that may underlie their hyperexcitability. The Kv7 channel activator retigabine both blocks the hyperexcitability and improves motor neuron survival in vitro when tested in SOD1 mutant ALS cases. Therefore, electrophysiological characterization of human stem cell-derived neurons can reveal disease-related mechanisms and identify therapeutic candidates.

To identify novel genes associated with ALS, we undertook two lines of investigation. We carried out a genome-wide association study comparing 20,806 ALS cases and 59,804 controls. Independently, we performed a rare variant burden analysis comparing 1,138 index familial ALS cases and 19,494 controls. Through both approaches, we identified kinesin family member 5A (KIF5A) as a novel gene associated with ALS. Interestingly, mutations predominantly in the N-terminal motor domain of KIF5A are causative for two neurodegenerative diseases: hereditary spastic paraplegia (SPG10) and Charcot-Marie-Tooth type 2 (CMT2). In contrast, ALS-associated mutations are primarily located at the C-terminal cargo-binding tail domain and patients harboring loss-of-function mutations displayed an extended survival relative to typical ALS cases. Taken together, these results broaden the phenotype spectrum resulting from mutations in KIF5A and strengthen the role of cytoskeletal defects in the pathogenesis of ALS.

Summary

Background

 Mutations in SOD1 cause 13% of familial amyotrophic lateral sclerosis. In the SOD1 Gly93Ala rat model of amyotrophic lateral sclerosis, the antisense oligonucleotide ISIS 333611 delivered to CSF decreased SOD1 mRNA and protein concentrations in spinal cord tissue and prolonged survival. We aimed to assess the safety, tolerability, and pharmacokinetics of ISIS 333611 after intrathecal administration in patients with SOD1-related familial amyotrophic lateral sclerosis. 

Methods

 In this randomised, placebo-controlled, phase 1 trial, we delivered ISIS 333611 by intrathecal infusion using an external pump over 11·5 h at increasing doses (0·15 mg, 0·50 mg, 1·50 mg, 3·00 mg) to four cohorts of eight patients with SOD1-positive amyotrophic lateral sclerosis (six patients assigned to ISIS 333611, two to placebo in each cohort). We did the randomisation with a web-based system, assigning patients in blocks of four. Patients and investigators were masked to treatment assignment. Participants were allowed to re-enrol in subsequent cohorts. Our primary objective was to assess the safety and tolerability of ISIS 333611. Assessments were done during infusion and over 28 days after infusion. This study was registered with Clinicaltrials.gov, number NCT01041222. 

Findings

 Seven of eight (88%) patients in the placebo group versus 20 of 24 (83%) in the ISIS 333611 group had adverse events. The most common events were post-lumbar puncture syndrome (3/8 [38%] vs 8/24 [33%]), back pain (4/8 [50%] vs 4/24 [17%]), and nausea (0/8 [0%] vs 3/24 [13%]). We recorded no dose-limiting toxic effects or any safety or tolerability concerns related to ISIS 333611. No serious adverse events occurred in patients given ISIS 333611. Re-enrolment and re-treatment were also well tolerated. 

Interpretation

 This trial is the first clinical study of intrathecal delivery of an antisense oligonucleotide. ISIS 333611 was well tolerated when administered as an intrathecal infusion. Antisense oligonucleotides delivered to the CNS might be a feasible treatment for neurological disorders. 

Funding

 The ALS Association, Muscular Dystrophy Association, Isis Pharmaceuticals.

Abstract We registered 366 families in a study of dominantly inherited amyotrophic lateral sclerosis. Two hundred ninety families were screened for mutations in the gene encoding copper‐zinc cytosolic superoxide dismutase (SOD1). Mutations were detected in 68 families. The most common SOD1 mutation is an alanine for valine substitution in codon 4 (50%). We present clinical and genetic data concerning 112 families with 395 affected individuals. The clinical characteristics of patients with familial amyotrophic lateral sclerosis arising from SOD1 mutation are similar to those lacking SOD1 defects. Mean age at onset was earlier (Wilcoxon test, p = 0.004) in the SOD1 group (46.9 years [standard deviation, 12.5] vs 50.5 years [11.5] in the non‐SOD1 group). Bulbar onset was associated with a later onset age. The presence of either of two mutations, G37R and L38V, predicted an earlier age at onset. Kaplan‐Meier plots demonstrated shorter survival in the SOD1 group compared with the non‐SOD1 group at early survival times (Wilcoxon test, p = 0.0007). The presence of one mutation, A4V, correlated with shorter survival. G37R, G41D, and G93C mutations predicted longer survival. This information suggests it will be productive to investigate other genetic determinants in amyotrophic lateral sclerosis and to use epidemiological characteristics of the disease to help discern molecular mechanisms of motor neuron cell death.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a disorder marked by loss of motoneurons. We hypothesized that subjects with ALS would have an altered gait rhythm, with an increase in both the magnitude of the stride-to-stride fluctuations and perturbations in the fluctuation dynamics. To test for this locomotor instability, we quantitatively compared the gait rhythm of subjects with ALS with that of normal controls and with that of subjects with Parkinson's disease (PD) and Huntington's disease (HD), pathologies of the basal ganglia. Subjects walked for 5 min at their usual pace wearing an ankle-worn recorder that enabled determination of the duration of each stride and of stride-to-stride fluctuations. We found that the gait of patients with ALS is less steady and more temporally disorganized compared with that of healthy controls. In addition, advanced ALS, HD, and PD were associated with certain common, as well as apparently distinct, features of altered stride dynamics. Thus stride-to-stride control of gait rhythm is apparently compromised with ALS. Moreover, a matrix of markers based on gait dynamics may be useful in characterizing certain pathologies of motor control and, possibly, in quantitatively monitoring disease progression and evaluating therapeutic interventions.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive disease associated with neuronal cell death that is thought to involve aberrant immune responses. Here we investigated the role of innate immunity in a mouse model of ALS. We found that inflammatory monocytes were activated and that their progressive recruitment to the spinal cord, but not brain, correlated with neuronal loss. We also found a decrease in resident microglia in the spinal cord with disease progression. Prior to disease onset, splenic Ly6Chi monocytes expressed a polarized macrophage phenotype (M1 signature), which included increased levels of chemokine receptor CCR2. As disease onset neared, microglia expressed increased CCL2 and other chemotaxis-associated molecules, which led to the recruitment of monocytes to the CNS by spinal cord–derived microglia. Treatment with anti-Ly6C mAb modulated the Ly6Chi monocyte cytokine profile, reduced monocyte recruitment to the spinal cord, diminished neuronal loss, and extended survival. In humans with ALS, the analogous monocytes (CD14+CD16–) exhibited an ALS-specific microRNA inflammatory signature similar to that observed in the ALS mouse model, linking the animal model and the human disease. Thus, the profile of monocytes in ALS patients may serve as a biomarker for disease stage or progression. Our results suggest that recruitment of inflammatory monocytes plays an important role in disease progression and that modulation of these cells is a potential therapeutic approach.

Tofersen is an antisense oligonucleotide that mediates the degradation of superoxide dismutase 1 (SOD1) messenger RNA to reduce SOD1 protein synthesis. Intrathecal administration of tofersen is being studied for the treatment of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) due to SOD1 mutations.We conducted a phase 1-2 ascending-dose trial evaluating tofersen in adults with ALS due to SOD1 mutations. In each dose cohort (20, 40, 60, or 100 mg), participants were randomly assigned in a 3:1 ratio to receive five doses of tofersen or placebo, administered intrathecally for 12 weeks. The primary outcomes were safety and pharmacokinetics. The secondary outcome was the change from baseline in the cerebrospinal fluid (CSF) SOD1 concentration at day 85. Clinical function and vital capacity were measured.A total of 50 participants underwent randomization and were included in the analyses; 48 participants received all five planned doses. Lumbar puncture-related adverse events were observed in most participants. Elevations in CSF white-cell count and protein were reported as adverse events in 4 and 5 participants, respectively, who received tofersen. Among participants who received tofersen, one died from pulmonary embolus on day 137, and one from respiratory failure on day 152; one participant in the placebo group died from respiratory failure on day 52. The difference at day 85 in the change from baseline in the CSF SOD1 concentration between the tofersen groups and the placebo group was 2 percentage points (95% confidence interval [CI], -18 to 27) for the 20-mg dose, -25 percentage points (95% CI, -40 to -5) for the 40-mg dose, -19 percentage points (95% CI, -35 to 2) for the 60-mg dose, and -33 percentage points (95% CI, -47 to -16) for the 100-mg dose.In adults with ALS due to SOD1 mutations, CSF SOD1 concentrations decreased at the highest concentration of tofersen administered intrathecally over a period of 12 weeks. CSF pleocytosis occurred in some participants receiving tofersen. Lumbar puncture-related adverse events were observed in most participants. (Funded by Biogen; ClinicalTrials.gov number, NCT02623699; EudraCT number, 2015-004098-33.).

Sodium phenylbutyrate and taurursodiol have been found to reduce neuronal death in experimental models. The efficacy and safety of a combination of the two compounds in persons with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are not known.In this multicenter, randomized, double-blind trial, we enrolled participants with definite ALS who had had an onset of symptoms within the previous 18 months. Participants were randomly assigned in a 2:1 ratio to receive sodium phenylbutyrate-taurursodiol (3 g of sodium phenylbutyrate and 1 g of taurursodiol, administered once a day for 3 weeks and then twice a day) or placebo. The primary outcome was the rate of decline in the total score on the Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale-Revised (ALSFRS-R; range, 0 to 48, with higher scores indicating better function) through 24 weeks. Secondary outcomes were the rates of decline in isometric muscle strength, plasma phosphorylated axonal neurofilament H subunit levels, and the slow vital capacity; the time to death, tracheostomy, or permanent ventilation; and the time to death, tracheostomy, permanent ventilation, or hospitalization.A total of 177 persons with ALS were screened for eligibility, and 137 were randomly assigned to receive sodium phenylbutyrate-taurursodiol (89 participants) or placebo (48 participants). In a modified intention-to-treat analysis, the mean rate of change in the ALSFRS-R score was -1.24 points per month with the active drug and -1.66 points per month with placebo (difference, 0.42 points per month; 95% confidence interval, 0.03 to 0.81; P = 0.03). Secondary outcomes did not differ significantly between the two groups. Adverse events with the active drug were mainly gastrointestinal.Sodium phenylbutyrate-taurursodiol resulted in slower functional decline than placebo as measured by the ALSFRS-R score over a period of 24 weeks. Secondary outcomes were not significantly different between the two groups. Longer and larger trials are necessary to evaluate the efficacy and safety of sodium phenylbutyrate-taurursodiol in persons with ALS. (Funded by Amylyx Pharmaceuticals and others; CENTAUR ClinicalTrials.gov number, NCT03127514.).