Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Работа посвящена изучению спинальных механизмов регуляции локомоторной активности. Под локомоцией понимают совокупность координированных движений (ходьбу, бег, ползание, плавание и др.), с помощью которых животные активно перемещаются в пространстве (Баев, 1983). Согласно современным представлениям, программа локомоторной активности у млекопитающих формируется специализированной нейрональной сетью спинного мозга, называемой спинальным локомоторным генератором (Герасименко, 2002; Grfflner, 1973, 1975; Sink, Orlovsky, 1976; Wetzel, Stuart, 1976; Forssberg, 1980; Dimitrijevic, Gerasimenko, 1998). Шагательный генератор задних конечностей кошки локализован на уровне поясничного утолщения и находится под постоянным контролем со стороны головного мозга и периферического рецепторного аппарата (Баев, 1991; Stein, 1978; Armstrong, 1986; Whelan, 1996; Orlovsky, Deliagina, 1999).
После повреждения спинного мозга выше локализации нейрональной сети, ответственной за генерацию локомоторного паттерна, последняя оказывается в тонически подавленном состоянии (Шик, 1976; Rossignol, 1996). Несмотря на сохранность спинального генератора, а также периферической афферентной обратной связи, в этих условиях нервная система не способна самостоятельно генерировать шагательные движения.
Тем не менее, многочисленные исследования (Freusberg, 1874; Sherrington, 1906; Brown,
1911; Ten Cate, 1960; Grillner, Zangger, 1979; Rossignol, 2002) доказывают высокую степень
автономности спиналыюй локомоторной программы. Еще в начале прошлого века было
показано, что у сшгнализированной кошки ходьбу задних конечностей можно вызвать сильным
экстероцептивным раздражением (Sherrington, 1910). В последующем установили, что
локомоторная ритмика спинальных животных инициируется введением норадренергических
(ДОФА, клонидин) и серотонинергических (5-НТР) агонистов, изолированно или в сочетании со
стимуляцией аффереитов (Будакова, 1973; Grillner, 1969, 1975; Forsberg, Grillner, 1973; Barbeau,
Rossignol, 1991). Эти данные дают основания ш латвг*. ^MtftftttAiflfelW полной изоляции от
БИБЛИОТЕКА С. Петербург /Л
о» т^Зи&ТР
супраспинальных влияний генератор шагательных движений возможно перевести в активное состояние.
В настоящем исследовании механизмы регуляции локомоторной активности у кошек в условиях нарушенного супраспинального контроля изучались с использованием разработанного в лаборатории физиологии движений метода электрической эпидуральной стимуляции спинного мозга (ЭССМ). Данный метод прямого воздействия на спинномозговые двигательные функции представляет интерес не только для экспериментальной работы на животных. Установлено, что посредством ЭССМ можно инициировать также питательные движения у спинальных пациентов с клиникой полного поперечного поражения спинного мозга (Герасименко 2002; Dimitrijevic, Gerasimenko, 1998). Вместе с тем, до настоящего времени механизмы и морфофункциональная основа действия эпидуральной стимуляции во многом остаются неизвестными.
Детальное изучение указанных вопросов может быть использовано для разработки системы внешнего управления двигательной функцией спинальных больных Это имеет высокую клиническую актуальность, так как проблема восстановления двигательных расстройств, возникающих вследствие повреждения спинного мозга, становится все более распространенной в современной медицине. Такая тенденция связана, в первую очередь, со стремительным увеличением частоты тяжелой вертебро-спинальной травмы в последние десятилетия (Коган, 1975; Косичкин, 1999; Леонтьев, 2003). Поэтому настоящее исследование, кроме фундаментального, имеет важное прикладное значение.
5 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы состояла в исследовании
механизмов регуляции локомоторной активности кошки в условиях нарушенного
супраспинального контроля.
Эта цель предусматривала решение следующих основных задач-
-
На модели мсзэнцефалической кошки изучить ритмогенез двигательной активности при эпидуральной стимуляции интактного спинного мозга.
-
Методом локальных повреждений спинного мозга на нижнегрудном уровне (Th8-Th9) определить влияние отдельных спинальных систем на локомоторный паттерн, инициируемый эпидуральной стимуляцией L5 спинномозгового сегмента
3. Исследовать локомоторные способности и динамику изменения рефлекторной активности спинного мозга в острый период после полной изоляции от супраспинальных влияний (спинализации на уровне Th8-Th9)
4 Выяснить значение периферической афферентной обратной связи в регуляции локомоторной активности при эпидуральной стимуляции интактного и поврежденного спинного мозга.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведен детальный анализ механизмов формирования
шагательного паттерна при ЭССМ у мезэнцефалической кошки, который подтвердил, что L5
сегмент спинного мозга является оптимальной зоной для вызова шагательных движений при
эпидуральной стимуляции Впервые установлено, что стимуляция каудальных сегментов (L7-
S1), и конского хвоста (cauda equina) также вызывает локомоторный паттерн задних
конечностей В этом случае ^локомоторная активность обеспечивалась преимущественно
разгибателъными мышцами. Полученные факты свидетельствуют в пользу распределенной
і локализации шагательных генераторов в поясничном утолщении с ведущей ритмообразующей
функцией его ростральных сегментов.
Получены приоритетные данные о рефлекторной организации мышечных ответов, участвующих в формировании пачечной электромиографической активности при ЭССМ Показано, что рефлекторный ответ на каждый эпидуральный стимул состоит из раннего и позднего компонентов Впервые представлены электрофизиологические доказательства
6 моносинаптической природы раннего компонента. Установлено ведущее значение поздней
полисинаптической рефлекторной реакции в генерации локомоторного паттерна при ЭССМ.
Впервые доказана возможность вызова шагательных движений задних конечностей кошки с помощью эпидуральной стимуляции L5 сегмента в острый период после спинализации на нижнегрудном уровне (Th8-Th9) и описана динамика изменений рефлекторной активности спинного мозга в этот период.
Впервые показано, что снятие нисходящего тонического контроля после перерезки вентрального квадранта спинного мозга отражается на ритмообразующей функции сшгаального генератора, активируемого эпидуральной стимуляцией. Повреждение латеральных или медиальных нисходящих двигательных систем сказывается на пространственно-временной структуре шагательного цикла за счет изменения тонуса в мышцах-антагонистах.
Впервые установлено существенное увеличение значимости периферической обратной связи в генерации шагательных движений в острый период после спинализации, что, вероятно, является приспособительным механизмом, компенсирующим отсутствие супраспинального контроля.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: 1. В основе инициации шагательных движений при ЭССМ лежит прямое влияние электрического тока на афферентные и проприоспинальные входы к локомоторному генератору без задействования длинной спинно-стволово-спинальной петли
-
Локомоторная программа, заложенная в спинном мозге, может быть активирована с помощью ЭССМ даже в острый период после полной изоляции от супраспинальных влияний.
-
Афферентация от рецепторов конечностей играет ключевую роль в определении основных свойств локомоторного паттерна при ЭССМ. В условиях нарушенного супраспинального контроля значение периферической обратной связи существенно возрастает.
НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Проведенное исследование имеет важное теоретическое значение, так как расширяет наши представления о спинальных механизмах регуляции движений и раскрывает природу ритмогенеза локомоторной активности при электрической стимуляции спинного мозга Установление возможности вызова шагательных движений спинализированной котки доказывает, что спинной мозг млекопитающих обладает структурно-функциональной организацией, способной генерировать локомоторный паттерн даже сразу после полной изоляции от головного мозга Доказательство электрической активации первичных афферентов разного сегментарного уровня при ЭССМ открывает новые возможности мультисегментарного моносинаптического тестирования для изучения локомоции экспериментальных животных Исследование афферентного контроля локомоторной функции при ЭССМ доказывает ведущую роль сенсорного входа в регуляции локомоторной активности, а также существенное увеличение его значимости в отсутствие супраспинальных влияний.
Электрическая стимуляция спинного мозга, как новый метод мультисегментарного моносинаптического тестирования, может быть рекомендована для функциональной неврологической диагностики Возможность инициации шагательных движений с помощью ЭССМ в острый период после полного перерыва спинного мозга может быть использована в клинике для разработки адекватного метода двигательной реабилитации пациентов с тяжелой вертебро-спинальной патологией Данные о высокой значимости афферентации в генерации шагательных движений при ЭССМ обосновывают целесообразность тренировки опорных реакций у пациентов такого профиля.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы исследований докладывались на Международной конференции MathTooIs'2003 (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской конференции молодых ученых России с международным участием «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины-2004» (Москва, 2004); Международной конференции по функциональной электрической стимуляции (Вена, Австрия, 2004); Международном конгрессе Neuroscience'2004 (Сан Диего, США, 2004); Международной конференции 5th Alberta Biomedical Engineering
(Альберта, Канада, 2004); Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO (Москва, 2005); 35* Congress of the International Union of Physiological Society (Сан Диего, США, 2005), 3-й Всероссийской с международным участием школе-конференции «Физиология мышц и мышечной деятельности» (Москва, 2005); Всероссийской конференции молодых исследователей (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции Postural and Gait Research (Марсель, Франция, 2005).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах и 15 работ в сборниках трудов научно-практических конференций. 2 статьи приняты к печати:
-
Мусиенко П Є., Богачева И.Н , Герасименко Ю П Значение периферической обратной связи в генерации шагательных движений ари эпидуральной стимуляции спинного мозга. Рос. Физиол. Журн. им. И.М.Сеченова, (принято к печати)
-
Богачева И.Н, Кучер В.И., Щербакова Н.А., Мусиенко П.Е., Герасименко Ю.П. Математическое моделирование процессов формирования локомоторных паттернов при эпидуральной стимуляции спинного мозга с учетом периферической обратной связи. Биофизика, (принято к печати)
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести глав, включающих обзор данных литературы, описание методики, результаты собственных исследований и их обсуждение, выводов и библиографического указателя. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 32 рисунка. Список литературы включает 306 наименований, из которых 53 на русском языке и 253 на иностранных языках.
