CC BY
14эффекты чрескожнои электрическом стимуляции
спинного мозга на кинематические
и электромиографические параметры
скоростных циклических движении
УДК/UDC 612.83
Поступила в редакцию 15.03.2022 г.
Информация для связи с автором: barckanov.max@yandex.ru
Аспирант М.Г. Барканов1
Доктор биологических наук, профессор Р.М. Городничев1
Кандидат биологических наук С.А. Моисеев1
Кандидат педагогических наук, доцент В.Н. Шляхтов1
великолукская государственная академия физической культуры и спорта, Великие Луки
EFFECTS OF PERCUTANEOUS ELECTRiCAL SPiNAL CORD STiMULATiON ON KiNEMATiC AND ELECTROMYOGRAPHiC PARAMETERS OF HiGH SPEED CYCLiC MOVEMENTS
Postgraduate student M.G. Barkanov1 Dr. Biol., Professor R.M. Gorodnichev1 PhD S.A. Moiseev1
PhD, Associate Professor V.N. Shlyakhtov1
1 Velikiye Luki State Academy of Physical Education and Sports, Velikiye Luki
Аннотация
Цель исследования - выявить влияние чрескожной электрической стимуляции спинного мозга, наносимой в определенные периоды бегового цикла, на координационную структуру скоростных циклических движений. Методика и организация исследования. В экспериментах участвовали девять практически здоровых легкоатлетов мужского пола в возрасте от 18 до 23 лет. Испытуемые выполняли проталкивание пассивной ленты тредбана в течение 10 с без стимуляции и в течение 10 секунд с мультисегментарной стимуляцией спинного мозга на уровнях Т11-Т12 и L1-L2. Стимуляция на уровне Т11-Т12 наносилась в период переноса, а во время опоры ноги стимулировали область L1-L2.
Результаты исследования и выводы. Мультисегментарная стимуляция структур спинного мозга увеличивала длительность, скорость и дистанцию антропометрических точек сегментов тела в периоде переноса. Установлено, что стимуляция в области L1-L2 позвонков в период опоры вызывала повышение ЭМГ-активности экстензорных мышц VL и GM, а стимуляция в области Т11-Т12 позвонков во время переноса увеличивала электроактивность флексорных мышц BF и ТА в периоде переноса.
Ключевые слова: чрескожная электрическая стимуляции спинного мозга, электромиография, спинной мозг, беговой шаг.
Abstract
Objective of the study was to reveal the effect of transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord, applied during certain periods of the running cycle, on the coordination structure of high-speed cyclic movements. Methods and structure of the study. The experiments involved nine practically healthy male athletes aged 18 to 23 years. The subjects performed pushing the passive treadmill for 10 seconds without stimulation and for 10 seconds with multisegmental stimulation of the spinal cord at the levels T11-T12 and L1-L2. Stimulation at the level of T11-T12 was applied during the transfer period, and during support, the legs stimulated the area L1-L2.
Results and conclusions. Multisegmental stimulation of spinal cord structures increased the duration, speed, and distance of anthropometric points of body segments during the transfer period. It was found that stimulation in the area of L1-L2 vertebrae during the stance period caused an increase in EMG activity of the extensor muscles VL and GM, and stimulation in the area of T11-T12 vertebrae during the transfer increased the electrical activity of the flexor muscles BF and TA during the transfer period.
Keywords: transcutaneous electrical spinal cord stimulation, electromyography, spinal cord, running step.
Введение. Экспериментальными исследованиями доказано, что неинвазивная чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга (ЧЭССМ) является эффективным методом активации спинальных нейронных локомоторных сетей, имеющим важное значение в управлении двигательных функциями человека [2, 6]. При таком методе стимуляция спинного мозга осуществляется электрическими импульсами, моделируемыми высокочастотной составляющей 5-10 кГц, что позволяет активировать структуры спинного мозга без болезненных ощущений. В первых исследованиях с применением данного метода электрическое воздействие наносилось на поясничное утолщение спинного мозга в области Т11-Т12 позвонков [6]. Непрерывная электрическая стимуляция спинного мозга, локализованная на указанном
уровне спинного мозга успешно применялась для повышения функциональных и физических возможностей спортсменов [4]. В последующих работах особое внимание уделялось выяснению возможностей управления кинематическими и электромиографическими параметрами, регистрируемыми в ходе локомоторных движений, посредством ЧЭССМ, избирательно активирующей флексорные и экстензорные мотонейронные пулы [5, 7]. Заметим, что в работах по изучению влияния ЧЭССМ на активность спинальных моторных пулов, эксперименты проводились на испытуемых, выполняющих обычную ходьбу в произвольном и удобном для них темпе, то есть двигательной модели - относительно несложной по координации движений и небольшими по величине усилиями мышц [1].
□ и
£ г. CL
ч—
О 0J и
CL ' -о с га
Ii
О (U .с Н
Цель исследования - выявить влияние чрескожной электрической стимуляции спинного мозга, наносимой в определенные периоды бегового цикла, на координационную структуру скоростных циклических движений.
Методика и организация исследования. В экспериментах участвовали девять практически здоровых легкоатлетов мужского пола в возрасте от 18 до 23 лет. Испытуемые выполняли проталкивание пассивной ленты тредбана (Cosmos Saturn, Германия) в течение 10 секунд с максимально возможной скоростью держась за поручни беговой дорожки.
ЧЭССМ осуществлялась с помощью пятиканального стимулятора «БиоСтим-5» (ООО «Косима», Россия). Активные электроды из токопроводящей резины диаметром 3 см располагались накожно в области Т11-Т12 и L1-L2 позвонков, между остистыми отростками со смещением от средней линии вправо на 5 мм. Стимуляция на уровне Т11-Т12 наносилась в период переноса, а во время опоры ноги стимулировали область L1-L2 (рис. 1). Индифферентные накожные электроды из токопроводящей резины размером 5х9 см располагались на гребнях подвздошных костей. Сила электрической стимуляции подбиралась индивидуально для каждого и находилась в диапазоне от 30 до 60 мА. Импульсы имели прямоугольную форму заполненные несущей частотой 10 кГц. Частота следования импульсов составляла 30 Гц, длительность импульсов - 0,5 мс.
Регистрировали среднюю амплитуду ЭМГ-активности мышц нижних конечностей m. vastus lateralis (VL), m.biceps femoris (BF), m.gastrocnemius medialis (GM), m.tebialis anterior (TA) посредством 16-канального электронейромиографа МЕ-6000 (Финляндия). Зарегистрированные ЭМГ усреднялись в интервалах 0,002 с и нормировали к единице стандартного отклонения [3]. Для регистрации кинематических характеристик движений нижних конечностей, использовали систему 3D-видеозахвата движений Qualisys (Швеция). Рассчитывали среднегрупповые значения: продолжительности периодов бегового шага; дистанции и скорости перемещения антропометрических точек правой стороны тела в 3D пространстве: верхнеберцовой (Вбц), нижнеберцовой (Нбц) и конечной (Кнч).
Для анализа беговой шаг был разделен на период переноса - с момента отрыва ноги от места опоры до момента постановки ноги на опору и период опоры - с момента постановки ноги на место опоры до момента отрыва ноги от опоры.
Результаты исследования и их обсуждение. Длительность бегового шага при проталкивании пассивной дорожки
Рис. 1. Кинематограмма (А), локализация ЧЭССМ (Б), детектирование периодов бегового цикла (В), траектории движений антропометрических точек нижней конечности (Г)
Рис. 2. Образцы ЭМГ скелетных мышц при проталкивании ленты тредбана в обычных условиях и при ЧЭССМ. ЭМГ на рисунке выпрямлены и нормированы к единице стандартного отклонения. По оси абсцисс - динамика цикла шага, по оси ординат - условные единицы. Сплошная и пунктирные линии сглаженные ЭМГ (отрицательное экспоненциальное сглаживание, а=0.05)
без стимуляции составляла 0,51±0,2 с. Длительность переноса - 0,19 ± 0,01 с, а опоры - 0,32±0,2 с. Дистанция, пройденная антропометрическими точками, определяла размах движений в различные периоды бегового шага. Во время периода опоры дистанция составляла: Вбц - 0,53±0,01 м; Нбц -0,64±0,01 м; Кнч - 0,72±0,01 м. В периоде переноса дистанция была практически в два раза больше, чем в фазе опоры (Вбц - 0,88±0,01 м; Нбц - 1,15±0,02 м; Кнч - 1,39±0,02 м). Скорость перемещения Вбц в периоде опоры составляла 2,70±0,03 м/с, а в периоде переноса - 2,70±0,02 м/с. Скорость перемещения Нбц и Кнч в периоде опоры и переноса составляла 3,28±0,04 м/с, 3,5±0,04 м/с и 3,7±0,04 м/с, 4,3±0,05 м/с, соответственно. Средняя амплитуда биопотенциалов мышц голени GM и ТА в периоде опоры составила 129,6±7,8 мкВ и 255,6±8,15 мкВ, соответственно. В периоде переноса амплитуда биопотенциалов достигала 267,3±6,9 мкВ ^М) и 206,5±5,3 мкВ (ТА). ЭМГ-активность VL в периодах опоры равнялась 122,17±7,08 мкВ, в периоде переноса - 229,06± 9,04 мкВ. У BF составила 216,01±9,27 мкВ, 213,08±7,23 мкВ в периоде опоры и переноса, соответственно.
Мультисегментарная электрическая стимуляция спинного мозга привела к увеличению дистанции пройденной антропометрическими точками в периоде переноса в среднем на 2 %, что привело к увеличению длительности бегового шага на 2 %%, относительно проталкивания без стимуляции за счет достоверного увеличения длительности периода переноса на 3 %% (р<0,05), а длительность периода опоры оставалась неизменной. Зарегистрирована тенденция к повышению скорости перемещения, исследуемых антропометрических точек (Вбц, Нбц, Кнч), в периоде переноса (0,05 %%, 0,5 %, 0,5 %%). Детальный анализ скорости по осям движения показал, что по сагиттальной оси в фазе переноса наблюдается прирост скорости во всех исследуемых антропометрических точках на 0,4 0%, 1,9 0%, 0,5 0% (р<0,05), соответственно. По вертикальной оси зарегистрирована тенденция к повышению скорости в периоде переноса у Нбц на 1,7 0%.
На рисунке 2 представлены образцы ЭМГ-активности мышц нижних конечностей при проталкивании дорожки без стимуляции и при воздействии ЧЭССМ. Установлено, что средняя амплитуда биопотенциалов мышц нижних конечностей в периоде опоры повысилась ^М - 49, 0% (р<0,05), VL - 39,5 "/о (р<0,05), BF - 0,4 0) во всех исследуемых мышцах кроме ТА, где активность снизилась на 7,4 00 (р>0,05). В периоде переноса наоборот повысилась активность ТА (2 00 (р<0,05) и BF (2,08 00), а у GM, VL снизилась на 8,7 00 (р<0,05), 9,9 0, соответственно.
38
http://www.teoriya.ru
№5^ 2022 Май | May
При воздействии мультисегментарной стимуляции на структуры спинного мозга установлено, что активация эстензорных моторных пулов (L1-L2) в период опоры вызывала повышение ЭМГ-активности экстензорных мышц VL и GM, а стимуляция флексорных моторных пулов (Т11-Т12) во время переноса увеличивала электроактивность флексорных мышц BF и TA в периоде переноса. Увеличение амплитуды электрической активности основных работающих мышц при беге, на наш взгляд, может быть обусловлено повышением нейро-нальной активности мотонейронного пула этих мышц под влиянием стимуляции, что приводит к рекрутированию большего количества двигательных единиц исследуемых мышц.
Выводы. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга, наносимая в определенные периоды бегового шага, существенно увеличивала длительность, скорость и дистанцию антропометрических точек сегментов тела в периоде переноса. Такие изменения кинематических параметров при стимуляции сопровождались возрастанием электроактивности скелетных мышц, принимающих активное участие в реализации отталкивания при нахождении ноги на опоре - GM и VL и при осуществлении сгибания в периоде переноса - TA и BF. Электростимуляция, направленная на преимущественное рекрутирование мышц сгибателей и разгибателей нижних конечностей, в соответствующие периоды цикла бегового шага активирует нейрональные структуры спинного мозга, обеспечивающие реализацию скоростных беговых двигательных действий, и может быть использована как средство повышения эффективности маховых движений у спортсменов-легкоатлетов.
Литература
1. Городничев, Р.М. Регуляция фаз шагательного цикла при неин-вазивной электрической стимуляции спинного мозга/ Р.М. Городничев, Пухов А.М., С.А. Моисеев и др. // Физиология человека. - 2021. - Т. 47. - № 1. - С. 73-83.
Городничев, Р.М. Чрезкожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека / Р.М. Городничев, Е.А. Пивоварова, А.Пухов и др. // Физиология человека. - 2012. - Т. 38. - № 2. - С. 46. Кильдишев, Г.С. Анализ временных рядов и прогнозирование / Г.С. Кильдишев. - М.: Статистика, 1973. - 101 с. Михайлова, Е.А. Особенности биомеханических характеристик бегового шага при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга / Е.А. Михайлова, М. Г. Барканов // Наука и спорт: современные тенденции. - 2018. - Т. 21. - № 4. - С. 25-29.
References
Gorodnichev R.M., Pukhov A.M., Moiseev S.A. et al. Regulyaciya faz shagatelnogo cikla pri neinvazivnoj elektricheskoj stimulyacii spinnogo mozga [Regulation of phases of the stepping cycle during non-invasive electrical stimulation of the spinal cord]. Fiziologiya cheloveka. 2021. Vol. 47. No. 1. pp. 73-83.
Gorodnichev R.M., Pivovarova E.A., Pukhov A.M. et al. Chrezkozhnaya elektricheskaya stimulyaciya spinnogo mozga: neinvazivnyj sposob aktivacii generatorov shagatelnyh dvizhenij u cheloveka [Transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord: a noninvasive method for activating generators of stepping movements in humans]. Fiziologiya cheloveka. 2012. Vol. 38. No. 2. p. 46. Kildishev G.S. Analiz vremennyh ryadov i prognozirovanie [Time series analysis and forecasting]. Moscow: Statistika publ., 1973. 101p. Mikhailova E.A., Barkanov M.G. Osobennosti biomekhanicheskih harakteristik begovogo shaga pri chreskozhnoj elektricheskoj stimulyacii spinnogo mozga [Features of the biomechanical characteristics of the running step during transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord]. Nauka i sport: sovremennye tendencii. 2018. Vol. 21. No. 4. pp. 25-29.
A Five-Channel Noninvasive Electrical Stimulator of the Spinal Cord for Rehabilitation of Patients with Severe Motor Disorders / A.A. Grishin, T.R. Moshonkina, Y.P. Gerasimenko [et al.] // Biomedical Engineering. 2017. Vol. 50. No 5. P. 300-304. Initiation and modulation of locomotor circuitry output with multisite transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord in noninjured humans/ Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Puhov A., at all //J Neurophysiol. 2015. 113 (3). P. 834.
Spinal segment-specific transcutaneous stimulation differentially shapes activation pattern among motor pools in humans / D.G. Sayenko, C. Angeli, S.J. Harkema [et al.] // Journal of Applied Physiology. 2015. Vol. 118. No 11. P. 1364-1374.
ИЗ ПОРТФЕЛЯ РЕДАКЦИИ
понятие «двигательная активность» в теории построения движения
Доктор биологических наук, профессор Г.П. Иванова1
1Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта
УДМ^С 796.01
Ключевые слова: кинезиология, двигательное действия, алгоритм, понятие.
Введение. Понятийный аппарат теории и методики спорта требует развития и обсуждения в рамках междисциплинарного подхода.
Цель исследования - интерпретация понятия «двигательная активность» в научных трудах В.К. Бальсевича.
Результаты исследования и их обсуждение. В содержание понятия «двигательная активность», в отличие от «рефлекторного движения», входит решение последовательных задач, связанных с умением исполнителя адаптироваться к обстановке, противодействовать возникающим силам внешнего и внутреннего происхождения, находить необходимую тактику и применять целесообразные технические приемы для ведения спортивной борьбы. Подбор представлений о модели подготовки определяется уровнем обучения или совершенствования спортсмена в зависимости от качества его научной школы и учебно-тренировочного процесса.
В.К. Бальсевич логично вводит свое определение двигательной активности, как «целенаправленное осуществление человеком двигательных действий, нацеленных на со-
THE CONCEPT OF "MOTOR ACTiViTY" iN THE THEORY OF CONSTRUCTiON OF MOVEMENT
Dr. Biol., Professor G.P. Ivanova1 1Lesgaft National State University of Physical Education, Sports and Health, St. Petersburg
Поступила в редакцию 02.04.2022 г.
вершенствование различных показателей его физического потенциала» [1]. В то же время «целенаправленность» им определяется как алгоритм последовательности «действий», обоснованной Н.А. Бернштейном:
• восприятие и оценка индивидом ситуации, своего состояния и двигательных возможностей;
• установка индивида: «стать» вместо того, что «есть»;
• индивид определяет то, «что ему надо сделать» с применением двигательной активности,
• индивид решает, «как это надо сделать» с помощью наличных двигательных ресурсов.
Вывод. В настоящее время становится актуальным пересмотр содержания научных понятий с позиции кинезиологи-ческого знания, заложенного теоретиком спортивной науки В.К. Бальсевичем, и адаптации их к современной практике подготовки специалистов в области спорта и физической культуры.
Литература
1. Бальсевич В.К. Онтокинезиология человека: монография / В.К. Бальсевич. - М.: Теория и практика физической культуры, 2000. - 275 с.
Информация для связи с автором: gpiva@mail.ru
