Ulyanovsk Medico-biological Journal

Физиология

Скачать статью

DOI: 10.23648/UMBJ.2017.25.5252

УДК 612.832; 612.825; 612.816

ПЛАСТИЧНОСТЬ МОТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЛОКАЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

А.М. Пухов, С.М. Иванов, Е.Н. Мачуева, Е.А. Михайлова, С.А. Моисеев

ФГБОУ ВО «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта», г. Великие Луки, Россия

e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Ранее показано, что в системе управления движением под воздействием внутренних и внешних факторов наблюдается перестроение взаимодействия нейрональных сетей. Это явление принято называть пластичностью. Нами было установлено, что стимуляция различных уровней моторной системы позволяет вызывать непроизвольные одиночные мышечные сокращения и целостные локомоции, при этом значительную роль играет обратная афферентация.

Цель исследования состояла в изучении пластичности структур моторной системы человека на разных уровнях при локальной двигательной деятельности силовой направленности.

Материалы и методы. В исследовании приняли участие 5 добровольцев, которые в течение
7 дней выполняли локальную силовую нагрузку. До и после 7-дневной тренировки регистрировали вызванные моторные ответы с мышц правой руки при транскраниальной магнитной стимуляции, электрической и электромагнитной стимуляции спинного мозга, электрической стимуляции n. musculocutaneus. Также изучались электромиографические и динамометрические характеристики максимального произвольного сокращения.

Результаты и обсуждение. После 7-дневной тренировки силовой направленности мышц-сгиба-
телей плеча произошли изменения в величине максимальной произвольной силы m. biceps brachii и параметрах вызванных моторных ответов мышц верхней конечности при стимуляции трех уровней – коркового, спинального и периферического. На корковом уровне произошло увеличение площади моторной коры, с которой вызываются ответы мышц верхних конечностей. На спинальном уровне увеличилась возбудимость афферентного входа. На периферическом уровне также произошли изменения. Исследование моторного ответа m. biceps brachii выявило тенденцию повышения возбудимости n. musculocutaneus в первый день после эксперимента и ее снижение на седьмой день по сравнению с фоном. Вышесказанное свидетельствует о значительной пластичности структур всех уровней моторной системы, осуществляющих управление движением, под воздействием нагрузки силовой направленности.

Ключевые слова: пластичность моторной системы, электромиография, транскраниальная магнитная стимуляция, электромагнитная стимуляция спинного мозга, чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга, М-ответ.

 

Литература

  1. Minassian K., Hofstoetter U.S. Spinal Cord Stimulation and Augmentative Control Strategies for Leg Movement after Spinal Paralysis in Humans. CNS Neuroscience & Therapeutics. 2016; 22 (4): 262–270.
  2. Томиловская Е.С., Мошонкина Т.Р., Городничев Р.М., Шигуева Т.А., Закирова А.З., Пивоварова Е.А., Савохин А.А., Селионов В.А., Семенов Ю.С., Бревнов В.В., Китов В.В., Герасименко Ю.П., Козловская И.Б. Механическая стимуляция опорных зон стоп: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека. Физиология человека. 2013; 39 (5): 34–41.
  3. Щербакова Н.А., Мошонкина Т.Р., Савохин А.А., Селионов В.А., Городничев Р.М., Герасименко Ю.П. Неинвазивный метод управления спинальными локомоторными сетями человека. Физиология человека. 2016; 42 (1): 73.
  4. Бернштейн Н.А. О построении движений. М.: Медгиз; 1947. 255.
  5. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем.М.: Медицина; 1975. 448.
  6. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Puhov A., Moshonkina T., Savochin A., Selionov V., Roy R.R., Lu D.C., Edgerton V.R. IInitiation and modulation of locomotor circuitry output with multi-site transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord in non-injured humans. Neurophysiol. 2015; 113 (3): 834–842.
  7. Bogacheva I.N., Musienko P.E., Shcherbakova N.A., Moshonkina T.R., Savokhin A.A., Gerasimenko Yu.P. Analysis of locomotor activity in decerebrate cats using electromagnetic and epidural electrical stimulation of the spinal cord. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2014; 44 (5): 552–559.
  8. Городничев Р.М., Беляев А.Г., Шляхтов В.Н. Магнитная стимуляция мышц как новый метод повышения их силовых возможностей. Теория и практика физической культуры. 2015; 6: 8–11.
  9. Хакимуллина Д.Р., Кашеваров Г.С., Хафизова Г.Н., Габдрахманова Л.Д., Ахметов И.И. Модельные антропометрические и морфологические характеристики бегунов на различные дистанции. Наука и спорт: современные тенденции. 2015; 6 (1): 92–96.
  10. Ланская Е.В., Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Механизмы нейропластичности кортикоспинального тракта при занятиях спортом. Ульяновский медико-биологический журнал. 2016; 1: 127–136.
  11. Мак-Комас А.Дж. Скелетные мышцы. Киев: Олимпийская литература; 2001. 408.
  12. Персон Р.С. Спинальные механизмы управления мышечным сокращением. М.: Наука; 1985. 184.
  13. Казенников О.В., Левик Ю.С. Исследование возбудимости моторной коры в задаче удержания груза. Физиология человека. 2009; 35 (5): 71–78.
  14. Lemon R.N., Johansson R.S., Westling G. Corticospinal control during reach, grasp, and precision lift in man. Neuroscience. 1995; 15: 6145.
  15. Иоффе М.Е. Пластичность двигательных структур мозга и двигательное обучение. Физиология мышц и мышечной деятельности: материалы III Всероссийской школы-конференции. 1–4 февраля 2005 г. М.; 2005: 48.
  16. Городничев Р.М., Пивоварова Е.А., Пухов А., Моисеев С.А., Савохин А.А., Мошонкин Т.Р., Щербакова Н.А., Килимник В.А., Селионов В.А., Козловская И.Б., Эджертон Р., Герасименко Ю.П. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека. Физиология человека. 2012; 38 (2): 46–56.
  17. Troni W., Bianco C., Moja M.C., Dotta M. Improved methodology for lumbosacral nerve root stimulation. Muscle & Nerve. 1996; 19 (5): 595.
  18. Rossini P.M., F. Pauri. Neuromagnetic integrated methods trackinghuman brain mechanisms of sensorimotor areas ‘plastic’ reorganization. Brain Res. Rev. 2000; 33: 131–154.

 

 

Download  article

DOI: 10.23648/UMBJ.2017.25.5252

HUMAN MOTOR SYSTEM PLASTICITY UNDER LOCAL PHYSICAL LOAD

A.M. Pukhov, S.M. Ivanov, E.N. Machueva, E.A. Mikhaylova, S.A. Moiseev

Velikiye Luki State Academy of Physical Education and Sport, Velikiye Luki, Russia

e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

The rearrangement of neuronal network interaction is observed in the motion control system under the influence of internal and external factors. This phenomenon is called plasticity. We found out that the stimulation of different levels of motor system could cause single involuntary muscle contractions and continued locomotion. Herein, reafference played a significant role.

The objective of the study was to investigate different levels of the human motor system plasticity under local load-bearing motor activity.

Materials and Methods. The study enrolled 5 volunteers, who conducted local-bearing motor activity for 7 days. Before and after the 7-day training, the authors registered motor responses of the right upper limb under transcranial magnetic stimulation, transcutaneous electric and electromagnetic spinal cord stimulation, and n.musculocutaneus electrical stimulation. Electromyographic and dynamometric characteristics of maximum voluntary contraction were also studied.

Results and Discussion. After a 7-day load-bearing training of the shoulder flexor muscles there were some changes in maximum voluntary contraction power of m. biceps brachii and the muscles motor responses parameters of the upper limb under the cortical, spinal and peripheral stimulations. At the cortical level there was observed an increase in motor cortex area, which caused the upper limbs muscles responses. At the spinal level there was an increase in excitability of afferent input. There were also some changes at a peripheral level. The study of m.biceps brachii motor responses revealed insignificant increase in the excitability of n.musculocutaneus on the first day of the experiment and its decrease on the seventh day as compared with the background. The results proved significant structural plasticity of all motor system levels, which control motion under the influence of load-bearing training.

Keywords: motor system plasticity, electromyography, transcranial magnetic stimulation, electromagnetic spinal cord stimulation, transcutaneous electric spinal cord stimulation, M-response.

 

References

  1. Minassian K., Hofstoetter U.S. Spinal Cord Stimulation and Augmentative Control Strategies for Leg Movement after Spinal Paralysis in Humans. CNS Neuroscience & Therapeutics. 2016; 22 (4):262–270.
  2. Tomilovskaya E.S., Moshonkina T.R., Gorodnichev R.M., Shigueva T.A., Zakirova A.Z., Pivovarova E.A., Savokhin A.A., Selionov V.A., Semenov Yu.S., Brevnov V.V., Kitov V.V., Gerasimenko Yu.P., Kozlovskaya I.B. Mekhanicheskaya stimulyatsiya opornykh zon stop: neinvazivnyy sposob aktivatsii generatorov shagatel'nykh dvizheniy u cheloveka [Mechanical stimulation of feet step zones: noninvasive activation method of stepping generators in humans]. Fiziologiya cheloveka. 2013; 39 (5): 34–41 (in Russian).
  3. Shcherbakova N.A., Moshonkina T.R., Savokhin A.A., Selionov V.A., Gorodnichev R.M., Gerasimenko Yu.P. Neinvazivnyy metod upravleniya spinal'nymi lokomotornymi setyami cheloveka [Non-invasive method of human spinal locomotor systems control]. Fiziologiya cheloveka. 2016; 42 (1): 73 (in Russian).
  4. Bernshteyn N.A. O postroenii dvizheniy [Generation of movements]. Moscow: Medgiz; 1947. 255 (in Russian).
  5. Anokhin P.K. Ocherki po fiziologii funktsional'nykh sistem [Essays on the physiology of functional systems]. Moscow: Meditsina; 1975. 448 (in Russian).
  6. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Puhov A., Moshonkina T., Savochin A., Selionov V., Roy R.R., Lu D.C., Edgerton V.R. Initiation and modulation of locomotor circuitry output with multi-site transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord in non-injured humans. Neurophysiol. 2015; 113 (3): 834–842.
  7. Bogacheva I.N., Musienko P.E., Shcherbakova N.A., Moshonkina T.R., Savokhin A.A., Gerasimenko Yu.P. Analysis of locomotor activity in decerebrate cats using electromagnetic and epidural electrical stimulation of the spinal cord. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2014; 44 (5): 552–559.
  8. Gorodnichev R.M., Belyaev A.G., Shlyakhtov V.N. Magnitnaya stimulyatsiya myshts kak novyy metod povysheniya ikh silovykh vozmozhnostey [Magnetic stimulation of muscles as a new method to enhance their strength abilities]. Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. 2015; 6: 8–11 (in Russian).
  9. Khakimullina D.R., Kashevarov G.S., Khafizova G.N., Gabdrakhmanova L.D., Akhmetov I.I. Model'nye antropometricheskie i morfologicheskie kharakteristiki begunov na razlichnye distantsii [Model anthropometric and morphological characteristics of distance runners]. Nauka i sport: sovremennye tendentsii. 2015; 6 (1): 92–96 (in Russian).
  10. Lanskaya E.V., Lanskaya O.V., Andriyanova E.Yu. Mekhanizmy neyroplastichnosti kortikospinal'nogo trakta pri zanyatiyakh sportom [Mechanisms of corticospinal fiber neuroplasticity under physical activity]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2016; 1: 127–136 (in Russian).
  11. McComas А. Skeletnye myshtsy [Skeletal muscle]. Kiev: Olimpiyskaya literatura; 2001. 408 (in Russian).
  12. Person R.S. Spinal'nye mekhanizmy upravleniya myshechnym sokrashcheniem [Spinal mechanisms of muscle contraction control]. Moscow: Nauka; 1985. 184 (in Russian).
  13. Kazennikov O.V., Levik Yu.S. Issledovanie vozbudimosti motornoy kory v zadache uderzhaniya gruza [Study of motor cortex excitability in the load holding task]. Fiziologiya cheloveka. 2009; 35 (5): 71–78 (in Russian).
  14. Lemon R.N., Johansson R.S., Westling G. Corlicospinal control during reach, grasp, and precision lift in man. Neuroscience. 1995; 15: 6145.
  15. Ioffe M.E. Plastichnost' dvigatel'nykh struktur mozga i dvigatel'noe obuchenie [Brain motor structures plasticity and motor learning]. Fiziologiya myshts i myshechnoy deyatel'nosti: materialy III Vserossiyskoy shkoly konferentsii [Muscle and muscle activity physiology: Proceedings of the 3rd All-Russian conference]. 2005 February, 1–4. Moscow; 2005: 48 (in Russian).
  16. Gorodnichev R.M., Pivovarova E.A., Pukhov A., Moiseev S.A., Savokhin A.A., Moshonkin T.R., Shcherbakova N.A., Kilimnik V.A., Selionov V.A., Kozlovskaya I.B., Edzherton R., Gerasimenko Yu.P. Chreskozhnaya elektricheskaya stimulyatsiya spinnogo mozga: neinvazivnyy sposob aktivatsii generatorov shagatel'nykh dvizheniy u cheloveka [Ttranscutaneous electrical stimulation of the spinal cord: a noninvasive tool to activate stepping pattern generators in humans]. Fiziologiya cheloveka. 2012; 38 (2): 46–56 (in Russian).
  17. Troni W., Bianco C., Moja M., Dotta M. Improved methodology for lumbosacral nerve root stimulation. Muscle & Nerve. 1996; 19 (5): 595.
  18. Rossini P., Pauri F. Neuromagnetic integrated methods trackinghuman brain mechanisms of sensorimotor areas plastic reorganization. Brain Research Reviews. 2000; 33: 131–154.