1

На правах рукописи

Челноков Андрей Алексеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СПИНАЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

У ЧЕЛОВЕКА

03.03.01 - Физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Краснодар – 2014 2 Диссертация выполнена в Великолукской государственной академии физической культуры и спорта Городничев Руслан Михайлович, заслуженный работник Научный физической культуры России, доктор биологических наук, консультант:

профессор Официальные Фомина Елена Валентиновна, доктор биологических наук, доцент, ФГБУН ГНЦ РФ «Институт медико-биологических оппоненты:

проблем РАН» (г. Москва) Мейгал Александр Юрьевич, доктор медицинских наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» (г. Петрозаводск) Солопов Игорь Николаевич, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградская государственная академия физической культуры» (г. Волгоград) ФГНУ «Институт возрастной физиологии» Российской Ведущая академии образования (г. Москва) организация:

Защита состоится «25» сентября 2014 года в _ час. мин. на заседании диссертационного совета Д 311.009.01 при Кубанском государственном университете физической культуры, спорта и туризма по адресу: 350015, г.

Краснодар, ул. Буденного, 161.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризма.

Автореферат разослан «_» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор педагогических наук, профессор М.М. Шестаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Изучение процессов торможения в центральной нервной системе до настоящего времени остаётся одной из узловых проблем физиологии. Начало этому направлению исследований дал И.М. Сеченов (1862), который открыл центральное торможение. И.М. Сеченов рассматривал центральное торможение как деятельность специальных тормозных систем по аналогии с хорошо изученными к тому времени эффектами влияния блуждающего нерва на сердце. Существенным в исследовании природы и механизмов торможения в центральной нервной системе было открытие тормозных клеток, возбуждение которых вызывает торможение других клеток, а также открытие специальных тормозных медиаторов и тщательное изучение восходящих и нисходящих тормозных влияний из разных структур головного мозга (Р. Гранит, 1973; П.Г. Костюк 1973-1981; А.И. Шаповалов, 1975; J.C. Eccles, 1954-1964; E. Jankowska, 1981и др.). В дальнейших исследованиях была выявлена роль реципрокного, нереципрокного, возвратного и пресинаптического торможения в регуляции двигательной активности (J.C. Eccles, 1964; H. Hultborn et al., 1971-1987; E.

Pierrot-Deseilligny et al., 1977-2000; E. Pierrot-Deseilligny, D. Burke, 2005, 2012 и др.). Все эти исследования доказали, что процессы торможения являются важнейшими нервными механизмами координационной и интегративной деятельности центральной нервной системы.

Изучению пресинаптического, возвратного, нереципрокного и реципрокного торможения на спинальном уровне в состоянии относительного мышечного покоя и при двигательной активности разного характера посвящено значительное количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов (Я.М. Коц, 1975; Р.С. Персон, 1985; Н.А. Анисимова и др., 1987; Л.П. Кудина, 1987; И.Н. Плещинский с соавт., 1998; Е.Ю. Андриянова, Р.М. Городничев, 2006; Р.М. Городничев, Р.Н. Фомин, 2007; Ю.А. Поварещенкова, Д.А. Петров, 2007; Л.В. Смирнова, 2010; Y. Mizuno et al., 1971; E. Pierrot-Deseilligny et al., 1977-2012; Н. Hultborn et al., 1971-2003; C. Crone et al., 1987-2003; J.F. Iles et al., 1987-2007; E. Pierrot-Deseilligny, D. Burke, 2005, 2012; T. Nakajima et al., 2013; T.

Jessop et al., 2013; C.T. Robertson et al., 2013; C.K. Mummidisetty et al., 2013; T.

Jessop et al., 2013; S. Kubota et al., 2014 и др.).

Имеется ряд исследований, направленных на изучение возрастных особенностей различных видов торможения спинного мозга в состоянии относительного мышечного покоя и в процессе двигательной деятельности у лиц зрелого и пожилого возраста. Показано, что у лиц зрелого возраста в состоянии относительного мышечного покоя наблюдается ослабление выраженности пресинаптического торможения гетеронимных Ia афферентов мышц бедра и усиление пресинаптического торможения гомонимных Ia афферентов мышц голени по сравнению с пожилыми людьми (М. Morita et al., 1995; D.M. Koceja, R.G. Mynark, 1995, 2000). Попытки оценить возвратное торможение гомонимных -мотонейронов мышц голени у лиц разного возраста предпринимались G.R. Chalmers и K.M. Knutzen (2004), которые не обнаружили возрастных различий выраженности этого вида торможения у лиц зрелого и пожилого возраста в состоянии покоя. В ряде исследований приводятся данные об усилении пресинаптического и реципрокного торможения гомонимных мотонейронов спинного мозга у молодых людей в сравнении с лицами пожилого возраста при выполнении циклических движений и в процессе поддержания незначительного по величине произвольного изометрического усилия (P. Butchart et al., 1993; D. Earles et al., 2001; A. Kido et. al., 2004; T.

Hortobgyi et al., 2006; J. Kallio et al., 2010; S. Baudry et al., 2009-2012; C.

Trompetto et al., 2014). Однако наши знания о возрастных особенностях разных видов спинального торможения у детей и подростков весьма фрагментарны.

Имеются лишь единичные работы, посвящённые изучению реципрокного и пресинаптического торможения -мотонейронов спинного мозга в состоянии относительного мышечного покоя у детей 5-12 лет и подростков 14-15 лет (M.

Hodapp et al., 2007). Вопрос о том, к какому возрасту выраженность пресинаптического, возвратного, нереципрокного и реципрокного торможение скелетных мышц бедра и голени достигает дефинитивного уровня, вообще не ставился.

В возрастной физиологии накоплен большой фактический материал об особенностях формирования корковых механизмов организации и регуляции произвольных движений у детей и подростков (М.М. Безруких, 1983; М.М.

Безруких, 1997-1998; Е.М. Бердичевская, 1999; Д.Б. Фарбер, И.О. Анисимова, 2000; В.В. Шульгатая, 2000; А.Б. Трембач и др., 2005; А.В. Курганский, П.П.

Григал, 2010; А.В. Курганский, 2013 и др.). Тем не менее, возрастные особенности спинальных нейрональных механизмов управления произвольными движениями у детей и подростков рассматривались только в нескольких работах (И.А. Вахрамеева, 1972; Д.П. Букреева, 1977-1978; Л.А.

Леонова и др., 1978; Е.Г. Гравицкая, 1992; M. Hodapp et al., 2007, 2009).

Основная часть работ этого направления сосредоточена на анализе рефлекторной возбудимости -мотонейронов спинного мозга у детей разного возраста в процессе двигательной деятельности и после её выполнения.

Исследования процессов торможения, протекающих на уровне спинного мозга, при реализации произвольных движений на разных этапах индивидуального развития человека не проводились.

В свете изложенного выше особую актуальность приобретает проблема исследования основных онтогенетических закономерностей формирования спинального торможения у человека. Изучение и анализ рассматриваемой проблемы позволит конкретизировать основные возрастные этапы становления и формирования разных видов спинального торможения в состоянии относительного мышечного покоя, проанализировать характер спинального тормозного обеспечения произвольных движений на разных этапах онтогенеза, детализировать возрастные периоды зрелости тормозных систем спинного мозга в осуществлении произвольных движений человека. Вместе с тем, новые знания, получаемые в результате такого рода исследований, могут стать теоретической базой для создания рациональной системы двигательной деятельности развивающегося организма.

Объект исследования: физиологические закономерности функционирования тормозных систем человека в покое и при осуществлении произвольных движений на разных этапах онтогенеза.

Предмет исследования: возрастные изменения выраженности разных видов спинального торможения -мотонейронов в состоянии покоя и при произвольной двигательной активности у лиц мужского пола в возрасте 9- лет.

Цель исследования. Цель работы заключалась в установлении закономерностей формирования разных видов спинального торможения человека в состоянии относительного мышечного покоя и анализе возрастных особенностей тормозных процессов при осуществлении произвольной двигательной активности.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

В состоянии относительного мышечного покоя изучить функциональные особенности электронейромиографических параметров рефлекторных и моторных ответов скелетных мышц на разных этапах возрастного развития человека.

Исследовать закономерности формирования пресинаптического торможения гетеронимных и гомонимных афферентов Ia скелетных мышц бедра и голени, возвратного торможения гетеронимных -мотонейронов мышц бедра, нереципрокного торможения гетеронимных и гомонимных мотонейронов мышц бедра и голени, дисинаптического реципрокного торможения гомонимных -мотонейронов мышц голени у лиц мужского пола в возрасте от 9 до 27 лет в состоянии относительного мышечного покоя.

Выявить особенности проявления пресинаптического торможения гомонимных афферентов Ia скелетных мышц голени, нереципрокного и реципрокного торможения гомонимных -мотонейронов мышц голени при реализации произвольной двигательной активности у лиц в возрасте 9-27 лет.

Изучить особенности восстановления спинальных тормозных процессов после произвольной двигательной активности у человека в разные возрастные периоды.

Оценить влияние уровня двигательной активности на выраженность нереципрокного и возвратного торможения спинальных -мотонейронов мышц голени у лиц юношеского возраста.

Научная новизна исследования. Настоящая работа является исследованием, впервые раскрывающим физиологические закономерности формирования пресинаптического, возвратного, нереципрокного и реципрокного торможения -мотонейронов спинного мозга у лиц мужского пола от 9 до 27 лет в условиях относительного мышечного покоя. Установлен гетерохронный характер формирования электронейромиографических параметров нейромоторного аппарата. Основные возрастные периоды становления латентного периода Н-рефлекса, латентного периода и максимальной амплитуды М-ответа приходятся на возраст 14-15 лет, максимальной амплитуды Н-рефлекса и длительности М-ответа – на возраст 17-18 лет.

Впервые установлены основные возрастные этапы становления пресинаптического торможения гетеронимных и гомонимных афферентов Ia скелетных мышц бедра и голени, возвратного торможения гетеронимных мотонейронов мышц бедра, нереципрокного торможения гетеронимных и гомонимных -мотонейронов мышц бедра и голени, дисинаптического реципрокного торможения гомонимных -мотонейронов мышц голени в состоянии покоя. Показано наличие гетерохронии в формировании и становлении разных видов спинального торможения.

Впервые выявлены возрастные особенности активности пресинаптического, нереципрокного и реципрокного торможения гомонимных -мотонейронов мышцы-сгибателя стопы в реализации произвольного движения в возрастном диапазоне от 9 до 27 лет. В частности, показано, что выраженность пресинаптического и реципрокного торможения -мотонейронов мышцы-сгибателя стопы при осуществлении произвольных движений, в отличие от нереципрокного торможения, достигает уровня взрослого человека в основном в возрасте 17-18 лет.

Проведённое исследование позволило установить своеобразие восстановления пресинаптического, нереципрокного и реципрокного торможения гомонимных -мотонейронов мышцы-сгибателя стопы после произвольной двигательной активности на разных этапах онтогенеза.

Обнаружена неравномерность восстановления различных видов спинального торможения в условиях последействия мышечного напряжения мышц голени в процессе онтогенеза. Показано, что дефинитивный уровень восстановления пресинаптического и реципрокного торможения после произвольного сокращения мышц устанавливается в юношеском возрасте.

Установлена зависимость активности спинальной тормозной системы, обеспечивающей процесс нереципрокного и возвратного торможения, от уровня двигательной деятельности у юношей 17-18 лет. У юношейспортсменов наиболее выражено нереципрокное торможение гетеронимных мотонейронов мышц бедра, а у юношей, не занимающихся спортом возвратное торможение гетеронимных -мотонейронов мышц бедра.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Гетерохронность формирования разных видов торможения проявляется в их становлении на разных этапах онтогенеза, неравномерность - в усилении и ослаблении их выраженности в процессе онтогенеза. Дефинитивный уровень развития тормозных процессов спинного мозга в период от 9 до 18 лет приходится на различный возраст: пресинаптического торможения гетеронимных Ia афферентов и реципрокного торможения гомонимных мотонейронов в возрасте 9-12 лет, возвратного торможения гетеронимных мотонейронов – 17-18 лет, нереципрокного торможения гетеронимных и гомонимных -мотонейронов – 14-15 лет.

2. В процессе онтогенеза коррекция пресинаптического торможения в спинном мозге при произвольной двигательной активности базируется преимущественно на супраспинальных влияниях и связана со степенью созревания кортикальных и субкортикальных структур. Возрастные изменения выраженности пресинаптического торможения мышц-антагонистов голени в возрастной период от 9 до 18 лет по-разному проявляются при разной длительности мышечного сокращения, т.е. в его начале, середине и завершении.

Двигательная деятельность оказывает существенное влияние на совершенствование процессов торможения спинального уровня, которые обеспечивают решение соответствующей двигательной задачи на разных возрастных этапах онтогенеза. Проявление пресинаптического торможения афферентов Ia, нереципрокного и реципрокного торможения спинальных мотонейронов при реализации произвольной двигательной активности у детей 9-12 лет, подростков 14-15 лет и юношей 17-18 лет осуществляется в рамках возрастных возможностей двигательной системы и на фоне онтогенетического развития самих движений. В юношеском возрасте складывается дефинитивный уровень проявления пресинаптического и реципрокного торможения мотонейронов в осуществлении двигательной деятельности.

Восстановление спинальных тормозных процессов после произвольной двигательной активности у человека в разные возрастные периоды протекает неравномерно с различной скоростью. У юношей 17-18 лет и взрослых восстановление пресинаптического торможения афферентов Ia, нереципрокного и реципрокного торможения -мотонейронов спинного мозга происходит быстрее, чем у детей 9-12 и 14-15 лет. Дефинитивный уровень восстановления пресинаптического и реципрокного торможения после произвольного сокращения мышц устанавливается в юношеском возрасте.

Теоретическая значимость исследования. Электрофизиологические исследования с использованием широкого комплекса методов оценки различных видов торможения спинальных -мотонейронов скелетных мышц позволили установить основные закономерности формирования процессов торможения на спинальном уровне у человека. Полученные данные существенно пополнили представления о процессах торможения на спинальном уровне у человека. Весомым вкладом в теорию онтогенеза являются данные о возрастных особенностях пресинаптического торможения гетеронимных и гомонимных афферентов Ia скелетных мышц бедра и голени, возвратного торможения гетеронимных -мотонейронов мышц бедра, нереципрокного торможения гетеронимных и гомонимных -мотонейронов мышц бедра и голени, дисинаптического реципрокного торможения гомонимных мотонейронов мышц голени в состоянии относительного мышечного покоя.

Полученные результаты доказывают, что становление разных видов торможения на сегментарном уровне до дефинитивного уровня происходит гетерохронно.

Выявление гетерохронного развития разных видов спинального торможения расширяет сведения о созревании спинальных и супраспинальных структур центральной нервной системы в ходе постнатального онтогенеза.

Установленные закономерности проявления разных видов спинального торможения в осуществлении произвольных движений у лиц разного возраста расширяют представления, на которых базируются современные концепции о регуляции произвольных движений человека.

Полученные результаты дополняют и уточняют существующие представления о функциональном состоянии рефлекторных и моторных ответов на разных этапах онтогенеза. Сведения об изменении восстановления разных видов торможения спинальных -мотонейронов у детей и подростков после произвольного движения имеют теоретическое значение для развития представлений о факторах, влияющих на протекание нервных процессов в поли- и олигосинаптических структурах центральной нервной системы.

Проведённые исследования позволили выявить специфичность нереципрокного и возвратного торможения спинальных -мотонейронов у юношей 17-18 лет в зависимости от условий их двигательной активности.

Практическая значимость результатов исследования. Полученные данные и установленные закономерности возрастных изменений процессов торможения -мотонейронов спинного мозга в состоянии относительного мышечного покоя и произвольной двигательной активности могут быть использованы для дальнейшего изучения физиологических механизмов функционирования нейрональных сетей головного и спинного мозга.

Работа может быть полезна физиологам и врачам при формировании представлений о процессах торможения спинальных -мотонейронов у детей разного возраста, а также для коррекции двигательных нарушений при повреждении центральной и периферической нервной системы. Для практики спорта значимость работы состоит в том, что полученные данные об изменении выраженности нереципрокного и возвратного торможения -мотонейронов могут быть применены в качестве диагностического маркера работоспособности и поддержания высокого уровня функционального состояния нервно-мышечного аппарата у лиц, адаптированных к сложнокоординированной двигательной деятельности.

Раскрытые в работе закономерности формирования разных видов спинального торможения включены в авторские лекционные циклы для бакалавров по дисциплине «Возрастная анатомия, физиология и гигиена»

основной образовательной программы направления подготовки «Педагогическое образование» и магистров по дисциплине «Возрастная физиология» основной образовательной программы направления подготовки 034500 «Спорт».

Полученные данные могут быть использованы при написании соответствующих разделов учебных пособий и справочных руководств по возрастной физиологии, физиологии центральной нервной системы и физиологии спорта, а также включены в курс лекций и лабораторнопрактических занятий на биологических и педагогических факультетах.

Работа частично поддержана грантом Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

Государственного контракта № 14.740.12.0822 на тему «Изучение механизмов адаптации к факторам среды и мышечной деятельности».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: ежегодных профессорско-преподавательских конференциях ВЛГАФК (Великие Луки, 2004-2014); Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 35-летию ВЛГАФК «Проблемы и перспективы развития физической культуры и спорта» (Великие Луки, 2005); I, III, IV, V Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением (Великие Луки, 2006, 2010; Москва, 2012; Петрозаводск, 2014);

Children and exercise XXIV. The 24th pediatric work physiology meeting (Tallinn, Estonia, 2007); Всероссийской, с международным участием, конференции «Проблемы и развития физической культуры и спорта в странах Балтийского региона» (Великие Луки, 2009); Международной научной конференции «Физиология развития человека» (Москва, 2009); Международной научнопрактической конференции «Совершенствование подготовки кадров в области физической культуры и спорта в условиях модернизации высшего профессионального образования в странах Балтийского региона» (Великие Луки, 2009); XXI и XXII Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010; Волгоград, 2013); Всероссийской научно-практической конференции «Физическая культура и здоровье школьников» (Великие Луки, 2010); VI и VII Всероссийской, с международным участием школеконференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва, 2011, 2013); VII Международном междисциплинарном конгрессе «Нейронаука для медицины и психологии» (Судак, Крым, Украина, 2011); II, III Международной научно-практической конференции «Здоровье для всех» (Пинск, Республика Беларусь, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции «Психолого-педагогические и медико-биологические проблемы физической культуры, спорта, туризма и олимпизма: инновации и перспективы развития»

(Челябинск, 2011); IV Всероссийской конференции с международным участием «Медико-физиологические проблемы экологии человека» (Ульяновск, 2011); V Международном конгрессе «Человек, спорт, здоровье» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии повышения спортивной работоспособности» (Великие Луки, 2013);

16th and 18th Annual Congress of the European College of Sport Science (Liverpool, United Kingdom, 2011; Barselona, Spain, 2013).

Внедрение результатов исследования. Основные положения и результаты диссертации изложены в 58 публикациях, 18 из которых размещены в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Результаты диссертационного исследования апробированы и внедрены в учебный процесс, используются при чтении лекций и проведении практических занятий на кафедрах физиологии и спортивной медицины, естественнонаучных дисциплин Великолукской государственной академии физической культуры и спорта. Методы оценки разных видов спинального торможения лично разработаны автором и используются в научно-исследовательском институте проблем спорта и оздоровительной физической культуры Великолукской государственной академии физической культуры и спорта. Результаты исследования и методы диагностики различных видов спинального торможения у лиц разного возраста внедрены в практику медицинского центра «Вита» в городе Великие Луки Псковской области. Российским Научным Фондом принята заявка №14-15-00852 на реализацию проекта «Нейрональные тормозные сети в системе регуляции произвольных движений человека».

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы (Глава I), изложения общей структуры и методов исследования (Глава II), результатов собственных исследований и их обсуждения (Глава III, IV, V, IV, IIV, VIII), заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на странице печатного текста, иллюстрирована 43 таблицами и 32 рисунками.

Список литературы включает 546 источников, из которых 140 отечественные и 406 зарубежные.

МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Настоящее исследование проводилось на базе «Научноисследовательского института проблем спорта и оздоровительной физической культуры» Великолукской государственной академии физической культуры и спорта в лаборатории «Физиология нервной и мышечной систем». В исследовании приняли участие 440 испытуемых мужского пола в возрасте от до 27 лет. Контингент дифференцировали на четыре возрастные группы:

мальчики 9-12 лет, мальчики 14-15 лет, юноши 17-18 лет, мужчины 22-27 лет.

Возрастные группы были сформированы согласно принятой схемы периодизации, предложенной на VII Всесоюзной конференции по проблемам возрастной морфологии, физиологии и биохимии АПН ССР (г. Москва, 1965).

Выбор данной схемы периодизации обоснован тем, что она включает в себя комплекс признаков, расцениваемых как биологического возраста: размеры тела и органов, массу, окостенение скелета, прорезывания зубов, развитие желез внутренней секреции, степень полового созревания, мышечную силу.

В отдельной серии экспериментов принимали участие 24 испытуемых в возрасте 17-18 лет с разным уровнем двигательной активности. Обследуемые были разделены на две группы: в первую группу входили юноши, имеющие высокий уровень двигательной активности – высококвалифицированные спортсмены (n=12, I спортивный разряд, кандидаты в мастера спорта, вид спорта – самбо, длина тела (см) – 172,71±0,49, вес (кг) – 63,43±0,57), тренирующиеся преимущественно в анаэробном энергетическом режиме.

Спортсмены тренировались не менее 5 раз в неделю по 1,5-2 часа в день. В момент исследования спортсмены находились в подготовительном периоде тренировочного цикла. Во вторую группу входили юноши, не занимающиеся спортом (n=12), уровень повседневной двигательной активности которых составлял 2-3 часа занятий физической культурой в неделю.

Все испытуемые, принимавшие участие в наших исследованиях, были практически здоровые. Условия проведения экспериментов были согласованы с комитетом по биомедицинской этике при ФГБОУ ВПО «ВЛГАФК». Кроме того, все испытуемые получили детальную информацию о проводимом исследовании и дали письменное согласие на участие в соответствии «Декларацией по этическому кодексу медико-биологических исследований на людях» (Хельсинки, 1964). Письменное согласие на участие в исследованиях детей 9-12 лет и 14-15 лет давали родители.

Н-рефлекс и М-ответ регистрировали по общепринятой методике в дистальных мышцах бедра (mm. rectus femoris, vastus lateralis) и проксимальных мышцах голени (mm. soleus, gastrocnemius medialis, tibialis anterior) при стимуляции nn. femoralis, tibialis, common peroneal, peroneus profundus соответственно (В.Н. Команцев, В.А. Заболотных, 2001; E. Pierrot-Deseilligny, D. Burke, 2005, 2012). Для получения Н- и М-ответа наносили прямоугольные электрические стимулы длительностью 1 мс с интервалами не менее 10 секунд через накожные пластинчатые электроды. При регистрации Н-рефлекса и Мответа использовались неполяризуемые чашечные дисковые электроды диаметром 0,9 см. Активный регистрирующий электрод располагался в области двигательной точки, референтный электрод фиксировался по ходу её волокон.

Межэлектродное расстояние составляло 2 см.

С целью изучения тормозных процессов в спинном мозге использовали тестирующий Н-рефлекс, чтобы оценить эффект кондиционирующей стимуляции на мотонейронный пул спинного мозга. Значения амплитуды кондиционирующего Н-рефлекса сравнивали в отсутствии и присутствии контрольного рефлекса. Во всех случаях амплитуда Н- и М-ответов оценивалась от максимального негативного пика до максимального позитивного пика.

Стимуляция афферентов, регистрация Н-рефлексов, М-ответов и биопотенциалов скелетных мышц нижней правой конечности осуществлялась с помощью восьмиканального Мини-Электромиографа, предусматривающего обработку параметров Н-рефлекса и М-ответа в специальной компьютерной программе Муо (АНО «Возращение», Санкт-Петербург, 2003).

В данной работе использовался разработанный Н. Hultborn с соавторами (1987) метод оценки пресинаптического торможения гетеронимных Ia афферентов, идущих от m. rectus femoris к -мотонейронам m. soleus.

Сущность этого метода заключается в измерении облегчения Н-рефлекса m.

soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. femoralis. В течение 0,5 мс на облегчение афферентных потоков по моносинаптическим Ia волокон не влияют никакие немоносинаптические (олиго- и полисинаптические) влияния (Н. Hultborn et. al., 1987; E. Pierrot-Deseilligny, 1996). Только при этих условиях гетеронимное облегчение Н-рефлекса m. soleus зависит от величины кондиционирующего постсинаптического потенциала возбуждения.

Следовательно, чем больше облегчение амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем меньше величина пресинаптического торможения афферентов Ia и соответственно, наоборот.

Гетеронимное облегчение Н-рефлекса m. soleus является следствием реализации его по моносинаптическому пути при определённых временных интервалах между кондиционирующим и тестирующим стимулами. При данной методике расстояние от места нанесения кондиционирующего и тестирующего стимулов до активируемого -мотонейрона разное.

Следовательно, тестирующая стимуляция n. tibialis наносилась раньше кондиционирующего раздражения n. femoralis на -7,1 мс - -3,7 мс, чтобы обеспечить одновременное прибытие этих двух залпов на мотонейроны m.

soleus, т.е. «нулевую центральную задержку» (H. Hultborn et al., 1987; S.

Meunier et al., 1993; H. Barbeau et al., 2000). В таком случае интервал между кондиционирующим и тестирующим стимулами имел отрицательную величину.

Тестирующий и контрольный Н-рефлекс m. soleus вызывался путем стимуляции n. tibialis через монополярные электроды, при этом активный электрод располагался в fossa poplitea, индифферентный на patella. При регистрации тестирующего и контрольного Н-рефлекса m. soleus Нулевая центральная задержка – время синхронного прибытия кондиционирующего и тестирующего залпов на мотонейронный уровень (H. Hultborn et al., 1987).

использовалась интенсивность стимула ~20-40% от максимальных значений.

Амплитуду тестирующего Н-ответа m. soleus в условиях кондиционирующей стимуляции выражали в процентах от значений амплитуды контрольного ответа.

Н- и М-ответы m. rectus femoris вызывали путём стимуляции n. femoralis через монополярные электроды, при этом активный электрод располагался в trigonum femorale, индифферентный на m. gluteus maximus. Чтобы исключить любую возможность повторного торможения -мотонейронов m. soleus, интенсивность кондиционирующей стимуляции n. femoralis была ниже пороговой величины М-ответа m. rectus femoris. Известно, что при слабой стимуляции n. femoralis активируются только афференты группы Ia (Р.Н.

Фомин, 2004; Е.Ю. Андриянова, 2006; E. Fournier et al., 1986).

Пресинаптическое торможение гомонимных Ia афферентов m. soleus оценивали по предложенной методике Y. Mizuno с соавторами (1971). В соответствии с этим методом оценивалась степень подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. peroneus profundus и наносимого за 40-100 мс до тестирующего раздражения n. tibialis. Принималось, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено пресинаптическое торможение афферентов Iа.

Тестирующий и контрольный Н-рефлекс m. soleus вызывался путём стимуляции n. tibialis через монополярные электроды, при этом активный электрод располагался в fossa poplitea, индифферентный на patella. При регистрации тестирующего и контрольного Н-ответа m. soleus использовалась интенсивность стимула с амплитудой ~15-25% от максимального значения.

Амплитуду тестирующего Н-ответа m. soleus выражали в процентах от амплитуды контрольного Н-ответа.

Кондиционирующая стимуляция n. peroneus profundus осуществлялась через монополярные электроды. Активный электрод располагался вблизи наружного угла fossa poplitea, латеральнее и дистальнее электродов для раздражения n. tibialis, индифферентный на patella. Интенсивность кондиционирующего стимула на n. peroneus profundus подбирали так, чтобы она вызывала М-ответ m. tibialis anterior с амплитудой ~5-15% от максимального значения.

Метод оценки возвратного торможения гетеронимных -мотонейронов m. vastus lateralis предполагает использование кондиционирующей стимуляции n. tibialis при длительных временных интервалах от 14 мс до 40 мс, которая позволяет активировать клетки Реншоу через отходящие моторные коллатерали аксонов -мотонейронов m. soleus, что в свою очередь снижает возбудимость мотонейронов m. vastus lateralis (J.F. Iles, J. Pardoe, 1999). Оценивали степень подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. tibialis. Постулируется, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено возвратное торможение -мотонейронов спинного мозга.

Тестирующий и контрольный Н-рефлекс m. vastus lateralis вызывался путём стимуляции n. femoralis через монополярные электроды, при этом активный электрод располагался в trigonum femorale, индифферентный на m.

gluteus maximus. При регистрации тестирующего и контрольного Н-ответа m.

vastus lateralis использовалась интенсивность стимула с амплитудой ~10% от максимальных значений. Амплитуду тестирующего Н-ответа m. vastus lateralis в условиях кондиционирующей стимуляции выражали в процентах от значений амплитуды контрольного ответа.

Кондиционирующая стимуляция n. tibialis осуществлялась при помощи монополярных электродов, где активный электрод располагался в fossa poplitea, а индифферентный на patella. Интенсивность кондиционирующего стимула n.

tibialis подбиралась таким образом, чтобы вызвать ~95% величины М-ответа m.

soleus.

Для оценки нереципрокного торможения гетеронимных -мотонейронов m. vastus lateralis использовали метод, предложенный J.F. Iles с соавторами (1990). При такой методике нереципрокное торможение гетеронимных мотонейронов определяется при нанесении кондиционирующего стимула n. tibialis и тестирующего раздражения n.

femoralis при коротких временных интервалах от 1 мс до 13 мс с шагом 1 мс. В этом случае кондиционирующая стимуляция n. tibialis позволяет активировать афференты соответствующих тормозных интернейронов Ib к -мотонейронам m. soleus и m. vastus lateralis, тем самым вызывая подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis. Постулируется, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено нереципрокное торможение -мотонейронов.

Тестирующая стимуляция n. femoralis и кондиционирующая стимуляция n.

tibialis проводилась таким же образом, как описано в методике определения возвратного торможения гетеронимных -мотонейронов спинного мозга.

Для оценки нереципрокного торможения гомонимных -мотонейронов m.

soleus использовали метод, предложенный E. Pierrot-Deseilligny с сотрудниками (1979). При данной методике нереципрокное торможение гомонимных мотонейронов m. soleus определяется при нанесении кондиционирующего стимула на n. common peroneal и тестирующего раздражения на n. tibialis. В этом случае кондиционирующая стимуляция n. common peroneal вызывает «чистый» эффект Ib торможения -мотонейронов mm. gastrocnemius medialis и soleus (E. Pierrot-Deseilligny et al., 1979; E. Pierrot-Deseilligny, D. Burke, 2005, 2012). Оценивалась степень подавления тестирующего Н-рефлекса m. soleus в условиях нанесения кондиционирующей стимуляции n. common peroneal за 1- мс до тестирующего раздражения n. tibialis. Принималось, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено нереципрокное торможение -мотонейронов.

Тестирующий и контрольный Н-рефлекс m. soleus вызывался путём стимуляции n. tibialis через монополярные электроды, при этом активный электрод располагался в fossa poplitea, индифферентный на patella. При регистрации тестирующего и контрольного Н-рефлекса m. soleus использовалась интенсивность стимула с амплитудой ~15% от максимального значения. Амплитуду тестирующего Н-ответа m. soleus в условиях кондиционирующей стимуляции выражали в процентах от значений амплитуды контрольного ответа.

Кондиционирующая стимуляция n. common peroneal осуществлялась через монополярные электроды. Активный электрод располагался в более низкой части fossa poplitea, на 6-8 см латеральнее или дистальнее электродов для раздражения n. tibialis, индифферентный на patella. Интенсивность кондиционирующего стимула n. common peroneal подбиралась такой, чтобы вызвать ~95% величины максимального М-ответа m. gastrocnemius medialis.

Реципрокное торможение -мотонейронов m. soleus оценивалось по методу C. Crone с соавторами (1987). При этом методе используется кондиционирующая стимуляция n. peroneus profundus, которая активирует афференты m. tibialis anterior и возбуждает Ia тормозные интернейроны, проецирующие на -мотонейроны m. soleus. В соответствии с данным методом оценивалась степень подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса m.

soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. peroneus profundus и наносимой за 1-5 мс до тестирующего раздражения n. tibialis. Постулировалось, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено реципрокное торможение спинальных -мотонейронов.

Тестирующая стимуляция n. tibialis и кондиционирующая стимуляция n.

peroneus profundus проводилась таким же образом, как описано в методике определения пресинаптического торможения гомонимных Ia волокон.

В нашем исследовании в качестве произвольной двигательной модели использовали изометрическое сокращение мышц голени (подошвенное сгибание стопы). Выбор данной модели объясняется тем, что этот режим позволяет освободиться от необходимости учитывать переменную динамику сил инерции и реакции опоры (Н.П. Анисимова, 1980; Ю.Т. Шапков, 1984; Е.Ю.

Андриянова, Р.М. Городничев, 2006).

Регистрация максимального произвольного изометрического сокращения (МПС) была выполнена на правой, ведущей у всех испытуемых, конечности.

Испытуемые удобно располагались в положении сидя на мультисуставном лечебно-диагностическом комплексе «Biodex Multi-Joint System Pro-3» (USA, 2006). Стопа правой конечности относительно жёстко фиксировалась к измерительной платформе динамометра. У испытуемых вначале определялась величина МПС. Затем обследуемым предлагалось выполнить статическое усилие в 25% от МПС и удерживать его в течение 30-ти секунд. Сила сокращения отслеживалась визуально испытуемым на мониторе персонального компьютера.

Тестирование пресинаптического торможения афферентов, нереципрокного и реципрокного торможения -мотонейронов m. soleus у всех обследуемых возрастных групп проводили при оптимальных задержках (см.

п/п. 2.1, 2.3, 2.4) в покое (рис. 1А) и во время изометрического сокращения с силой 25% от МПС на 1-ой, 15-ой и 30-ой секундах (рис. 1Б).

Контрольный Н-рефлекс m. soleus регистрировали в покое. Тестирующий Н-рефлекс m. soleus в условиях коротко- и длиннолатентной кондиционирующей стимуляции регистрировали в покое и во время выполнения изометрического сокращения.

Рисунок 1 - Типичная запись подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus в условиях нанесения кондиционирующей стимуляции n. peroneus profundus за 70 мс до тестирующего стимула на n. tibialis в состоянии относительного мышечного покоя (А) и во время удержания статического усилия с силой 25% от МПС (Б) у испытуемого Д.Р., 14 лет.

Статистическая обработка материала проводилась на персональном компьютере Pentium 4 при помощи программы Statistica 10.0. (Statsoft Inc, USA, 2010). Анализ соответствия вида распределения признака закону нормального распределения проводился с помощью Shapiro-Wilk’s W test и в соответствии с полученными результатами применяли параметрические и непараметрические методы. При описании количественных данных использовались следующие расчётные показатели: М (Mean) – среднее арифметическое, SD (Standard Deviation) – стандартное отклонение, SE (Standard Error) – стандартная ошибка средней. При оценке межгрупповых различий по количественным и качественных показателям применяли параметрический критерий One-way ANOVA с post-hoc анализом Fisher LSD, Newman-Keuls, Tukey HSD и непараметрический критерий Kruskal-Wallis ANOVA. Для сравнения изучаемых параметров в некоторых случаях использовали Wilcoxon test для зависимых выборок. Критическое значение уровня статистической значимости при проверке нулевых гипотез принималось равным 5% (p = 0,05).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Функциональные особенности рефлекторных и моторных ответов скелетных мышц в состоянии относительного мышечного покоя у Для анализа Н-рефлекса и М-ответа m. soleus у мальчиков 9-12 лет и 14- лет, юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет использовали следующие параметры: сила электростимула, вызывающего максимальный Н-ответ (НАmax) и максимальный М-ответ (МАmax), их амплитуда от пика до пика (Hmax; Мmax), латентный период Н-ответа (Ht) и М-ответа (Мt), длительность Н-ответа (Hd) и М-ответа (Мd), отношение максимального Н-ответа и максимального М-ответа (Нmax/Мmax).

Сравнительный анализ силы электростимула, вызывающего максимальный Н-рефлекс показал, что в состоянии относительного мышечного покоя в группе мужчин 22-27 лет данный показатель был выше по сравнению с другими возрастными группами (табл. 1). Если у мужчин 22-27 лет для появления максимального Н-рефлекса в среднем по группе требовалась сила тока более мА, то у других возрастных групп – от 10 до 16 мА. Величина интенсивности стимула для возникновения Н-рефлекса у мальчиков 14-15 лет была достоверно ниже, чем у мужчин 22-27 лет, но значительно превышала значения мальчиков 9-12 лет и юношей 17-18 лет.

Наиболее высоких величин амплитуда Н-рефлекса достигала у мальчиков 14-15 лет и мальчиков 9-12 лет. В возрасте 14-15 лет максимальный Н-рефлекс был всего лишь на 0,20 мВ больше, чем у детей 9-12 лет. Не наблюдалось статистически значимых различий в амплитуде Н-рефлекса у юношей 17-18 лет по сравнению со взрослыми (табл. 1).

Из анализа таблицы 1 следует, что самый короткий латентный период Нрефлекса отмечается у мальчиков 9-12 лет. Латентный период Н-рефлекса в группе подростков 14-15 лет заметно увеличился по сравнению с мальчиками 9лет - на 7,85 мс. У юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет латентный период Н-рефлекса фактически не изменялся в сравнении с подростками 14-15 лет.

Возрастные различия также отмечены в длительности Н-рефлекса (табл. 1).

Выявлено, что длительность Н-рефлекса больше в группе мужчин 22-27 лет, чем у других возрастных групп.

Проведённые исследования показали, что интенсивность стимула для возникновения максимального М-ответа достоверно выше у мужчин 22-27 лет, чем в других исследуемых группах (табл. 2).

В состоянии двигательного покоя амплитуда М-ответа у мальчиков 9- лет была достоверно больше, чем в других возрастных группах (табл. 2). В подростковом возрасте амплитуда моторного ответа m. soleus достигала дефинитивного уровня.

Параметры Н-ответа m. soleus у разных возрастных групп (M±SE) Сила электростимула НАmax, мА Латентный период Htmax, мс Длительность Hdmax, мс Примечание: P9-1214-15, P9-1217-18, P9-1222-27, P14-1517-18, P14-1522-27, P17-1822-27 – достоверность различий показателей в сравниваемых возрастных группах (* - Kruscal-Wallis Anova и # One-way Anova с post-hoc анализом Newman-Keuls).

При анализе возрастной динамики латентного времени М-ответа было обнаружено, что самый короткий латентный период отмечался у детей в возрасте 9-12 лет (табл. 2). У подростков 14-15 лет латентность М-ответа достигала уровня, характерного для взрослых.

Параметры М-ответа m. soleus у разных возрастных групп (M±SE) Сила электростимула МАmax, мА Длительность Мd, мс Примечание: P9-1214-15, P9-1217-18, P9-1222-27, P14-1517-18, P14-1522-27, P17-1822-27 – достоверность различий показателей в сравниваемых возрастных группах (* - Kruscal-Wallis Anova и # One-way Anova с post-hoc анализом Newman-Keuls).

По мере взросления человека происходило постепенное увеличение длительности М-ответа (табл. 2). У мальчиков 9-12 лет и подростков 14-15 лет длительность М-ответа достоверно отличалась по сравнению с мужчинами 22лет. В юношеском возрасте данный показатель уже достигал значений взрослых (табл. 2).

Доля рефлекторно возбудимых -мотонейронов m. soleus в группе мальчиков 9-12 лет равнялась величине данного показателя у взрослых (табл.

1). В подростковом возрасте индекс Нmax/Мmax достоверно вырос в сравнении с детьми 9-12 лет.

В заключении отметим, что в процессе онтогенеза показатели нейромоторного аппарата изменяются гетерохронно. Исходя из работ многих авторов, можно предположить, что выявленные нами возрастные изменения в рефлекторных и моторных ответах m. soleus у человека обусловлены морфофункциональными преобразованиями в скелетной мускулатуре, периферической нервной системе, корковых и подкорковых структурах головного мозга и уровнем стероидогенеза.

2. Возрастные особенности разных видов спинального торможения в состоянии относительного мышечного покоя у человека Возрастные особенности пресинаптического торможения гетеронимных Ia афферентов m. rectus femoris и гомонимных Ia афферентов m. soleus у человека. В первой части эксперимента у возрастных групп определяли оптимальные задержки между кондиционирующим и тестирующим стимулами в диапазоне от -7,1 мс до -3,7 мс с шагом 0,2 мс, при которых регистрировалось относительно наиболее выраженное облегчение Нрефлекса m. soleus в условиях кондиционирующей стимуляции n. femoralis, а, следовательно, наименьшая выраженность пресинаптического торможения Ia афферентов m. rectus femoris. При наиболее выраженном облегчении Нрефлекса, исключаются олиго- и полисинаптические влияния, например, от афферентных волокон Ib, и, следовательно, регистрируется «чистый» эффект пресинаптического торможения первичных афферентов (Н. Hultborn et. al., 1987). Во второй части исследования изучали возрастные особенности выраженности пресинаптического торможения Ia афферентов m. rectus femoris при оптимальных задержках, зарегистрированных в начале эксперимента.

Результаты исследования пресинаптического торможения афферентов Ia m. rectus femoris у испытуемых разных возрастных групп позволили нам выявить возрастные различия в его проявлении в зависимости от длительности задержек (рис. 2А). У детей 9-12 лет наиболее значительное гетеронимное облегчение Н-рефлекса отмечалось при задержках - -4,9, -4,3, -3,9 мс, у подростков 14-15 лет - -5,5, -5,3, -4,7 мс, у юношей 17-18 лет и мужчин 22- лет - -5,9, -5,7, -5,5 мс. Наибольший диапазон выраженности этого вида торможения может быть получен в том случае, когда тестирующий стимул у мальчиков 9-12 лет наносится на -4,9 мс раньше кондиционирующего раздражения, у мальчиков 14-15 лет - на -5,3 мс, у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет - на -5,9 мс.

Тестирующий Н-рефлекс m. soleus от Рисунок 2 - Амплитуда тестирующего Н-рефлекса m. soleus от контрольного рефлекса при разных межстимульных задержках у возрастных групп, %.

При исследовании пресинаптического торможения Ia афферентов m. soleus у испытуемых разных возрастных групп во временном диапазоне задержек от 40 мс до 100 мс с шагом 10 мс показано, что у детей 9-12 лет активность этой внутриспинальной тормозной системы наиболее проявлялась при задержке мс между кондиционирующим и тестирующим стимулами, у подростков 14- лет – 70 мс, у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет – 100 мс (рис. 2Б).

изменениях в проявлении пресинаптического торможения афферентов Ia скелетных мышц бедра и голени в состоянии относительного мышечного покоя. Изучение пресинаптического торможения гетеронимных афферентов Ia m. rectus femoris позволило обнаружить, что у мальчиков 9-12 лет и юношей 17лет пресинаптическое торможение в состоянии относительного мышечного покоя характеризуется меньшей выраженностью и достигает уровня взрослого человека (22-27 лет) (рис. 3А). Самая слабая выраженность пресинаптического торможения из всех вышесказанных возрастных групп наблюдалась в возрасте 17-18 лет. В возрасте 14-15 лет отмечается самая большая выраженность пресинаптического торможения, что, по-видимому, объясняется влиянием эндокринных перестроек, обусловленных половым созреванием и уровнем стероидогенеза, характерным для пубертатного периода.

Тестирующий Н-рефлекс m. soleus от Рисунок 3 - Амплитуда тестирующего Н-рефлекса m. soleus от контрольного рефлекса при оптимальных задержках у разных возрастных групп, %: различия между возрастными группами выявлены методами множественного сравнения Kruscal-Wallis test Anova (А) и