«Ульяновский медико-биологический журнал»

FUNDAMENTAL BIOLOGY AND MEDICINE

Download article

REGULATION OF LOCOMOTOR ACTIVITY BY EPIDURAL AND TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL SPINAL CORD STIMULATION IN THE HUMAN AND ANIMALS

T.R. Moshonkina1, P.E. Musienko1, I.N. Bogacheva1, N.A. Scherbakova1, O.A. Nikitin1, A.A. Savochin1, A.N. Makarovsky2, R.M. Gorodnichev3, Y.P. Gerasimenko1

1I.P. Pavlov Institute of Physiology RAN, St.-Petersburg,

2St.-Petersburg Research Institute of Phthisiopulmonology,

3Velikie Luky State Academy of Physical Education and Sport

 

Comparative analysis of motor activity induced by electrical epidural stimulation (EES) and transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord (TES) both in human and animals has been perfmormed. ESS of lumbar spinal cord by rectangular bipolar impulses with frequency from 5 to 30 Hz initiated step-like movements in decerebrated and spinal animals as well as in individuals with pathology of the spinal cord. It was found that continuous TES over T11-T12 vertebrae by impulses filled with a carrier frequency of 10 kHz induced involuntary locomotor-like stepping hindlimb movements in subjects with their legs in a gravity-neutral position. New data demonstrating the effects of TES at lumbosacral enlargement in decerebrated and chronical spinal cats are shown. Similar locomotor patterns produced by EES and TES allows to suggest the comparable mechanisms of their regulation. It has been suggested that TES can be used as a non-invasive method in rehabilitation of spinal pathology.

Keywords: electrical stimulation, EMG activity, spinal cord, rehabilitation, locomotion.

 

References

  1. Герасименко, Ю.П. Спинальные механизмы регуляции двигательной активности в отсутствие супраспинальных влияний : автореф. … дис. д-ра биол. наук / Ю.П. Герасименко. – СПб., 2000. – C. 180.

  2. Инициация локомоторной активности спинализированной кошки при эпидуральной стимуляции спинного мозга / Ю.П. Герасименко и др. // Физиологический журн. им. И.М. Сеченова. – 2001. – 87 (9). – C. 1161–1170.

  3. Исагулян, Э.Д. Хроническая стимуляция спинного мозга в лечении неврогенных болевых синдромов / Э.Д. Исагулян, В.А. Шабалов // Боль. – 2007. – №2. – С. 2–10.

  4. Макаровский, А.Н. Эпидуральная электростимуляция спинного мозга в реконструктивно-пластической хирургии при туберкулезном спондилите / А.Н. Макаровский, А.Е. Гарбуз, Ю.П. Герасименко // Проблемы туберкулеза. – 1994. – №3. – С. 32–34.

  5. Мусиенко, П.Е. Значение периферической обратной связи в генерации шагательных движений при эпидуральной стимуляции спинного мозга / П.Е. Мусиенко, И.Н. Богачева, Ю.П. Герасименко // Российский физиологический журн. им. И.М. Сеченова. – 2005. – 95 (12). – С. 1407–1420.

  6. Перспективы применения электростимуляции спинного мозга при комплексном лечении миелодисплазии у детей / Г.М. Еликбаев и др. // Вестн. восстановительной медицины. – 2008. – №4. – С. 16–21.

  7. Применение метода хронической эпидуральной стимуляции спинного мозга в лечении болевых нейропатических синдромов: начальный опыт / Д.А. Рзаев и др. // Травматология и ортопедия России. – 2010. – №2. – С. 68–71.

  8. Заявка Ru 2418319 Российская Федерация. Способ моделирования и обучения лечению больных с хроническим поражением спинного мозга [Текст] / Ю.П. Герасименко и др. – Заявл. 10.05.2011 ; приоритет 21.04.2008.

  9. Чреcкожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генератора шагательных движений у человека / Р.М. Городничев и др. // Физиология человека. – 2012. – Т. 38, №2. – С. 4.

  10. Эффекты электрической стимуляции спинного мозга у пациентов с вертебро-спи-нальной патологией / Т.Р. Мошонкина и др. // Бюл. экспериментальной биологии и медици-ны. – 2012. – Т. 153, №1. – С. 21–26.

  11. Dimitrijevic, M. Evidence for a spinal central pattern generator in humans / M. Dimitrijevic, Yu. Gerasimenko, M. Pinter // Ann. NY Acad. Sci. – 1998. – Vol. 860. – P. 360.

  12. Effect of epidural stimulation of the lumbo-sacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraple-gia: a case study / S. Harkema et al. // Lancet. – 2011. – Vol. 377. – P. 1938–1947.

  13. Grillner, S. Locomotion in spinal cat // Control of posture and locomotion / S. Grillner ; eds. R.B. Stein et al. – New York : Plenum, 1973. – P. 513–535.

  14. Hindlimb stepping movements in complete spinal rats induced by epidural spinal cord stimula-tion / R.M. Ichiyama et al. // Neurosci Lett. – 2005. – Vol. 383. – P. 339–344.

  15. Recovery of control of posture and loco-motion after a spinal cord iniurv: solutions staring us in the face / A.J. Fong et al. // Prog. Brain Res. – 2009. – P. 393–418.

  16. Shik, M.L. Neurophysiology of locomotor automatism / M.L. Shik, G.N. Orlovsky // Physiol. Rev. – 1976. – Vol. 56. – P. 456–501.

  17. Tonic central and sensory stimuli facilitate involuntary air-stepping in humans / V.A. Selionov et al. // J. Neurophysiol. – 2009. – Vol. 101. – P. 2847.

  18. Transformation of nonfunctional spinal cir-cuits into functional states after the loss of brain input / G. Courtine et al. // Nature Neuroscience. – 2009. – Vol. 12 (10). – P. 1333–1342.

  19. Weight-bearing hindlimb stepping in tread-mill-exercised adult spinal cats / R.G. Lovely et al.// Brain Res. – 1990. – Vol. 514. – P. 206–218.

 

 

Скачать статью

УДК 612.83

РЕГУЛЯЦИЯ ЛОКОМОТОРНОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ЭПИДУРАЛЬНОЙ И ЧРЕСКОЖНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ СПИННОГО МОЗГА У ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА*

Т.Р. Мошонкина1, П.Е. Mусиенко1, И.Н.Богачева1, Н.А. Щербакова1, О.А. Никитин1, А.А. Савохин1, А.Н. Макаровский2, Р.М. Городничев3, Ю.П. Герасименко1

1Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук, Санкт-Петербург,

2Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт фтизиопульмонологии Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи,

3Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

 

Проведен сравнительный анализ двигательных эффектов, вызванных электрической эпидуральной стимуляцией и чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга у человека и у кошки. Электрическая эпидуральная стимуляция нижнего поясничного отдела спинного мозга прямоугольными биполярными стимулами с частотой 5–30 Гц способна инициировать шагательные движения у децеребрированных, спинализированных животных и пациентов с патологией спинного мозга. Показано, что чрескожная электрическая стимуляция в области Т11 и Т12 грудных позвонков с применением сложного по форме электрического стимула с частотами 5–40 Гц вызывает у здоровых испытуемых шагательные движения нижних конечностей в условиях внешней вывески ног в горизонтальной плоскости. Представлены новые данные, демонстрирующие эффект накожной электрической стимуляции поясничного утолщения спинного мозга у децеребрированных и хронически спинализированных кошек. Сходство локомоторных паттернов при чрескожной и эпидуральной стимуляции позволяет говорить о схожих механизмах вызываемых двигательных эффектов. Чрескожная электрическая стимуляция может использоваться в качестве неинвазивного метода реабилитации спинальной патологии.

Ключевые слова: электрическая стимуляции, спинной мозг, электромиографическая активность, реабилитация, локомоция.

 

Литература

  1. Герасименко, Ю.П. Спинальные механизмы регуляции двигательной активности в отсутствие супраспинальных влияний : автореф. … дис. д-ра биол. наук / Ю.П. Герасименко. – СПб., 2000. – C. 180.

  2. Инициация локомоторной активности спинализированной кошки при эпидуральной стимуляции спинного мозга / Ю.П. Герасименко и др. // Физиологический журн. им. И.М. Сеченова. – 2001. – 87 (9). – C. 1161–1170.

  3. Исагулян, Э.Д. Хроническая стимуляция спинного мозга в лечении неврогенных болевых синдромов / Э.Д. Исагулян, В.А. Шабалов // Боль. – 2007. – №2. – С. 2–10.

  4. Макаровский, А.Н. Эпидуральная электростимуляция спинного мозга в реконструктивно-пластической хирургии при туберкулезном спондилите / А.Н. Макаровский, А.Е. Гарбуз, Ю.П. Герасименко // Проблемы туберкулеза. – 1994. – №3. – С. 32–34.

  5. Мусиенко, П.Е. Значение периферической обратной связи в генерации шагательных движений при эпидуральной стимуляции спинного мозга / П.Е. Мусиенко, И.Н. Богачева, Ю.П. Герасименко // Российский физиологический журн. им. И.М. Сеченова. – 2005. – 95 (12). – С. 1407–1420.

  6. Перспективы применения электростимуляции спинного мозга при комплексном лечении миелодисплазии у детей / Г.М. Еликбаев и др. // Вестн. восстановительной медицины. – 2008. – №4. – С. 16–21.

  7. Применение метода хронической эпидуральной стимуляции спинного мозга в лечении болевых нейропатических синдромов: начальный опыт / Д.А. Рзаев и др. // Травматология и ортопедия России. – 2010. – №2. – С. 68–71.

  8. Заявка Ru 2418319 Российская Федерация. Способ моделирования и обучения лечению больных с хроническим поражением спинного мозга [Текст] / Ю.П. Герасименко и др. – Заявл. 10.05.2011 ; приоритет 21.04.2008.

  9. Чреcкожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генератора шагательных движений у человека / Р.М. Городничев и др. // Физиология человека. – 2012. – Т. 38, №2. – С. 4.

  10. Эффекты электрической стимуляции спинного мозга у пациентов с вертебро-спи-нальной патологией / Т.Р. Мошонкина и др. // Бюл. экспериментальной биологии и медици-ны. – 2012. – Т. 153, №1. – С. 21–26.

  11. Dimitrijevic, M. Evidence for a spinal central pattern generator in humans / M. Dimitrijevic, Yu. Gerasimenko, M. Pinter // Ann. NY Acad. Sci. – 1998. – Vol. 860. – P. 360.

  12. Effect of epidural stimulation of the lumbo-sacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraple-gia: a case study / S. Harkema et al. // Lancet. – 2011. – Vol. 377. – P. 1938–1947.

  13. Grillner, S. Locomotion in spinal cat // Control of posture and locomotion / S. Grillner ; eds. R.B. Stein et al. – New York : Plenum, 1973. – P. 513–535.

  14. Hindlimb stepping movements in complete spinal rats induced by epidural spinal cord stimula-tion / R.M. Ichiyama et al. // Neurosci Lett. – 2005. – Vol. 383. – P. 339–344.

  15. Recovery of control of posture and loco-motion after a spinal cord iniurv: solutions staring us in the face / A.J. Fong et al. // Prog. Brain Res. – 2009. – P. 393–418.

  16. Shik, M.L. Neurophysiology of locomotor automatism / M.L. Shik, G.N. Orlovsky // Physiol. Rev. – 1976. – Vol. 56. – P. 456–501.

  17. Tonic central and sensory stimuli facilitate involuntary air-stepping in humans / V.A. Selionov et al. // J. Neurophysiol. – 2009. – Vol. 101. – P. 2847.

  18. Transformation of nonfunctional spinal cir-cuits into functional states after the loss of brain input / G. Courtine et al. // Nature Neuroscience. – 2009. – Vol. 12 (10). – P. 1333–1342.

  19. Weight-bearing hindlimb stepping in tread-mill-exercised adult spinal cats / R.G. Lovely et al.// Brain Res. – 1990. – Vol. 514. – P. 206–218.