Влияние длительной электрической стимуляции спинного мозга на силовые возможности скелетных мышц

Введение.*К настоящему времени целый ряд исследований специалистов посвящен разработке нетрадиционных методических подходов к целенаправленному изменению состояния и свойств моторной системы человека [1–3 и др.]. В этих работах довольно детально изложены методические подходы к повышению двигательных способностей человека с помощью электрической и магнитной стимуляции скелетных мышц в состоянии покоя и при непосредственном выполнении мышечной работы.

В современных нейрофизиологических исследованиях, направленных на выявление механизмов регуляции локомоций, используются неинвазивные методы стимуляции спинного мозга, которые вызывают непроизвольные локомоторные движения в условиях внешней вывески ног в горизонтальной плоскости [4–7]. Установлено, что электромагнитная и электрическая стимуляция в области поясничного утолщения спинного мозга активирует работу генератора шагательных движений. Авторы отметили некоторые особенности генеза непроизвольных локомоторных движений при вышеназванных видах стимуляционного воздействия на спинной мозг. Результаты этих экспериментов также свидетельствуют о специфике постактивационных эффектов, вызываемых разными видами неинвазивной стимуляции. Методика электрической стимуляции спинного мозга человека применяется для выяснения физиологических механизмов адаптации к спортивной деятельности различной направленности [8], инициации активности генератора шагательных движений [6], целенаправленного изменения скоростно-силовых способностей спортсменов [9], а также при коррекции двигательных нарушений [10, 11]. В то же время в имеющейся литературе отсутствуют сведения о влиянии длительной электрической стимуляции спинного мозга на силовые возможности скелетных мышц у здоровых лиц.

Цель исследования. Изучение возможности изменений мышечной силы человека под влиянием курса продолжительной чрескожной ритмической электростимуляции спинного мозга.

Материалы и методы. Исследование проводилось на базе Научно-исследовательского института проблем спорта и оздоровительной физической культуры Великолукской государственной академии физической культуры и спорта. В эксперименте приняло участие 13 здоровых испытуемых мужского пола в возрасте от 19 до 23 лет. Условия проведения эксперимента были согласованы с комитетом по биоэтике названного вуза, все испытуемые получили детальную информацию о проводимом исследовании и дали письменное согласие на участие в нем в соответствии с Хельсинкской декларацией.

Испытуемым в положении лежа на кушетке лицом вниз в течение 20 мин проводи- лась ЧЭССМ на уровне грудных позвонков T11–T12 прямоугольными монополярными стимулами с помощью электронейромиографа «Нейро-МВП-8» (000 «Нейрософт», Россия, 2006). Активный электрод (катод) располагался по средней линии позвоночника между остистыми отростками указанных выше позвонков, индифферентные электроды – билатерально на кожной поверхности гребней подвздошных костей. Интенсивность стимуляции подбиралась в предварительных исследованиях (она не вызывала болевых ощущений во время основного эксперимента). Сила стимула у разных испытуемых находилась в диапазоне 20–30 % от индивидуального порога вызванного моторного ответа (ВМО) m. gastrocnemius. В течение первых 10 мин стимуляции интенсивность стимула составляла 30 мА, а в последующие – 40 мА. Длительность однократного стимула составляла 0,5 мс, частота следования стимулов – 10 Гц.

Для регистрации мышечной силы испытуемым в положении лежа на кушетке предлагалось выполнить подошвенное сгибание стопы (изометрический тип сокращения) на мультисуставном лечебно-диагностическом комплексе Biodex Multi-Joint System Pro-3 (USA, 2006). У испытуемых до нанесения продолжительной ЧЭССМ и после ее прекращения на 1, 5, 10, 20, 30-й мин регистрировались: максимальный момент силы; поверхностная ЭМГ m. gastrocnemius (GM) и m. tibialis anterior (TA) при реализации максимального усилия; моторные ответы, вызываемые однократной электростимуляции-ей спинного мозга; максимальная амплитуда М-ответов названных выше мышц. ВМО и М-ответы GM и TA регистрировались по методикам, описанным в работах [8, 12], с помощью восьмиканального электронейромиографа «Нейро-МВП-8». В процессе регистрации ВМО исследуемых мышц на однократную ЧЭССМ использовались те же стимулирующие электроды, которые применялись для 20-минутной стимуляции спинного мозга. При регистрации М-ответов стимулирующий активный электрод располагался в области подколенной ямки на кожной проекции n. tibialis (для GM) и n. peroneus (для TA), а референтный – на противоположной стороне конечности (в проекции сухожилия m. rectus femoris). Регистрация биопотенциалов скелетных мышц голени осуществлялась поверхностными накожными электродами. Активный электрод (металлический диск диаметром 9 мм) располагался в проекции двигательной точки мышцы, референтный – смещался на расстояние 20 мм к сухожилию.

Статистическая обработка результатов исследования выполнялась при помощи пакета программы Statistica 10.0. Для оценки координационных взаимодействий мышц в системе «агонист – антагонист» до и после воздействия ЧЭССМ рассчитывался коэффициент реципрокности: амплитуда ЭМГ m. tibialis anterior / амплитуда ЭМГ m. gastrocnemius × 100 % [12].

Результаты. Результаты анализа зарегистрированных величин максимального момента сил показали, что сразу после окончания 20-минутной ЧЭССМ наблюдалось достовер- ное увеличение этого параметра (табл. 1). Непосредственно после электростимуляционного воздействия прирост величины мышечной силы по отношению к фоновому уровню составлял 13,17 Н·м (p<0,05). Амплитуды ЭМГ, ВМО и М-ответа GM и TA проявляли лишь тенденцию к повышению после окончания электрической стимуляции спинного мозга, однако статистически значимых различий не наблюдалось (р>0,05; табл. 1).

В результате исследования изменения величины максимального момента сил через 5, 10, 20, 30 мин после прекращения 20-минутной стимуляции спинного мозга установлено достоверное увеличение данного показателя на 5-й и 10-й мин восстановления по отношению к значениям, зарегистрированным до ЧЭССМ (табл. 2). В этом случае величина максимального момента сил по отношению к фоновому уровню достоверно увеличилась на 15,40 Н·м (p<0,05) и 17,03 Н·м (p<0,05) соответственно.

Таблица 1

Изменение максимального момента сил, амплитуды ЭМГ, ВМО и М-ответа GM и TA сразу после воздействия электрической стимуляции на спинной мозг

Показатель	До стимуляции спинного мозга (фон)	После стимуляции спинного мозга (1-я мин)
Максимальный момент сил, Н·м	124,51±6,07	137,68±7,52*
ЭМГ GM, мкВ	384,72±59,92	431,47±67,32
ВМО GM, мВ	2,38±0,49	2,52±0,39
М-ответ GM, мВ	13,49±1,94	14,79±1,82
ЭМГ TA, мкВ	134,25±38,32	115,63±21,52
ВМО TA, мВ	0,38±0,05	0,38±0,07
М-ответ TA, мВ	3,53±0,42	3,55±0,38

Примечание. В табл. 1 и 2: * – р<0,05 – уровень достоверных различий между величинами до и после воздействия (Kruscal-Wallis test Anova).

С 20-й по 30-ю мин после окончания электростимуляции отмечалось снижение величины мышечной силы практически до значений без стимуляции спинного мозга, что свидетельствует о постепенном восстановлении исследуемого параметра (р>0,05).

Значения амплитуды ЭМГ, ВМО, М-от-вета GM после воздействия электрической стимуляции на спинной мозг, представлен- ные в табл. 2, свидетельствуют о достоверном увеличении амплитуды ЭМГ на 5-й мин (p<0,05), а амплитуды ВМО – на 10-й мин (p<0,05). Напротив, амплитуда ЭМГ, ВМО, М-ответа TA после воздействия электрической стимуляцией на спинной мозг не претерпевала каких-либо статистически значимых изменений (р>0,05; табл. 2).

Оценка координационных взаимоотноше- ний мышц «агонист (GM) – антагонист (TA)» с помощью коэффициента реципрокности выявила увеличение реципрокности указанных выше мышц по отношению к фону на протяжении 10 мин постактивационного эффекта электростимуляции. Величина коэффициента реципрокности достоверно уменьшилась к 5-й мин последействия элекростимуляции спинного мозга на 21,91 % по отношению к фону, а к 10-й мин – на 22,54 % (рис. 1)

Таблица 2

Изменение величины максимального момента сил, амплитуды ЭМГ, ВМО, М-ответа GM и TA после воздействия электрической стимуляции на спинной мозг

Показатель	Фон	Время регистрации после окончания стимуляции, мин
		5	10	20	30
Максимальный момент сил, Н·м	124,57±7,73	139,97±7,45 *	141,60±5,84 *	136,48±8,06	125,42±5,22
ЭМГ GM, мкВ	384,72±59,92	448,41±70,56 *	424,68±54,40	423,50±67,22	412,44±46,84
ВМО GM, мВ	2,38±0,49	2,97±0,48	3,21±0,55*	2,96±0,46	2,23±0,50
М-ответ GM, мВ	13,49±1,94	15,19±2,35	14,84±2,20	15,61±2,19	13,38±1,29
ЭМГ TA, мкВ	134,25±38,32	107,49±23,59	100,12±24,26	131,01±39	141,91±30,84
ВМО TA, мВ	0,38±0,05	0,38±0,07	0,42±0,06	0,32±0,05	0,37±0,05
М-ответ TA, мВ	3,53±0,42	3,55±0,38	3,88±0,38	3,92±0,37	4,00±0,45

Рис. 1. Изменение коэффициента реципрокности GM и TA после воздействия ЧЭССМ, %. р<0,05 – уровень достоверных различий между величинами до и после воздействия (Wilcoxon test)

На 20-й мин после окончания электрической стимуляции спинного мозга величина коэффициента реципрокности была меньше по сравнению с фоном лишь на 8,37 % и не имела достоверных отличий от исходных значений (р>0,05; рис. 1). Тенденция к уменьшению величины коэффициента реципрокности сохранялась и на 30-й мин после проведения электрической стимуляции (р>0,05). Такая дина- мика свидетельствует о продолжающейся тенденции к восстановлению величины коэффициента реципрокности мышц-антагонистов до значений, зарегистрированных до электрической стимуляции спинного мозга.

Обсуждение. В проведенных нами экспериментах продолжительная электрическая стимуляция приводила к увеличению ампли- туды мышечных ответов GM, вызываемых однократной стимуляцией поясничного утолщения спинного мозга, что является свидетельством повышения рефлекторной возбудимости соответствующих спинальных мотонейронных пулов. Можно полагать, что нисходящий поток нервных импульсов, адресованный к мотонейронным пулам с повышенным уровнем возбудимости, инициирует рекрутирование дополнительных двигательных единиц, активность которых обеспечивает прирост мышечной силы при длительном электрическом воздействии на спинной мозг.

Во многих нейрофизиологических исследованиях показано, что ритмическая электрическая стимуляция структур нервной системы приводит к разнообразным функциональным изменениям в синапсах нейрональных сетей, зависимым от силы, длительности и частоты стимуляционного воздействия [12– 14]. Продолжительная активация вызывает повышение потенциала покоя (гиперполяризацию) мембраны пресинаптической части аксона и способствует увеличению амплитуды потенциала действия. Высокоамплитудный потенциал действия инициирует выброс более значительного количества медиаторов в синаптическую щель. При этом в условиях ритмической активации наблюдается увеличение запаса медиатора, готового к выделению. В связи с этим можно полагать, что применяемая в нашей работе ЧЭССМ вызывала в синапсах спинальных нейрональных сетей изменения, аналогичные изложенным выше. Это обстоятельство дает основания предположить, что синаптические изменения, вызываемые ЧЭССМ, могут создавать более оптимальные условия для рекрутирования двигательных единиц, функционирование которых и обеспечивает прирост силовых возможностей мышц.

Гипотетический механизм повышения силовых возможностей, проявляемых в модельном двигательном действии, может быть связан с повышением возбудимости нейронов моторной зоны коры головного мозга под влиянием поступающих по восходящим спинально-корковым путям нервных импульсов, генерируемых в спинном мозге электрости- муляционным воздействием.

Известно, что выполнение целенаправленного двигательного действия происходит посредством моторной команды, под которой понимаются сигналы, вырабатываемые центральной нервной системой и непосредственно управляющие движением [14]. Для того чтобы движение достигало поставленной задачи, моторная команда должна активировать нейроны соответствующих сегментов спинного мозга с определенной интенсивностью, последовательностью и в строго установленные моменты времени. Вопрос о локализации нейрональных сетей в структурах мозга, где принимаются решения о начале произвольного движения, а следовательно, и о реализации соответствующей моторной команды, на сегодняшний день остается еще малоизученным. Тем не менее общепризнанно, что моторные команды, управляющие сокращением отдельных мышц и осуществляющие координацию сложных двигательных задач, вырабатываются в моторной коре. В исследованиях с использованием методики регистрации активности отдельных нейронов моторной коры показано наличие различных популяций нейронов, кодирующих те или иные параметры двигательного действия [15]. Часть нейронов моторной коры активна во время сгибания, другие – во время разгибания. Частота разрядов пропорциональна усилию, с которым выполняется двигательное действие. Участие в сгибании или разгибании свойственно для кортикоспинальных нейронов, аксоны которых оканчиваются на спинальных α-мотонейронах [16].

Если рассмотреть проявление силы при подошвенном сгибании стопы как решение полноценной двигательной задачи, предусматривающей реализацию сформированной ранее моторной команды на разных уровнях ЦНС и периферического мышечного аппарата, то последовательность событий (механизмов) можно представить следующим образом. Сформированная ранее и реализуемая в данный момент моторная команда в виде паттерна нервных импульсов по соответствующим нисходящим нейрональным путям достигает мотонейронных пулов рабочих мышц, возбудимость которых повышена электростимуляционным воздействием на спинной мозг. В этом случае имеющаяся моторная команда будет активировать большее число быстрых α-мотонейронов по сравнению с обычными условиями выполнения двигательного действия, не связанными со стимуляцией. Можно также предположить, что увеличение показателей силы мышцы голени под влиянием длительной ЧЭССМ определяется и модификацией моторной команды, следующей из коры головного мозга к мотонейронному пулу икроножной мышцы, активность которой обеспечивает выполнение исследуемого двигательного действия – подошвенного сгибания стопы. Такая модификация также может быть связана со специфичностью супраспинальных возбуждающих и тормозных влияний на интернейроны Ia и Ib спинального уровня при выполнении исследуемого произвольного движения [17].

Заключение. В нашей работе сделана по- пытка разработать методический подход к развитию мышечной силы посредством ЧЭССМ. Установлено, что длительная ЧЭССМ повышает силовые возможности m. gastrocnemius. Это проявляется в увеличении максимального момента силы на 13,67 %, повышении электрической активности m. gastrocnemius при выполнении подошвенного сгибания стопы и амплитуды вызванных моторных ответов.

На основе результатов исследования о влиянии длительной электрической стимуляции спинного мозга на функциональное состояние моторной системы нами предложен новый методический подход к развитию мышечной силы посредством электростимуля-ционного воздействия на спинной мозг. Предлагаемый подход может быть использован как дополнительное средство тренировочного воздействия на моторную систему спортсменов в тех видах спорта, результат в которых зависит от силовых способностей.