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.

Известно, что транскраниальная электромагнитная стимуляция способна глубоко проникать и активировать нейроны в различных участках головного мозга (Hallett, 2000). 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) (Герасименко и др., 2010).

Рис. 11. Движения суставов правой ноги человека, вызванные электромагнитной стимуляцией (А) и произвольные движения (Б)

Показаны изменения углов в тазобедренном (толстая линия), коленном (тонкая линия) и голеностопном (пунктирная линия) суставах. Положительные углы соответствуют сгибанию в суставе.

Исследования были проведены на здоровых испытуемых (Городничев и др., 2010). 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 placebo-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 (Мусиенко и др., 2013). 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 шагательными. 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 шагательные движения у человека.

Недавно был продемонстрирован другой неинвазивный способ стимуляции спинного мозга. В работе (Dy et al., 2010) 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 Thll и Th 12 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.

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 (Dy et al., 2010), прямоугольные, монополярные.

В 50-х годах прошлого столетия стала популярной электрическая стимуляция с применением переменного тока в килогерцовом диапазоне (Ward, Shkuratova, 2002; Ward, 2009). 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 (Коц, Хвилон, 1971; Андрианова и др., 1971). 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 (Long-Sun, 2005; Mello et al., 2011).

Стимуляция спинного мозга прямоугольными биполярными стимулами в виде меандров с несущей частотой 10 кГц (Васильев и др., 1997) была апробирована на здоровых испытуемых-добровольцах.

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 (см. выше).

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

Рис.

Стрелки вверху - начало и конец стимуляции; горизонтальная и вертикальная метки рядом с ЭМГ - 10 с и 0,5 мВ, соответственно; вертикальная метка справа от гониограмм - 200 мВ. Клн - колено; RF - m. rectus femoris; BF - m. biceps femoris; TA - tibialis anterior; Gt - gastrocnemius; (п) - справа; (л) - слева

шагательных движений. Проводили ЧССМ на одном уровне, поочередно стимулируя спинной мозг в области C5, T11, L2 позвонков; стимулировали два уровня спинного мозга (T11+C5 или T11+L2); стимулировали три уровня спинного мозга, начиная с уровня T11, потом по следовательно 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 отностительно 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.

Рис. 13. Изменение двигательной активности ног в зависимости от способа ЧССМ. Испытуемый А.Б.

Вверху - изменеие угла в коленных суставах (Клн) правой (П) и левой (Л) ног. Ниже - ЭМГ-активность, зарегистрированная в m. gastrocnemius (G) левой ноги и m. biceps femoiis (BF) обеих ног. Ниже - отметки стимуляции (C5, L2, T11 соотвтетсвуют позвонкам, в области которых размещали активные электроды). Справа - стик-диаграммы, показывающие координацию движений в суставах правой ноги при движении ноги назад и впред, вызванных разными способами ЧССМ

5.