Ulyanovsk Medico-biological Journal

Физиология

Скачать статью

DOI: 10.23648/UMBJ.2017.25.5253

УДК 612.832;612.833

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ СПИННОГО МОЗГА НА СИЛОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

С.А. Федоров, Р.М. Городничев, А.А. Челноков

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.

 

Накопленные к настоящему времени сведения литературы указывают, что чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга (ЧЭССМ) может активировать работу генератора шагательных движений в условиях горизонтальной вывески нижних конечностей и модулировать координационную структуру произвольных циклических движений человека. Эти факты позволяют предположить, что продолжительная ЧЭССМ способна повысить силовые возможности скелетных мышц.

Цель работы заключалась в изучении возможностей повышения мышечной силы посредством длительной ритмической электрической стимуляции спинного мозга.

Материалы и методы. В исследовании приняли участие 13 здоровых испытуемых мужского пола в возрасте от 19 до 23 лет. Испытуемым в положении лежа на кушетке в течение 20 мин проводилась ЧЭССМ на уровне T11–T12. Максимальный момент силы при подошвенном сгибании стопы с одновременной записью электрической активности мышц (ЭМГ), М-ответы, а также мышечные ответы мышц голени, вызываемые однократной электрической стимуляцией спинного мозга (ВМО) регистрировались до и после проведения длительной ЧЭССМ.

Результаты и обсуждение. Установлено, что ЧЭССМ в течение 20 мин повышает силовые возможности m. gastrocnemius. Это проявляется в увеличении максимального момента силы на 13,67 %, повышении электрической активности при выполнении подошвенного сгибания стопы и амплитуды ВМО m. gastrocnemius.

Заключение. Длительная чрескожная стимуляция спинного мозга может быть использована как дополнительное средство тренировочного воздействия на моторную систему спортсменов в тех видах спорта, результат в которых зависит от силовых способностей.

Ключевые слова: чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга, максимальный момент сил, электромиография, вызванные моторные ответы, М-ответ, сила.

 

Литература

  1. Ратов И.П., Попов Г.И., Логинов А.А., Шмонин Б.В. Биомеханические технологии подготовки спортсменов. М.: ФиС; 2007. 120.
  2. 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: 8–10.
  3. Gondin J., Guette M., Ballay Y. et al. Electromyostimulation training effects on neural drive and muscle architecture. Med. Sci Sports Exerc. 2005; 37: 1291–1299.
  4. Гурфинкель В.С., Левик Ю.С., Козенников О.В., Селионов В.А. Существует ли генератор шагательных движений у человека? Физиология человека. 1998; 24 (3): 42–50.
  5. Guertin P.A. Central pattern generator for locomotion: anatomical, physiological, and pathophysiological considerations. Frontiersin Neurology Movement Disorders. 2013; 3. Doi: 10.3389/fneur.2012.00183.
  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 multisite transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord in noninjured humans. J. Neurophysiol. 2015; 113 (3): 834–842.
  7. 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; 1 (42): 73–81.
  8. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю., Ланская Е.В. Пластичность шейных и пояснично-крестцовых спинальных нейрональных сетей двигательного контроля при занятиях спортом. Теория и практика физической культуры. 2015; 6: 14–16.
  9. Михайлова Е.А., Козлов В.А., Ершов В.Ю., Городничев Р.М. Повышение эффективности маховых движений при беге посредством чрескожной электрической стимуляции спинного мозга. Теория и практика физической культуры. 2015; 6: 29–31.
  10. Gerasimenko Y.P., Lu D.C., Modaber M., Zdunowski S., Gad P., Sayenko D.G., Morikawa E., Haakana P., Ferguson A.R., Roy R.R., Edgerton V.R. Non-invasive reactivation of motor descending control after paralysis. J. Neurotrauma. 2015; 32 (24): 1968–1980.
  11. Якупов Р.Н., Котова Е.Ю., Балыкин Ю.М., Машин В.В., Балыкин М.В., Герасименко Ю.П. Влияние чрескожной электростимуляции спинного мозга и механотерапии на возбудимость спинальных нейронных сетей и локомоторные функции пациентов с нарушениями мозгового кровообращения. Ульяновский медико-биологический журнал. 2016; 4: 121–128.
  12. Команцев В.Н., Заболотных В.А. Методические основы клинической электронейромиографии. СПб.; 2001. 350.
  13. Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервных болезней: руководство для врачей. М.: МЕДпресс-информ; 2014. 488.
  14. Николлс Д., Мартин, Р., Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу. М.: Издательство ЛКИ; 2008. 672.
  15. Jackson A., Mavoori J., Fetz Е.Е. Correlations between the same motor cortex cells and arm muscles during a trained task, free behavior, andnatural sleep in the macaque monkey. J. Neurophvsiol. 2007; 97 (1): 360–374.
  16. Seki K., Perlmutter S.I., Fetz Е.Е. Task-dependent modulation of primary afferent depolarization in cervical spinal cord of monkeys performing aninstructed delay task. J. Neurophvsiol. 2009; 1021: 85–99.
  17. Челноков А.А., Гладченко Д.А., Федоров С. А., Городничев Р.М. Возрастные особенности спинального торможения скелетных мышц у лиц мужского пола в регуляции произвольных движений. Физиология человека. 2017; 1 (43): 35–44.

 

Download  article

DOI:  10.23648/UMBJ.2017.25.5253

EFFECT OF PROLONGED SPINAL CORD ELECTRICAL STIMULATION ON SKELETAL MUSCLE STRENGTH

S.A. Fedorov, R.M. Gorodnichev, A.A. Chelnokov

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 accumulated data from the previous studies show that transcutaneous electrical spinal cord stimulation (TESCS) can activate the locomotor-related activity in the spinal cord (spinal stepping generator) in healthy side-lying subjects with their legs suspended and control the coordination structure of arbitrary cyclic movements in humans. These facts suggest that long-term TESCS is able to increase skeletal muscle strength.

The objective of this study was to explore the possibility to increase muscle strength by means of long-term rhythmic electrical spinal cord stimulation.

Materials and Methods. The study involved 13 healthy males aged between 19 and 23. The side-lying patients were subject to TESCS at the T11/T12 level for twenty minutes.

The maximum plantar flexion force of the foot with simultaneous recording of the electromyoelectrical activity (EMG), M-responses, and lower leg muscle responses evoked by a single spinal cord electrical stimulation (MEP) were recorded before and after long-term TESCS.

Results and Discussion. It was found out that 20 minute TESCS increased m. gastrocnemius strength. This was confirmed by 13.67 % increase of maximum torque and increases of m. gastrocnemius electrical activity during plantar flexion of the foot and its MEP amplitude.

Conclusion. Long-term transcutaneous spinal cord stimulation can be used as an additional athletic training technique which effects the motor system of sportsmen participating in such kinds of sports, where the results depend on their strength.

Keywords: transcutaneous electrical spinal cord stimulation, maximum torque, electromyography, motor evoked potentials, M-response, strength.

 

References

  1. Ratov I.P., Popov G.I., Loginov A.A., Shmonin B.V. Biomekhanicheskie tekhnologii podgotovki sportsmenov [Biomechanical techniques of athletic training]. Moscow: FiS; 2007. 120 (in Russian).
  2. 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: 8–10 (in Russian).
  3. Gondin J., Guette M., Ballay Y., et al. Electromyostimulation training effects on neural drive and muscle architecture. Med. Sci Sports Exerc. 2005; 37: 1291–1299.
  4. Gurfinkel' V.S., Levik Yu.S., Kozennikov O.V., Selionov V.A. Sushchestvuet li generator shagatel'nykh dvizheniy u cheloveka [Is there a spinal stepping generator in humans?]. Fiziologiya cheloveka. 1998; 24 (3): 42–50 (in Russian).
  5. Guertin P.A. Central pattern generator for locomotion: anatomical, physiological, and pathophysiological considerations. Frontiersin Neurology Movement Disorders. 2013; 3. Doi: 10.3389/fneur.2012.00183.
  6. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Puhov A., Moshonkina T., Savochin A., Selionov V., Roy R.R., Lu, Edgerton V.R. Initiation and modulation of locomotor circuitry output with multisite transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord in noninjured humans. J. Neurophysiol. 2015. 113 (3): 834–842.
  7. 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 [Noninvasive method to control the human spinal locomotor systems]. Fiziologiya cheloveka. 2016; 1 (42): 73–81 (in Russian).
  8. Lanskaya O.V., Andriyanova E.Yu., Lanskaya E.V. Plastichnost' sheynykh i poyasnichno-kresttsovykh spinal'nykh neyronal'nykh setey dvigatel'nogo kontrolya pri zanyatiyakh sportom [Plasticity of cervical and lumbosacral spinal neuronal networks of motor control during exercise]. Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. 2015; 6: 14–16 (in Russain).
  9. Mikhaylova E.A., Kozlov V.A., Ershov V.Yu., Gorodnichev R.M. Povyshenie effektivnosti makhovykh dvizheniy pri bege posredstvom chreskozhnoy elektricheskoy stimulyatsii spinnogo mozga [Enhancement of efficiency of flapping when running via percutaneous electrical stimulation of spinal cord]. Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. 2015; 6: 29–31 (in Russian).
  10. Gerasimenko Y.P., Lu D.C., Modaber M., Zdunowski S., Gad P., Sayenko D.G., Morikawa E., Haakana P., Ferguson A.R., Roy R.R., Edgerton V.R. Non-invasive reactivation of motor descending control after paralysis. J. Neurotrauma. 2015; 32 (24): 1968–1980.
  11. Yakupov R.N., Kotova E.Yu., Balykin Yu.M., Mashin V.V., Balykin M.V., Gerasimenko Yu.P. Vliyanie chreskozhnoy elektrostimulyatsii spinnogo mozga i mekhanoterapii na vozbudimost' spinal'nykh neyronnykh setey i lokomotornye funktsii patsientov s narusheniyami mozgovogo krovoobrashcheniya [Effect of transcutaneous electrical spinal cord stimulation and mechanotherapy on excitability of spinal neural networks and locomotor function in patients with cerebral circulation disorders]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2016; 4: 121–128 (in Russian).
  12. Komantsev V.N., Zabolotnykh V.A. Metodicheskie osnovy klinicheskoy elektroneyromiografii [Methodological basis of clinical electroneuromyography]. St. Petersburg; 2001. 350 (in Russian).
  13. Zenkov L.R., Ronkin M.A. Funktsional'naya diagnostika nervnykh bolezney: rukovodstvo dlya vrachey [Functional diagnostics of nervous diseases: physician’s guideline]. Moscow: MEDpress-inform; 2014. 488 (in Russian).
  14. Nikolls D., Martin, R., Vallas B., Fuks P. Ot neyrona k mozgu [From neurons to brain]. Moscow: Izdatel'stvo LKI; 2008. 672 (in Russian).
  15. Jackson A., Mavoori J., Fetz Е.Е. Correlations between the same motor cortex cells and arm muscles during a trained task, free behavior, andnatural sleep in the macaque monkey. J. Neurophvsiol. 2007; 97 (1): 360–374.
  16. Seki K., Perlmutter S.I., Fetz Е.Е. Task-dependent modulation of primary afferent depolarization in cervical spinal cord of monkeys performing aninstructed delay task. J. Neurophvsiol. 2009; 1021: 85–99.
  17. Chelnokov A.A., Gladchenko D.A., Fedorov S. A., Gorodnichev R.M. Vozrastnye osobennosti spinal'nogo tormozheniya skeletnykh myshts u lits muzhskogo pola v regulyatsii proizvol'nykh dvizheniy [Age-related features of spinal inhibition in the regulation of voluntary movements in males]. Fiziologiya cheloveka. 2017; 1 (43): 35–44 (in Russian).