CC BY
34СРАВНИТЕЛЬНЫМ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ НА НЕРВНО-МЫШЕЧНЫЙ АППАРАТ ЧЕЛОВЕКА
УДК/UDC 796.01:612
Поступила в редакцию 20.02.2015 г.
Аспирант С.А. Фёдоров1
Соискатель А.Г. Беляев1
Аспирантка Ю.В. Шаркова1
1 Великолукская государственная академия физической культуры и спорта, Великие Луки
COMPARATIVE ANALYSIS OF INFLUENCE OF MAGNETIC AND ELECTRICAL STIMULATION ON HUMAN NEUROMUSCULAR SYSTEM
Postgraduate student S.A. Fedorov1 Applicant A.G. Belyaev1
Postgraduate student Yu.V. Sharkova1
1 Velikie Luki State Academy of Physical Culture and Sport, Velikie Luki
Информация для связи с автором: Sergei.Fedorov.1985yandex.ru
Аннотация
В работе представлены результаты исследования особенностей эффектов магнитной и электрической стимуляции на нервно-мышечный аппарат человека. В первой серии экспериментов изучались изменения параметров вызванных мышечных ответов (Н-рефлекс и М-ответ) при увеличении силы однократного магнитного и электрического воздействия на n. tibialis. Во второй серии исследований была изучена динамика мышечной силы при увеличении частоты и силы ритмической магнитной и электрической стимуляции m. gastrocnemius.
Результаты исследования показали, что при прогрессивно нарастающем повышении силы магнитной и электрической стимуляции n. tibialis происходит быстрое первоначальное увеличение амплитуды Н-ответа, затем стабилизация и последующее его резкое снижение. М-ответ характеризовался планомерным повышением амплитуды с увеличением интенсивности стимуляции. В случае нанесения магнитных стимулов максимальный Н-рефлекс и М-ответ регистрировались при меньшем увеличении силы раздражения по отношению к её пороговой величине, чем при электрическом воздействии. Во второй серии исследований было выявлено, что наибольший прирост мышечной силы наблюдался при однофазной электрической стимуляции, но такое воздействие сопровождалось болевыми ощущениями. Ритмическая магнитная стимуляция вызывала меньший вращательный момент в сравнении с электрическим воздействием, но обследуемые не испытывали болевых ощущений.
Ключевые слова: магнитная стимуляция, электрическая стимуляция, Н-рефлекс, М-ответ.
Annotation
The results of studies of specific effects of magnetic and electrical stimulation of the human neuromuscular system are given in the paper. The first series of the experiments was dedicated to studies of changes in the parameters of caused by evoked muscle responses (H-reflex and M-response) with the increasing force of single magnetic and electrical stimuli applied to n. tibialis. In the second series of the experiments the dynamics of muscle strength with an increase of frequency and intensity of rhythmic magnetic and electrical stimulation of m. gastrocnemius was studied.
According to the findings, the progressively increasing intensity of magnetic and electrical stimulation of n. tibialis promotes a rapid initial increase in the amplitude of the H-reflex, followed by stabilization and its subsequent sharp decline. M-response was characterized by systematic increase in the amplitude accompanied by increasing stimulation intensity. In the case of applying the magnetic stimuli the maximum H-reflex and M-response were recorded against the background of a less remarkable increase of the strength of the stimulus relative to its threshold value, rather than in the case of electrical stimulation. As proved in the second series of the experiments, the greatest increase in muscle strength was observed in single-phase electrical stimulation, but such an effect was accompanied by pain. Rhythmic magnetic stimulation caused a less significant angular momentum compared with electrical stimulation, but the subjects did not feel pain.
Keywords: magnetic stimulation, electrical stimulation, H-reflex and M-response.
□
и
га у
г.
ч—
. О OJ
■ -О
с
га
^
О (U ■С
Н
Введение. При изучении возможностей использования тех или иных стимуляционных воздействий для анализа физиологических механизмов двигательной деятельности или целенаправленного управления состоянием организма человека свойствами его отдельных систем всегда встает вопрос об адекватных параметрах стимуляции [4]. Сведения о параметрах электростимуляции, применяемых для направленного изменения двигательных качеств человека, регистрации вызванных мышечных ответов, достаточно подробно изложены во многих публикациях [1, 2]. В то же время данные о параметрах высокоинтенсивной магнитной стимуляции крайне скудны и касаются в основном лишь тех характеристик магнитного воздействия на разные структуры организма человека,
которые используют для получения полноценных вызванных моторных ответов с мышц нижних и верхних конечностей [5]. В связи с этим представлялось логичным и оправданным с целью подбора оптимальных параметров высокоинтенсивной магнитной стимуляции для целенаправленного изменения свойств нервно-мышечного аппарата провести сравнительный анализ эффектов магнитной и электрической стимуляции на мышечный аппарат человека.
Методика и организация исследования. В первой серии экспериментов изучались изменения параметров вызванных мышечных ответов (Н-рефлекс и М-ответ) при увеличении силы однократного магнитного и электрического воздействия на n. tibialis. Исследования проведены на 9 испытуемых мужского
пола в возрасте от 18 до 22 лет. Испытуемые лежали на кушетке лицом вниз. Стимулирующий активный электрод располагался в точке проекции n. tibialis, а индифферентный электрод - в нижней части передней поверхности бедра. Отводящие электроды фиксировались на m. soleus (SOL) и медиальной головке m. gastrocnemius (GM). Вначале определялась пороговая сила стимула для вызова Н-рефлекса или М-ответа. Обычно первым регистрировался Н-рефлекс, но у некоторых раньше появлялся М-ответ, а затем и Н-рефлекс. Затем регистрировались вызванные мышечные ответы при ступенчатом возрастании силы каждого последующего стимула (на 10% в сравнении с предыдущим). Интервал отдыха между стимулами - 30 с, силу порогового и других стимулов подбирали индивидуально для каждого испытуемого. После электрической наносили магнитную стимуляцию (стимулятор « Magstim - 200») при помощи плоского койла диаметром 50 мм. Центр койла располагался в проекции n. tibialis. Последовательность регистрации параметров, вызванных магнитным воздействием мышечных ответов, была аналогична применяемой при электрической стимуляции. Максимальная сила магнитного стимулятора составляла 2 тесла.
Во второй серии исследований на 8 здоровых испытуемых мужского пола в возрасте от 18 до 24 лет была изучена динамика мышечной силы (по величине вращательного момента) при увеличении частоты и силы магнитной и электрической стимуляции.
В первой части этих экспериментов исследовались особенности изменения силы вращательного момента в состоянии мышечного покоя при обоих видах стимуляции в зависимости от её частоты. Испытуемым последовательно наносили электрическую однофазную, электрическую двухфазную (ЭС), а затем магнитную стимуляцию (МС) в положении сидя на комплексе «Biodex» такой интенсивности, чтобы при плантарной флексии стопы вращательный момент достигал 3 Н-м. Активный электро-стимулирующий электрод располагался на двигательной точке медиальной головки GM, а индифферентный смещался к сухожилию. При использовании магнитной стимуляции плоский койл диаметром 50 мм был локализован в проекции двигательной точки медиальной головки GM. Интенсивность стимуляции подбирали индивидуально. Частота каждого из трех видов стимуляции ступенчато возрастала с 1 до 25 Гц, длительность пачки стимулов - 5 с. Интервал отдыха между сериями стимулов -30 с, при переходе к другому виду стимуляции - 3 мин.
Во второй части этой серии экспериментов анализировалось изменение величины вращательного момента при повышении интенсивности каждой последующей стимуляции на 10 % при неизменной частоте стимуляции в 10 Гц. Длительность пачки стимулов, локализация электростимулирующих электродов и койла магнитного стимулятора были аналогичны описанным для первой части опытов. Первоначально для каждого испытуемого находили интенсивность стимуляции при частоте 10 Гц, обеспечивающую развитие усилия в 3 Н-м. Далее испытуемым поочередно наносили однофазную электрическую, двухфазную электрическую стимуляцию и магнитную стимуляцию с отдыхом в 30 с между сериями стимулов и 5 мин - между разными видами стимуляции.
Результаты исследования и их обсуждение. Результаты анализа параметров Н-рефлекса показали, что с возрастанием силы магнитной и электрической стимуляции наблюдаются закономерные изменения амплитуды Н-рефлекса в исследуемых мышцах (рис. 1).
При прогрессивно нарастающем повышении силы электрической и магнитной стимуляции первоначально происходило быстрое увеличение амплитуды Н-ответа, затем стабилизация и последующее резкое понижение амплитуды рефлекторного ответа. Как известно, возникающее в нервном эфферентном волокне возбуждение под влиянием электрического раздра-
жения распространяется как ортодромно, так и антидромно [3]. Поэтому снижение амплитуды Н-рефлекса при увеличении силы магнитного стимула, вероятно, определяется блокировкой рефлекторного залпа мотонейронов встречным антидромным потоком нервных импульсов в эфферентных волокнах.
М-ответ характеризовался прогрессивным повышением амплитуды с увеличением интенсивности стимуляции (рис. 2).
Обращает на себя внимание тот факт, что в случае магнитной стимуляции максимальный Н-рефлекс регистрировался при меньшем увеличении силы стимула по отношению к порогу, чем при нанесении электрического раздражения. Такая же закономерность проявляется и при увеличении интенсивности этих стимуляционных воздействий для вызова максимального М-ответа. Регистрация максимальных Н-рефлексов и М-ответов, вызываемых однократной электрической стимуляцией осложнялась возникновением у испытуемых болевых ощущений, при использовании магнитного стимулятора таковые отсутствовали.
Результаты второй части исследования показали, что при повышении частоты всех трех используемых видов стимуляции происходит увеличение вращательного момента (табл. 1).
Следует отметить, что электрической однофазной и двухфазной стимуляцией вызывалось наибольшее сокращение мышцы и соответственно вращательный момент достигал большего значения в сравнении с магнитной стимуляцией. Так, прирост вращательного момента посредством использования магнитной стимуляции при частоте 25 Гц составил 7,03 Н-м, электрической однофазной - 17,35 Н-м, а электрической двухфазной - 16,93 Н-м.
Выявлено, что с повышением интенсивности всех видов стимуляции мышц испытуемых возрастал их вращательный момент (табл. 2).
Из анализа табл. 2 видно, что максимальный прирост вращательного момента, зарегистрированный при повышении интенсивности однофазной и двухфазной электрической стимуляции был на 6,05 и 4,08 Н-м больше, чем при использовании магнитной стимуляции. Вместе с тем электростимуляция сопровождалась возникновением болевых ощущений у испытуемых, тогда как магнитная стимуляция не вызывала каких-либо дискомфортных ощущений.
Вывод. Высокоинтенсивная магнитная стимуляция позволяет безболезненно активировать нервно-мышечный аппарат человека. Такой вид стимуляционного воздействия может быть использован в реабилитации двигательных функций человека как после повреждения спинного мозга и скелетных мышц так и для повышения мышечной силы.
1 1
—П- —Л— —1— -Г-3-1
фон 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % -МС ЭС
Рис. 1. Динамика амплитуды Н-рефлекса m. gastrocnemius при увеличении интенсивности стимуляционного воздействия Примечание. Здесь и на рис. 2: по оси абсцисс - увеличение интенсивности стимула в % по отношению к порогу 6
^ фон 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 % -МС ---ЭС
Рис. 2. Изменение амплитуды М-ответа m. gastrocnemius при повышении интенсивности стимуляционного воздействия.
№ 6 • 2015 Июнь | June
http://www.teoriya.ru
Таблица 1. Изменение величины вращательного момента (Н-м) при повышении частоты магнитной и электрической стимуляции (М ± т, п = 8)
Виды стимуляции Фон Частота стимуляции, Гц
5 10 15 20 25
Магнитная 2,08 ± 0,03 2,18 ± 0,30 3,75 ± 0,69* 6,25 ± 1,05* 8,50 ± 1,61* 9,11 ± 1,61*
Электрическая однофазная 2,11 ± 0,05 2,47 ± 0,23 5,96 ± 1,07* 10,92 ± 2,00* 15,76 ± 3,33* 19,46 ± 4,13*
Электрическая двухфазная 2,17 ± 0,04 3,08 ± 0,52 6,41 ± 0,70* 11,96 ± 1,16* 15,50 ± 1,58* 19,10 ± 1,37*
Примечание. Здесь и в табл. 2: * - р < 0,05 - достоверность различий между соответствующим параметром и его исходной величиной.
Таблица 2. Изменение величины вращательного момента (Н-м) при повышении интенсивности магнитной и электрической стимуляции (М ± т, п = 8)
Виды стимуляции Фон Повышение интенсивности стимула в сравнении с исходными величинами, %
10 20 30 40 50 60
Магнитная 2,83± 0,05 3,01± 0,28 3,7±0,29* 5,06±0,45* 5,9± 0,61* 6,95± 0,45* 8,23±0,75*
Электрическая однофазная 3,01± 0,06 4,75± 0,28* 6,53± 0,47* 8,90±1,02* 10,2±0,83* 12,6± 1,61* 14,2± 2,06*
Электрическая двухфазная 2,91±0,06 3,95± 0,30 * 4,76± 0,26* 6,92±0,55* 8,15±0,75* 9,72± 0,95* 12,3±1,38*
Литература
1. Андриянова Е.Ю. Функциональная пластичность спинномозговых нервных цепей на фоне долговременной спортивной деятельности / Е.Ю. Андриянова, О.В. Ланская // Физиология человека. -2014. - № 3. - С. 73-85.
2. Городничев Р.М. Чрезкожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шага-тельных движений у человека / Р.М. Городничев, Е.А. Пивоваро-ва, А.Г. Пухов и др. // Физиология человека. - 2012. - № 2. - С. 46-56
3. Коц Я.М. Организация произвольного движения / Я.М. Коц. - М.: Наука, 1975. - 248 с.
References
1. Andriyanova, E.Yu. Funktsional'naya plastichnost' spinnomozgovykh nervnykh tsepey na fone dolgovremennoy sportivnoy deyatel'nosti (Functional plasticity of spinal nerve circuits on the background
of long-term sports activity) / E.Yu. Andriyanova, O.V. Lanskaya // Fiziologiya cheloveka. - 2014. - № 3. - P. 73-85.
2. Gorodnichev, R.M. Chrezkozhnaya elektricheskaya stimulyatsiya spinnogo mozga: neinvazivny sposob aktivatsii generatorov shagatel'nykh dvizheniy u cheloveka (Transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord: non-invasive method to activate generators for stepping movements in man) / R.M. Gorodnichev, E.A. Pivovarova, A.G. Pukhov et al // Fiziologiya cheloveka. - 2012. - № 2. - P. 46-56
3. Kotz, Ya.M. Organizatsiya proizvol'nogo dvizheniya (Organization of voluntary movement) / Ya.M. Kotz. - Moscow: Nauka, 1975. - 248 P.
4. Guissard, N. Effect of static stretch training on neural and mechanical
properties of the human plantar-flexor muscles / N. Guissard, J. Duchateau // Muscle Nerve. - 2004. - Feb, 29. - P. 248-255.
5. Inghilleru, M. Corticospinal potentials after transcranial stimulation in humans / M. Inghilleru, A. Berrardelli, G. Cruccu, A. Priori, M. Manfrdi // Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. -1989. 52, 970-974.
ВЕСТИ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА
24 апреля 2015 года в Смоленской государственной академии физической культуры, спорта и туризма, г. Смоленск, состоялась защита диссертации Усачевой С.Ю. на тему:
«Методика развития максимального темпа движений в скоростных локомоциях у девочек 9-15 лет на основе сенсорно-моторных установок образовательного тренировочного воздействия».
Официальными оппонентами выступили: Виленский Михаил Яковлевич - доктор педагогических наук, профессор,
профессор кафедры педагогики и психологии профессионального образования ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет», Москва;
Лубышева Людмила Ивановна - доктор педагогических наук, профессор,
профессор кафедры философии и социологии ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)», Москва. Научная новизна исследования: • теоретически разработана и экспериментально обоснована инновационная методика, базирующаяся на целевом применении приоритетных средств и сенсорно-моторных установок образовательно-тренировочного воздействия с учетом типологических особенностей школьниц, обеспечившая существенное увеличение максимального темпа движений верх-
и
га них и нижних конечностей в локальных и целостных видах скоростных локомоций;
• разработана и реализована специальная тренировочная программа педагогических воздействий для формирования временной и темпо-временной чувствительности при овладении маховыми движениями в фазовой структуре бега, которая о адекватно стимулирует развитие максимального темпа движений;
- • уточнено и расширено понятие «максимальный темп движений» в целостных видах скоростных локомоций, определяемое как интегральная совокупность трех разных частотно-временных компонентов: в стартовом ускорении, на коротком от-а cl резке и дистанционном каждого этапа беге; с • установлена хронология возрастных периодов повышенной чувствительности развития максимального темпа движений в локальных и целостных видах скоростных локомоций, распределенных по-разному с 9 до 13 лет у девочек низкого, гармо-S ничного и высокого типов физического развития. н
