Особенности синергетического взаимодействия скелетных мышц нижних конечностей под воздействием электрической стимуляции спинного мозга

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Целью работы явилось изучение нейронной основы синергетического взаимодействия скелетных мышц нижних конечностей в процессе локомоторной активности. Предполагалось определить взаимосвязь параметров моторного выхода локомоторных нейрональных сетей и центров, регулирующих пространственно-временны́е режимы взаимодействия мышц в структуре цикла шага и его периодов. Испытуемые шагали по тредбану в обычных условиях и при чрескожной электрической стимуляции спинного мозга на уровне Т11–Т12 и L1–L2 позвонков, наносимой в определенные периоды шагательного цикла. В таких условиях анализировали параметры синергий, извлекаемых с помощью метода главных компонент. Под влиянием стимуляции установлено существенное снижение количества извлекаемых “амплитудных” синергий в структуре цикла шага и периоде переноса, а также снижение количества “частотных” синергий в периоде опоры. Отмечена четкая дифференциация синергетической активности мышц обеих ног в первых двух синергиях, а при стимуляционном воздействии наблюдалась смена вклада активности икроножной, передней большеберцовой и латеральной широкой мышц в первые две синергии, преимущественно, в периоде переноса. Структура синергий демонстрировала комбинированные временны́е профили с несколькими пиками активности, а при стимуляции было отмечено формирование базового профиля с четким очертанием основных колебаний. Пространственно-временнáя структура паттернов мышечных синергий при нахождении стопы на опоре оказывалась более стабильной, что может быть связано с увеличением афферентации от опорных зон стопы, создающей оптимальные условия для инициации работы центральных генераторов локомоторных паттернов.

Об авторах

С. А. Моисеев

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey_moiseev@vlgafc.ru
Россия, Великие Луки

Р. М. Городничев

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: sergey_moiseev@vlgafc.ru
Россия, Великие Луки

Список литературы

  1. Бернштейн Н.А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М.: Медицина, 1966. 349 с.
  2. Гельфанд И., Цетлин М. О некоторых способах управления сложными системами // УМН. 1962. Т. 17. № 1(103). С. 3. Gel’fand I.M., Tsetlin M.L. Some methods of control for complex systems // Uspekhi Mat. Nauk. 1962. V. 17. № 1(103). P. 3.
  3. Cheung V., Cheung B., Zhang J. et al. Plasticity of muscle synergies through fractionation and merging during development and training of human runners // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 4356.
  4. Latash M. One more time about motor (and non-motor) synergies // Exp. Brain Res. 2021. V. 239. № 10. P. 2951.
  5. Laine C., Martinez-Valdes E., Falla D. et al. Motor neuron pools of synergistic thigh Muscles share most of their synaptic input // J. Neurosci. 2015. V. 35. № 35. P. 12207.
  6. Фельдман А. Центральные и рефлекторные механизмы управления движениями. М.: Наука, 1979. 183 с.
  7. Feldman A., Mindy F., Garofolini L. et al. Central pattern generator and human locomotion in the context of referent control of motor actions // Clin. Neurophysiol. 2021. V. 132. № 11. P. 2870.
  8. Madarshahian S., Latash M. Reciprocal and coactivation commands at the level of individual motor units in an extrinsic finger flexor–extensor muscle pair // Exp. Brain Res. 2022. V. 240. № 1. P. 321.
  9. Sayenko D., Atkinson D., Dy C. et al. Spinal segment-specific transcutaneous stimulation differentially shapes activation pattern among motor pools in humans // J. Appl. Physiol. 2015. V. 118. № 11. P. 1364.
  10. Городничев Р., Пухов А., Моисеев С. Регуляция фаз шагательного цикла при неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 1. С. 73. Gorodnichev R., Pukhov A., Moiseev S. Regulation of gait cycle phases during noninvasive electrical stimulation of the spinal cord // Human Physiology. 2021. V. 47. № 1. P. 60.
  11. Altenburger K., Bumke O., Foerster O. Allgemeine neurologie. Handbuch der Neurologie. Berlin: Verlag von Julius Springer, 1937. S. 747.
  12. Moiseev S., Pukhov A., Mikhailova E. et al. Methodological and computational aspects of extracting extensive muscle synergies in moderate-intensity locomotions // J. Evol. Biochem. Phys. 2022. V. 58. P. 88.
  13. Моисеев С., Иванов С., Городничев Р. Особенности организации двигательных синергий на разных уровнях управления сложнокоординационным движением человека // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2022. Т. 108. № 4. С. 1.
  14. Персон Р. Электромиография в исследованиях человека. М.: Наука, 1969. 231 с.
  15. Moshonkina T., Grishin A., Bogacheva I. et al. Novel non-invasive strategy for spinal neuromodulation to control human locomotion // Front. Hum. Neurosci. 2021. V. 14. P. 622533.
  16. Grishin A., Bobrova E., Reshetnikova V. et al. A system for detecting stepping cycle phases and spinal cord stimulation as a tool for controlling human locomotion // Biomed. Eng. 2021. V. 54. № 5. P. 312.
  17. Rybak I.A., Shevtsova N.A., Lafreniere-Roula M., McCrea D.A. Modelling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from deletions during fictive locomotion // J. Physiol. 2006. V. 577. Pt. 2. P. 617.
  18. Rybak I.A., Stecina K., Shevtsova N.A., McCrea D.A. Modelling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from the effects of afferent stimulation // J. Physiol. 2006. V. 577. Pt. 2. P. 641.
  19. Churchland M., Cunningham J., Kaufman M. et al. Neural population dynamics during reaching // Nature. 2012. V. 487. № 7405. P. 51.
  20. Hogan N., Sternad D. On rhythmic and discrete movements: reflections, definitions and implications for motor control // Exp. Brain Res. 2007. V. 181. № 1. P. 13.
  21. Frère J., Göpfert B., Slawinski J. et al. Shoulder muscles recruitment during a power backward giant swing on high bar: a wavelet-EMG-analysis // Hum. Mov. Sci. 2012. V. 31. № 2. P. 472.
  22. Frère J. Spectral properties of multiple myoelectric signals: New insights into the neural origin of muscle synergies // Neuroscience. 2017. V. 355. P. 22.
  23. Laine C., Valero-Cuevas F. Intermuscular coherence reflects functional coordination // J. Neurophysiol. 2017. V. 118. № 3. P. 1775.
  24. Madarshahian S., Letizi J., Latash M. Synergic control of a single muscle: The example of flexor digitorum superficialis // J. Physiol. 2021. V. 599. № 4. P. 1261.
  25. Ivanenko Y., Poppele R., Lacquaniti F. Motor control programs and walking // Neuroscientist. 2006. V. 12. № 4. P. 339.
  26. Janshen L., Santuz A., Arampatzis A. Muscle synergies in patients with multiple sclerosis reveal demand-specific alterations in the modular organization of locomotion // Front. Hum. Neurosci. 2021. V. 14. P. 593365.
  27. Mileti I., Zampogna A., Santuz A. et al. Muscle synergies in parkinson’s disease // Sensors (Basel). 2020. V. 20. № 11. P. 3209.
  28. Janshen L., Santuz A., Ekizos A., Arampatzis A. Fuzziness of muscle synergies in patients with multiple sclerosis indicates increased robustness of motor control during walking // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 7249.
  29. Van Criekinge T., Vermeulen J., Wagemans K. et al. Lower limb muscle synergies during walking after stroke: a systematic review // Disabil. Rehabil. 2020. V. 42. № 20. P. 2836.
  30. Cheung V., Cheung B., Zhang J. et al. Plasticity of muscle synergies through fractionation and merging during development and training of human runners // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 4356.
  31. Yokoyama H., Kato T., Kaneko N. et al. Basic locomotor muscle synergies used in land walking are finely tuned during underwater walking // Sci. Rep. 2021. V. 11. № 1. P. 18480.
  32. Mileti I., Serra A., Wolf N. et al. Muscle activation patterns are more constrained and regular in treadmill than in overground human locomotion // Front. Bioeng. Biotechnol. 2020. V. 8. P. 581619.
  33. Mehryar P., Shourijeh M., Rezaeian T. et al. Differences in muscle synergies between healthy subjects and transfemoral amputees during normal transient-state walking speed // Gait Posture. 2020. V. 76. P. 98.
  34. Santuz A., Ekizos A., Eckardt N. Challenging human locomotion: stability and modular organisation in unsteady conditions // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 2740.
  35. Saito H., Yokoyama H., Sasaki A. et al. Flexible recruitments of fundamental muscle synergies in the trunk and lower limbs for highly variable movements and postures // Sensors (Basel). 2021. V. 21. № 18. P. 6186.
  36. Santuz A., Akay T., Mayer W. et al. Modular organization of murine locomotor pattern in the presence and absence of sensory feedback from muscle spindles // J. Physiol. 2019. V. 597. № 12. P. 3147.
  37. Григорьев А., Козловская И., Шенкман Б. Роль опорной афферентации в организации тонической мышечной системы // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2004. Т. 90. № 5. С. 508.
  38. Томиловская Е.С., Мошонкина Т.Р., Городничев Р.М. и др. Механическая стимуляция опорных зон стоп: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 5. С. 34. Tomilovskaya E., Moshonkina T., Gorodnichev R. et al. Mechanical stimulation of the support zones of soles: the method of noninvasive activation of the stepping movement generators in humans // Human Physiology. 2013. V. 39. № 5. P. 480.

Дополнительные файлы


© С.А. Моисеев, Р.М. Городничев, 2022