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 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