Эффекты ритмической электрической стимуляции спинного мозга на координационную структуру бегового шага

Введение. Большое значение для повышения спортивных результатов имеет целенаправленное использование нетрадиционных средств развития физических качеств и управления функциональным состоянием спортсменов. Поискам подобных средств уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Одним из таких методов является чрескожная электрическая стимуляция различных отделов спинного мозга [1]. К настоящему времени накоплены экспериментальные данные об активация генераторов локомоторных движений с помощью разных видов стимуляционных воздействий [2, 3], а также показана возможность использования искусственного раздражения нейронных сетей спинного мозга для управления спинальными нейрональными структурами [6]. Неинвазивный способ воздействия на нейрональные структуры поясничного отдела спинного мозга посредством чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) разработан сравнительно недавно и был использован для изучения механизмов регуляции циклических движений. В работе H. Gabby с соавторами (2002) установлена возможность активации нейронных сетей копчиковых и крестцовых сегментов спинного мозга, обеспечивающих ритмические движения хвоста у новорожденных спинальных крыс, фармакологическими и стимуляционными воздействиями [4]. По данным M. Cherniak с соавторами (2014), на моторный ритм нижних конечностей можно влиять с помощью фармакологической стимуляции копчикового и крестцового отделов [5]. В данной работе чередующиеся ритмические пачки нервных импульсов пулов сгибательных мотонейронов вызывались посредством активации ме-токсалином крестцово-копчиковых нейронных сетей у пациентов с травмами спинного мозга. До сих пор не изучались возможности применения электростимуляции спинного мозга для развития физических качеств и управления координационной структурой двигательных действий. Опираясь на результаты вышеописанных исследований, нами была выдвинута гипотеза, что искусственное раздражение афферентного входа копчикового сплетения даст возможность регулировать координационную структуру циклических движений спортсменов. В связи с этим цель исследования заключалась в изучении влияния ритмической электрической стимуляции копчикового сплетения на кинематические и электромиографические параметры бегового шага.

Методы и организация исследования. В экспериментах принимали участие 8 здоровых бегунов в возрасте 17-25 лет, имеющие спортивную квалификацию от II разряда до КМС. Испытуемые выполняли бег с максимальной скоростью на пассивном тредбане (Cosmos Venus, Германия), держась за поручни, проталкивая ленту дорожки усилиями ног. Каждый испытуемый выполнял беговое упражнение в течение 10 с без электрической стимуляции и затем в течение 10 с под воздействием непрерывной чрескожной электрической стимуляции афферентного входа копчикового сплетения. Между попытками давался интервал отдыха, достаточный для полного восстановления. Общий вид проведения эксперимента представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Общий вид эксперимента

Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга осуществлялась с помощью пятиканального стимулятора БиоСтим-5 (ООО Косима, Россия). Стимуляционный активный электрод диаметром 3 см располагался в накожной проекции копчикового сплетения (Co1- Co4). Референтные поверхностные электроды размером 9х5 см находились симметрично на гребнях подвздошных костей. Сила электрической стимуляции подбиралась индивидуально для каждого испытуемого. Параметры стимуляции: импульсы прямоугольной формы, частота следования импульсов составляла - 30Гц, длительность импульсов - 0,5 мс, прямоугольные импульсы заполнялись несущей частотой 10 кГц для предотвращения болевых ощущений.

Биоэлектрическая активность мышц нижних конечностей (m. vastus lateralis (VL), m. biceps femoris (BF), m. gastrocnemius (GM), m. tibialis anterior (TA)) регистрировалась биполярными поверхностными электродами с активной площадью контакта 2,5 см2 посредством 16-канального электронейромиографа МЕ-6000 (Финляндия). Регистрация электромиограмм (ЭМГ) была синхронизирована с системой видеозахвата движений. Обработку полученных данных проводили в программе «MegaWin». Типичный образец зарегистрированных ЭМГ иллюстрируется на рисунке 2.

Рисунок 2. Оригинальные записи ЭМГ. Маркеры (граничные моменты): 1- постановка правой ноги на опору, 2 –отрыв правой ноги от опоры, 3 –наивысшая точка подъема правого колена

Для регистрации кинематических характеристик движений нижних конечностей использовали систему 3D-видеозахвата движений "Qualisys" (Швеция). Светоотражающие маркеры прикрепляли накожно к антропометрическим точкам тела, совпадающих с осями движения в плечевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах. Для анализа беговое упражнение было разделено на фазу маха – с момента отрыва стопы от опоры до момента достижения коленным суставом наивысшей точки, фазу опускания – от момента достижения коленным суставом наивысшей точки до момента постановки стопы на место опоры и период опоры – с момента постановки ноги на место опоры до момента отрыва ноги от опоры.

Результаты исследований и их обсуждение. В ходе исследований было выявлено, что путь, пройденный спортсменами под воздействием электрической стимуляции спинного мозга, увеличивался. При стимуляции копчикового сплетения испытуемые преодолели дистанцию на 0,81 м больше, что в сравнении с бегом без электрического воздействия составляло 2,28% (р>0,05).

Длительность фаз бегового шага со стимуляцией и без нее оставалась неизменной, кроме периода опоры, она уменьшилась на 2,38% по отношению к бегу без стимуляции. Ритмическая электрическая стимуляция копчикового сплетения (Co1- Co4) вызывала достоверное увеличение дистанции, пройденной нижнеберцовой антропометрической точкой в фазе маха на 7,29% (р<0,05) по сравнению с бегом без стимуляции, и некоторое уменьшение дистанции в периоде опоры на 2,39%. В беге со стимуляцией дистанция в фазе маха увеличилась, а длительность фазы оставалась неизменной, что свидетельствует о выполнении движения с большей скоростью.

На фоне ритмической электрической стимуляции скорость движения (рисунок 3) нижнеберцовой антропометрической точки в фазе маха несколько увеличилась на 6,75%, в фазе опускания на 3,47%. Также наблюдалось повышение скорости движения верхнеберцовой антропометрической точки в беге со стимуляцией на 1,99%.

Условие Со стимуляцией Уыювмв Со стимуляцией К *•*• [ни стимуляции                   Без г. тиму ляцяи                   Onyt манит

Аимюлом<1риче( мне тгаии            А*.гр*->поме’1>имс<«ме кхеи

ВернмвОрмоевя пр                  Мимнебермоеея пр            Опоре

Рисунок 3. Влияние электрической стимуляции спинного мозга на скорость перемещения антропометрических точек (м/с)

* – достоверность различий относительно бега без стимуляции

Детальный анализ скорости перемещения антропометрических точек по осям движения показал, что достоверный прирост в скорости перемещения нижнеберцовой антропометрической точки во время фазы маха наблюдался по горизонтальной оси и составил 10% (р<0,05). Аналогичные по характеру изменения происходили с параметрами верхнеберцовой антропометрической точки. Более значительную разницу в скорости перемещения антропометрических точек можно наблюдать в течение всей дистанции. Анализируя динамику скорости перемещения нижнеберцовой антропометрической точки в фазах маха по всей дистанции, можно определить, что при беге с ритмической электрической стимуляцией снижение скорости было менее выражено.

В проведенных исследованиях использование непрерывной электрической стимуляции копчикового сплетения на фоне выполнения произвольных локомоторных движений сопровождалось повышением ЭМГ-активности скелетных мышц бедра (рисунок 4). Под воздействием электрической стимуляции копчикового сплетения средняя амплитуда биопотенциалов BF повысилась в фазах маха и опускания на 54,29% (р<0,05) и 10,80%, соответственно, в периоде опоры прирост электроактивности составил 14,13%. Значительное повышение средней амплитуды биопотенциалов (15.67%) наблюдалось и у VL в периоде маха. У TA средняя амплитуда ЭМГ-активности во время бега со стимуляцией была ниже во всех фазах движения. Во время выполнения каждого бегового шага средняя амплитуда электромиограммы мышц бедра при беге со стимуляцией была выше в течение всей дистанции в среднем на 17%.

Рисунок 4. Влияние электрической стимуляции на среднюю амплитуду

ЭМГ-активности мышц правой ноги (мкВ)

* – достоверность различий относительно бега без стимуляции

Таким образом, повышение скорости маховых действий позволило бегунам осуществлять движение быстрее на протяжении всего бегового упражнения. Повышение эффективности маховых действий способствовало увеличению дистанционной скорости бегунов. В фазе маха при воздействии электрической стимуляции в наибольшей степени увеличивалась ЭМГ-активность VL и BF, которые активно участвуют в выносе бедра после периода опоры.

Расстояние, пробегаемое спортсменами, измерялось дистанцией перемещения ленты тредбана, а на нее спортсмен может воздействовать только во время периода опоры. В проталкивании ленты тредбана наиболее активно участвовала BF. Увеличение дистанции, пройденной спортсменами при стимуляции копчикового сплетения, характеризуется увеличением активности BF в период опоры на фоне электрического воздействия на спинной мозг. Увеличение амплитуды электрической активности основных работающих мышц при беге может быть обусловлено повышением нейрональной активности мотонейронного пула этих мышц под влиянием стимуляции, что приводит к рекрутированию большего количества двигательных единиц исследуемых мышц.

Заключение. Таким образом, ритмическая электрическая стимуляция копчикового сплетения позволяет при беге с максимальной скоростью использовать резервные возможности нейрональных цепей спинного мозга. Электрическое воздействие на спинной мозг повышало скорость маховых движений и тем самым увеличивало эффективность бега. Данный методический подход может быть использован в качестве нетрадиционного средства для совершенствования координационной структуры циклических движений.