Repeated periods of stimulation of the spinal cord and training increased the ability to control movement in animal models of spinal cord injury. We hypothesised that tonic epidural spinal cord stimulation can modulate spinal circuitry in human beings into a physiological state that enables sensory input from standing and stepping movements to serve as a source of neural control to undertake these tasks.A 23-year-old man who had paraplegia from a C7-T1 subluxation as a result of a motor vehicle accident in July 2006, presented with complete loss of clinically detectable voluntary motor function and partial preservation of sensation below the T1 cord segment. After 170 locomotor training sessions over 26 months, a 16-electrode array was surgically placed on the dura (L1-S1 cord segments) in December 2009, to allow for chronic electrical stimulation. Spinal cord stimulation was done during sessions that lasted up to 250 min. We did 29 experiments and tested several stimulation combinations and parameters with the aim of the patient achieving standing and stepping.Epidural stimulation enabled the man to achieve full weight-bearing standing with assistance provided only for balance for 4·25 min. The patient achieved this standing during stimulation using parameters identified as specific for standing while providing bilateral load-bearing proprioceptive input. We also noted locomotor-like patterns when stimulation parameters were optimised for stepping. Additionally, 7 months after implantation, the patient recovered supraspinal control of some leg movements, but only during epidural stimulation.Task-specific training with epidural stimulation might reactivate previously silent spared neural circuits or promote plasticity. These interventions could be a viable clinical approach for functional recovery after severe paralysis.National Institutes of Health and Christopher and Dana Reeve Foundation.

A bstract : Non‐patterned electrical stimulation of the posterior structures of the lumbar spinal cord in subjects with complete, long‐standing spinal cord injury, can induce patterned, locomotor‐like activity. We show that epidural spinal cord stimulation can elicit step‐like EMG activity and locomotor synergies in paraplegic subjects. An electrical train of stimuli applied over the second lumbar segment with a frequency of 25 to 60 Hz and an amplitude of 5‐9 V was effective in inducing rhythmic, alternating stance and swing phases of the lower limbs. This finding suggests that spinal circuitry in humans has the capability of generating locomotor‐like activity even when isolated from brain control, and that externally controlled sustained electrical stimulation of the spinal cord can replace the tonic drive generated by the brain.

After complete spinal cord transections that removed all supraspinal inputs in adult rats, combinations of serotonergic agonists and epidural electrical stimulation were able to acutely transform spinal networks from nonfunctional to highly functional and adaptive states as early as 1 week after injury. Using kinematics, physiological and anatomical analyses, we found that these interventions could recruit specific populations of spinal circuits, refine their control via sensory input and functionally remodel these locomotor pathways when combined with training. The emergence of these new functional states enabled full weight-bearing treadmill locomotion in paralyzed rats that was almost indistinguishable from voluntary stepping. We propose that, in the absence of supraspinal input, spinal locomotion can emerge from a combination of central pattern-generating capability and the ability of these spinal circuits to use sensory afferent input to control stepping. These findings provide a strategy by which individuals with spinal cord injuries could regain substantial levels of motor control.

Previously, we reported that one individual who had a motor complete, but sensory incomplete spinal cord injury regained voluntary movement after 7 months of epidural stimulation and stand training. We presumed that the residual sensory pathways were critical in this recovery. However, we now report in three more individuals voluntary movement occurred with epidural stimulation immediately after implant even in two who were diagnosed with a motor and sensory complete lesion. We demonstrate that neuromodulating the spinal circuitry with epidural stimulation, enables completely paralysed individuals to process conceptual, auditory and visual input to regain relatively fine voluntary control of paralysed muscles. We show that neuromodulation of the sub-threshold motor state of excitability of the lumbosacral spinal networks was the key to recovery of intentional movement in four of four individuals diagnosed as having complete paralysis of the legs. We have uncovered a fundamentally new intervention strategy that can dramatically affect recovery of voluntary movement in individuals with complete paralysis even years after injury.

The present prognosis for the recovery of voluntary control of movement in patients diagnosed as motor complete is generally poor. Herein we introduce a novel and noninvasive stimulation strategy of painless transcutaneous electrical enabling motor control and a pharmacological enabling motor control strategy to neuromodulate the physiological state of the spinal cord. This neuromodulation enabled the spinal locomotor networks of individuals with motor complete paralysis for 2–6 years American Spinal Cord Injury Association Impairment Scale (AIS) to be re-engaged and trained. We showed that locomotor-like stepping could be induced without voluntary effort within a single test session using electrical stimulation and training. We also observed significant facilitation of voluntary influence on the stepping movements in the presence of stimulation over a 4-week period in each subject. Using these strategies we transformed brain–spinal neuronal networks from a dormant to a functional state sufficiently to enable recovery of voluntary movement in five out of five subjects. Pharmacological intervention combined with stimulation and training resulted in further improvement in voluntary motor control of stepping-like movements in all subjects. We also observed on-command selective activation of the gastrocnemius and soleus muscles when attempting to plantarflex. At the end of 18 weeks of weekly interventions the mean changes in the amplitude of voluntarily controlled movement without stimulation was as high as occurred when combined with electrical stimulation. Additionally, spinally evoked motor potentials were readily modulated in the presence of voluntary effort, providing electrophysiological evidence of the re-establishment of functional connectivity among neural networks between the brain and the spinal cord.

(1) Background: Neurological deficits associated with coronavirus disease (COVID-19) exacerbate respiratory dysfunction, necessitating rehabilitation strategies that address both. Previous studies have demonstrated that spinal cord transcutaneous stimulation (scTS) can facilitate the excitation of respiratory spinal neural networks in patients with post-COVID-19 syndrome. This study evaluates the efficacy of combining scTS with respiratory training (RT) to improve respiratory function in individuals with post-COVID-19 pulmonary deficits; (2) Methods: In this before-after, case-controlled clinical trial, five individuals with post-acute COVID-19 respiratory deficits participated in two interventional programs: 10 daily sessions of respiratory training (RT), followed by 10 daily sessions of scTS combined with RT (scTS + RT). Forced vital capacity (FVC), peak inspiratory flow (PIF), peak expiratory flow (PEF), time-to-peak inspiratory flow (tPIF), and time-to-peak expiratory flow (tPEF) were assessed at baseline and after each program; (3) Results: Compared to RT alone, the scTS + RT intervention resulted in an average effect size that was twice as large, with significant increases in FVC and PEF, and a significant decrease in tPEF; (4) Conclusions: The scTS-induced activation of respiratory neuronal networks, when combined with respiratory training, offers a promising therapeutic approach for treating persistent respiratory deficits in patients with post-acute COVID-19 syndrome.