В регуляции локомоции важная роль принадлежит нейрональным сетям интернейронов спинного мозга, локализованным в поясничном утолщении, которые определяют как генераторы шагательных движений (ГШД) [2]. Согласно мнению большинства исследователей, ГШД имеются у всех млекопитающих, включая человека [2; 6; 7; 9]. В норме активность ГШД регулируется структурами головного мозга, однако в случае частичного или полного нарушения супраспинальных связей, в результате поражения проводящих путей, генераторы шагания могут быть активированы эпидуральной электрической стимуляцией в области поясничного утолщения [4]. При этом установлено, что метод эпидуральной стимуляции сопряжен с трудностями трансплантации электродов, возможностью инфицирования и имеет ряд противопоказаний [6]. Недавно был предложен неинвазивный способ активации ГШД с использованием чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ), что открыло перспективу использования ЧЭССМ для изучения механизмов регуляции локомоций у здоровых испытуемых и лиц с нарушениями двигательных функций [2; 7; 10].
В последние годы появились исследования по изучению возможностей чрескожной электрической стимуляции для воздействия на нейронные сети шейного и поясничного отделов для активации афферентных и эфферентных рефлекторных связей при полном и/или частичном нарушении супраспинальных влияний различного генеза [8].
При этом возможности использования неинвазивной электростимуляции, ее режимы и механизмы воздействия на структуры спинного мозга ограничиваются единичными работами и только начинаются в нашей стране и за рубежом [8; 10].
Цель настоящего исследования - оценить изменения проводимости и возбудимости нейронных структур поясничных спинномозговых сегментов, иннервирующих мышцы нижних конечностей у практически здоровых испытуемых при воздействии чрескожной электростимуляции спинного мозга в проекции поясничного утолщения.
Материал и методы исследования. Исследование проводилось на базе медико-биологической лаборатории ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет» и ГУ «Центральная клиническая медико-санитарная часть» города Ульяновска. В исследовании приняли участие 12 практически здоровых испытуемых в возрасте 19-23 лет. В соответствии с принципами Хельсинкской декларации было получено информированное письменное согласие испытуемых на участие в исследованиях.
Во время электростимуляции испытуемые располагались на кушетке, в положении лежа на спине. Согласно инструкции, испытуемые должны были лежать спокойно и не препятствовать (не способствовать) мышечным ответам, вызыванным электрической стимуляцией спинного мозга.
Для чрескожной электрической стимуляции спинного мозга использовали стимулятор КУЛОН (ГУАП, СПб). Стимулирующий электрод (катод) в виде диска диаметром 2,5 см, изготовленный из токопроводящего пластика (Lead-Lok, Sand point, США), фиксировали по средней линии позвоночника на уровне T11 и T12 между остистыми отростками. Индиферентные электроды (анод) — пластины овальной формы располагались симметрично на коже над гребнем подвздошных костей. В качестве воздействия использовали биполярные электрические стимулы длительностью 0,5 мс; величину тока подбирали индивидуально для каждого испытуемого, в зависимости от уровня порога. Частота электростимуляции спинного мозга составляла 1 и 5 Гц.
Сеансы чрескожной электростимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) проводились ежедневно, шесть раз в неделю (18 сеансов). Длительность одного сеанса варьировала в диапазоне 5-35 минут на разных этапах курса.
Для оценки возбудимости нервно-мышечных структур до и после курса ЧЭССМ регистрировали вызванные моторные ответы (ВМО) мышц m. rectus femoris и m. tibialis anterior с помощью четырехканального электромиографа «Синапсис» (фирма «Нейротех», Россия). Для регистрации ВМО биполярные накожные электроды с межэлектродным расстоянием 2 см были установлены на мышцах m. rectus femoris и m. tibialis anterior - на брюшках мышц посередине между началом и местом их прикрепления, с ориентацией вдоль волокон мышцы. ВМО регистрировались во время одиночной стимуляции спинного мозга при пороговой интенсивности тока. Показатели ВМО рассчитывались с помощью программы «Синапсис». В электронейромиографических (ЭНМГ) исследованиях были изучены пороги ВМО, средняя и максимальная амплитуда ВМО.
Для оценки проводимости n. Tibialis использовали методику определения скорости проведения импульсов (СПИ) по моторным волокнам n. Tibialis до и после курса ЧЭССМ. СПИ по моторным волокнам n. Tibialis определяли согласно методике Команцева В.Н. [3]. Стимулирующий поверхностный электрод располагали вдоль нерва таким образом, чтобы катод (отрицательная полярность) был ближе к отводящему электроду, т.е. располагался дистальнее, а анод проксимальнее. Расстояние между отводящим и стимулирующим электродами измеряли от катода до активного отводящего электрода. Стимуляцию нерва проводили с помощью стимулирующего электрода («Нейротех», Россия) при одинаковой силе тока до и после курса ЧЭССМ; n. Tibialis стимулировали в двух точках: в области голеностопного сустава (дистальная точка) и в подколенной ямке (проксимальная точка). Отводящий электрод располагался на m. abductor hallucis, заземляющий электрод – на тыльной стороне стопы. При стимуляции n. Tibialis поочередно в проксимальной и дистальной точке регистрировали параметры вызванного M-ответа m. abductor hallucis: резидуальную латентность, латентный период, амплитуду. C помощью программы «Синапсис» на основании параметров вызванного М-ответа при стимуляции нерва в двух точках и расстояния между отводящим и стимулирующим электродами рассчитывали СПИ по моторным волокнам n. Tibialis для каждого испытуемого.
Статистическая обработка данных производилась с применением пакета стандартных компьютерных программ (Statistika).
Результаты исследований и их обсуждение
Исследования последних лет свидетельствуют о возможности инициации непроизвольных (вызванных) шагательных движений у здоровых людей при электростимуляции спинного мозга в накожной проекции поясничных сегментов спинного мозга на уровне T11-Т12 [2]. При этом авторы установили, что непроизвольные шагательные движения вызываются при стимуляции частотами в широком диапазоне от 5 до 40 Гц. Предварительно проведенные нами исследования показали, что пороговые величины одиночных накожных электрических стимулов в области T11-Т12, которые приводят к ВМО мышц бедра и голени, лежат в диапазоне от 50 до 68 мА. При этом порог ВМО m. rectus femoris при стимуляции спинного мозга (табл. 1) варьировал в диапазоне 55-56 мА и в среднем составил 55,4±0,45 мА; для m. tibialis anterior эта величина составила 64,3±0,51 (табл. 2), при вариациях от 63 до 65 мА. Отличия в значениях порогов ВМО m. rectus femoris и m. tibialis anterior связаны с различной локализацией моторных пулов в сегментах спинного мозга [2], причем при ЧЭССМ первыми в двигательный ответ вовлекаются мышцы бедра, увеличение интенсивности стимула приводит к сокращению мышц голени.
Таблица 1
Биоэлектрическая активность ВМО m. rectus femoris до и после курса ЧЭССМ (M±m)
Показатели |
До курса ЧЭССМ |
После курса ЧЭССМ |
Порог, мА |
55,4±0,45 |
47,5±0,40* |
Аср, мВ |
3,25±0,14 |
3,54±0,17* |
Амакс, мВ |
4,90±0,11 |
5,24±0,13* |
Примечание: *- различия достоверны по сравнению с контролем (до курса ЧЭССМ) при p≤0,05.
Таблица 2
Биоэлектрическая активность ВМО m. tibialis anterior до и после курса ЧЭССМ (M±m)
Показатели |
До курса ЧЭССМ |
После курса ЧЭССМ |
Порог, мА |
64,3±0,51 |
57,5±0,48* |
Аср, мВ |
2,18±0,09 |
2,34±0,11* |
Амакс, мВ |
2,61±0,1 |
2,93±0,13* |
Примечание: *- различия достоверны по сравнению с контролем (до курса ЧЭССМ) при p≤0,05.
Для оценки эффектов накожной электростимуляции использовались ежедневные сеансы ЧЭССМ, в которых величина стимулов устанавливалась на уровне пороговых. Выбор пороговых стимулов связан с тем, что сверхпороговые раздражители могут совпадать с порогами кожной болевой чувствительности и возникновением болевых ощущений [6]. При этом использовали два частотных спектра электростимуляции: в начале сеанса одиночные стимулы 1 Гц, во второй части – 5 Гц. Продолжительность ежедневных сеансов ЧЭССМ варьировала от 5-10 минут в первые дни до 30-35 минут на второй и третьей неделях электростимуляции. Общая продолжительность курса (3 недели) устанавливалась с учетом общебиологических законов адаптации, в соответствии с которыми формирование устойчивых морфофункциональных изменений в организме при действии различных раздражителей происходит на 2-3-й неделе [5].
Результаты исследования показали, что после завершения курса ЧЭССМ имеет место снижение порогов ВМО тестируемых мышц. Так, порог ВМО m. rectus femoris снизился на 14,3% (p≤0,05), m. tibialis anterior на 10,6% (p≤0,05). Имеются сведения, что при эпидуральной [4] и накожной электростимуляции спинного мозга в области поясничного утолщения в накожной проекции T11-Т12 инициируются механизмы непроизвольных шагательных движений, активность разных моторных пулов мышц ног, при активации входящих в спинной мозг афферентов дорсальных корешков, с их моно- и полисинаптическими проекциями к моторным ядрам [2]. Результаты наших исследований показали, что после курса ЧЭССМ имеет место изменение вызванного моторного ответа на пороговые электрические стимулы (рис. 1).
Рис. 1. Двигательные ответы m. rectus femoris (RF) и m. tibialis anterior (TA) на ЧЭССМ с частотой 1 Гц при интенсивности 60 мА. Показаны ответы мышц до (А) и после курса ЧЭССМ (Б).
При этом средняя амплитуда ВМО m. rectus femoris достоверно увеличилась на 8,2% (p≤0,05), максимальная на 6,5% (p≤0,05) (табл. 1). Сходные данные отмечались и в m. tibialis anterior: средняя амплитуда увеличилась на 6,8% (p≤0,05), максимальная на 10,3% (p≤0,05) (табл. 2).
Полученные данные свидетельствуют, что курс ЧЭССМ приводит к повышению чувствительности нейронных сетей поясничных спинномозговых сегментов, подтверждением чего служат снижение порогов ВМО m. rectus femoris и m. tibialis anterior, увеличение амплитудных характеристик ВМО. Можно полагать, что увеличение ВМО мышц нижних конечностей после курса ЧЭССМ связано не только с морфофункциональными изменениями на уровне спинномозговых нервных сетей, но и с перестройками на уровне нервных проводников и нервно-мышечного аппарата. Для проверки этого предположения до и после курса ЧЭССМ была проведена оценка параметров вызванного М-ответа при электростимуляции n. Tibialis в ее проекции на поверхности кожи в области голеностопного сустава (за медиальной лодыжкой). Вызванный M-ответ регистрировали в m. abductor hallucis (табл. 3).
Таблица 3
Параметры вызванного M-ответа m. abductor hallucis при стимуляции n. Tibialis в области голеностопного сустава до и после курса электрической стимуляции спинного мозга (M±m)
Показатели |
До курса ЧЭССМ |
После курса ЧЭССМ |
Латентный период, мс |
4,45±0,2 |
4,01±0,17* |
Резидуальная латентность, мс |
2,68±0,12 |
2,51±0,09* |
Амплитуда, мВ |
17,98±0,7 |
19,86±1,10* |
Примечание: *- различия достоверны по сравнению с контролем (до курса ЧЭССМ) при p≤0,05.
Результаты исследования показали, что после завершения курса ЧЭССМ имеет место изменение параметров вызванного M-ответа. Так, амплитуда вызванного моторного ответа увеличилась на 10,4% (p≤0,05), латентный период снизился на 10,9% (p≤0,05), резидуальная латентность - на 6,4% (p≤0,05). Известно, что показатель резидуальной латентности включает в себя время синаптической задержки, равной около 1 мс; время проведения возбуждения по немиелинизированным терминалям аксона, где скорость проведения импульса значительно снижена; время проведения возбуждения по мембране мышечного волокна. Резидуальная латентность, в противоположность терминальной, не зависит от размеров тела испытуемого и, соответственно, длины сегмента конечности [1]. Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что курс ЧЭССМ приводит к снижению времени нервно-мышечной передачи и латентного периода m. abductor hallucis.
На основании полученных в ходе исследования параметров вызванного M-ответа при стимуляции n. Tibialis в двух точках рассчитывалась скорость проведения импульсов по моторным волокнам n. Tibialis. В таблице 4 представлены индивидуальные показатели СПИ по моторным волокнам n. Tibialis до и после курса электрической стимуляции спинного мозга.
Таблица 4
Индивидуальные показатели СПИ по моторным волокнам n. Tibialis до и после курса ЧЭССМ
Испытуемый |
До курса ЧЭССМ, м/с |
После курса ЧЭССМ, м/с |
1 |
43,22 |
45,76 |
2 |
47,06 |
49,83 |
3 |
42,61 |
42,72 |
4 |
42,67 |
46,42 |
5 |
44,49 |
46,98 |
6 |
46,61 |
48,74 |
7 |
42,83 |
45,18 |
8 |
44,62 |
45,51 |
9 |
43,54 |
45,74 |
10 |
45,39 |
46,98 |
11 |
46,72 |
46,51 |
12 |
45,80 |
47,92 |
Результаты исследования показали, что СПИ по моторным волокнам n. Tibialis до курса ЧЭССМ варьировала в широких пределах от 42,61 до 47,06 м/с и составила в среднем по группе 44,63±0,48 м/с. После курса неинвазивной электростимуляции СПИ достоверно увеличилась у 9 испытуемых из 12 (p≤0,05). В среднем по группе СПИ по моторным волокнам n. Tibialis после курса ЧЭССМ увеличилась на 4,1% и составила 46,52±0,52 м/с (p≤0,05). Можно полагать, что эти изменения обусловлены рядом факторов, в том числе изменениями метаболизма в структурах нервных проводников и нервно-мышечного аппарата на периферии, приводящих к повышению скорости проведения возбуждения по немиелинизированным терминалям аксона, снижению времени синаптической задержки и охвата возбуждением мышечного волокна.
Заключение. Проведенное исследование показывает эффективность использования ЧЭССМ для воздействия на нейронные сети поясничных отделов спинного мозга. Использование различных по частоте и силе электрических стимулов, вариаций продолжительности их воздействия в ходе курса ЧЭССМ показали изменения возбудимости и проводимости нейронных структур на уровне сегментарного аппарата спинного мозга. Результаты исследования свидетельствуют, что курс ЧЭССМ приводит к повышению возбудимости поясничных спинальных нейронных структур, активации деятельности афферентных систем, включая дорсальные корешки с их моно- и полисинаптическими проекциями к моторным ядрам, увеличению скорости проведения импульсов по нервным проводникам и структурам нервно-мышечного аппарата, что открывает перспективы использования ЧЭССМ для коррекции сегментарных нарушений спинного мозга.
Рецензенты:
Каталымов Л.Л., д.б.н., профессор, профессор кафедры анатомии, физиологии и гигиены человека ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный педагогический университет им. И.Н. Ульянова», г. Ульяновск;
Машин В.В., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой неврологии, нейрохирургии физиотерапии и лечебной физкультуры Института медицины, экологии и физической культуры ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск.