Неинвазивная стимуляция спинного мозга для вызова шагательных движений

Чрезкожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека

Неинвазивная стимуляция спинного мозга для вызова шагательных движений

ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2012, том 38, № 2, с. 46-56

УДК 612.83

Чрезкожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека

© 2012 г. Р. М. Городничев1, Е. А. Пивоварова1, А. Пухов1, С. А. Моисеев1, А. А. Савохин2, Т. Р. Мошонкина2, Н. А. Щербакова2, В. А. Килимник3, В. А. Селионов4, И. Б. Козловская5,

Р. Эджертон6, Ю. П. Герасименко2, 6

1 Великолукская государственная академия физической культуры и спорта 2 Учреждение Российской академии наук Институт физиологии им. И.П.

Павлова РАН 3 Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения 4 Учреждение Российской академии наук Институт проблем передачи информации им. А.А.

Харкевича РАН 5 Государственный научный центр РФ — Институт медико-биологических проблем РАН 6Департамент физиологических исследований Калифорнийского Университета г. Лос-Анджелеса, США

Поступила в редакцию 27.09.2011 г.

Описан новый способ активации генераторов шагательных движений человека с помощью чрез-кожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ).

На здоровых испытуемых показано, что при ЧЭССМ в области 711 и 712 грудных позвонков с частотами 5—40 Гц вызываются шагатель-ные движения нижних конечностей в условиях внешней вывески ног в горизонтальной плоскости.

Увеличение частоты стимуляции приводит к увеличению амплитуды движений, частота вызванных движений не зависит от частоты стимуляции. Показано, что тазобедренный, коленный и голеностопный суставы вовлечены в организацию вызванных движений.

Предполагается, что ЧЭССМ воздействует на шагательный генератор через активацию афферентов дорсальных корешков, входящих в спинной мозг. ЧЭССМ может использоваться в качестве неинвазивного метода реабилитации при спинальной патологии.

Ключевые слова: электрическая стимуляция, спинной мозг, локомоция.

В регуляции локомоции важная роль принадлежит нейрональным сетям интернейронов спинного мозга, локализованных в шейном и поясничном утолщениях, которые принято называть генераторами шагательных движений (ГШД). Согласно мнению большинства исследователей, ГШД имеются у всех млекопитающих, включая человека [1—3].

В норме активность ГШД регулируется структурами головного мозга, однако в случае нарушения связей между головным и спинным мозгом, в результате травматического поражения спинного мозга, генераторы шагания могут быть активированы эпидуральной электрической стимуляцией в области поясничного утолщения.

Показано, что электрическая эпидуральная стимуляция спинного мозга (ЭССМ) способна вызвать шагательный электромиографический (ЭМГ) паттерн в мышцах ног у пациентов с клинически полным поражением спинного мозга [1, 4, 5].

ЭССМ является инвазивным методом и требует хирургической имплантации электродов на дорсальную поверхность спинного мозга, поэтому возможности ее использования для активации ГШД ограничены только клиническими условиями. Недавно

был предложен неинвазивный способ активации ГШД с использованием вибрации мышц ног и электромагнитной стимуляции спинного мозга. Было установлено, что вибрация сухожилий мышц бедра инициирует у испытуемых в положении лежа на боку с внешней поддержкой ног непроизвольные шагательные движения [6, 7].

При аналогичном положении испытуемого с поддержкой веса ног непроизвольные шагательные движения у здоровых испытуемых вызывала также и электромагнитная стимуляция ростральных сегментов поясничного отдела спинного мозга [8, 9]. Шагатель-ные движения, инициируемые вибрацией и электромагнитной стимуляцией, имеют, по-видимому, различный генез.

В первом случае, шагательный генератор активируется через афферентный вход вследствие, главным образом, активации мышечных рецепторов, тогда как во втором случае воздействие адресуется непосредственно нейрональ-ной локомоторной сети. При этом каждый из этих методов вызова движений имеет особенности.

Так, вибрационная стимуляция мышц инициирует непроизвольные локомоторные движения только в тазобедренном и коленном суставах без вовлече-

ния голеностопного сустава. К тому же эти характерные движения можно было вызвать только у 50% обследованных испытуемых [7].

Еще меньшим был процент (10%) вызова непроизвольных шагательных движений при электромагнитной стимуляции спинного мозга, хотя кинематическая структура вызванных движений в этом случае в большей степени, чем при вибрационном воздействии, соответствовала естественным произвольным шагательным движениям [8, 9]. Другое ограничение электромагнитной стимуляции спинного мозга относится к техническим возможностям стимулятора. Современный магнитный стимулятор, используемый в клинике (Magstim Rapid), позволяет задать только короткую экспозицию стимулирующего воздействия. При параметрах магнитной стимуляции, необходимых для запуска шагания (частота 5 Гц, интенсивность 1.5 Тл), электромагнитный индуктор позволял осуществлять воздействия не дольше 15 с.

В настоящем исследовании предложен неинва-зивный способ активации ГШД с помощью чрез-кожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ).

В основе этого способа лежат результаты проведенных нами исследований, показавших, что однократное накожное приложение электрического стимула в области T11—T12 позвонков у здоровых испытуемых вызывает моно-синаптические рефлексы в проксимальных и ди-стальных мышцах ног [10], и у пациентов с клинически полным (ASIA A) поражением спинного мозга [11].

Принимая во внимание тот факт, что электрическая эпидуральная стимуляция спинного мозга воздействует на ГШД через моно- и поли-синаптические рефлексы [4], представлялось перспективным использовать для этой цели неинва-зивную ЭССМ.

МЕТОДИКА

В исследовании приняли участие 6 взрослых испытуемых мужского пола (студенты и сотрудники Великолукской государственной академии физической культуры и спорта). В соответствии с принципами Хельсинкской декларации было получено информированное письменное согласие испытуемых на участие в экспериментах и разрешение комитета по этике названного вуза на проведение исследований.

Испытуемые располагались на кушетке в положении лежа на левом боку, с ногами, размещенными на отдельных досках, которые были закреплены веревками по типу качелей к крюку в потолке экспериментальной комнаты.

При этом правая (верхняя) нога поддерживалась непосредственно в области голени, а левая (нижняя) — располагалась на вращающейся шине, прикрепленной к горизонтально ориентированной доске.

Такое положение испытуемых обеспечивало возможности для

максимально возможной амплитуды перемещений ног. Согласно инструкции, испытуемые должны были лежать спокойно и не препятствовать (не способствовать) выполнению движений, вызываемых электрической стимуляцией спинного мозга.

Для чрезкожной 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), располагали по средней линии позвоночника на уровне грудных позвонков T11 и T12 между остистыми отростками.

Индиферентные электроды (анод) — пластины прямоугольной формы 5 х 10.2 см2 (Ambu, Ballerup, Германия) располагали симметрично на коже над гребнями подвздошных костей. Шагоподобные движения вызывали прямоугольными биполярными стимулами длительностью 0.

5 мс, заполненными несущей частотой 10 кГц; интенсивность стимуляции находилась в диапазоне от 30 до 100 мА. Частота стимуляции составляла 1, 5, 10, 20, 30, 40 Гц, длительность воздействия варьировала от 10 до 30 с.

При высокочастотной стимуляции внутри каждого стимула ЧЭССМ не вызывала болевых ощущений при увеличении амплитуды до 100 и более миллиампер, в связи с чем мы могли детально исследовать зависимость вызываемых движений от амплитуды и частоты стимула.

Электромиограмму (ЭМГ) мышц обеих ног (m. rectusfemoris, m. biceps femoris, m. tibialis anterior и m. gastrocnemius) отводили биполярными поверхностными электродами. ЭМГ-сигналы регистрировали с помощью телеметрического 16-каналь-ного электронейромиографа (ME 6000 MegaWin, Финляндия).

Движения сгибания-разгибания в коленных суставах регистрировали с помощью гониометров.

Для регистрации кинематических характеристик движений ног использовали видеосистему (Qualisys, Швеция). Светоотражающие маркеры прикрепляли на правую ногу, к точкам тела, совпадающим с осями движения в плечевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.

Угловые перемещения в тазобедренном суставе вычисляли по положению маркеров, расположенных на латеральном мыщелке плеча, большом вертеле и латеральном мыщелке бедра.

Маркеры, прикрепленные к большому вертелу, латеральному мыщелку бедра и лодыжке, использовали для оценки движений в коленном суставе. Перемещения в голеностопном суставе измеряли по маркерам, локализованным на латеральном мыщелке бедра, лодыжке и большом пальце ноги.

Реконструкцию движений одного шагательного цикла производили с помощью оригинальной программы. Для регистрации движений конечной точки

m. rectus fem. m. biceps fem. m. tibialis ant. m. gastrocnem.

MG

0 10 20 30 40

мА 75

80 85

90 95

100

nh

0.05.

1

L

-==10.05

20

Рис. 1. Двигательные ответы мышц правой ноги на ЧЭССМ с частотой 1 Гц и амплитудой 75—100 мА (указаны слева от записей). Показаны ответы прямой и двуглавой мышц бедра (В! и В/1, соответственно), а также передней большеберцо-вой и икроножной мышц голени (ТА и МО, соответственно). Внизу справа от нижних записей — отметки амплитуды в мВ и одинаковые для всех мышц отметки времени в мс.

ноги маркер крепили на большой палец правой ноги.

Регистрации ЭМГ и кинематических параметров шагания были синхронизированы. Среднюю величину периода шагательного цикла и амплитуду угловых перемещений суставов ног определяли за 10—12 циклов.

Период цикла шагания вычисляли по длительности интервала между двумя максимальными значениями угловых перемещений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.

Сдвиг фаз между перемещениями в коленном и тазобедренном суставах определяли по интервалу между максимальными значениями углов (угловых перемещений в

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Источник: http://naukarus.com/chrezkozhnaya-elektricheskaya-stimulyatsiya-spinnogo-mozga-neinvazivnyy-sposob-aktivatsii-generatorov-shagatelnyh-dvizhen

Неинвазивная стимуляция спинного мозга для вызова шагательных движений

Неинвазивная стимуляция спинного мозга для вызова шагательных движений

Методически ЭССМ состоит в том, что на твердую мозговую оболочку (dura mater) спинного мозга помещают электроды, соединенные проводами со стимулятором и потом по определенной программе осуществляют стимуляцию. Стимуляция называется эпидуральной по локализации электродов.

Круг технических проблем, связанных с реализацией ЭССМ у людей, обширен. С одной стороны, трудоемкость и стоимость ЭССМ как медицинской процедуры велика, с другой стороны, существуют пациенты, которым ЭССМ показана по клиническим показателям, но невозможно провести эту процедуру из-за сопутсвующих заболеваний и/или социальных причин.

Таким образом, необходимо найти неинвазивные способы стимуляции спинного мозга.

Известно, что транскраниальная электромагнитная стимуляция способна глубоко проникать и активировать нейроны в различных участках головного мозга. Было предложено использовать это свойство магнитной стимуляции и попытаться активировать шагательный генератор у здорового человека при помощи электромагнитной стимуляции спинного мозга.

Сущность нового способа стимуляции спинного мозга состоит в электромагнитном воздействии на спинной мозг в области Т11-Т12 грудных позвонков человека, лежащего на боку, с ногами, подвешенными на рамах-качелях; стимуляция переменным электромагнитным полем с магнитной индукцией 2,0-2,5 Тл, с частотой 3-5 Гц, в течение 10-20 с, индуктором, наложенным на кожу над заданными позвонками, вызывает движение ног (рис. 11).

Исследования были проведены на здоровых испытуемых. Из 65 обследованных здоровых испытуемых только у 7 человек можно было вызвать непроизвольные движения.

Эти движения можно охарактеризовать как шагательные движения, для них характерно ритмичное чередование сгибаний и разгибаний в суставах, движения в противофазе в тазобедренном и голеностопном суставах, движения в противофазе в коленном суставе правой и левой ноги.

При р1асеbо-тестировании (испытуемый слышал звуковые щелчки, сопровождающие магнитную стимуляцию, но электромагнитное воздействие отсутствовало) шагательные движения не вызывались — это доказывает, что движения, вызванные электромагнитной стимуляцией у здоровых испытуемых, были непроизвольными.

Еще одним доказательством возможности активации спинальных генераторов с помощью электромагнитного воздействия являются результаты исследований на экспериментальной модели децеребрированной кошки.

Магнитная стимуляция шейного утолщения с частотой 3-5 Гц вызывала шагательные движения у 100% животных, в то время как стимуляция поясничного утолщения — лишь у 30% животных.

Движения задних конечностей при магнитной стимуляции были сопоставимы с движениями, вызываемыми ЭССМ поясничного утолщения: наблюдается хорошая ходьба, перемещения суставов координированы, а записи электрической активности мышц доказывают, что вызванные движения были питательными.

Следует отметить, что при магнитной стимуляции и шейного и поясничного отделов в ходьбу вовлекались все четыре конечности (квадрипедальная ходьба), при ЭССМ в ходьбу вовлекались только задние конечности.

Таким образом, существует неинвазивный доступ к локомоторным спинальным нейрональным сетям у человека и животных с помощью электромагнитной стимуляции структур спинного мозга; электромагнитная стимуляция способна инициировать непроизвольные, автоматические по своей природе питательные движения у человека.

Однако этот способ стимуляции не во всех случаях приводит к активации шагательного генератора (10% успешных случаев в исследованиях на здоровых испытуемых, 30% — на лабораторных животных). Еще одно ограничение электромагнитной стимуляции спинного мозга относится к техническим возможностям стимулятора.

Один из самых мощных современных магнитных стимуляторов, используемых в клинике (Magstim Rapid, UK), позволяет задать только короткую экспозицию стимулирующего воздействия. При параметрах магнитной стимуляции, необходимых для запуска шагания (частота 5 Гц, интенсивность 1,5 Тл), электромагнитный индуктор позволяет осуществлять воздействия не дольше 15 с.

Таким образом, электромагнитная стимуляция спинного мозга — возможный способ неинвазивной стимуляции спинного мозга, однако имеющий целый ряд недостатков. При электромагнитной стимуляции поясничного утолщения движения вызывали только у одного испытуемого из десяти.

Невозможно обеспечить локальную стимуляцию единственного сегмента спинного мозга и, кроме того, современная техника может обеспечить воздействие не дольше 15 с, в то время как для достижения эффекта необходимы сеансы длительностью не менее 2 мин.

Недавно был продемонстрирован другой неинвазивный способ стимуляции спинного мозга.

В работе были опубликованы результаты исследования рефлексов спинного мозга, вызванных чрескожной стимуляцией спинного мозга (ЧССМ) здоровых испытуемых и пациентов с поражениями на уровне шейного или грудного отделов спинного мозга.

Накожно, между остистыми отростками Th11 и Th12 размещали активный электрод, пассивные электроды располагали на гребнях подвздошных костей. Стимулы представляли собой одиночные монофазные прямоугольники длительностью 1 мс.

Интенсивность стимула, как пишут авторы, подбирали такую, которая вызывала рефлекторные ответы во всех регистрируемых мышцах в положении стоя (пациентам обеспечивали поддержку веса тела), эта величина зависела от комплекции человека.

В группе здоровых добровольцев эта величина составила 9,5-66 мА, в группе пациентов — 26,8-83 мА. В статье показаны результаты исследования рефлексов спинного мозга, вызванных ЧССМ, полученные на большой группе испытуемых: 9 здоровых (мужчины и женщины) и 9 пациентов (мужчины). Так как авторы не пишут о том, что были испытуемые, у которых ЧССМ не вызывала рефлесов спинного мозга, можно считать, что ЧССМ обладает 100-процентной эффективностью.

Наши собственные исследования на здоровых добровольцах показали, что ЧССМ в области Th11-Th12 позвонков с частотой 5-40 Гц вызывает ритмические движения ног.

Однако такая стимуляция малоэффективна и плохо воспроизводима из-за болезненности стимулов: пороговые значения амплитуды стимулов для вызова движений больше или совпадают с порогами кожной болевой чувствительности.

В этой серии экспериментов были использованы стимулы, такие же, как применяются при ЭССМ, такие же, как были использованы для регистрации рефлексов в цитированной выше публикации, прямоугольные, монополярные.

В 50-х годах прошлого столетия стала популярной электрическая стимуляция с применением переменного тока в килогерцовом диапазоне. Такое воздействие обеспечивало глубокую стимуляцию мышц и нервов. Коц с коллегами подобрали режим стимуляции, приводящий к увеличению мышечной силы до 40%, и использовали его в подготовке элитных спортсменов.

Было показано, что оптимальным является режим 10/50/10 (10 с стимуляции, 50 с перерыв, 10 мин стимуляции) при частоте 2,5 кГц. Чрескожная стимуляция нервов токами высокой частоты обеспечивает хороший результат в случае острой и хронической боли разного происхождения.

Метод клинически доказан, используется в повседневной практике физиотерапевтами, другими специалистами и известными атлетами по всему миру.

Стимуляция спинного мозга прямоугольными биполярными стимулами в виде меандров с несущей частотой 10 кГц была апробирована на здоровых испытуемых-добровольцах. Оказалось, что такие стимулы безболезненны в исследуемом диапазоне и вызывают непроизвольные шагательные движения.

В экспериментах с ЧССМ человека размещали в положении лежа на боку, с ногами, подвешенными в рамах-качелях; электроды накладывали на кожу над позвонками (Т11 -Т12).

Движения вызывали прямоугольными биполярными стимулами длительностью 0,5-1 мс, заполненными несущей частотой 10 кГц, с интенсивностью стимуляции от 30 до 100 мА. Частота стимуляции составляла 1-40 Гц, длительность воздействия 10-30 с.

Эффективными для вызова шагательных движений оказались частоты от 5 до 40 Гц.

В записях электрической активности мышц, сделанных во время вызванных непроизвольных движений, хорошо заметны чередование сокращений одноименных мышц правой и левой ног, а также чередование активности мышц-антагонистов бедра и голени (прямая и двуглавая мышцы бедра, большеберцовая и икроножная мышцы голени), как и при произвольных шагательных движениях (рис. 12).

Непроизвольные движения ног, вызываемые ЧССМ, полностью соответствовали характеристикам шагательных движений.

Как хорошо видно на кривых, отражающих изменения углов в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, движения в этих суставах, как произвольные, так и вызванные ЧССМ, сгибания и разгибания в суставах правой и левой ног также проходили со сдвигом фаз (см. рис. 12).

При высокой частоте стимуляции (30-40 Гц) амплитуда вызванных шагательных движений, как правило, была больше, чем при меньших частотах, хотя длительность шагательного цикла по сравнению с низкочастотной стимуляцией (5 Гц) изменялась незначительно.

Такой широкий диапазон частот, эффективных для вызова шагания, вероятно, может обусловливаться функциональным состоянием интактного спинного мозга и его проводящих путей. У спинальных пациентов, например, эффективная частота для вызова шагательных движений при эпидуральной стимуляции находится в диапазоне 30-40 Гц.

Были проведены экспериментальные исследования эффективности неинвазивной многоканальной чрескожной электростимуляции спинного мозга в регуляции шагательных движений.

Проводили ЧССМ на одном уровне, поочередно стимулируя спинной мозг в области С5, T11, L2 позвонков; стимулировали два уровня спинного мозга (Т11+С5 или T11+L2); стимулировали три уровня спинного мозга, начиная с уровня Т11, потом последовательно добавляли стимуляцию L2 и С5. Заметно два факта.

Во-первых, многоканальная стимуляция спинного мозга увеличивает амплитуду вызванных движений.

Так как синхронизация каналов стимулятора была организована таким образом, чтобы стимулы по каждому из каналов следовали с минимальной задержкой друг относительно друга, то этот эффект не может быть следствием суммарного увеличения стимулирующего тока при одновременном воздействии, а, по всей видимости, является следствием одновременной активации разных нейронных сетей спинного мозга. Кроме того, увеличение амплитуды движений при одновременной стимуляции поясничного и шейного отделов по сравнению с одиночной стимуляцией поясничного отдела даже у тех испытуемых, у которых стимуляция шейного отдела не вызывала движений, говорит о том, что при мультисегментарной стимуляции спинного мозга происходит не линейное сложение результатов отдельных видов воздействия, а преумножение результатов, синергия.

Во-вторых, мультисегментарная стимуляция спинного мозга приводит к увеличению вероятности вовлечения в движение голеностопного сустава.

При стимуляции одного или двух уровней голеностопный сустав принимает участие в вызванном движении с вероятностью 0-50%.

При тройной стимуляции голеностопный сустав был вовлечен в движение в 100% случаев, в половине случаев амплитуда движений в голеностопном суставе была больше, чем при двойной стимуляции.

Рис. 13 иллюстрирует описанные эффекты мультисегментарной стимуляции на примере результатов, полученных методом электромиографии, и при регистрации изменений углов в коленных суставах обеих ног с помощью гониометров.

Справа представлены стик-диаграммы, рассчитанные на основе данных, полученных при анализе результатов видеорегистрации движений.

Заметно нарастание амплитуды движений в суставах при многоканальной стимуляции, а также увеличение активности мышц при увеличении количества стимулируемых сегментов спинного мозга.

Полученные результаты позволяют сделать заключение о возможности целенаправленного управления шагательными движениями, вызванными ЧССМ, при стимуляции разных отделов спинного мозга поочередно или синхронно.

Источник: http://ladycaramelka.ru/nejrodegenerativnye-zabolevaniya/neinvazivnaya-stimulyaciya-spinnogo-mozga-dlya-vyzova-shagatelnyx-dvizhenij

Влияние неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга на локомоторные функции пациентов с двигательными нарушениями центрального генеза

Неинвазивная стимуляция спинного мозга для вызова шагательных движений

Авторы:

  • М. В. Балыкин ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», Льва Толстого ул., 42, Ульяновск, Россия, 432017
  • Р. Н. Якупов ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», Льва Толстого ул., 42, Ульяновск, Россия, 432017
  • В. В. Машин ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», Льва Толстого ул., 42, Ульяновск, Россия, 432017
  • Е. Ю. Котова ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», Льва Толстого ул., 42, Ульяновск, Россия, 432017
  • Ю. М. Балыкин ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», Льва Толстого ул., 42, Ульяновск, Россия, 432017
  • Ю. П. Герасименко ФГБУН «Институт физиологии им. И.П. Павлова» РАН, Набережная Макарова, 6, Санкт-Петербург, Россия, 199034

DOI: 10.17116/kurort20179444-9

Журнал: Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2017;94(4): 4-9

Просмотрено: 1368 Скачано: 762

Основой ритмической организации локомоторного акта считается объединение нейронных цепей на уровне спинного мозга.

Предположение о том, что спинной мозг может содержать нейрональные комплексы, необходимые для инициации шагательных движений, было выдвинуто еще в начале прошлого столетия, когда Ч.

Шеррингтон показал, что кошка после децеребрации и перерезки спинного мозга способна выполнять рудиментарные шагательные движения [1].

На сегодняшний день существование сетей, объединяющих нервные клетки спинного мозга и продуцирующих ритмические движения в отсутствии сознательного усилия и без помощи периферической афферентной обратной связи, доказано для большинства млекопитающих, включая человека [2—4].

Эти специальные функциональные структуры получили название генераторов шагательных движений (ГШД). Исследования ГШД приобрели широкое распространение и стали важной проблемой в области изучения локомоции.

Интерес к данной проблеме со стороны экспериментаторов и клиницистов связан с важной прикладной направленностью исследований, поскольку изучение ГШД открывает возможности для разработки новых подходов в реабилитации спинальных больных [5, 6].

В настоящее время известно несколько неинвазивных способов активации ГШД [7].

Непроизвольные шагательные движения у здоровых испытуемых можно вызвать вибрацией сухожилий мышц бедра и голени [8], электрической стимуляцией периферического нерва [4], механической стимуляцией опорной поверхности стопы [9] и электромагнитной стимуляцией спинного мозга [4].

Недавно было продемонстрировано, что чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга (ЧЭССМ) способна вызывать непроизвольные шагательные движения (запуск ГШД) у здоровых испытуемых в условиях внешней поддержки ног в горизонтальной вывеске [2], а также локомоторную активность по движущейся ленте тредбана у децеребрированных и спинализированных кошек [3]. Эти исследования послужили предпосылкой для изучения эффектов ЧЭССМ при нарушениях двигательных функций различного генеза [10]. Исследования в этом направлении в нашей стране и за рубежом начались сравнительно недавно и требуют изучения физиологических механизмов воздействия ЧЭССМ на нервно-мышечные структуры [10, 11].

Цель исследования — оценить влияние ЧЭССМ на электрическую активность мышц нижних конечностей пациентов c двигательными нарушениями, связанными с патологией кровообращения головного мозга.

Исследование проводили на базе ГУЗ «Центральная клиническая медико-санитарная часть им. В.А. Егорова» Ульяновска.

В исследовании принимали участие 10 пациентов с двигательными нарушениями, вызванными инсультом головного мозга, в неврологическом статусе которых отмечались моно- и парапарезы, плегия нижних конечностей. Среди пациентов, включенных в исследование, женщин было 40%, мужчин — 60%.

Возраст больных находился в диапазоне от 32 до 70 лет. В соответствии с принципами Хельсинкской декларации, у всех пациентов было получено информированное письменное согласие на участие в исследовании.

Во время процедуры испытуемые располагались в положении лежа на спине на кушетке специализированного аппаратно-программного комплекса для ЧЭССМ и механотерапии с биологической обратной связью, разработанного для лечения пациентов с вертеброспинальной патологией (ООО «Косима», Россия). Согласно инструкции, пациенты должны лежать спокойно и не препятствовать (не способствовать) мышечным ответам, вызванным электрической стимуляцией спинного мозга.

Стимулирующий электрод (катод) в виде диска диаметром 2,5 см, изготовленного из токопроводящего пластика (Lead-Lok, Sand point, США), фиксировали по средней линии позвоночника на уровне ТХI—ТХII между остистыми отростками.

Индифферентные электроды (аноды) в виде пластин овальной формы располагали 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 ЧЭССМ составляла 1; 5 и 30 Гц.

ЧЭССМ проводили ежедневно, 6 раз в неделю (на курс 18 процедур). Длительность 1 процедуры варьировала в диапазоне от 5 до 35 мин на разных этапах курса.

Электромиограммы (ЭМГ) и вызванные моторные ответы (ВМО) прямой и двуглавой мышц бедра, передней большеберцовой и икроножной мышц голени регистрировали с помощью восьмиканального электромиографа Нейро-МВП-8 (ООО «Нейрософт», Россия).

Для регистрации ЭМГ биполярные накожные электроды с межэлектродным расстоянием 2 см устанавливали на брюшках мышц посередине между началом и местом их прикрепления с ориентацией вдоль волокон мышцы. ВМО регистрировали во время одиночной стимуляции спинного мозга при пороговой интенсивности тока.

Показатели ВМО рассчитывали с помощью специализированной программы. В ЭМГ-исследованиях были изучены пороги ВМО, их средняя (Аср.) и максимальная (Амакс.) амплитуды.

Статистическую обработку данных проводили с применением пакета стандартных компьютерных программ Statistika.

Показано, что при ЧЭССМ с частотой 1 Гц у всех испытуемых наблюдались рефлекторные ответы в мышцах ног. Пороговая сила тока, необходимая для вызова мышечного ответа, варьировала в широких пределах в зависимости от неврологического статуса пациентов.

Так, у больных с парезами рефлекторный ответ прямой мышцы бедра появлялся при ЧЭССМ интенсивностью 55,4±0,45 мА, в то время как у пациентов с плегией порог вызова мышечного ответа составлял 72,2±0,65 мА. Отличия в пороговых величинах наблюдались также и в мышцах голени.

Так, пороги появления рефлекторного ответа передней большеберцовой мышцы составляли 64,3±0,51 и 76,4±0,69 мА у пациентов с парезами и плегией соответственно. Увеличение интенсивности стимула приводило к росту амплитуды ответов.

При этом следует отметить, что у пациентов с плегией, несмотря на бόльшую интенсивность тока, амплитуда мышечных сокращений была меньше, чем у больных с парезами. У всех испытуемых первыми в двигательный ответ вовлекались мышцы бедра, а затем мышцы голени. На рис. 1 представлены оригинальные записи ЭМГ мышц правой ноги испытуемых при ЧЭССМ с частотой 1 Гц.

Рис. 1. ЭМГ-ответы мышц правой ноги пациентов с парезами (а) и плегией (б) при ЧЭССМ с частотой 1 Гц и интенсивностью 80 мА.

Латентный период мышечных ответов составлял около 10—15 мс, что указывает на их моносинаптическое происхождение [12].

Однако в двуглавой мышце бедра увеличение стимула приводило к более позднему ответу с латентным периодом в несколько десятков миллисекунд, что может свидетельствовать о его полисинаптической природе. Данное предположение подтверждается целым рядом исследований [2, 10].

Известно, что эти ответы возникают вследствие воздействия ЧЭССМ на ГШД, активируя входящие в спинной мозг афференты дорсальных корешков [2, 13, 14].

Таким образом, при ЧЭССМ с частотой 1 Гц в мышцах нижних конечностей пациентов с парезами и плегией возникают ответы с моно- и полисинаптическими компонентами, при этом у больных с тяжелым неврологическим статусом пороги вызова этих ответов существенно выше.

При ЧЭССМ с частотами 5 и 30 Гц у пациентов с парезами появлялись непроизвольные движения ног, похожие на локомоторные. На рис. 2 представлены записи ЭМГ мышц правой ноги пациента с парапарезом при ЧЭССМ с частотами 5 и 30 Гц.

Рис. 2. Электрическая активность мышц правой ноги у пациента с парапарезом при ЧЭССМ c частотами 5 и 30 Гц. RF — прямая мышца бедра; BF — двуглавая мышца бедра; TA — передняя большеберцовая мышца голени; MG — икроножная мышца голени.

На рис.

2 видно чередование сокращений мышц-антагонистов бедра и голени (прямая и двуглавая мышцы бедра, передняя большеберцовая и икроножная мышцы голени), которое свидетельствует о реципрокности их взаимоотношений при ЧЭССМ, что характерно для локомоторных движений здорового человека.

Имеются данные об аналогичном влиянии ЧЭССМ на запуск локомоторных движений здорового человека [2, 10].

При этом у пациентов с плегией при ЧЭССМ с частотами 5 и 30 Гц возникали рефлекторные сокращения мышц сгибателей и разгибателей нижних конечностей, которые отличались по амплитуде ВМО. Так, в прямой и двуглавой мышцах бедра, передней большеберцовой мышце голени при ЧЭССМ с частотой 30 Гц амплитуда вызванных шагательных движений была выше, в то время как в икроножной мышце голени высокоамплитудные движения были отмечены при ЧЭССМ с частотой 5 Гц.

Таким образом, при ЧЭССМ с частотами 5 и 30 Гц в нижних конечностях пациентов с парезами возникали непроизвольные движения, которые по ЭМГ-характеристикам соответствовали локомоторным. При этом у пациентов с плегией подобные ответы были выражены в меньшей степени.

По окончании курса ЧЭССМ (18 процедур) был проведен анализ изменений характеристик ВМО. Установлено, что после курса ЧЭССМ отмечается снижение порогов вызова рефлекторных ответов мышц нижних конечностей пациентов и с парезами, и с плегией. В таблице представлены изменения параметров ВМО прямой мышцы бедра и передней большеберцовой мышцы голени до и после курса ЧЭССМ с частотой 1 Гц.

Изменение параметров ВМО прямой мышцы бедра и передней большеберцовой мышцы до и после курса ЧЭССМ (M±m) Примечание. * — различия достоверны по сравнению с контролем (до курса ЧЭССМ) при p≤0,05.

После курса ЧЭССМ установлено снижение пороговых значений ВМО прямой мышцы бедра и передней большеберцовой мышцы голени у пациентов и с парезами, и с плегией, что свидетельствует о повышении чувствительности нейронных сетей поясничных спинномозговых сегментов. Вместе с тем показатели Аср. и Амакс.

ВМО мышц нижних конечностей при стимуляции спинного мозга на конечном этапе исследования были достоверно выше по сравнению с начальным этапом. Следует отметить, что у пациентов с парезами изменение показателей практически всех изучаемых параметров было более выраженным, чем у больных с плегией.

Результаты исследования показали, что ЧЭССМ неоднозначно влияет на двигательные функции пациентов.

Так, больные с парезами после курса ЧЭССМ отмечают повышение кожной и мышечной чувствительности, снижение спастичности, увеличение амплитуды движений при ходьбе.

У испытуемых с более сложными двигательными нарушениями, несмотря на положительную динамику, улучшение двигательных функций в ходе одного реабилитационного цикла было выражено в меньшей степени.

Проведенное исследование доказывает возможность воздействия ЧЭССМ на нейронные сети поясничных отделов спинного мозга, в том числе на спинальные ГШД пациентов с двигательными нарушениями. Причем ЧЭССМ с определенной частотой (5 и 30 Гц) и силой тока вызывает шагоподобные движения.

Выявлено, что ЧЭССМ приводит к появлению рефлекторных ответов у пациентов с различной степенью выраженности нарушений локомоторных функций. Установлено, что курс ЧЭССМ приводит к повышению возбудимости поясничных спинальных нейронных и нейромышечных структур и улучшению двигательных функций пациентов.

Отмечена положительная субъективная оценка коррекционного курса ЧЭССМ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: М.Б., Ю.Г.

Сбор и обработка материала: Р.Я., Е.К., Ю.Б.

Статистическая обработка данных: Р.Я., Е.К., Ю.Б.

Написание текста: М.Б., Р.Я., Ю.Б.

Редактирование: М.Б., В.М.

Источник: https://www.mediasphera.ru/issues/voprosy-kurortologii-fizioterapii-i-lechebnoj-fizicheskoj-kultury/2017/4/1004287872017041004

Электрическая стимуляция спинного мозга

Неинвазивная стимуляция спинного мозга для вызова шагательных движений

Хроническая боль – это серьезная проблема населения во всем мире. Речь идет об одном из ведущих заболеваний, приводящих к инвалидности, происходящем в сопровождении социальных и психологических факторов.

При лечении хронической боли применяется многодисциплинарный подход, в котором используется широкий спектр антитромбоцитарных процедур – фармакологических, хирургических, психологических, физиологических (например, экзоскелет).

Цель лечения заключается в облегчении хронической боли, повышении функциональности, работоспособности, соответственно, улучшении качества жизни. При лечении болезненности (когда стандартная терапия не увенчалась успехом или сопровождается серьезными побочными эффектами) успешно осуществляются нейромодуляционные методы.

Один из них – SCS (Spinal Cord Stimulation, нейростимуляция спинного мозга). Большое преимущество этого метода – эффективность. Применение нейростимуляторов позволяет значительно уменьшить прием обезболивающих препаратов, включая опиаты и другие вспомогательные средства, следовательно, минимизировать их побочные эффекты.

Механизмы действия

Первая система электрической стимуляции спинного мозга была разработана в 1960-х годах, вскоре после открытия теории о механизме боли. Исследователи использовали основное теоретическое предположение, что раздражение миелиновых волокон может предотвратить передачу болезненных стимулов, вызванных немиелинированными волокнами.

Проведение первой электронейростимуляции произошло в 1967 году под названием «стимуляция спинных столбцов» (Dorsal Column Stimulation – DSC).

Позднее название было изменено на стимуляцию спинного мозга (SCS), поскольку было показано, что эффект не ограничивается задним спинным мозгом, но подавление боли может быть достигнуто путем стимуляции других структур.

Анальгетические и сосудорасширяющие эффекты электростимуляции спинного мозга нельзя объяснить только путем ингибирования передачи боли малыми волокнами. Другие возможные механизмы включают:

  • активацию нисходящих тормозных путей;
  • модуляцию боли в супраспинальных центрах;
  • ингибирование активности спиноталамических путей;
  • выделение вазоактивных веществ.

Все эти и ряд других потенциальных механизмов, возможности их использования являются предметом интенсивных исследований, которые проводятся во всем мире. В отношении эпидуральной стимуляции можно сказать, что клиническая практика обошла теорию.

Согласно глобальной статистике, ежегодно имплантируется более 15000 нейромодуляционных систем. Кроме SCS принцип нейростимуляции применяется в многих медицинских дисциплинах.

Сегодня проводится воздействие на головной мозг, глубокая стимуляция (Deep Brain Stimulation – DBS) при лечении болезни Паркинсона, стимуляции моторной коры в целях оказания влияния на нейропатические боли, затрагивающие верхнюю часть тела (особенно таламической и другой невралгической боли).

Другие методики включают стимуляцию:

  • сакрального нерва (Sacral Nerve Stimulation – SNS) при нарушениях опорожнения мочевого пузыря и кишечника;
  • блуждающего нерва (Vagus Nerve Stimulation – VNS) при лечении пациентов с резистентной эпилепсией, депрессией, мигренью;
  • периферического нерва (Peripheral Nerve Stimulation – PNS) для облегчения невропатической боли, вызванной нарушением периферических нервов.

Одна из форм стимуляции – транскраниальная магнитная стимуляция (Transcranial magnetic stimulation – TMS), основанная на воздействии магнитного поля. Методика применяется для нервов, спинного, головного мозга. Магнитный поток имитирует естественные, натуральные импульсы в нервной системе, вызывающие мышечное сокращение.

Техническое описание SCS

Чрескожно вводимая система SCS состоит из 1-2 электродов и имплантируемого генератора импульсов (IPG – Implantable Pulse Generator). Электрод располагается в эпидуральном пространстве спинного канала, соединяется с генератором, расположенным в небольшом подкожном кармане, обычно в ипохондрии.

IPG состоит из чипа и литиевой батареи, срок службы которых составляет 3-7 лет в зависимости от частоты и продолжительности стимуляции.

Генератор излучает ток – слабые электрические импульсы с напряжением 0,1-10 В, шириной 60-450 мкс и частотой 2-150 Гц, что приводит к уменьшению восприятия болевых сигналов (эффект сохраняется в течение некоторого времени после отключения нейростимулятора). Эти электрические импульсы пациент ощущает, как достаточно приятное покалывание в болезненной области.

Имплантация SCS

Фактическая имплантация системы нейростимуляции состоит из 2-х этапов.

На первом этапе с помощью иглы Туохи через небольшой разрез электрод под рентгенологическим контролем помещается в эпидуральное пространство спинного канала.

Вхождение в эпидуральное пространство и место стимуляции должны находиться на расстоянии примерно 2-3 позвонков друг от друга. Эта фаза проводится под местной анестезией и аналгоседацией, т.к. требует сотрудничества пациента.

Конечное расположение электрода зависит от локализации боли и парестезии, указанной больным:

  • для контроля болезненности в верхних конечностях проксимальный конец электрода располагается в области C3-C7;
  • для контроля боли нижних конечностей – в области Th11-Th12;
  • при постдискотомическом синдроме, боли в спине – Th8-Th10;
  • при стенокардической боли – в области C8.

При односторонней боли электрод помещается на болезненную сторону, при двусторонней боли – располагается в средней линии или имплантируется 2 электрода.

После размещения электрода в эпидуральном пространстве его дистальный конец соединяется с внешним источником стимуляции.

После начала стимуляции пациент испытывает параэстезию в определенной области, а электрод сдвигается до тех пор, пока парестезии покрывают всю область сознательной боли.

За этим следует несколько дней пробного периода, когда пациент и врач посредством внешнего генератора удостоверяются в эффективности действия нейростимулятора. Если стимуляция успешна, т.е. обеспечивает уменьшение болезненности, как минимум, на 50%, следует 2-я фаза имплантации.

В ходе 2-го этапа при общей анестезии электрод интернализуется, а генератор импульсов (IPG) внедряется в небольшой подкожный карман.

Параметры стимуляции телеметрически с помощью медицинского программатора передаются через кожу; они могут в любое время изменяться, адаптироваться к потребностям пациента.

Больной получает маленький ручной программатор, которым включает и выключает устройство, изменяет интенсивность и частоту электрических импульсов в пределах диапазона, установленного врачом.

Электрод фиксируется в спинномозговом канале путем образования спаек в течение 4-6 недель. На протяжении этого периода человек ограничен в определенных ежедневных действиях (ношение груза весом более 2 кг, поднятие рук над головой, наклоны, вращение туловища). Пациент не реже 1 раза в 6 месяцев осматривается врачом; также проводится проверка правильности работы устройства.

Критерии для имплантации SCS

Как упоминалось ранее, показания для введения нейростимулятора включают хроническую боль, особенно не раковой этиологии, при которой стандартная терапия не показала эффективности.

Общие критерии для применения методов нейростимуляции:

  • Исчерпанная или неэффективная стандартная терапия (фармакологическая, включая опиаты, менее инвазивные методы, физиотерапия), сильные побочные эффекты лечения.
  • Отсутствует каузальное решение болезненного состояния хирургическими методами.
  • Пациент тщательно обследован психологом и психиатром, не обнаружено серьезных психических или психиатрических заболеваний. Пациенты с анальгетической или другой зависимостью должны быть лишены зависимости.
  • Больной достаточно осведомлен о методе, способен понять его механизм, придерживаться определенных ограничений, связанных со стимуляцией спинного мозга.
  • Важнейший критерий – успешный период тестирования (обычно занимает 5-15 дней). Успех определяется снижением боли минимум вдвое, удовлетворенностью человека нейростимуляцией.
  • Обеспечены условия для качественной имплантации нейростимуляционной системы и последующего ухода.

Показания для применения SCS

Эпидуральная электростимуляция спинного мозга влияет на ряд болезненных синдромов. В особенности, делать ее рекомендуется при хронической доброкачественной боли нейропатической этиологии (возникает в результате повреждения периферических нервов или корней). Полезна процедура при смешанной боли, содержащей нейропатический и ноцицепторный компонент.

Проводить SCS рекомендуется при следующих состояниях:

  • синдром постдизотомии, в клинике которого преобладает болезненность в нижних конечностях;
  • спастика;
  • фантомная боль;
  • ДЦП;
  • комплексный региональный болевой синдром (ранее называвшийся альдодистрофическим синдромом) II типа; меньше подходит I тип;
  • болезненный синдром после повреждения периферических нервов, сплетений;
  • постгерпетическая невралгия;
  • полинейропатия;
  • стенокардия без возможности медикаментозного или оперативного лечения;
  • ишемическая болезнь нижних конечностей III-IV степени по Фонтейну.

Противопоказания к реализации SCS

Применение нейростимуляции противопоказано в следующих случаях:

  • технические проблемы с вводом электрода в эпидуральное пространство при тяжелых дегенеративных заболеваниях позвоночника, посттравматических или послеоперационных состояниях;
  • местные и общие инфекции;
  • нарушения гемокоагуляции;
  • тяжелые иммунные нарушения;
  • существующая имплантация другой системы стимуляции, например, кардиостимулятора;
  • недостаточно сохраненные связки спинного мозга.

Осложнения

Послеоперационные осложнения обычно не наблюдаются. Наиболее распространенное нарушение – дислокация электрода, требующая хирургического лечения. Побочные эффекты электронейростимуляции отсутствуют, но могут проявляться сильные парестезии, которые легко устраняются путем корректировки параметров стимула.

Меры предосторожности

Во время использования системы SCS необходимо соблюдать меры предосторожности.

Поскольку на внутреннюю энергетическую систему может влиять магнитное поле, пациентам с имплантатами следует избегать устройств контроля и безопасности (детекторные системы в аэропортах, противоугонные устройства и др.).

Если на расстоянии около полуметра от подобных систем изменения отсутствуют, человек должен как можно быстрее пройти через это устройство. Если возникает изменение в стимуляции, отключается нейростимулятор или исключается прохождение детектора (по договоренности со службой безопасности).

Для обеспечения безопасности вождения автомобиля или эксплуатации механизмов нейростимулятор необходимо отключить, поскольку изменения в стимуляции могут привести к потере контроля над транспортным средством или механизмом.

Пациенты с имплантированной системой SCS должны избегать следующих исследовательских или терапевтических процедур:

  • МРТ – может нарушить работу компонентов системы, привести к ее нагреву, вызвать неприятные осознанные парестезии;
  • электрокаутеризация вблизи стимулятора спинного мозга;
  • рентген;
  • ультразвук;
  • дефибрилляторы и кардиостимуляторы.

При соответствующих мерах предосторожности большинство медицинских осмотров не влияют на функцию системы SCS. Однако всегда необходимо информировать медицинский персонал об имплантате.

В заключение

Методы нейромодуляции успешно используются во всем мире с 1970-х лет XX века. Система перенесла множество технических усовершенствований, улучшение используемых материалов, постепенное их уменьшение.

Хотя речь идет об относительно дорогостоящих методах, согласно зарубежным данным, чрескожная стимуляция спинного мозга является экономически эффективной благодаря длительному периоду использования (сокращение использования лекарств, повторной визуализации, других обследований, экспертиз, проводимых различными медицинскими специалистами).

Нынешнее развитие биомедицины и микротехнологий расширяет использование методов нейромодуляции. Многие мировые лаборатории и научно-исследовательские институты проводят исследования, изучающие применение нейростимуляции для замены потерянных функций. Следует ожидать, что технические разработки в будущем принесут новые возможности для дальнейшего успешного развития стимуляции позвоночника.

Источник: https://vsepromozg.ru/ozdorovlenie/stimulyatsiya-spinnogo-mozga

Medic-studio
Добавить комментарий