CC BY
66
УДК 612.83-085.844
Г.Г. ЯФАРОВА12, А.Д. МИЛИЦКОВА2, А.А. ШУЛЬМАН1, К.Н. СПИРИДОНОВА2, Л.М. БИКЧЕНТАЕВА2
1Республиканская клиническая больница МЗ РТ, 420064, г. Казань, Оренбургский тракт, д. 138 2Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18
Влияние транскраниальной магнитной стимуляции на ответы мышц голени, вызванные чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга
Яфарова Гузель Гульусовна — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела, старший научный сотрудник OpenLab «Двигательная нейрореабилитация» Института фундаментальной медицины и биологии, тел. +7-937-618-07-92, e-mail: gusadila@mail.ru
Милицкова Алёна Дмитриевна — младший научный сотрудник OpenLab «Двигательная нейрореабилитация» Института фундаментальной медицины и биологии, тел. +7-906-327-13-29, e-mail: fata.morgana2010@yandex.ru
Шульман Анна Алексеевна — старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела, тел. +7-917-395-35-02, e-mail: ani_07@mail.ru
Спиридонова Ксения Николаевна — лаборант-исследователь OpenLab «Двигательная нейрореабилитация» Института фундаментальной медицины и биологии, тел. +7-965-599-52-81, e-mail: ksenya1.618@gmail.com
Бикчентаева Лейсан Маратовна — лаборант-исследователь OpenLab «Двигательная нейрореабилитация» Института фундаментальной медицины и биологии, тел. +7-965-599-52-81, e-mail: leysanbm@mail.ru
В статье описаны возможности применения метода чрескожной электрической стимуляции спинного мозга для активации моторных функций нижних конечностей. Неинвазивная чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга на уровне Th11-12 позвонков у здоровых людей в состоянии покоя индуцирует сложный потенциал действия в дистальных мышцах нижних конечностей и может служить альтернативой методу эпидуральной стимуляции. Показано, что подпо-роговая транскраниальная магнитная стимуляция влияет на кортикоспинальную возбудимость и усиливает спинальные двигательные реакции на чрескожную электрическую стимуляцию спинного мозга.
Ключевые слова: спинной мозг, чрескожная электрическая стимуляция, транскраниальная магнитная стимуляция.
G.G. YAPHAROVA12, A.D. MILITSKOVA2, A.A. SHULMAN1, K.N. SPIRIDONOVA2, L.M. BIKTCHENTAEVA2
1 Republic Clinical Hospital of the MH of RT, 138 Orenburgskiy Trakt, Kazan, Russian Federation, 420064 2Kazan (Volga Region) Federal University, 18 Kremlevskaya Str., Kazan, Russian Federation, 420008
The effect of transcranial magnetic stimulation on the responses of the leg muscles caused by percutaneous electric stimulation of the spinal cord
Yapharova G.G. — Cand. Biol. Sc., Chief Researcher of the Scientific and Research Department, Senior Researcher of OpenLab «Motor neurorehabilitation» of the Institute of Fundamental Medicine and Biology, tel. +7-937-618-07-92, e-mail: gusadila@mail.ru Militskova A.D. — Junior Researcher of OpenLab «Motor neurorahabilitation» of the Institute of Fundamental Medicine and Biology, tel. +7-906-327-13-29, e-mail: fata.morgana2010@yandex.ru
Shulman A.A. — Senior Researcher of the Scientific and Research Departament, tel. +7-917-395-35-02, e-mail: ani_07@mail.ru Spiridonova K.N. — Research Assistant of OpenLab «Motor neurorahabilitation» of the Institute of Fundamental Medicine and Biology, tel. +7-965-599-52-81, e-mail: ksenya1.618@gmail.com
Biktchentaeva L.M. — Research Assistant of OpenLab «Motor neurorahabilitation» of the Institute of Fundamental Medicine and Biology, tel. +7-965-599-52-81, e-mail: leysanbm@mail.ru
The article describes the possibilities of application of the method of percutaneous electric stimulation of the spinal cord to activate the motor functions of the lower extremities. Non-invasive transcutaneous electric stimulation of the spinal cord at Th11-12 vertebrae level in healthy people at rest induces a complex action potential in the distal muscles of the lower extremities and can serve as an alternative to the method of epidural stimulation. It is made clear that subthreshold transcranial magnetic stimulation affects corticospinal excitability and enhances spinal motor responses to percutaneous electric stimulation of the spinal cord. Key words: spine cord, transcutaneous electric stimulation, transcranial magnetic stimulation.
202 ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
'8 (109) сентябрь 2017 г.
Рисунок 1.
Вызванные потенциалы m. Tibialis anterior (A) и m. Soleus (B) на чрескожную электрическую стимуляцию (исп. 1), где ER — ранний компонент, MR — средний компонент ответов, окна для каждого из компонентов выделены пунктирными линиями
Предложенный недавно метод неинвазивный чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) [1] активно начал применяться для исследования двигательных функций и для реабилитации пациентов с патологией спинного мозга [2]. ЧЭССМ не требует хирургического вмешательства и является технически относительно простым методом, поэтому она может применяться во многих случаях, когда обычно используют эпидураль-ную стимуляцию: для реабилитации локомоторных функций у спинальных пациентов, для купирования боли, для лечения детского церебрального паралича и т.п. Если при эпидуральной стимуляции электрический ток к различным сегментам спинного мозга подводят через электроды, имплантированные в эпидуральное пространство, при чрескож-ной их располагают паравертебрально или между остистыми отростками позвонков на коже человека. Неинвазивная ЧЭССМ на уровне грудопоясничной области у здоровых людей в состоянии покоя индуцирует сложный потенциал действия в дистальных и проксимальных мышцах нижних конечностей. Известно, что эпидуральная стимуляция может влиять как на сенсорные, так и на моторные нервные волокна, а также на интернейроны спинного мозга [3]. Математическое моделирование показало, что и ЧЭССМ способна рекрутировать те же самые нейрональные структуры: ответы на эпидуральную стимуляцию и ЧЭССМ имеют одинаковую латент-ность, сходную форму и сопоставимые амплитуды [4]. Однако метод ЧЭССМ имеет следующее ограничение: так как расстояние от накожного электрода до спинного мозга значительно больше, чем от эпи-дурального, и, поэтому, при применении накожных электродов для активации спинальных структур необходимы стимулы значительной амплитуды. Такие стимулы вызывают болезненные ощущения, что долгое время являлось препятствием для использо-
вания ЧЭССМ. Исходя из вышеизложенного, поиск способов облегчения вызванных ответов мышц на ЧЭССМ является актуальной задачей, что позволит расширить диапазон применения данного метода.
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — метод, позволяющий неинвазивно стимулировать кору головного мозга при помощи коротких магнитных импульсов. При стимуляции моторной зоны коры головного мозга ТМС вызывает сокращение соответствующих периферических мышц согласно их топографическому представительству в коре. Регистрация моторных вызванных потенциалов на ТМС применяется для исследования кортико-спи-нальной возбудимости и измерения центрального времени проведения по моторным проводящим путям. ЧЭЭСМ и ТМС могут возбуждать одну и ту же группу двигательных единиц одного мотонейронного пула [5]. Основываясь на анатомической ориентации кортикоспинального пути и том факте, что спинной мозг интегрирует и передает множество сигналов, проходящих по специфическим нейрональным путям и определяющих движения человека, мы предполагаем, что транскраниальная стимуляция может усилить двигательные реакции, вызванные ЧЭССМ.
Цель работы — исследовать влияние транскраниальной магнитной стимуляции подпороговой интенсивности на ответы мышц голени, вызванные чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга.
Материал и методы
Обследованы 10 взрослых здоровых людей мужского пола в возрасте 23±2 лет. Регистрировались вызванные потенциалы (ВП) камбаловидной (SOL) и передней большеберцовой (TA) мышц на ЧЭССМ на трех уровнях: Th10-Th11, Th11-Th12 и Th12-L1.
Рисунок 2.
Максимальная амплитуда вызванных потенциалов m. Tibialis anterior и m. Soleus на чрескожную электрическую стимуляцию спинного мозга на различных уровнях, где ER — это ранний компонент (A), MR — средний компонент ответов (B)
Самоклеящийся накожный электрод диаметром 3 см (анод, Model BF-4, «LEAD-LOC, Inc.») помещался между остистыми отростками позвонков. Два самоклеящихся накожных электрода овальной формы размером 10.16x5.08 см (Model SS-3 «LEAD-LOC, Inc.»), соединенные так, чтобы они функционировали как единый электрод (катод), были помещены на гребни подвздошных костей справа и слева. Анодный и катодный электроды подсоединялись к стимулятору «Нейрософт МВП-4» (Россия), стимуляция осуществлялась одиночными электрическими стимулами длительностью 1 мс. Интенсивность стимуляции, при которой ответы в мышцах голени были впервые зарегистрированы на самой низкой интенсивности, была отмечена как порог вызванных потенциалов, амплитуда стимула варьировала в диапазоне 30-100 мА, он подавался с частотой 0,1 Гц. Транскраниальный магнитный стимул подавалась на область первичной моторной коры одиночными стимулами (стимулятор «Нейрософт Нейро-МС», Россия). Использовалась круглая катушка диаметром 110 мм, размещенная в точке пересечения линии от затылочного бугра и глабеллы, а также левого и правого козелка ушной раковины. При стимуляции поясничного утолщения катушку размещали на уровне L1 позвонка. Интенсивность стимуляции постепенно увеличивалась и наблюдали моторные вызванные потенциалы TA, SOL. тМс инициировалась одиночными импульсами частотой 0,1 Гц, при этом определялся порог ответов, а также время центрального моторного проведения для камбаловидной (SOL) и передней большеберцовой (TA) мышц как разница между латентностями ВП мышц на кортикальную стимуляцию и стимуляцию на уровне поясничного утолщения. После того, как были определены участки кортикальной и спиналь-ной стимуляции, были записаны ВП на ЧЭССМ от мышц SOL и Ta справа и слева при интенсивности стимула, которая вызывала максимально выраженный рефлекторный компонент этих ответов (в среднем 1,5 от пороговых значений стимула). Да-
лее следовала подпороговая ТМС с последующей ЧЭССМ на интервалах между кондиционирующим и тестирующим стимулом (C-T), которые варьировали от 0 до 150 мс. Интенсивность подпороговой ТМС определялась индивидуально для каждого испытуемого в размере 90% от порога ВП TA в покое, при котором в ТА не регистрировалась моторная активность на ТМС. Анализировались амплитудные характеристики ВП мышц SOL и TA на ЧЭЭСМ в контроле и при сочетании ЧЭЭСМ с предшествующей ТМС, в каждой временной точке производилось усреднение 10 проб.
Обработка полученных результатов производилась пакетом прикладных программ Statistica с применением непараметрического U-критерия Манна — Уитни, различия считали значимыми при р<0.05.
Результаты и их обсуждение
С целью определения оптимального сегмента для стимуляции спинного мозга у всех испытуемых были зарегистрированы ВП SOL и TA на чрескож-ную электрическую стимуляцию спинного мозга на уровнях Th10-Th11, Th11-Th12 и Th12-L1. На рисунке 1 представлен пример записи вызванных потенциалов мышц голени у одного из испытуемых при увеличении силы стимуляции, где каждая кривая — результат усреднения 10 вызванных потенциалов при аналогичных условиях стимуляции. Известно, что ЧЭССМ затрагивает различные элементы спинного мозга в зависимости от локализации электродов, интенсивности стимула и других факторов — таких как форма импульса и частота стимуляции: при низких интенсивностях стимулов происходит преимущественное вовлечение низкопороговых афферентных волокон, которое сопровождается слабым рекрутированием моторных аксонов, при увеличении интенсивности стимула нарастает число активированных двигательных аксонов [2]. Соответственно этим представлениям, в составе вызванных потенциалов мышц голени мы выделили два компонента — ранний (ER) и средний (MR), по
204 ^tL ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
'8 (109) сентябрь 2017 г.
Рисунок 3.
Вызванные потенциалы m. Tibialis anterior (A) и m. Soleus (B) при сочетании подпороговой транскраниальной магнитной стимуляции с последующей чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга на уровне Т11-12 позвонков (исп. 4) с задержками между стимулами от 0 до 150 мс, где серая кривая — контроль, черные кривые — вызванные потенциалы при определенных задержках
мере увеличения силы стимуляции возрастала амплитуда как раннего, так и среднего компонентов ВП. Временные гистограммы отдельных двигательных единиц при стимуляции СМ, полученные с помощью имплантированного в эпидуральное пространство электрода, показали, что стимуляция СМ антидромно активирует Ia афференты, что в свою очередь приводит к моносинаптическому облегчению мотонейронов и снижению передачи реципрок-ного 1а-ингибирования [6]. Известно, что парные
Рисунок 4.
Влияние подпороговой транскраниальной магнитной стимуляции на максимальную амплитуду вызванных потенциалов m. Tibialis anterior и m. Soleus при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга на уровне Th11-12 позвонков, где по оси абсцисс — время задержки между стимулами, по оси ординат — амплитуда вызванных ответов, выраженная в % Примечание: * — статистически значимые различия, р<0.05
электрические стимулы существенно уменьшают амплитуду второго компонента ВП [7, 8]. Основываясь на этих данных, второй компонент ВП стали считать эквивалентными Н-рефлексу [9].
Определяли максимальную амплитуду раннего (ER) и среднего (MR) компонентов вызванных потенциалов SOL и TA при стимуляции спинного мозга на разных уровнях. Оказалось, что стимуляция на уровне Th11-Th12 является самой оптимальной: максимальная амплитуда ВП мышц голени на ЧЭССМ была наибольшей (рис. 2). Амплитуда ER-компонента для SOL составила в среднем 2234,2±52,6 мкВ, MR - 4652,4±1978,5 мкВ, для TA значения составили в среднем 475,7±184,7 и 891,5±167,2 мкВ, соответственно. Латентный период для SOL в среднем был больше, чем для TA, что согласуется с представлениями об анатомическом расположении двигательных центров этих мышц в спинном мозге. Известно, что форма кривых рекрутирования вызванных потенциалов при катодной ЧЭССМ на уровне Т11-12 и S1-2 схожа с формой кривых, записанных при транскраниальной магнитной стимуляции [10]. Это позволяет утверждать, что рекрутирование кортикоспинальных и спинальных структур при ЧЭССМ и при ТМС реализуется через одни и те же нейрональные пути. Предполагается, что подпороговая ТМС может облегчать ответы мышц на чЭсСм. На рисунке 3 представлена запись ВП мышц SOL и TA на ЧЭЭСМ в контроле и при сочетании ЧЭЭСМ с предшествующей подпороговой ТМС у одного из испытуемых. Интервал между кондиционирующим и тестирующим стимулом (C-T) варьировал от 0 до 150 мс, в каждой временной точке производилось усреднение 10 проб. Видно, что ВП на ЧЭЭСМ облегчались подпороговой ТМС. Объединенные для всех испытуемых данные представлены на рисунке 4: транскортикальная стимуляция увеличивала амплитуду ВП на ЧЭССМ независимо от функции мотонейронов (сгибатель/разгибатель), начиная с межстимульного интервала 20 мс (p<0,05). Это согласуется с данными, полученными
при ТМС: время центрального моторного проведения для SOL составила в среднем l7,2±0,3 мс, для TA 16,9±0,2 мс. Для SOL эффект был существенно более выражен, это может быть связано с тем, что SOL является мышцей-антигравитантом и в норме находится под большим тормозным супраспиналь-ным контролем. Тот факт, что ТМС значимо облегчает реакцию SOL на ЧЭССМ, свидетельствует о перспективности использования данного подхода для восстановления постуральной устойчивости пациентов со спинальной патологией.
Таким образом, транскраниальная магнитная стимуляция, проводимая при интенсивностях, которые не вызывают прямой мотонейронной разрядки, усиливает ответы мышц голени на ЧЭССМ, что расширяет диапазон применения метода чрескожной стимуляции. Эти данные имеют большое клиническое значение, мы считаем, что метод ЧЭССМ в сочетании с ТМС может быть использован в реабилитационных целях для повышения спинномозговой моторной активности при патологиях, сопровождающихся нарушением двигательных функций (поддержано грантом РНФ № 15-15-20036).
ЛИТЕРАТУРА
1. Городничев Р.М., Пивоварова Е.А., Пухов А. и др. Чрескож-ная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный
способ активации генераторов шагательных движений у человека // Физиология человека. — 2012. — Т. 38, №2. — С. 46.
2. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Moshonkina T. et al. Transcutaneous electrical spinal-cord stimulation in humans // Annals of Physical and Rehabilitation Med. — 2015. — Vol. 58, №4. — P. 225-231.
3. Sayenko D.G., Angeli C., Harkema S.J. et al. Neuromodulation of evoked muscle potentials induced byepidural spinal-cord stimulation in paralyzed individuals // J. Neurophysiol. — 2014. — Vol. 111, №5. — P. 1088-1099.
4. Ladenbauer J., Minassian K., Hofstoetter U.S. et al. Stimulation of the human lumbar spinal cord with implanted and surface electrodes: a computer simulation study // IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng. — 2010. — Vol. 18, №6. — P. 637-654.
5. Knikou M. Transpinal and transcortical stimulation alter corticospinal excitability and increase spinal output // PLoS One. — 2014. — Vol. 9, №7. — P. 1-12.
6. Hunter J.P., Ashby P. Segmental effects of epidural spinal cord stimulation in humans // J. Physiol. Lond. — 1994. — Vol. 74, №3. — P. 407-419.
7. Roy F.D., Bosgra D., Stein R.B. Interaction of transcutaneous spinal stimulation and transcranial magnetic stimulation in human leg muscles // Exp. Brain Res. — 2014. — Vol. 232, №6. — P. 1717-1728.
8. Gerasimenko Y.P., Lavrov I.A., Courtine G. et al. Spinal cord reflexes induced by epidural spinal cord stimulation in normal awake rats // J. Neurosci. Methods. — 2006. — Vol. 157, №2. — P. 253-263.
9. Hofstoetter U.S, Minassian K., Hofer C.M. et al. Modification of reflex responses to lumbar posterior root stimulation by motor tasks in healthy subjects // Artif. Organs. — 2008. — Vol. 32, №8. — P. 644-648.
10. Roy F.D., Gibson G., Stein R.B. Effect of percutaneous stimulation at different spinal levels on the activation of sensory and motor roots // Exp. Brain. Res. — 2012. — Vol. 223, №2. — P. 281-289.
