Effect of transcutaneous eleсtrical spinal cord stimulation and mechanotherapy in the muscle activity regulation

Введение. Необходимость совершенствования методов лечения и реабилитации больных с травмами позвоночника и спинного мозга обусловлена тяжелым и длительным течением болезни, а также ежегодным ростом числа таких травм, связанных, по-видимому, с ускорением темпа жизни. Одним из методов нейрореабилитации является электрическая эпидуральная стимуляция спинного мозга, которая может вызывать шагательные движения у децеребрированных и спинальных животных (Герасименко, 2002; Никитин и др., 2007). Электрическая стимуляция спинного мозга, как было показано в клинических исследованиях, улучшает двигательную активность у спинальных больных (Герасименко и др., 2000; Герасименко, 2002; Мошонкина и др., 2012; Harkema et al., 2011; Angeli et al., 2014). Однако имплантация эпидуральных электродов на поверхность спинного мозга сопряжена со стандартными хирургическими рисками и возможностью послеоперационных осложнений. Поэтому особое внимание уделяется исследованию неинвазивных методов воздействия на нейронные сети

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (офи-м-13-04-12023)

Вестник ТвГУ. Серия "Биология и экология". 2015. № 2 спинного мозга.

Недавно было показано, что неинвазивная чрескожная электрическая стимуляция (ЧЭС) спинного мозга способна вызывать непроизвольные шагательные движения (запуск генераторов шагания) у здоровых испытуемых в условиях внешней поддержки ног в горизонтальной вывеске (Городничев и др., 2012; Gerasimenko et al., 2015), а также локомоторную активность по движущейся ленте тредбана у децеребрированных и спинализированных кошек (Мусиенко и др., 2013). С другой стороны, многочисленные данные (Мусиенко и др., 2005; Wernig et al., 2000; Wirz et al., 2001; Abel et al., 2002; Федин и др., 2009) свидетельствуют о важности сенсорного входа от рецепторов конечностей в регуляции генератора шагательных движений и эффективности локомоторной тренировки для восстановления двигательных функций. Настоящая работа посвящена исследованию влияния ЧЭС на электрическую активность мышц ног у здоровых людей на фоне механотерапии.

Методика. Эксперименты проводились с использованием специализированного аппаратно-программного комплекса для чрескожной стимуляции спинного мозга и механотерапии, разработанного для лечения пациентов с вертебро-спинальной патологией (Биокин, ООО Косима). В соответствии с принципами Хельсинкской декларации было получено информированное письменное согласие испытуемых на участие в исследованиях. Здоровые добровольцы обоего пола (9 человек) в возрасте от 22 до 55 лет находились в положении полулежа в биомеханическом тренажере, который по команде с компьютера обеспечивал выполнение принудительных ритмических движений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах попеременно правой и левой ногой с частотой 0.3 Гц, напоминающих ходьбу на месте. Электромиографическая (ЭМГ) активность мышц бедра и голени обеих ног (m. biceps femoris, т. rectus femoris, т. tibialis anterior, m. gastrocnemius lateralis) регистрировали поверхностными биполярными электродами с помощью комплекса Нейро-МВП- 8 (000 Нейрософт). У 4 из 9 испытуемых дополнительно регистрировали механограмму и интегральную силу, развиваемые при движении в коленном и тазобедренном суставах правой и левой ноги, с помощью датчиков силы, размещенных в приводах голеностопных суставов тренажера. Сигнал ЭМГ и значения силы записывали до начала стимуляции (условие 0), затем применялась мультисегментарная (Т11 и L1 сегментов спинного мозга) ЧЭС с частотой 5 Гц (условие 1).

Далее, согласно инструкции, на фоне ЧЭС и пассивнопринудительных движений ног, задаваемых тренажером, испытуемые прикладывали собственные усилия для осуществления произвольных шагательных движений (условие 2), так, чтобы «помогать» тренажеру сгибать и разгибать ноги, а затем прекращали произвольную активность (условие 3). Длительность каждого из условий составляла 1-2 мин, перерыв между условиями 2-5 мин. Аппаратно рассчитывалась средняя амплитуда ЭМГ активности (мкВ). Для анализа брали временной интервал, равный 6 шагательным циклам, продолжительностью от 22 до 25 сек. ЭМГ предварительно подвергалась фильтрации и переводилась в положительную область. При помощи оригинальной программы обработки рассчитывали средние силы при движении обеих ног в разные фазы шагательного цикла. Для проверки статистических гипотез использовался непараметрический биномиальный критерий и непараметрический критерий Вилкоксона.

Результаты и обсуждение. Влияние ЧЭС на амплитуду ЭМГ (условие 1 по отношению к условию 0). На рис. 1 представлены оригинальные записи ЭМГ активности при движении с помощью механотренажера до применения ЧЭС и во время ЧЭС. Увеличение средней амплитуды ЭМГ во время ЧЭС (условие 1 по отношению к условию 0) наблюдалось у 7 их 9 испытуемых для отдельных мышц. Эффект наблюдался в 2 раза чаще для мышц голени, чем для мышц бедра. Прирост средней амплитуды по всем испытуемым составил 9% для мышц бедра и 14% для мышц голени. По всем зарегистрированным мышцам увеличение имело место в 44% случаев. Применение биномиального критерия не показывает статистическую достоверность такого результата при р=0,05. Однако достаточно большой процент случаев с увеличением амплитуды ЭМГ позволяет считать, что ЧЭС оказывает влияние на спинальные системы регуляции шагательных движений, следствием которого является увеличение ЭМГ активности мышц. Ранее была показана возможность инициации непроизвольных шагательных движений ног у здоровых людей при действии ЧЭС в области Т11-Т12 позвонков с частотой 5-40 Гц в условиях внешней поддержки ног (Городничев, 2012), а также шагательных движений у децеребрированных и спинальных кошек по движущейся ленте тредбана (Герасименко и др., 2003; Никитин и др., 2007). Предполагается, что ЧЭС способна активировать спинальный генератор шагания посредством активации различных афферентных систем. Основными среди них являются дорсальные корешки с их моно- и полисинаптическими проекциями к моторным ядрам. Как известно, в мышечных ответах на электрическую стимуляцию спинного мозга присутствуют два основных компонента: ранний и поздний, модуляция которых вносит вклад в формировании ЭМГ пачек при ходьбе. Можно предположить, что увеличение амплитуды ЭМГ ответа при ЧЭС в условиях навязанного механотренажером ритма, опосредовано действием ЧЭС на шагательный генератор.

Влияние произвольных движений на амплитуду ЭМГ показан рис. 2, где можно видеть пример записи ЭМГ активности мышц одного из испытуемых на фоне действия мультисегментарной ЧЭС спинного мозга при пассивных движениях ног в механотренажере, как при осуществлении произвольных движений, така и после их прекращения.

На рис. 3 представлены средние значения амплитуды ЭМГ испытуемого в разных экспериментальных условиях, который демонстрирует феномен возрастания амплитуды после произвольных усилий (условие 3 по отношению к условию 1). Средняя амплитуда возрастала при произвольных движениях у всех испытуемых, а затем, после прекращения произвольных движений, в большинстве случаев была больше, чем амплитуда до подключения произвольных усилий. Анализ всей совокупности ЭМГ-записей у всех испытуемых позволяет заключить, что этот эффект наблюдается в 24 случаях из 35 записей ЭМГ разных мышц, что является статистически достоверным (р=0,05) по критерию Вилкоксона.

m.biceps

Рис. 1. Паттерны ЭМГ-активности мышц ног испытуемого 1 при движении в механотренажере. Вверху - до ЧЭС (условие 0), внизу - при ЧЭС (условие 1)

ШИ» I"*! Wl»

eg йм*В|М

TfW-"

i

■li*l»W»e»»»»l eewieeieiiw

Рис. 2. Паттерны ЭМГ-активности мышц ног т. biceps, т. rectus, т. tibialis, т. gastrocnemius (последовательность мышц та же, что и на рис. 1) Вверху - до произвольных движений (условие 1), в середине - во время произвольных движений (условие 2), внизу - после произвольных движений (условие 3) испытуемого 2

Аналогичные результаты были получены при анализе сил, развиваемых правой и левой ногой. В среднем, значение силы возрастало при произвольной активности на 7,5±3,4 кг в фазу сгибания и на 8,46±5,4 кг в фазу разгибания по сравнению с силами при пассивных движениях (сравнение условий 1 и 2). После прекращения произвольной активности (при условии 3) значение силы возрастало по отношению к условию 1 в среднем на 1,59±0,75 кг в фазу сгибания и на 0,58±0,24 кг в фазу разгибания.

Рис. 3 . Изменение средней амплитуды ЭМГ (мкВ) для мышц т. biceps (вверху), m.rectus (внизу), для испытуемого 2: по оси абсцисс - номер условия: О - до ЧЭС, 1 - до произвольных движений, 2 - во время произвольных движений, 3 - после произвольных движений. Условия 1, 2 и 3 - на фоне ЧЭС

На рис. 4 представлены эти изменения силы при этих условиях для четырех испытуемых. Можно видеть, что при произвольной активности сила сгибания и разгибания существенно и достоверно увеличивалась у всех испытуемых. Сравнение условий 1 и 3 показывает, что сила сгибания возрастала у всех испытуемых, у трех их них показаны достоверные различия этого возрастания (р<0,005). Сила разгибания изменялась по-разному, наблюдалось как ее уменьшение, так и увеличение у разных испытуемых. При этом у двух испытуемых наблюдалось значимое уменьшение силы разгибания (р<0,005). У трех испытуемых, которые увеличивали силу сгибания ног при условии 3, т.е. после произвольных усилий, по отношению к условию 1, наблюдалось и возрастание средней амплитуды в регистрируемых мышцах (как это показано на рис. 3), для двух испытуемых в мышцах бедра, для одного в мышцах голени. У испытуемого 4 не отмечалось увеличение средней амплитуды ЭМГ после произвольных усилий, и для этого испытуемого также не выявлено значимое увеличение силы сгибания. Таким образом, изменение силы во время фазы сгибания коррелировали с изменением средних значений ЭМГ. Произвольная активность на фоне ЧЭС и механотерапии характеризовалась эффектом последействия, проявляющимся в увеличении силы мышц в фазу сгибания, в то время как в фазу разгибания этот эффект не проявлялся, так как имели место разнонаправленные изменения силы.

Тренировку у здоровых людей можно рассматривать как процесс направленной адаптации организма к воздействию тренировочных нагрузок. Мышечная работа вызывает снижение уровня энергетических веществ в мышцах, затем наступает восстановительный период. Хотя различные показатели восстанавливаются не одновременно, имеются данные, что после выполнения тренировочных упражнений продолжительностью 30 с при интенсивности 90% восстановление работоспособности обычно происходит через 90-120 с (Холодов, Кузнецов, 2002; Максименко, 2005). Эффект, выявленный в наших экспериментах, наблюдается в близких временных рамках, это показывает, что выполнение произвольных движений в механотренажере на фоне ЧЭС не имеет принципиальных отличий от обычного тренировочного процесса. Интересно заметить, что увеличение амплитуды ЭМГ и силы движения в фазу сгибания напоминает явление сверхкомпенсации, когда в результате процесса восстановления после прекращения нагрузки в определенный момент отдыха после работы уровень энергетических веществ в мышцах превосходит исходный дорабочий уровень. Это явление лежит в основе спортивных тренировок.

3                               4

Рис. 4 . Изменение значений силы при сгибании и разгибании ног при разных условиях эксперимента: по оси абсцисс - 1: (разность между 2 и 1 условием) 2 - (разность между 3 и 1 условием). Цифры под гистограммами - номер испытуемого. По оси ординат - значение силы (Кг). Сплошная заливка - сила разгибания (для правой и левой ноги), штриховка -сила разгибания (для правой и левой ноги)

Есть основания предполагать, что произвольные усилия растормаживают центры, обеспечивающие регуляцию шагательных движений, в силу чего мы и наблюдаем эффект увеличения силы и

ЭМГ-активности в фазу сгибания после произвольной активности. Эти изменения могут не осознаваться участником эксперимента. Как писал Н.А. Бернштейн (2008), граница между произвольными и непроизвольными движениями не совпадает с границей между движениями сознательными и бессознательными. При выполнении произвольных шагательных движений чередование сгибания и разгибания часто происходит автоматически. Автоматизм шагательных движений, как и любого двигательного акта, связан с переключением ряда координационных коррекций на афферентации низлежащих уровней. Исследования, проведенные на больных с неполным и полным параличом, которые тренировались на бегущей дорожке с поддержанием веса тела в течение длительного времени, показали, что локомоторная тренировка улучшает автоматическую ходьбу, но не улучшает способности к произвольным движениям ног (Wernig et al., 2000). Это означает, что за счет упражнений тренируется автономный рефлекторный механизм.

Заключение. Механотерапия позволяет ограничить рассеивание силовой направленности и применять тренировки для развития движений в определенных суставах, повышает проприоционную чувствительность, совершенствует регуляцию сокращения и расслабления мышц. Вовлечение в шагательную ритмику собственных усилий испытуемого может способствовать этим эффектам. Принимая во внимание результаты перечисленных исследований, и опираясь на проведенный статистический анализ, мы полагаем, что увеличение средней амплитуды ЭМГ после выполнения произвольных движений, осуществляемых испытуемыми, не является случайным. Вместе с тем следует учитывать индивидуальный характер проявления этого эффекта, что может быть связано с индивидуальными особенностями распределения мышечного тонуса. Тренировка в сочетании с ЧЭС направлена на усиление пассивной мышечной активности, а выполнение произвольных движений на этом фоне увеличивает эффект, т.к. приводит, вероятно, к вовлечению все большего количества двигательных нейронов. В основе вышеописанного явления лежит, по-видимому, способность нейронных цепей спинного мозга к перестройке, даже при отсутствии супраспинального влияния спинной мозг обладает пластичностью и способен учиться на опыте (Hodgson et al., 1994; Dobkin, 2000). На это же влияют ЧЭС и механотерапия, а произвольные движения могут являться дополнительным тренингом, усиливающим этот процесс. Полученные данные могут быть полезны для оптимизации разработки эффективных методик двигательного реабилитационного лечения спинальных больных.

EFFECT OF TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL SPINAL CORD STIMULATION AND MECHANOTHERAPY

IN THE MUSCLE ACTIVITY REGULATION

LN. Bogacheva1, T.R. Moshonkina1, E.V. Bobrova1, A.A. Grishin2, Y.M. Balykin3, R.N. Yakupov3, Y.P.Gerasimenko1

Богачева И.Н. Эффект чрескожной электрической стимуляции спинного мозга и механотерапии в регуляции активности мышц ног / И.Н. Богачева, Т.Р. Мошонкина, Е.В. Боброва, А.А. Гришин, Ю.М. Балыкин, Р.Н. Якупов, Ю.П. Герасименко // Вести. ТвГУ. Сер.: Биология и экология. 2015. № 2. С. 7-17.