CC BY
68
УДК 612.816; 612.834
ИЗМЕНЕНИЕ СИЛОВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЫШЦ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ПРИ ЧРЕСКОЖНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ
СПИННОГО МОЗГА
Р.Н. Якупов1, Ю.М. Балыкин1, Е.Ю. Котова1, М.В. Балыкин1,
Ю.П. Герасименко2
ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», 2ФГБУН «Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН», г. Санкт-Петербург
В работе представлены результаты исследования изменений интегральной силы мышц нижних конечностей при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга с использованием различных условий воздействия и частотных режимов в сочетании с активацией проприорецепторного аппарата. При одиночной стимуляции (1 Гц) и мультисег-ментарной стимуляции спинного мозга с частотами 1 и 5 Гц отмечено увеличение силовых показателей мышц нижних конечностей по сравнению с данными контроля. При мультисегментарной стимуляции спинного мозга с частотами 30 и 5 Гц выявлено наибольшее увеличение силовых показателей мышц нижних конечностей.
Ключевые слова: электрическая стимуляция, спинной мозг, механостимуляция, генераторы шагательных движений.
Введение. Известно, что в локомоции животных важная роль принадлежит генераторам шагательных движений (ГШД), внут-рицентральным нейронным механизмам, способным генерировать циклическую активность даже в условиях отсутствия супраспи-нальных влияний (спинализация), периферических обратных связей (деафферентация) и реальных движений конечностей (фиктивная локомоция при кураризации) [15]. Долгое время существование ГШД у высших млекопитающих, включая человека, ставилось под сомнение в связи с отчетливо выраженной це-фализацией двигательных функций [13]. Во многом это было связано с отсутствием адекватных методов, способных вызвать непроизвольные шагательные движения у человека.
Определенные предпосылки для доказательства существования спинального генератора шагания у человека появились после того, как в экспериментах на спинальных пациентах посредством эпидуральной электрической стимуляции дорсальной поверхности спинного мозга [1, 10, 14] или в результате продолжительных тренировок на тредбане [9] удалось вызвать ритмическую активность в
нижних конечностях, сопровождающуюся соответствующим электромиографическим ответом мышц ног. Недавно был предложен неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений с использованием вибрации мышц ног и электромагнитной стимуляции спинного мозга. Было установлено, что вибрация сухожилий мышц бедра инициирует у испытуемых в положении лежа на боку с внешней поддержкой ног непроизвольные шагательные движения [4]. При аналогичном положении испытуемого с поддержкой массы ног непроизвольные шага-тельные движения у здоровых испытуемых вызывала также и электромагнитная стимуляция ростральных сегментов поясничного отдела спинного мозга [4, 12]. Другой способ воздействия на ГШД - это активация проприорецепторного аппарата [6]. Именно возможность активировать ГШД спинного мозга посредством стимуляции рецепторов конечностей составляет методологическую основу механической терапии, обеспечивающей инициацию принудительных шагательных движений с целью восстановления утраченных двигательных функций. Важным свойст-
вом спинного мозга, существенным для терапии нарушений двигательной функции, является и нейропластичность - способность нервной ткани к структурно-функциональной перестройке. Доказано, что нейропластич-ность повышается в процессе многократного целенаправленного повторения движений [8].
Вместе с тем исследование механизмов действия неинвазивной электростимуляции на структуры спинного мозга, оптимальных частотных режимов и методов сочетания каналов воздействия ограничивается единичными работами.
Цель исследования. Анализ изменений интегральной силы мышц нижних конечностей при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга с использованием различных частотных режимов в сочетании с применением активации проприорецепторно-го аппарата.
Материалы и методы. В исследовании приняли участие 15 практически здоровых испытуемых мужского пола в возрасте от 19 до 25 лет. В соответствии с принципами Хельсинской декларации было получено информированное письменное согласие испытуемых на участие в исследованиях.
Испытуемые располагались лежа на спине на кушетке специализированного аппаратно-программного комплекса для чрескожной стимуляции спинного мозга и механотерапии, разработанного для лечения пациентов с вертеброспинальной патологией (ООО «Косима»). Этот комплекс позволяет задавать режимы и определенные параметры двигательной активности, а система искусственной биологической обратной связи снабжает испытуемого информацией о параметрах движений его нижних конечностей.
Данное исходное положение испытуемых обеспечивало возможность для перемещения ног по параметрам, заданным аппаратно-программным комплексом. Согласно методике, испытуемые должны были лежать спокойно и не препятствовать (не способствовать) выполнению навязанных движений, вызываемых электрической стимуляцией спинного мозга и аппаратно-программным комплексом.
Стимулирующие электроды (катоды), каждый в виде диска диаметром 2,5 см, изготов-
ленного из токопроводящего пластика (Lead-Lok, Sand Point, США), располагали по средней линии позвоночника на уровне грудных (Т11-Т12) и поясничных (L2-L3) позвонков (в случае применения мультисегментарной стимуляции) между остистыми отростками. Индифферентные электроды (аноды) - пластины прямоугольной формы 5x10,2 см (Ambu, Ballerup, Германия) - располагали симметрично на коже над гребнями подвздошных костей. В качестве воздействия использовали прямоугольные биполярные электрические стимулы длительностью 0,5 мс; величину тока подбирали индивидуально для каждого испытуемого в зависимости от уровня порога.
Исследование проводилось по следующему протоколу.
На первом этапе регистрировали интегральную силу, развиваемую при навязанных движениях в коленном и тазобедренном суставах правой и левой ноги, с помощью датчиков силы, размещенных в приводах голеностопных суставов тренажера (контроль).
Далее регистрировалась интегральная сила, развиваемая при навязанных движениях в коленном и тазобедренном суставах правой и левой ноги при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) со следующими условиями.
Условие 1. Стимуляция по одному каналу: уровень стимуляции Т11-Т12, частота стимуляции 1 Гц.
Условие 2. Мультисегментарная стимуляция (2 канала): 1-й канал - Т11-Т12, 1 Гц; 2-й канал - L2-L3, 5 Гц.
Условие 3. Мультисегментарная стимуляция (2 канала): 1-й канал - Т11-Т12, 30 Гц; 2-й канал - L2-L3, 5 Гц.
Длительность стимуляции при каждом условии составляла 5 мин, перерыв между стимуляциями - 2 мин. При помощи оригинальной аппаратной программы обработки рассчитывали средние силы при движении обеих ног в разные фазы шагательного цикла.
Оценивали влияние ЧЭССМ при каждом условии на интегральную силу (F) мышц нижних конечностей по отношению к контролю, что позволило сравнить изменения силы при различных вариантах параметров стимуляции.
Статистическая обработка данных производилась с применением пакета стандартных компьютерных программ Statistika.
Результаты и обсуждение. Исследования последних лет свидетельствуют о возможности инициации непроизвольных (вызванных) шагательных движений у здоровых людей при электростимуляции спинного мозга в накожной проекции поясничных сегментов спинного мозга на уровне Т11-Т12 [7]. При этом установлено, что стимуляция с частотой 1 Гц вызывает рефлекторные ответы в мышцах ног, а стимуляция с частотами в диапазоне от 5 до 40 Гц - непроизвольные
шагательные движения. Ранее проведенные нами исследования показали, что использование различных по частоте и силе электрических стимулов, вариаций продолжительности их воздействия в ходе курса ЧЭССМ приводит к изменениям возбудимости и проводимости нейронных структур на уровне сегментарного аппарата спинного мозга [2]. В проведенном исследовании были изучены изменения силовых значений мышц нижних конечностей при одиночной и мультисегмен-тарной стимуляции спинного мозга с использованием различных частотных режимов (табл. 1).
Таблица 1
Силовые характеристики мышц нижних конечностей при различных режимах чрескожной стимуляции спинного мозга (M±m), кг
F на разгибании, левая нога F на разгибании, правая нога F на сгибании, левая нога F на сгибании, правая нога
Контроль 7,1±1,3 6,1±0,6 13,0±0,7 12,0±0,1
Условие 1 7,4±0,5 6,8±0,8 14,0±1,1 14,1±0,2*
Условие 2 6,9±1,2 7,1±0,2* 14,1±0,6 13,5±0,5*
Условие 3 7,9±1,2 6,8±1,2 15,4±1,4* 14,4±1,4*
Примечание. * - различия достоверны по сравнению с контролем, р<0,05.
Результаты исследования показали, что при одноканальной стимуляции спинного мозга с частотой 1 Гц (условие 1) происходит увеличение силовых показателей мышц нижних конечностей по сравнению с данными контроля. Так, сила мышц левой ноги в фазу разгибания составила 7,4±0,5 кг, что на 4,2 % больше, чем в контроле. При этом у 9 из 15 испытуемых сила мышц увеличилась, у 3 - практически не изменилась, у 3 - уменьшилась. Сила мышц правой ноги в фазу разгибания варьировала в диапазоне от 5 до 9 кг и составила в среднем 6,8±0,8 кг, что на 11,4 % больше контрольных данных; у 11 испытуемых было отмечено увеличение силы. В фазе сгибания выявлено увеличение силовых показателей мышц левой ноги у 10 испытуемых и мышц правой ноги у 11 испытуемых, при этом силовые характеристики варьировали в пределах 13-19 кг для левой ноги и 12-18 кг для правой. Прирост силы составил 7,6 и 17,5 % для левой и правой но-
ги соответственно. Можно полагать, что увеличение силовых показателей мышц нижних конечностей является следствием влияния ЧЭССМ на спинальные системы регуляции шагательных движений с участием дорсальных корешков с их моно- и полисинаптиче-скими проекциями к моторным ядрам [7]. С другой стороны, имеются данные, свидетельствующие о важности сенсорного входа от рецепторов конечностей в активации генераторов шагательных движений [5, 11, 16].
При мультисегментарной стимуляции спинного мозга с частотами 1 и 5 Гц (условие 2) также было отмечено увеличение силовых показателей мышц нижних конечностей по сравнению с данными контроля. Так, сила мышц правой ноги в фазу разгибания составила 7,1±0,2 кг, что на 16,3 % больше, чем в контроле, при этом сила мышц левой ноги в фазу разгибания изменилась незначительно. В фазу разгибания прирост мышечных усилий составил 8,4 % для левой ноги и 17,5 % для правой.
При мультисегментарной стимуляции спинного мозга с частотами 30 и 5 Гц (условие 3) было выявлено наибольшее из всех использованных нами параметров стимуляции увеличение силовых показателей мышц нижних конечностей в фазе сгибания. Разброс показателей составил 13-19 кг для левой ноги и 13-18 кг для правой. Изменения по сравнению с контролем составили 18,4 и 20 % для левой и правой конечности соответственно, при этом сила мышц левой ноги увеличилась у 12 испытуемых, сила мышц правой ноги - у 13. В фазе разгибания прирост составил 11,2 и 11,4 % для левой и правой ноги соответственно, у 10 испытуемых увеличилась сила мышц правой ноги, у 12 -левой. Важной характеристикой, определяющей свойства моторного выхода, является частота стимуляции [7].
Сравнивая два мультисегментарных режима, можно отметить, что наибольший результат был достигнут при стимуляции с более высокой частотой (30 и 5 Гц - условие 3), что не противоречит данным авторов [7], согласно которым при высокой частоте стимуляции амплитуда вызванных шагательных движений, как правило, выше.
Анализ вышеуказанных данных свидетельствует о том, что максимальных изменений мышечных усилий можно добиться при режимах с мультисегментарной стимуляцией спинного мозга. Результаты исследований подтверждают данные [3], согласно которым мультисегментарная ЧЭССМ увеличивает амплитуду движений в суставах по сравнению с любой из исследованных одиночных стимуляций; происходит не линейное сложение эффектов каждой из одиночных стимуляций, а преумножение результатов, синергия. Мультисегментарная стимуляция вовлекает голеностопный сустав в движение с большей вероятностью, чем любая из одиночных стимуляций.
Заключение. Таким образом, результаты исследования показали, что ЧЭССМ способствует увеличению силовых показателей мышц нижних конечностей на фоне навязанных движений. При этом прирост силовых характеристик установлен при всех использованных режимах стимуляции, однако наи-
больший эффект отмечен при мультисегмен-тарной стимуляции спинного мозга с частотами 30 и 5 Гц. Результаты исследования открывают перспективы использования режимов мультисегментарной электрической стимуляции спинного мозга для увеличения функциональных показателей скелетных мышц в спортивной практике и коррекции двигательных функций пациентов с повреждениями спинного мозга.
1. Герасименко Ю. П. Спинальные механизмы регуляции двигательной активности в отсутствии супраспинальных влияний : автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Ю. П. Герасименко. - СПб., 2000. - 35 с.
2. Изменение свойств нейронных структур поясничных спинномозговых сегментов при чре-скожной электрической стимуляции спинного мозга / Р. Н. Якупов [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1. - URL: www.science-education.ru/121-18367.
3. Мультисегментарная стимуляция спинного мозга: новый способ управления локомоторной функцией / Ю. П. Герасименко [и др.] // Материалы VII Всероссийской школы-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности «Новые подходы к изучению классических проблем». - М., 2013. - С. 57.
4. Новый способ активации генераторов ша-гательных движений у человека / Р. М. Городни-чев [и др.] // Физиология человека. - 2010. -№ 6. - С. 95.
5. Ранняя двигательная реабилитация в остром периоде инсульта с использованием аппаратно-программного лечебно-диагностического комплекса «Вертикаль» / А. И. Федин [и др.] // Журн. неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова. -2009. - № 5. - С. 49-56.
6. Существует ли генератор шагательных движений у человека? / В. С. Гурфинкель [и др.] // Физиология человека. - 1998. - № 3. - С. 42.
7. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивый способ активации генераторов шагательных движений у человека / Р. М. Городничев [и др.] // Физиология человека. - 2012. - № 2. - С. 46-56.
8. Cheatwood J. L. Neuronal plasticity and functional recovery after ischemic stroke / J. L. №eat-wood, A. J. Emerick, G. L. Kartje // Topics in Stroke Rehabilitation. - 2008. - Vol. 15. - P. 42-50.
9. Dietz V. Locomotor activity in spinal cord-injured persons / V. Dietz, S. J. Harkema // The J. of Applied Physiology. - 2004. - Vol. 96.
10. Dimitrijevic M. Evidence for a spinal central pattern generator in humans / M. Dimitrijevic, Yu. Gerasimenko, M. Pinter // Annals of the New
York Academy of Sciences. - 1998. - Vol. 860. -P. 360.
11. Gait analysis on the treadmill - monitoring exercise in the treatment of paraplegia / R. Abel [et al.] // Spinal Cord. - 2002. - № 1. - P. 17-22.
12. Novel and direct access to the human locomotor spinal circuitry / Y. Gerasimenko [et al.] // The J. of Neuroscience. - 2010. - Vol. 30. -P. 3700.
13.Recovery of locomotion in monkeys with spinal cord lesions / J. A. Vilensky [et al.] // J. of Motor Behavior. - 1992. - Vol. 24. - P. 288.
14. Shapkova E. Yu. Spinal Locomotor Capability Revealed by Electrical Stimulation of the Lumbar Enlargement in Paraplegic Patients / E. Yu. Shapkova // Progress in Motor Control. - Champaign : Human Kinetics, 2003. - P. 254.
15. The effect of DOPA on the spinal cord / E. Jankowska [et al.] // Acta Physiologica Scan-dinavica. - 1967. - Vol. 70. - P. 389.
16. Wirz M. Long term effects of locomotor training in spinal humans / M. Wirz, G. Colombo, V. Dietz // J. of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. - 2001. - Vol. 71, № 1. - P. 93-96.
THE CHANGE IN STRENGTH OF THEMUSCLES OF THE LOWER LIMBS IN TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL STIMULATION OF THE SPINAL CORD
R.N. Yakupov1, Y.M. Balykin1, E.Y. Kotova1, M.V. Balykin1, Y.P. Gerasimenko2
1Ulyanovsk State University, 2I.P. Pavlov Institute of Physiology RAN, St.-Petersburg
The paper presents the results of a study of changes the integral strength of the muscles of the lower limbs in transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord, using different frequency modes in combination with the use of activation proprioreceptors apparatus. We examined 15 adult healthy male subjects. Transcutaneous electrical stimulation was carried out using different conditions of impact on the structure of the spinal cord. The data obtained showed that with single spinal cord stimulation (1 Hz) and multisegment stimulation of spinal cord with frequencies of 1 and 5 Hz indicates that the increased strength of the muscles of the lower limbs compared to the control. When multisegment stimulation of spinal cord with frequencies of 30 and 5 Hz was the highest of all the parameters used by us stimulation increased strength of the muscles of the lower extremities.
Keywords: electrical stimulation, spinal cord, mechanistically, generators shagadelic movements.
