Нейрональные механизмы формирования локомоторного паттерна при электрической стимуляции спинного мозга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат биологических наук Богачева, Ирина Николаевна

• Богачева, Ирина Николаевна
• кандидат биологических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Богачева, Ирина Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ И ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ.

Структурная организация спинальных ГШД.

Супраспинальная регуляция.

Участие афферентного входа в регуляции двигательной активности

Моделирование процессов ритмогенеза, обуславливающих локомоторную активность.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА.

Подготовка кошек для острого эксперимента.

Подготовка кошек для хронического эксперимента.

Подготовка крыс для хронического эксперимента.

Математические методы, использованные для анализа ЭМГ.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭПИДУРАЛЬНОЙ СТИМУЛЯЦИИ НА ЛОКОМОТОРНУЮ АКТИВНОСТЬ ЗАДНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ У ЖИВОТНЫХ С НАРУШЕННЫМ СУПРАСПИНАЛЬНЫМ КОНТРОЛЕМ

Инициация локомоторной активности под действием ЭССМ у децеребрированной кошки.

Влияние амплитуды и частоты стимула на формирование локомоторных паттернов при эпидуральной стимуляции интактного спинного мозга.

Оптимальные параметры эпидуральной стимуляции для вызова шагательных движений у спинализированных кошек в ранний период после спинализации. Влияние парметров эпидуральной стимуляции на вызов локомоторных движений у хронических спинальных кошек. Сравнительный анализ локомоторной активности, вызванной эпидуральной стимуляцией у хронических спинальных крыс, и локомоторными паттернами нормального животного Заключение.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО АФФЕРЕНТНОГО' ВХОДА НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛОКОМОТОРНОГО ПАТТЕРНА ПРИ ЭПИДУРАЛЬНОЙ СТИМУЛЯЦИИ СПИННОГО МОЗГА.

Влияние условий опоры на амплитудно-частотные характеристики шагательного паттерна при эпидуральной стимуляции интактного спинного мозга.

Влияние скорости движения ленты тредбана на формирование шагательного паттерна у децеребрированной кошки. Влияние афферентного входа на локомоторную активность в разные периоды после спинализации. Влияние скорости движений ленты тредбана на формирование локомоторных паттернов у нормальных и хронических спинализированных крыс. Краткое заключение.

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛОКОМОТОРНЫХ ПАТТЕРНОВ ПРИ ЭПИДУРАЛЬНОЙ СТИМУЛЯЦИИ спинного МОЗГА. Введение

Результаты математического моделирования процессов формирования шагательных паттернов при варьировании параметров внешнего воздействия без учета периферической обратной связи.

Результаты математического моделирования с учетом периферической обратной связи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нейрональные механизмы формирования локомоторного паттерна при электрической стимуляции спинного мозга»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Многие жизненно важные биологические функции организма, такие как дыхание, сердечная деятельность, электрическая активность мозга, локомоторная активность представляют собой ритмические процессы. Можно сказать, что физиологические ритмы составляют основу жизни. Настоящая работа посвящена исследованию механизмов шагательного ритмогенеза и его особенностей при локомоции, вызванной электрической эпидуральной стимуляцией спинальных структур при интакт-ном спинном мозге, а также в случае нарушения или утраты супраспинального контроля.

Общая схема нервной регуляции движений включает три основные составляющие: центральные генераторы программ, находящиеся в спинном мозге и обеспечивающие координированную ритмическую выходную активность мотонейронов; высшие двигательные центры и нисходящие пути управления генераторами; а также афферентные входы и каналы обратной связи, по которым поступает информация от рецепторов конечностей для коррекции шагательного паттерна применительно к внешним условиям. Недавно было показано, что генератор шагательных движений (ГШД) можно активировать с помощью электрической эпидуральной стимуляции спинного мозга (ЭССМ) (Dimitrijevic et al., 1998, Герасименко и др., 2001). Установлено, что параметры стимулирующего воздействия являются определяющим фактором при запуске локомоции (Герасименко и др., 2002, 2003), однако остается неизвестным, каким образом они задают свойства моторного выхода. Для прояснения роли ЭССМ и периферической обратной связи в процессе формирования шагательных паттернов в настоящем исследовании использовалось объединение физиологического и математического подходов. Математическая модель, разработанная на основе экспериментальных данных по активации ГШД с помощью внешнего воздействия различной амплитуды и частоты, позволила получить информацию о нейрональ-ных механизмах, лежащих в основе локомоторного поведения. Совокупности электромио-грамм (ЭМГ) при различных параметрах стимуляции сопоставлялось множество решений дифференциального уравнения, описывающего поведение нелинейного осциллятора под действием периодической внешней силы.

Учитывая, что ЭССМ используется в клинике для восстановления локомоторных функций у спинальных больных (Герасименко и др., 2002), исследование механизмов активации ГШД является актуальными не только для понимания процессов управления ло-комоцией, но и с практической медицинской точки зрения. Новые экспериментальные и модельные результаты, полученные в работе, способствуют более полному пониманию механизма ритмогенеза, лежащего в основе генерации двигательного паттерна.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы состояла в изучении нейро-нальных механизмов формирования шагательных паттернов под действием ЭССМ у животных с интактным спинным мозгом и при нарушении супраспинального контроля. Эта цель предусматривала решение следующих основных задач:

1. Изучить особенности формирования шагательных паттернов при эпидуральной стимуляции интактного спинного мозга в области поясничного утолщения (децеребрированые животные).

2. Исследовать влияние параметров ЭССМ на ритмогенез двигательной активности в разные периоды после полной перерезки спинного мозга (спинализированные животные).

3. Определить роль периферической обратной связи в процессе формирования шагатель-ного паттерна при ЭССМ.

4. Разработать математическую модель, описывающую процесс формирования шагатель-ного паттерна, лежащего в основе двигательной активности, вызванной стимулирующим воздействием на спинной мозг.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые показано, что при определенных параметрах ЭССМ, названных оптимальными, у децеребрировйнных и спинализированных животных (кошек и крыс) возникают шагательные движения, сопровождающиеся пачечной ЭМГ активностью мышц задних конечностей. Пачки ЭМГ активности следуют в собственном ритме, отличном от частоты эпидуральной стимуляции, и соответствуют частоте шагательных движений. При неоптимальных параметрах стимулирующего воздействия ответы в мышце следуют в ритме стимуляции, пачечная активность не формируется, и шагатель-ные движения не инициируются.

На основе детального анализа шагательных паттернов, вызванных применением ЭССМ различной амплитуды и частоты, впервые установлено, что у децеребрированной кошки при оптимальной частоте стимуляции 3-5 Гц формирование пачечной ЭМГ активности происходит за счет амплитудной модуляции ранних моносинаптических ответов с латентностью 5-25 мс и поздней активности с латентностью 60-120 мс. При полной изоляции от супраспинальных влияний (спинализации) для активации спинального шагательно-го генератора и инициации локомоторной активности необходима более высокая частота ЭССМ (30-40 Гц), а формирование пачечной активности в этом случае осуществляется за счет амплитудной модуляции раннего ответа.

Впервые на основе уравнения нелинейного осциллятора Ван-дер-Поля, в которое был введен член, учитывающий периферическую обратную связь, разработана математическая модель для описания механизма формирования ритмических паттернов при внешнем воздействии на спинной мозг. Результаты математического моделирования показывают, что у животных с интактным спинным мозгом афферентные сигналы от рецепторов конечностей участвуют в коррекции частоты шагательных движений.

Впервые показано, что внутриюбрюшинное введение серотонинэргического агони-ста (квипазина) хроническим спинализированным животным усиливает полисинаптиче-скую активность спинального генератора, обеспечивая тем самым формирование координированного шагательного паттерна, близкого к норме.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ :

1. ЭССМ с оптимальными параметрами активирует интернейронные цепи спинного мозга, продуцирующие базовый ритмический шагательный паттерн с собственной частотой, близкой к частоте естественной локомоции и отличной от частоты стимуляции.

2. Нейрональный механизм, обеспечивающий формирование шагательного паттерна у де-церебрированной кошки, может быть описан математической моделью нелинейного осциллятора, способного обеспечивать различные режимы работы в зависимости от параметров внешнего воздействия. Коррекция ритма шагательных движений происходит с участием периферической обратной связи.

3. Формирование пачечной активности, лежащей в основе локомоторной ритмики при ЭССМ, обеспечивается у децеребрированной кошки и хронических спинализированных животных разными механизмами: в случае интактного спинного мозга - на основе взаимодействия ранних и поздних компонентов рефлекторного мышечного ответа на каждый эпидуральный стимул, у хронических спинальных 'животных - за счет амплитудной модуляции ранних ответов.

НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Работа имеет важное теоретическое значение, так как расширяет представления о спинальных механизмах формирования шагательных паттернов при локомоции, вызванной ЭССМ. Установлены различия оптимальных параметров стимуляции для вызова шагательных движений у децеребрированных и спинализированных животных, что объясняется участием различных механизмов, обеспечивающих ритмогенез до и после перезки спинного мозга. Это необходимо учитывать при проведении клинических медицинских исследований и выборе эффективных методов воздействия на спинной мозг с учетом степени поражения и длительности заболевания.

Разработанная математическая. модель позволяет прояснить роль эпидуральной стимуляции и периферического афферентного входа в генерации выходной ритмической активности. Описание такой активности при помощи модели нелинейного осциллятора дает возможность показать механизм работы спинального шагательного генератора, который способен обеспечивать работу в различных режимах и при оптимальном внешнем воздействии генерировать собственный ритм, лежащий в основе шагательного паттерна.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы исследований докладывались на Международной конференции MathTools'2003 (Санкт-Петербург, 2003); Международной конференции по функциональной электрической стимуляции (Вена, Австрия, 2004); Международной конференции 5th Alberta Biomedical Engineering (Альберта, Канада, 2004); Международной конференции «Идентификация систем и задач управления SICPRO» (Москва, 2005); 3-й Всероссийской с международным участием школе-конференции «Физиология мышц и мышечной деятельности» (Москва, 2005); Международной конференции Postural and Gait Research (Марсель, Франция, 2005 г), 1-ой Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением (Великие Луки, 2006).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах, 8 работ в сборниках трудов научных конференций.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Богачева, Ирина Николаевна

Заключение.

СУПРАСПИНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

Рис.40. Схематическая иллюстрация структурной единицы генератора шагательных движений (модифицировано по МсСгеа, 2001). Обозначения - КР- клетка Реншоу, 1а-торм.- 1а- тормозный интернейрон, Ib-торм. - Ib-томозный интернейрон, МН-мотонейрон, ВН-вставочный нейрон.

Клетки Реншоу, в норме реализуют механизм возвратного торможения и участвуют в десинхронизации и ограничении фокуса .активности в пуле мотонейронов, иннервирующем одну мышцу (Гурфинкель и др., 1965), а также в ограничении частоты импульсации определенным пределом (Персон, 1975).

Процессы синхронизации активности или группирования потенциалов мотонейронов, относящихся к одному полуцентру, связаны с работой клеток Реншоу, и являются, вероятно, вынужденным нейронным механизмом при действии эпидуральной стимуляции, обеспечивающим активацию мышцы, необходимую для совершения двигательного акта при нарушении супраспинальной регуляции.

На рис. 40 представлена схема, иллюстрирующая нейронный механизм, лежащий в основе периодической активации альфа-мотонейронов (МсСгеа, 2001), которая может рассматриваться как схема структурной единицы шагательного генератора, состоящего из нескольких таких элементов и обеспечивающего реципрокную иннервацию мышц-антагонистов. Механизм формирования выходного ритмического паттерна в такой структуре под действием эпидуральной стимуляции на интактный спинной мозг и моделирует предложенная математическая модель.

Поскольку, пачечная активность в случае интактного спинного мозга формируется с участием поздних полисинаптических компонент, связанных, по-видимому с активацией системы вставочных нейронов афферентов флексорного рефлекса, то блок; ^ U . принимающей участие в генерации локомоторной активности. Вероятно, у децеребрированной кошки в результате эпидуральной стимуляции активируется и эта часть интернейронного аппарата, за счет чего оказывается возможной корректировка шагательного паттерна с учетом афферентной обратной связи. Интернейронный аппарат, оказавшись в активированном состоянии, оказывается способным адекватно реагировать на периферические стимулы.

У спинальной кошки в результате нарушений связей спинного мозга и, в частности, блока II, с вышележащими структурами, а, возможно и нарушения функциональной может рассматриваться так же как часть шагательного генератора, способности самих вставочных нейронов, формирование шагательното паттерна при эпидуральной стимуляции обеспечивается, главным образом, за счет работы той части генератора шагательных движений, которая обозначена на рис. на рис.40 как блок I, л,, )?■' . : Основная роль при этом принадлежит ранним моносинаптическим ответам, происхождение которых, вероятно, обусловлено активацией низкопороговых афферентов группы 1а и антидромным распространением электрического тока по их волокнам, имеющим моносинаптическое переключение на мотонейронах. Активация вставочных нейронов блока II возможна у таких животных воздействием фармакологических веществ, или посредством генерализованного воздействия на рецепторный аппарат без применения эпидуральной стимуляции.

В заключение, интересно отметить, что оптимальными для запуска локомоции при нарушении супраспинальной регуляции и, видимо, в различной мере имитирующие их действие, в наших экспериментах были частоты 10 и 30-40 Гц. Именно такие частоты - 510 Гц регистрировались у 15% спонтанно-активных ретикуло-спинальных нейронов мезенцефалической кошки, после удаления мозжечка их процент снижался до 4, но около 30% зарегистрированных ретикуло-спинальных нейронов у таких препаратов представляли собой спонтанно-активные «высокочастотные» нейроны, непрерывно работающие с частотами 30-60 Гц (Орловский, 1970). Возможно, ЭССМ соответствующей частоты, соотносится с импульсацией таких нейронов и способствует активации спинального генератора.

Кроме того, наиболее известными и хорошо изученными ритмами электроэнцефалограммы является альфа-ритм с частотой 8-13 Гц и гамма-осцилляции с частотой 30-80 Гц, которые обычно связывают с восприятием и обработкой сенсорного сигнала (Banquet, 1973, Bouyer et al, 1980, Gray et al., 1989). Возбуждение ансамбля кортикальных клеток, сопровождается синхронизацией гамма-осцилляций и десинхронизацией альфа-ритма. Произвольные движения пальца правой руки у человека в норме вызывает десинхронизацню и понижение амплитуды альфа-ритма при локализации регистрирующих электродов в областях, близких к двигательным корковым центрам (Pfurtscheller, 1991). Эти данные позволяют говорить не только об общности механизмов работы нервных структур в пределах всей нервной системы, но также об общности доминирующих частот, которые использует нервная система для адаптации к условиям внешнего мира.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Богачева, Ирина Николаевна, 2006 год

1. Следовательно, для любого начального условия, не равного О, Иш r(t) =

2. Уравнения определяют скорость изменения координат в каждой точке пространства. Определяя результирующий вектор в каждой точке пространства и проходя вдоль таких векторов от одного к другому, можно проследить путь, называемый траекторий. Изображение динамики в координатах (г, ф) называют фазовым портретом. Исследование фазового портрета этой системы показывает, что

3. Поясничный отдел позвоночника жёстко фиксировался специальными зажимами на трёх уровнях, затем удалялись остистые отростки и открывалась дорсальная поверхность всего пояснично-крестцового отдела спинного мозга, лежащего в позвоночном канале. Для

4. Спииализация Для изучения локомоторных способностей спинного мозга, полностью изолированного от супраспинального контроля, в острых опытах у кошек (9 животных) осуществлялась полная перерезка на нижнегрудном уровне Th8-Th

5. Исследовалась реакция на изменение частоты от 0.5 до 40 Гц и силы тока 200550 мкА. Записи ЭМГ активности у крыс проводили в норме при нахождении животного на движущейся ленте тредбана со скоростью 0.25м/с 0.21м/с и 0.135м /с без применения ЭССМ. После перерезки спинного мозга локомоцию в условиях движущегося тредбана со скоростями 0.21м/с 0.135м/с и 0.009м /с инициировали нри помощи ЭССМ с частотой 40 Гц (200-350 мкА).

6. Вычисление автокорреляциоииой функции ЭМГ. Другим стандартным методом, который использовался для оценки частотных характеристик временного ряда, является вычисление автокорреляционной функции ЭМГ. Значениями автокорреляционной функции являются линейные коэффициенты корреляции (от -1 до 1 получаемые при сдвиге временного ряда относительно нулевого сдвига последовательно на 1, 2 3 и т.д. точек по времени Дженкинс, 1971, Бокс, 1974). В анализируемых ЭМГ одна точка соответствовала 0.4 мс.

7. Паттерны локомоторной активности мьш1Ц задней конечности децеребрированной кошки под воздействием эпидуральнои стимуляции с частотой 5 Гц, интенсивностью 60 мкА, Слева ЭМГ ш. quadriceps (Q), m.semitendinosus (ST), m.tibialis anterior (ТА) и m.gastrocnemius lateralis (GL). Справа структура отдельных рефлекторных ответов, взятых из пачечной активности.

8. Шагательные паттерны мышц tibialis ant. и gastrocnemius lat. Слева ЭМГ и отметка стимула при различных частотах стимуляции (частота стимуляции указана цифрами слева). Справа фрагменты за 500 мс. При частоте стимуляции 20 и 30 Гц амплитуда ответа падала, хотя и нри таких частотах могли появляться шагательные движения, однако они были кратковременны и в даль9. Видно, что при эпидуральной стимуляции с частотой 5 Гц доминирующими частотами в спектре пачек обеих мышц бьши гармоники 10-15 Гц. Это означает, что формиро10. Спектры мощности рассчитанные для пачек ЭМГ активности, представленных на рис.

11. Паттерны локомоторной активности децеребрированной кошки при эпидуральной стимуляции с разными частотами m.semitendinosus, справа- их фрагменты. (интенсивность 70 мкА). Слева ЭМГ

12. Паттерны ЭМГ активности m.tibialis ant. вызванные при помощи эпидуральной стимуляции с частотой 5 Гц у снинализированной кошки в разные периоды после спинализации в условиях острого опыта.

13. Влияние частоты стимуляции на паттерны ЭМГ активности через 3 часа после снинализации. ЭМГ m.tibialis anterior и m.gastrocnemius lateralis и отметка стимула при частоте стимуляции 30 Гц (верхний рисунок) и 5 Гц (нижний рисунок).

14. Влияние амплитуды стимула на ЭМГ активность, вызванную эпидуральной стимуляцией с частотой 5 Гц у хронической спинальной кошки. Слева ЭМГ мышцы tibialis ant при эпидуральной стимуляции с разной интенсивностью и частотой 5 Гц. Справа отдельные рефлекторные ответы.

15. Влияние частоты стимуляции (200 мкА) на генерацию локомоторных паттернов у хронической спинализированнои кошки. По оси абсцисс время, по оси ординат- амплитуда ЭМГ активности m.tibialis anterior и m.gastrocnemius lateralis.

16. Влияние частоты стимуляции на генерацию локомоторных паттернов у хрониче- ской спинальной кошки. ЭМГ активность m.gastrocnemius lateralis и отметка стимула. По оси абсцисс время, по оси ординат- амплитуда ЭМГ активности m.tibialis anterior и m.gastrocnemius lateralis.

17. Интактная крыса, квадрипедальная ходьба. Локомоторные паттерны ЭМГ активности крысы (N1) по движущейся ленте тредбана. По оси абсцисс время, по оси ординатамнлитуда ЭМГ активности m.tibialis anterior и m.gastrocnemius medialis для нравой (R) и левой (L) конечности.

18. Интактная крыса, бипедальная ходьба. Локомоторные паттерны ЭМГ активности крысы (N1) при бипедальной ходьбе по движущейся ленте тредбана. Обозначения те же, что и на рис.

19. Слева отдельные 1С пачки ЭМГ 0 активности 100 m.tibialis Гц 200 anterior и m.gastrocnemius medialis (L левая конечность) спинализироранной крысы (N1). Справа спектры мощности для этих пачек. Верхние кривые без квипазина, нижние кривые- с квипазином.

20. Паттерны ЭМГ активности m.tibialis anterior и m.gastrocnemius medialis у хронической спинализированной крысы N2) вверху, у хронической снинализированной крысы (N1) внизу но движущейся ленте тредбана. ЭССМ вызывает в неактивной мышце лишь низкоамнлитудный нериодический процесс с частотой, близкой к частоте шагательных движений (рис.20, верхняя ЭМГ).