Изменения в ЭМГ-активности мышц голени при выполнении произвольного усилия, отражающие эффекты парной ассоциативной стимуляции

S.M. Ivanov, ,

R.M. Gorodnichev, , V.N. Shlyakhtov, ,

Введение. Накопленный к настоящему времени массив теоретических и экспериментальных данных свидетельствует о потенциале использования неинвазивной парной ассоциативной стимуляции (ПАС) в качестве инструмента для оптимизации восстановления двигательных функций после инсульта [7, 16] и повреждений спинного мозга [6, 12, 13]. Суть метода заключается в ритмическом нанесении парных стимулов, приводящем к временной и пространственной синхронизации возбуждения в корковых нейронах или в спинальных мотонейронах. При этом магнитный стимул наносится, как правило, на зону моторной коры, а электрический – либо на периферический нерв [5, 8], либо на дорсальные корешки поясничного отдела спинного мозга [20]. Проведённые эксперименты позволили выявить зависимость направленности и степени модуляции кортикоспинальной воз- будимости от двух ключевых параметров: порядка поступления к целевым мотонейронам потенциалов действия, инициируемых каждым из стимулов, и временного интервала между прибытием этих возбуждающих потенциалов [4, 9, 11, 15]. Долговременная по-тенциация спинальных мотонейронов, проявляющаяся в повышении их возбудимости, наблюдалась в случае, когда возбуждение от моторной коры поступало к ним раньше спинального стимула или одновременно с ним [9, 11]. При этом кортикоспинальная возбудимость повышалась в большей степени, если опережение кортикального возбуждения составляло 5–10 мс [15], а при задержке более 20 мс повышения возбудимости не происходило [9].

В серии последовательных экспериментов по изучению эффектов ПАС на двигательные способности человека показана возможность с помощью данного метода повысить силу, развиваемую при выполнении баллистических движений [19], и скоростно-силовые характеристики максимальных произвольных движений [11], выявлены особенности изменений вызванных моторных ответов (ВМО) мышц нижних конечностей под воздействием ПАС [15]. Вместе с тем в имеющейся литературе отсутствуют данные об особенностях электромиографической активности (ЭМГ-активности) рабочих мышц, обеспечивающих реализацию произвольного движения, при воздействии сеанса ПАС. Такие данные, на наш взгляд, необходимы для более полного понимания механизмов влияния ПАС на функциональное состояние моторной системы, а также разработки оптимальных режимов нанесения ПАС, способствующих повышению скоростно-силовых качеств человека. Поэтому цель нашей работы состояла в выявлении изменений электромиографической активности мышц голени, обеспечивающих выполнение максимального произвольного усилия, под воздействием разных режимов нанесения ПАС.

Материалы и методы. Исследование проведено на базе ФБОУ ВО «ВЛГАФК». Для участия в эксперименте была набрана выборка из 16 здоровых добровольцев – легкоатлетов, выступающих в спринтерских дисциплинах и беге на средние дистанции. Каждый из участников подписал документ информированного согласия. Процедура исследования получила одобрение этического комитета ФГБОУ ВО «ВЛГАФК».

Всех испытуемых разделили на две группы, по 8 человек в каждой, одна из которых получила однократный сеанс стимуляции по протоколу ПАС10, а другая – ПАС–20. Каждый из двух протоколов стимуляции состоял из серии, предусматривающей нанесение 100 парных стимулов, подаваемых с интервалом в 8 с. Длительность одного стимуляционного сеанса при таких параметрах достигала 13,5 мин. Протокол ПАС10 обеспечивал прибытие возбуждающего потенциала к целевым мотонейронам спинного мозга от транскраниального магнитного стимула (ТМС) на 10 мс раньше возбуждения от возбуждающего потенциала чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ). Протокол ПАС–20 был настроен на прибытие потенциала ЧЭССМ к спинальным альфа-мотонейронам на 20 мс раньше потенциала от ТМС. Перед началом исследований у всех испытуемых были зарегистрированы вызванные моторные ответы при магнитной стимуляции моторной коры в области представительства мышц нижних конечностей и заднекорешковые рефлексы (ЗКР) при ЧЭССМ, наносимой в пространство между остистыми отростками в области позвонков L2–L3. Регистрировали моторный порог и латентный период ответов для точного определения времени задержки между стимулами, образующими пару, при реализации протокола парной ассоциативной стимуляции.

Магнитная стимуляция осуществлялась аппаратом Magstim Rapid 2 (Magstim Company, UK) с использованием двойной L-образной катушки (диаметр 110 мм), позиционируемой над проекцией моторной коры. Положение катушки подбиралось таким образом, чтобы при минимальной интенсивности воздействия регистрируемые ответы целевых мышц достигали максимальной амплитуды. Чрескожная электрическая стимуляция наносилась стимулятором «Нейро – ЭС» (Нейрософт, Россия) в область между позвонками L2–L3, при помощи гибких самоклеящихся электродов. Синхронизация стимуляторов осуществлялась при помощи синхронизирующего устройства «ПАС-01», разработанного сотрудниками академии. Методика нанесения ТМС и ЧЭССМ соответствовала предыдущим работам [11].

Показатель максимального усилия подошвенного сгибания стопы в изометрическом режиме фиксировали у каждого испытуемого до сеанса ПАС, сразу после него, а также спустя 5 и 10 мин отдыха. Измерения проводились с использованием мультисуставного комплекса Biodex System 3 (Biodex Systems, США). Регистрировали динамограмму усилия, по которой определяли временные промежутки развития напряжения и расслабления. Началом развития напряжения считалось отклонение динамограммы от нулевой линии на 1 % от МПС. Завершение фазы развития напряжения определялось по моменту достижения 95 % от пиковой величины при выполнении усилия. Данное условие было необходимо, поскольку пиковое усилие в момент его непродолжительного удержания (около 0,5–1 с) часто сопровождалось колебаниями 2–5 % от максимальной произвольной силы (МПС). Началом фазы расслабления считался момент снижения усилия до 95 % от максимума, а завершением фазы расслабления – момент возврата кривой динамограммы к отметке 1 % от МПС.

В процессе реализации МПС при помощи 8-канального биомонитора «Нейро МВП-8» («Нейрософт», Россия) по общепринятой методике [3, 10] регистрировали электромио-графическую активность мышц голени, обеспечивающих подошвенное сгибание стопы – медиальной икроножной мышцы (GM) и камбаловидной мышцы (Sol), а также мышцы антагониста – передней большеберцовой (ТА). Рассчитывали среднюю амплитуду и среднюю частоту турнов ЭМГ в фазах развития напряжения и расслабления, границы которых определялись по динамограмме.

Статистическая обработка данных выполнялась в программах Excel 2016 и Statistica 10. Рассчитывалось среднее арифметическое (М), ошибка среднего (m). Для количественной оценки изменения изучаемых параметров в результате применения ПАС рассчитывали их процентное соотношение к исходным (фоновым) значениям, зарегистрированным до стимуляции. Проверка соответствия данных нормальному распределению осуществлялась с использованием критерия Колмогорова – Смирнова. Статистическая значимость различий между показателями до и после стимуляционного сеанса устанавливалась методом однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим post-hoc-тестиро-ванием по критерию Фишера. Уровень значимости был принят за p < 0,05.

Результаты. Анализ записей электромиограмм рабочих мышц во время выполнения тестовых движений показал, что в подавляющем большинстве случаев после нанесения сеанса ПАС 10 амплитуда турнов ЭМГ-актив-ности мышц увеличивается. В разных условиях диапазон прироста составлял от 4 до 70 % относительно фоновых величин (табл. 1).

Исключением является небольшое снижение амплитуды ЭМГ рабочих мышц относительно фона, зарегистрированное у мышцы Sol в фазе расслабления (см. табл. 1). Наиболее значительное увеличение зарегистрировано у мышцы антагониста – TA сразу после сеанса ПАС 10 и на 5-й минуте восстановления. В фазе расслабления такое увеличение составило 64 и 70 % соответственно, в фазе развития напряжения – 41 и 35 %. Достоверное увеличение зарегистрировано и у мышцы агониста – GM сразу после завершения сеанса стимуляции – на 42 % в фазе развития напряжения и на 39 % в фазе расслабления. На 10-й минуте увеличение составляло 30 и 34 % соответственно.

Частота турнов ЭМГ-активности увеличилась после нанесения ПАС 10 в большинстве случаев, за некоторыми исключениями (табл. 2).

Так, у Sol в фазе напряжения и расслабления произошло достоверное снижение частоты турнов ЭМГ-активности на 10-й минуте отдыха на 13,6 и 5,5 % относительно фоновых значений. Максимальное статистически зна-

Таблица 1

Table 1

Динамика средней амплитуды ЭМГ-активности (мкВ) мышц голени в ходе максимального изометрического подошвенного сгибания стопы под влиянием сеанса ПАС 10 (М ± m) (n = 8)

PAS 10 induced changes in mean EMG amplitude (µV) of the lower leg muscles during maximal plantar flexion (M ± m) (n = 8)

Условия регистрации Conditions	Фаза развития напряжения Tension phase			Фаза расслабления Relaxation phase
	TA	GM	Sol	TA	GM	Sol
До нанесения ПАС10 Before PAS 10	130 ± 7	292 ± 42	493 ± 60	128 ± 16	180 ± 16	217 ± 18
Сразу после ПАС 10 Immediately after PAS 10	183 ± 35*	417 ± 60*	588 ± 81*	210 ± 58*	249 ± 46*	207 ± 22
Через 5 мин 5 min after PAS 10	176 ± 35*	391 ± 58*	525 ± 85	218 ± 52*	246 ± 37*	198 ± 15
Через 10 мин 10 min after PAS 10	180 ± 37*	393 ± 55*	513 ± 82	171 ± 38*	234 ± 26*	216 ± 30

Примечание: здесь и в табл. 2–4 TA – передняя большеберцовая мышца, GM – медиальная икроножная мышца, Sol – камбаловидная мышца; * – p < 0,05 изменения достоверны относительно показателей до нанесения ПАС.

Note: here and in Tables 2–4 TA – tibialis anterior muscle, GM – gastrocnemius medialis muscle, Sol – soleus muscle; * – p < 0.05 indicates significant changes relative to pre-PAS values.

Таблица 2

Table 2

Динамика средней частоты разрядов двигательных единиц (Т/с) в ЭМГ мышц голени в ходе максимального подошвенного сгибания стопы под влиянием сеанса ПАС10 (М ± m) (n = 8) PAS10 induced changes in mean EMG turn frequency of the lower leg muscles during maximal plantar flexion (M ± m) (n = 8)

Условия регистрации Conditions Фаза развития напряжения Tension phase Фаза расслабления Relaxation phase TA GM Sol TA GM Sol До нанесения ПАС10 Before PAS10 173 ± 22 308 ± 41 205 ± 27 224 ± 29 400 ± 61 282 ± 25 Сразу после ПАС10 Immediately after PAS10 195 ± 19* 331 ± 39 212 ± 20 274 ± 37* 446 ± 59 291 ± 17 Через 5 мин 5 min after PAS10 186 ± 20 346 ± 29* 210 ± 29 258 ± 28 462 ± 52* 270 ± 27 Через 10 мин 10 min after PAS10 202 ± 20* 324 ± 43 191 ± 23* 271 ± 32* 441 ± 54 244 ± 22* чимое увеличение частоты турнов было отмечено в электроактивности GM в фазе напряжения. Данный прирост наблюдался на 5-й минуте отдыха после проведения сеанса ПАС10 и составлял 15,5 % относительно фона.

Коэффициент реципрокности (КР) после нанесения сеанса ПАС 10 в фазе напряжения и расслабления преимущественно увеличивался. У GM в фазе напряжения КР достоверно не изменялся под воздействием стимуляционного сеанса и составлял около 45 %. Показатель КР камбаловидной мышцы (Sol) демонстрировал постепенный рост: от исходного значения 26,4 % (до стимуляции) до 35 %, зарегистрированного к концу 10-минутного восстановительного периода после применения ПАС 10 . В фазе расслабления как Sol, так и GM характеризовались изначально высокими значениями КР (59 и 71 % соответственно). После стимуляции эти показатели изменились: сразу после сеанса ПАС 10 они составили 101 и 84 %, через 5 минут отдыха – 110 и 88 %, а к 10-й минуте восстановления снизились до 79 и 73 % соответственно.

Возросшие средние показатели амплитуды и частоты электромиограммы мышц, обеспечивающих подошвенное сгибание, после сеанса ПАС10, вероятно, связаны с изменениями в организации активности двигательных единиц (ДЕ), возникающими под влиянием указанного режима стимуляции. Хорошо известно, что ДЕ скелетных мышц на основании таких критериев, как скорость сокращения, способность противостоять утомлению и порог возбуждения, разделяются на три типа: медленные, устойчивые к утомлению; быстрые, устойчивые к утомлению; быстрые, быстро утомляемые [14, 18]. Можно предпо- ложить, что усиление кортикоспинальной синаптической связи и повышение кортикоспинальной возбудимости, вызываемые ПАС10 [1, 2, 5], создают оптимальные условия для активизации большего числа быстрых ДЕ обоих типов в сравнении с обычными условиями. Такие ДЕ генерируют высокоамплитудные потенциалы действия с высокой частотой их воспроизведения [14]. Вовлечение в работу (рекрутирование) дополнительного количества быстрых ДЕ, по-видимому, и приводит к повышению амплитуды и частоты ЭМГ-активности в процессе подошвенного сгибания стопы, наблюдаемому после окончания сеанса ПАС10.

В большинстве случаев нанесение сеанса стимуляции по протоколу ПАС_–20 приводило к снижению амплитуды турнов ЭМГ рабочих мышц сразу после завершения стимуляции с их последующим восстановлением до значений, близких к уровню фона. Исключение составляет ТА, у которой в фазе напряжения не выявлено достоверных изменений после стимуляции, а в фазе расслабления наблюдался значительный прирост на 5-й минуте отдыха с падением до значений близких к уровню фона на 10-й минуте после сеанса ПАС –20 (табл. 3).

Средняя частота турнов ЭМГ при нанесении сеанса ПАС –20 в подавляющем большинстве случаев снижалась на 5–20 % сразу после стимуляции с последующим восстановлением к уровню фона через 10 мин (табл. 4).

Коэффициент реципрокности мышц Sol и GM к мышце антагонисту после сеанса ПАС–20 в большинстве случаев увеличивался. Так, до сеанса ПАС в фазе развития напряжения его величина составляла 20 и 25,6 %, а после стимуляции увеличивалась до 23 и 30,8 % соот-

Таблица 3

Table 3

Изменение средней амплитуды ЭМГ мышц голени (мкВ) при выполнении максимального подошвенного сгибания стопы под влиянием сеанса ПАС –20 (М ± m) (n = 8)

PAS –20 induced changes in mean EMG amplitude (µV) of the lower leg muscles during maximal plantar flexion (M ± m) (n = 8)

Условия регистрации Conditions	Фаза развития напряжения Tension phase			Фаза расслабления Relaxation phase
	TA	GM	Sol	TA	GM	Sol
До нанесения ПАС –20 Before PAS –20	147 ± 17	488 ± 63	579 ± 68	138 ± 12	540 ± 62	692 ± 73
Сразу после ПАС –20 Immediately after PAS–20	151 ± 21	419 ± 52*	522 ± 56*	140 ± 18	455 ± 43	611 ± 59*
Через 5 мин 5 min after PAS–20	193 ± 35	462 ± 69	570 ± 75	155 ± 20*	471 ± 61*	640 ± 53
Через 10 мин 10 min after PAS–20	147 ± 20	457 ± 78	548 ± 82	139 ± 17	473 ± 65	644 ± 86

Таблица 4

Table 4

Изменение средней частоты турнов ЭМГ мышц голени (Т/с) при выполнении максимального подошвенного сгибания стопы под влиянием сеанса ПАС-20 (М ± m) (n = 8) PAS20-induced changes in mean EMG turn frequency of the lower leg muscles during maximal plantar flexion (M ± m) (n = 8)

Условия регистрации Conditions Фаза развития напряжения Tension phase Фаза расслабления Relaxation phase TA GM Sol TA GM Sol До нанесения ПАС–20 Before PAS–20 257 ± 40 497 ± 20 362 ± 16 251 ± 31 508 ± 14 362 ± 20 Сразу после ПАС–20 Immediately after PAS–20 215 ± 39* 431 ± 24* 315 ± 10* 228 ± 41 466 ± 19* 339 ± 11 Через 5 мин 5 min after PAS–20 229 ± 41 453 ± 24 341 ± 17* 238 ± 35 470 ± 21* 333 ± 11 Через 10 мин 10 min after PAS–20 226 ± 40 440 ± 23* 323 ± 18* 219 ± 41* 473 ± 29 329 ± 14* ветственно. На 5-й минуте отдыха КР достигал 24,3 и 33 %, а к 10-й минуте отдыха – 21 и 29 %. В фазе расслабления для мышц Sol и GM произошло увеличение КР с 42 и 46 % до 47 и 53 % соответственно, на 5-й минуте рост КР продолжился до 57 и 66 %, а к 10-й минуте КР немного снизился относительно фона – до 39 % для обеих мышц.

Как показано в литературных источниках [15] и подтверждено нашими данными [4], нанесение стимуляции по протоколу ПАС –20 угнетает кортикоспинальную передачу, снижая возбудимость спинальных мотонейронов. Следствием этого, вероятно, является уменьшение количества рекрутируемых быстрых двигательных единиц (ДЕ) при реализации максимального произвольного усилия. Данный механизм объясняет регистрируемое после сеанса ПАС_–20 снижение амплитуды и частоты ЭМГ-активности во время выполнения тестового двигательного задания.

Заключение. Направленность и выраженность изменений электрической активности мышц, реализующих подошвенное сгибание стопы, определяется особенностями режимов парной ассоциативной стимуляции. Амплитуда и частота ЭМГ-активности мышц возрастают под влиянием ПАС 10 , предусматривающей опережающее прибытие возбуждения от моторной зоны коры к спинальным мотонейронам. ПАС –20 , при которой возбуждение по задним корешкам спинного мозга поступает к спинальным мотонейронам на 20 мс раньше, чем возбуждение от коры, приводит к снижению амплитуды и частоты электрической активности рабочих мышц. Эти изменения ЭМГ-активности, вероятно, объясняются модификацией кортикоспинальных синаптических связей на уровне спинальных мотонейронов и, как следствие, реорганизацией рекрутирования двигательных единиц рабочих мышц.