CC BY
55
НОРМАЛЬНАЯ И ПАТОЛОГИЧЕСКАЯ
ФИЗИОЛОГИЯ
УДК 612.832; 612.833.8; 612.834
ИЗУЧЕНИЕ УРОВНЯ ВОЗБУДИМОСТИ КОРТИКОСПИНАЛЬНЫХ И НЕРВНО-МЫШЕЧНЫХ структур У ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СПОРТА
О.В. Ланская, Е.В. Ланская, Е.Ю. Андриянова
ФГБОУ ВПО «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта»
Представленные в статье данные показывают, что спортсмены, специализирующиеся в легкоатлетическом беге на длинные и средние дистанции, а также в баскетболе, имеют более высокий уровень возбудимости мотонейронов коры головного мозга, шейных спи-нальных мотонейронов и двигательных аксонов, иннервирующих мышцы плеча, предплечья и кисти, по сравнению с пауэрлифтерами и бегунами на короткие дистанции.
Ключевые слова: магнитная стимуляция нервной системы, вызванные моторные ответы, спортивная деятельность разной направленности.
Введение. Известно, что систематическое выполнение физических нагрузок вызывает изменения физиологических свойств нервной системы [12]. При этом акцент ставится на отделах нервной системы, принимающих непосредственное участие в реализации движения. В связи с этим ключевое значение приобретает идентификация адаптаций, ответственных за изменения в состоянии кортикальных и спинальных нервных центров и путей, а также периферических нервно-мышечных структур, возникающих под влиянием напряженной мышечной деятельности [11].
Цель исследования. Изучить уровень возбудимости кортикоспинальных и нервно-мышечных структур у квалифицированных спортсменов, специализирующихся в различных видах спорта.
Материалы и методы. В исследовании приняли участие 12 баскетболистов, 10 пауэр-лифтеров, 28 представителей легкоатлетического бега на короткие (10 спортсменов), средние (10 спортсменов) и длинные (8 спортсменов) дистанции. Спортсмены избранных видов спорта на момент исследования имели квалификацию - I взрослый разряд.
В ходе исследования последовательно применялась магнитная стимуляция (МС) нервной системы [9]: вначале осуществляли транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС) коры головного мозга с использованием двойного углового койла диаметром 110 мм, который располагали над скальпом в проекции моторной коры левого полушария для регистрации вызванных моторных ответов (ВМО) с мышц правой верхней конечности (двуглавой и трехглавой мышц плеча; лучевого сгибателя и локтевого разгибателя кисти; длинной мышцы, отводящей большой палец кисти; короткого сгибателя большого пальца кисти); затем стимулировали шейный отдел спинного мозга с использованием плоского одинарного койла диаметром 70 мм, который располагался над остистыми отростками на уровне позвонков С5-С6, для регистрации ответов с тех же мышц; далее стимулировали периферические нервы плечевого сплетения в точке Эрба с использованием плоского одинарного койла диаметром 70 мм для регистрации ВМО с мышц плеча, предплечья и кисти.
При МС различных структур нервной системы в покое электромагнитные стимулы наносились с помощью магнитного стимулятора Magstim Rapid (Magstim Сотрапу Ltd, Великобритания, 2007), который был синхронизирован с электронейромиографом «Нейро-МВП-8» (000 «Нейрософт», Россия, 2006). Для регистрации ВМО использовались поверхностные (накожные) электроды - металлические диски площадью 9 мм2. Расстояние между отводящими электродами составляло 20 мм. Активный электрод располагался в проекции двигательной точки мышцы, референтный - смещался от нее по ходу волокон к сухожилию. Длительность магнитного импульса составляла 280 мкс.
В ходе экспериментального исследования сила магнитной индукции последовательно повышалась от порогового значения до максимума с шагом 5 %. При анализе стимулирующего воздействия магнитной стимуляции в состоянии мышечного покоя оценивались: величина порога возбуждения (в % от выходной мощности магнитного стимулятора), амплитуда (от пика до пика) и форма ВМО мышц-сгибателей и разгибателей правой верхней конечности.
Результаты и обсуждение. Проведенное исследование с применением МС коры головного мозга обеспечило изучение у различных групп атлетов особенностей функционального состояния кортикоспинального тракта - цепи «корковый мотонейрон - спинальный альфа-мотонейрон - периферические нервы - мышцы-мишени». МС сегментов спинного мозга с регистрацией ВМО позволила в свою очередь уточнить вклад нижней составляющей корти-коспинального тракта (спинальный альфа-мотонейрон - периферические нервы - мышцы), отделив его функционально от верхней (корковый мотонейрон - спинальный альфа-мотонейрон). Это дало возможность проанализировать функциональные взаимоотношения корковых мотонейронов и сегментарных контуров кортикоспинального тракта. МС периферических нервов позволила определить особенности взаимодействия кортикоспи-нального и периферического уровней нервной системы у лиц, адаптированных к работе разной длительности и интенсивности.
Таким образом, результаты собственных исследований направлены на изучение выраженности пластических перестроек в функционировании центральных и периферических звеньев нейромоторной системы у спортсменов, чья мышечная деятельность различается по:
- режиму функционирования скелетных мышц при выполнении физической работы, направленной на приоритетное развитие различных двигательных качеств: быстроты, выносливости, ловкости, силы (различные дистанции легкоатлетического бега, игровая деятельность, силовые упражнения);
- структуре движений: стандартная мышечная деятельность (стереотипные движения с повторяющимся порядком действий) против нестандартной (ситуационные движения) (легкоатлетический бег и силовые упражнения против игровой деятельности);
- общей кинематической характеристике: циклическая, для которой характерно многократное повторение стереотипных циклов движений с относительно постоянной мощностью и скоростью перемещения (легкоатлетический бег и силовые упражнения), против ациклической, или смешанной, мышечной деятельности, на протяжении которой резко меняется характер двигательной активности и интенсивность выполняемой работы (игровая деятельность);
- длительности: требующая в соревновательных условиях относительно длительного выполнения (часы), или средняя длительность (до одного часа), или кратковременные усилия (различные дистанции легкоатлетического бега, игровая деятельность, силовые упражнения).
Результаты исследования показали, что пороги возбуждения проксимальных и дис-тальных мышц-сгибателей и разгибателей верхней конечности при стимуляции корковых зон у бегунов на длинные дистанции оказались более низкими, чем у спортсменов других обследованных групп. При этом более значимо они отличались от таковых, зарегистрированных у пауэрлифтеров, и менее значимо - от показателей баскетболистов и бегунов на короткие и средние дистанции. При МС шейных спинномозговых сегментов и
периферических нервов наблюдалась похожая картина. Следует отметить, что в некоторых случаях показатели данного параметра, зарегистрированные при МС различных структур нервной системы, у бегунов на короткие дистанции были приближены к таковым у пауэрлифтеров.
На рис. 1 в качестве примера представлены пороги ВМО двуглавой мышцы плеча у спортсменов обследованных групп, зарегистрированные при МС различных структур нервной системы. Пороговая величина коркового ВМО двуглавой мышцы плеча у стайеров составила 50,63±1,58 % и оказалась меньше на 27,4 %, чем у пауэрлифтеров (64,50±4,34 %; р>0,05), на 22,5% в сравнении с бегунами на короткие дистанции (62,00±2,11 %; р>0,05), а также на 15,2 и
12,6 % по сравнению с баскетболистами и бегунами на средние дистанции соответственно (58,33±3,17; 57,00±5,04 %; р>0,05). При МС спинномозговых сегментов порог ВМО двуглавой мышцы плеча у бегунов на длинные дистанции в среднем по группе составил 54,38±3,84 % и оказался ниже соответствующих величин, зарегистрированных у спортсменов других групп, показатели которых существенно между собой не отличались. При МС периферических нервов плечевого сплетения было выявлено, что порог возбуждения данной мышцы плеча у пауэрлифтеров составил 35,50±1,23 % и был значительно выше, чем у бегунов на длинные (разность составила 95,8 %; р<0,001) и средние (91,9 %; р<0,0007) дистанции, а также у баскетболистов (89,3 %; р<0,0002) и спринтеров (69,1 %; р<0,01).
Порог ВМО двуглавой мышцы плеча при ТМС
Порог ВМО двуглавой мышцы плеча при МС спинного мозга
Порог ВМО двуглавой мышцы плеча при МС периферических нервов плечевого сплетения
грл-шш ^ группа _группа бегунов _группа бегунов
5аскет6олистов пал-Эрлнфтеров накоротке на средние
днстакинн днстанинн
группа бегунов ШШ на длинные
ДНСТ1НЦНН
Рис. 1. Значения порогов ВМО мышцы плеча у спортсменов при стимуляции различных структур нервной системы, % от выходной мощности стимулятора (* - достоверные отличия от группы пауэрлифтеров)
В результате проведенного исследования было установлено, что величины максимальной амплитуды ВМО как мышц-сгибателей, так и мышц-разгибателей плеча, предплечья и кисти, зарегистрированные при МС моторной коры, спинного мозга и периферических нервов, у легкоатлетов - бегунов на длинные дистанции были выше, чем у остальных групп спортсменов. При этом значения данного параметра у баскетболистов и бегунов на средние дистанции были несколько ниже, чем у стайеров, но выше, чем у других спорт-
сменов. Отмечено, что показатели максимальной амплитуды ВМО тестируемых мышц при ТМС, МС спинного мозга и периферических нервов у пауэрлифтеров и спринтеров были самыми низкими, при этом выявлены достоверные отличия между их величинами и соответствующими показателями, зарегистрированными у баскетболистов и бегунов на длинные дистанции. На рис. 2 в качестве примера представлены результаты анализа максимальной амплитуды ВМО двуглавой мышцы плеча у спортсменов обследованных групп.
5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
мВ
Максимальная амплитуда ВМО Максимальная амплитуда Максимальная амплитуда ВМО двуглавой мышцы плеча ВМО двуглавой мышцы плеча двуглавой мышцы плеча при МС при ТМС при МС спинного мозга периферических нервов
плечевого сплетения
грл-шш ^ группа -группа бегунов -группа&егуш,Е
йаскетоолистов пал-эрлифтеров на короткие на средние
дистанции дистанции
группа оегунов ШШ на д линные дистанции
Рис. 2. Значения максимальной амплитуды ВМО мышцы плеча у спортсменов при стимуляции различных структур нервной системы, мВ (достоверные отличия от: А - группы баскетболистов; * - группы бегунов на длинные дистанции)
Рассматривая межмышечное взаимодействие, следует отметить, что внутри каждой группы спортсменов различий в количественных показателях как пороговых величин, так и максимальной амплитуды ВМО антагонистических мышц верхней конечности (например, агонист плеча - двуглавая мышца,
антагонист - трехглавая мышца), полученных при ТМС, МС спинного мозга и периферии, не обнаружено. Вместе с тем, сопоставляя результаты исследований мышц верхних конечностей, находящихся на разном удалении от управляющих структур нервной системы, было выявлено значительное снижение вели-
чин максимальной амплитуды корковых и сегментарных ВМО для проксимальных мышц по сравнению с дистальными. Например, различия в величинах максимальной амплитуды коркового ВМО для двуглавой мышцы плеча и короткого сгибателя большого пальца кисти в группах баскетболистов, пауэрлифтеров, бегунов на короткие, средние и длинные дистанции составили соответственно 58,6 % (р<0,009), 51,6 % (р<0,007), 92,1 % (р<0,005), 71,8 % (р<0,005), 43 % (р<0,04). Полученные данные объясняются тем, что мышцы кисти выполняют наиболее сложные дифференцированные движения и имеют наибольшее представительство в коре головного мозга по сравнению с проксимально расположенными мышцами, в частности, плеча. В свою очередь, при стимуляции спинного мозга различия между показателями этого параметра для обеих мышц плеча и кисти были незначимыми (p>0,05).
В целом, исследования показали, что бегуны на длинные дистанции отличаются от спортсменов других групп самой высокой возбудимостью моторной коры исследуемых мышц, шейных спинальных нейронов и периферических нервов, иннервирующих мышцы-сгибатели и разгибатели плеча, предплечья и кисти. При этом наименьшая возбудимость данных структур нервной системы выявлена у пауэрлифтеров и спринтеров. Обнаруженный факт может быть связан с высоким процентом активации при ТМС и МС двигательных единиц (ДЕ) типа S (медленных, низкопороговых) и FR (быстрых, устойчивых к утомлению) у стайеров, у которых процент ДЕ таких типов значительно больше, чем у пауэр-лифтеров и спринтеров, для мышц которых в большей мере характерен тип ДЕ FF (быстрые, быстроутомляемые), включающих в себя крупные мотонейроны, обладающие, как известно, высоким порогом рекрутирования, а значит, более низкой возбудимостью [2, 4, 8].
Показателем, отражающим вклад разных типов ДЕ исследуемой мышцы в ее сокращение, а также степень синхронизации возникновения их потенциалов действия, является форма ВМО. При анализе этого показателя, зарегистрированного в условиях воздействия на различные структуры моторной системы
(пример записи представлен на рис. 3), выяснено, что форма ВМО тестируемых мышц верхней конечности у разных групп спортсменов имеет отличительные особенности. Так, у лиц, специализирующихся в пауэрлифтинге и беге на короткие дистанции, по сравнению с другими группами спортсменов наблюдались меньшие вольтажность и общая длительность ВМО мышц руки как при МС центральных нервных, так и периферических структур.
Следует отметить, что у большинства представителей изучаемых видов спорта при МС коры больших полушарий, спинного мозга и периферических нервов форма ВМО мышц верхней конечности обладает выраженной полифазией. При этом у легкоатлетов-бегунов, особенно у стайеров, форма ВМО отличается большей полифазностью потенциалов по сравнению с другими спортсменами, что более выражено при ТМС и МС спинного мозга и менее - при МС периферических нервов. Наряду с этим в большинстве записей легкоатлетов-бегунов на средние и длинные дистанции негативная фаза корковых и сегментарных ВМО состоит из двух компонентов, которые, возможно, связаны с активацией разных типов ДЕ изучаемой мышцы [6], а также наблюдается наличие псевдофаз (чаще 3-4) между негативной и позитивной фазами при МС корковых, сегментарных и периферических нервных структур.
Появление как дополнительной фазы, так и псевдофазы обусловлено наличием одной (достаточно большой) группы ДЕ, которые активируются асинхронно по отношению к остальным ДЕ [5]. Такие изменения в форме мышечных потенциалов, вероятно, зависят от характера временной взаимосвязи активности различных ДЕ, который в определенной мере влияет на силу сокращения мышц при выполнении спортивных движений. Асинхрон-ность активности ДЕ, которая наблюдается в оригинальных записях ВМО у легкоатлетов, в основном у стайеров, может объясняться тем, что для обеспечения длительной, но не очень интенсивной работы, отдельные ДЕ сокращаются попеременно, т.е. асинхронно, поддерживая общее напряжение мышцы на заданном уровне. При этом отдельные ДЕ могут развивать как одиночные, так и тета-
нические сокращения, что зависит от частоты нервных импульсов. Утомление в этом случае развивается медленно, так как, работая по очереди, ДЕ в промежутках между активацией успевают восстанавливаться [1, 3, 7, 10].
В свою очередь, для мощных кратковременных усилий, что характерно, например, для пауэрлифтинга и спринтерского бега, необходима синхронизация активности отдельных ДЕ, т.е. одновременное возбуждение практически всех ДЕ. Это требует одновременной активации соответствующих нервных
центров и достигается в результате длительной тренировки. При этом осуществляется мощное и весьма утомительное тетаническое сокращение [3, 7, 10]. О достаточно синхронном режиме активации работающих мышц при занятиях пауэрлифтингом и легкоатлетическим бегом на короткие дистанции могут свидетельствовать в т.ч. значительно меньшие (или отсутствие) псевдо- и полифазы ВМО тестируемых мышц у представителей данных видов спорта, в отличие от спортсменов других групп.
Рис. 3. Образцы записи ВМО лучевого сгибателя кисти у спортсменов при магнитной стимуляции (100%-я мощность индукции) различных участков нервной системы
Заключение. Представленные в работе пользования неинвазивного метода магнит-материалы демонстрируют возможность ис- ной стимуляции моторной коры головного
мозга, сегментов спинного мозга и периферических нервов, иннервирующих тестируемые мышцы, с целью осуществления оценки и выявления различий функционального состояния корково-спинальных нейрональных сетей и периферического нервно-мышечного аппарата у лиц, адаптированных к мышечной деятельности, различающейся по длительности, интенсивности и кинематическим характеристикам. Спортсмены, адаптированные к длительной сравнительно малоинтенсивной циклической мышечной деятельности умеренной мощности (бегуны-стайеры), а также к циклической работе средней продолжительности в режиме субмаксимальной мощности (бегуны на средние дистанции) и нагрузкам переменной мощности со смешанной структурой движений, характерным для баскетбола, отличаются от пауэрлифтеров, адаптированных к выполнению кратковременных ациклических (собственно силовых) упражнений, характеризующихся максимальной мощностью усилий, и спринтеров, выполняющих кратковременную циклическую работу максимальной мощности, более низкими моторными порогами возбуждения и более высокими значениями амплитуды ВМО мышц плеча, предплечья и кисти при МС моторной коры, шейных сегментов спинного мозга и периферических нервов плечевого сплетения.
1. Аринчик Н. И. Микронасосная деятельность скелетных мышц при их растяжении / Н. И. Аринчик, Г. Ф. Борисевич. - Минск : Наука и техника, 1986. - 112 с.
2. Городничев P. M. Спортивная электромиография : монография / P. M. Городничев. -Великие Луки, 2005. - 229 с.
3. Захаров Е. Н. Энциклопедия физической подготовки (методические основы развития физических качеств) / Е. Н. Захаров, А. В. Карасев, А. А. Сафонов ; под общ. ред. А. В. Карасева. -М. : Лептос, 1994. - 368 с.
4. Кизько А. П. Принципы развития силовых и циклических способностей двигательных единиц различного типа и вида : учеб. пособие / А. П. Кизько, Е. А. Кизько. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. - 52 с.
5. Команцев В. Н. Методические основы клинической электронейромиографии : руководство для врачей / В. Н. Команцев, В. А. Заболот-ных. - СПб. : Лань, 2001. - 218 с.
6. Коц Я. М.Организация произвольного движения / Я. М. Ком. - М. : Наука, 1975. - 248 с.
7. Крушельницкая Я. В. Физиология и психология труда : учебник / Я. В. Крушельницкая. -М. : Финансы и статистика, 2003. - 367 с.
8. Мак-Комас А. Дж. Скелетные мышцы / А. Дж. Мак-Комас. - Киев : Олимпийская литература, 2001. - 408 с.
9. Никитин С. С. Магнитная стимуляция в диагностике и лечении болезней нервной системы : руководство для врачей / С. С. Никитин, А. Л. Ку-ренков. - М. : САШКО, 2003. - 378 с.
10. Смирнов И. Ю. Физкультура для активных студентов : учеб. пособие / И. Ю. Смирнов. -Кострома : Изд-во Костромского гос. технол. ун-та, 2011. - 129 с.
11. Judge L. W. Neural adaptations with sport-specific resístanse training in highly skilled athletes / L. W. Judge, C. Moreau, J. R. Burke // J. Sports Sci. -2003. - Vol. 21, № 5. - P. 419.
12. Nielsen J. B. Olympic brain. Does corticospinal plasticity play a role in acquisition of skills required for high-performance sports? / J. B. Nielsen, L. G. Cohen // J. Physiol. - 2008. - Vol. 586, № 1. -Р. 65.
THE STUDY OF LEVEL OF EXCITABILITY OF CORTICOSPINAL AND NEUROMUSCULAR STRUCTURES FROM REPRESENTATIVES
OF VARIOUS SPORTS
O.V. Lanskaya, E.V. Lanskaya, E.Yu. Andriyanova
Velikiye Luki State Academy of Physical Education and Sports
The data presented in the article prove that athletes who specialize in athletics running long and middle distance and in basketball, found a higher level of excitability of the motor neurons of the cerebral cortex, the cervical spinal motor neurons and motor axons innervating the muscles of the shoulder, forearm and hand, compared powerlifters and with runners on short distances.
Keywords: magnetic stimulation of the nervous system, evoked motor responses, sports activities of different kinds.
