Моделирование импульсной активности афферентных волокон мышц-антагонистов голени при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга во время ходьбы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В данной статье описаны результаты исследований по изучению импульсной активности различных групп афферентных волокон и ЭМГ-паттернов мышц-антагонистов голени при ходьбе без, во время и после чрескожной электрической стимуляции дорсальных корешков нижнегрудного отдела спинного мозга человека. С помощью применения математической модели, основанной на прогнозировании срабатывания мышечных веретен, показана вариабельность в проявлении импульсной активности различных афферентов m. tibialis anterior (ТА) и m. gastrocnemius med. (GM) при ходьбе в разных экспериментальных условиях. Установлено, что ходьба по подвижной ленте тредбана в отсутствии стимуляции спинного мозга сопровождалась сильной импульсной активностью афферентов I (Ia и Ib) и II групп GM, повышением возбудимости ее мотонейронного пула и ослаблением афферентной активности и возбудимости TA. Напротив, электрическая стимуляция спинного мозга при ходьбе вызывала сильную импульсную активность афферентов II группы TA и умеренную — GM, при этом активность волокон Ia TA и GM снижалась до умеренной импульсации, Ib афферентов тех же мышц имела самую слабую активность, а возбудимость мотонейронного пула GM была больше, чем TA. В постактивационный период ходьба сопровождалась усилением импульсации афферентных волокон Ib и II группы GM, ослаблением афферентных потоков Ib TA и Ia афферентов GM, но наряду с этим, афферентные сигналы Ia и II группы к мотонейронному ядру TA снижались до умеренной импульсации, а возбудимость мотонейронного пула GM была выше, чем TA. Обсуждаются полагаемые рефлекторные механизмы регуляции локомоции на основе известных феноменов, связанных с взаимодействием различных афферентных входов на нейрональный аппарат спинного мозга в системе мышц-антагонистов голени.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. А. Гладченко

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Автор, ответственный за переписку.
Email: gladchenko84@outlook.com
Россия, Великие Луки

И. В. Алексеева

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: gladchenko84@outlook.com
Россия, Великие Луки

А. А. Челноков

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: gladchenko84@outlook.com
Россия, Великие Луки

М. Г. Барканов

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: gladchenko84@outlook.com
Россия, Великие Луки

Список литературы

  1. Stachowski N.J., Dougherty K.J. Spinal Inhibitory Interneurons: Gatekeepers of Sensorimotor Pathways // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 5. P. 2667.
  2. Плещинский И.Н., Алексеева Н.Л. Спинной мозг: афферентные взаимодействия // Физиология человека. 1996. Т. 22. № 1. С. 123.
  3. Prescott S.A., Ma Q., De Koninck Y. Normal and abnormal coding of somatosensory stimuli causing pain // Nat. Neurosci. 2014. V. 17. № 2. Р. 183.
  4. Abraira V.E., Kuehn E.D., Chirila A.M. et al. The Cellular and Synaptic Architecture of the Mechanosensory Dorsal Horn // Cell. 2017. V. 168. № 1–2. Р. 295.
  5. Богачева И.Н., Щербакова Н.А., Гришин А.А., Герасименко Ю.П. Эффекты фазовых сдвигов чрескожной электрической стимуляции спинного мозга на кинематические характеристики шагательных движений у человека // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2021. Т. 107. № 3. С. 374.
  6. Городничев Р.М., Пухов А.М., Моисеев С.А. и др. Регуляция фаз шагательного цикла при неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 1. С. 73.
  7. Барканов М.Г., Городничев Р.М. Особенности вызванных мышечных ответов и кинематических параметров скоростных локомоторных движений при чрескожной электрической стимуляции разных зон спинного мозга // Физиология человека. 2022. Т. 48. № 5. С. 49.
  8. Gladchenko D.A., Roshchina L.V., Bogdanov S.M. et al. Effect of transcutaneous electrical spinal cord stimulation on the functional activity of reciprocal and presynaptic inhibition in healthy subjects // Rus. Open Med. J. 2022. V. 11. № 3. P. 302.
  9. Челноков А.А., Рощина Л.В., Гладченко Д.А. и др. Эффект чрескожной электрической стимуляции спинного мозга на функциональную активность спинального торможения в системе мышц-синергистов голени у человека // Физиология человека. 2022. Т. 48. № 2. С. 14.
  10. Яфарова Г.Г., Милицкова А.Д., Шульман А.А. и др. Влияние транскраниальной магнитной стимуляции на ответы мышц голени, вызванные чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга // Практическая медицина. 2017. № 8 (109). С. 201.
  11. Benavides F.D., Jo H.J., Lundell H. et al. Cortical and Subcortical Effects of Transcutaneous Spinal Cord Stimulation in Humans with Tetraplegia // J. Neuroscience. 2020. V. 40. № 13. P. 2633.
  12. Sayenko D.G., Rath M., Ferguson A.R. et al. Self-assisted standing enabled by non-invasive spinal stimulation after spinal cord injury // J. Neurotrauma. 2019. V. 36. № 9. P. 1435.
  13. Milosevic M., Masugi Y., Sasaki A. et al. On the reflex mechanisms of cervical transcutaneous spinal cord stimulation in human subjects // J. Neurophysiol. 2019. V. 121. № 5. P. 1672.
  14. Barss T.S., Parhizi B., Porter J., Mushahwar V.K. Neural Substrates of Transcutaneous Spinal Cord Stimulation: Neuromodulation across Multiple Segments of the Spinal Cord // J. Clin. Med. 2022. V. 11. № 3. Р. 639.
  15. Команцев В.Н. Методические основы клинической электронейромиографии. Руководство для врачей. СПб.: Лань, 2006. 362 с.
  16. Prochazka A., Gorassini M. Ensemble firing of muscle afferents recorded during normal locomotion in cats // J. Physiol. 1998. V. 507. Pt. 1. Р. 293.
  17. Mileusnic M.P., Loeb G.E. Force estimation from ensembles of Golgi tendon organs // J. Neural. Eng. 2009. V. 6. № 3. Р. e036001.
  18. Enoka R.M. Neuromechanics of Human Movement. Champaign, IL, United States: Human Kinetics, 2015. 504 p.
  19. Gervasio S., Voigt M., Kersting U.G. et al. Sensory Feedback in Interlimb Coordination: Contralateral Afferent Contribution to the Short-Latency Crossed Response during Human Walking // PLoS One. 2017. V. 12. № 1. Р. e0168557.
  20. Бикмуллина Р.X., Розенталъ А.Н., Плещинский И.Н. Тормозные системы спинного мозга в контроле взаимодействий функционально сопряженных мышц // Физиология человека. 2007. Т. 33. № 1. С. 119.
  21. Pierrot-Deseilligny E., Burke D. The Circuitry of the human spinal cord: spinal and corticospinal mechanisms of movement. United States: Cambridge University Press, 2012. 606 p.
  22. Pierrot-Deseilligny E. Assessing changes in presynaptic inhibition of Ia afferents during movement in humans // J. Neurosci. Methods. 1997. V. 74. № 2. Р. 189.
  23. Kido A., Tanaka N., Stein R.B. Spinal reciprocal inhibition in human locomotion // J. Appl. Physiol. 2004. V. 96. № 5. Р. 1969.
  24. Mummidisetty C.K., Smith A.C., Knikou M. Modulation of reciprocal and presynaptic inhibition during robotic-assisted stepping in humans // Clin. Neurophysiol. 2013. V. 124. № 3. P. 557.
  25. Челноков А.А., Бучацкая И.Н. Функциональные особенности спинального торможения человека при произвольной двигательной активности // Теория и практика физической культуры. 2015. № 6. С. 11.
  26. Stephens M.J., Yang J.F. Short latency, non-reciprocal group I inhibition is reduced during the stance phase of walking in humans // Brain Res. 1996. V. 743. № 1-2. Р. 24.
  27. Faist M., Hoefer C., Hodapp M. et al. In humans Ib facilitation depends on locomotion while suppression of Ib inhibition requires loading // Brain Res. 2006. V. 1076. № 1. P. 87.
  28. Pierrot-Deseilligny E., Morin C., Bergego C. et al. Pattern of group I fibre projections from ankle flexor and extensor muscle in man // Exp. Brain Res. 1981. V. 42. № 3–4. P. 337.
  29. Rossi A., Decchi B. Changes in Ib heteronymous inhibition to soleus motoneurons during cutaneous and muscle nociceptive stimulation in humans // Brain Res. 1997. V. 774. № 1–2. P. 55.
  30. Côté M.P., Murray L.M., Knikou M. Spinal Control of Locomotion: Individual Neurons, Their Circuits and Functions // Front. Physiol. 2018. V. 9. Р. 784.
  31. Labrecque C., Bélanger M. The effects of low intensity cutaneous stimulation on the H-reflex modulation during static and dinamic cycling movements // Dept de Kinanthropologie Society for neurosciens abstracts. 1994. V. 20. № 715. Р. 7.
  32. Day B., Marsden C., Rothwell J.C. et al. Cutaneous effects on presynaptic inhibition of flexor Ia afferents in the human forearm // J. Physiol. 1987. V. 344. P. 160.
  33. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Machueva E. et al. Novel and direct access to the human locomotor spinal circuitry // J. Neurosci. 2010. V. 30. № 10. P. 3700.
  34. Городничев Р.М., Пивоварова Е.А., Пухов А.М. и др. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека // Физиология человека. 2012. Т. 38. № 2. С. 46.
  35. Gerasimenko Y.P., Gad P., Sayenko D. et al. Integration of Sensory, Spinal, and Volitional Descending Inputs in Regulation of Human Locomotion // J. Neurophysiol. 2016. V. 116. № 1. P. 98.
  36. Yamaguchi T., Fujiwara T., Takahara T. et al. The effects of transcutaneous spinal cord stimulation on spinal reciprocal inhibition in healthy persons // Clin. Neurophysiol. 2017. V. 128. № 3. Р. 115.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Образец записи ЭМГ-активности мышц-антагонистов голени. А — участок записи биопотенциалов мышц без чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ); Б — участок записи биопотенциалов мышц во время ЧЭССМ; В — участок записи биопотенциалов после ЧЭССМ; Г — отметка ЧЭССМ.

Скачать (255KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пример обработки ЭМГ m. gastrocnemius med. при помощи интерактивного пакета программ MatLab 2018b. А — участок записи ЭМГ m. gastrocnemius med. без чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ); Б — участок записи ЭМГ m. gastrocnemius med. во время ЧЭССМ; В — участок записи ЭМГ m. gastrocnemius med. после ЧЭССМ; Г — увеличенная ЭМГ-пачка мышцы.

Скачать (781KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение импульсной активности афферентов Ia, Ib и II групп GM и ТА при ходьбе. А — ходьба без стимуляции; Б — ходьба при стимуляции; В — ходьба после стимуляции. (pа), (pb) – достоверно значимые различия показателей, полученных во время и после чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ), в сравнении с показателями без стимуляции; (pс) – достоверно значимые различия между показателями во время и после ЧЭССМ; * – One-way Anova c post-hoc анализом Newman-Keuls; # – Mann-Whitney U Test.

Скачать (105KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Модель импульсной активности различных афферентных волокон при ходьбе без стимуляции спинного мозга, во время и после ее воздействия.

Скачать (164KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024