Исследование возвратного торможения спинальных α-мотонейронов у лиц разного возраста

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗВРАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ СПИНАЛЬНЫХ а-МОТОНЕЙРОНОВ У ЛИЦ РАЗНОГО ВОЗРАСТА

А.А. Челноков1

ФГБОУ высшего профессионального образования «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта», Великие Луки

Проведено исследование оценки возвратного торможения спинальных а-мотонейронов m. vastus lateralis у мальчиков 9-12 лет, мальчиков 14-15 лет, юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет. Установлено, что при кондиционирующей стимуляции n. tibialis в состоянии относительного мышечного покоя наибольшая выраженность возвратного торможения спинальных а-мотонейронов m. vastus lateralis характерна для подростков 14-15 лет по сравнению с другими возрастными группами. Наименьшая выраженность возвратного торможения а-мотонейронов m. vastus lateralis зарегистрирована у детей 9-12 лет. В возрасте 17-18 лет выраженность возвратного торможения спинальных а-мотонейронов m. vastus lateralis достигает уровня взрослого человека.

Ключевые слова: возраст, возвратное торможение, Н-рефлекс, кондиционирующая стимуляция.

Study of recurrent inhibition of the spinal alpha motoneurons in people of different ages. The paper presents an evaluative study of recurrent inhibition of spinal а-motoneurons m. vastus lateralis in 9-12-year-old boys, 14-15-year-old boys and young men at the age of 17-18 and 22-27 years old. It was found out that in case of conditioning stimulation of n. tibialis in the state of general muscle calmness the highest level of recurrent inhibition of spinal а-motoneurons m. vastus lateralis is present in 14-15-year-old boys as compared with the other age groups. The lowest level of recurrent inhibition of а-motoneurones m. vastus lateralis is registered in children at the age of 912 years old. At the age of 17-18 years old the level of recurrent inhibition of spinal а-motoneurones m. vastus lateralis reaches that of an adult.

Key words: age, recurrent inhibition, H-reflex, conditioning stimulation.

Возвратное торможение является постсинаптическим и осуществляется путем гиперполяризирующего влияния на постсинаптическом уровне с участием тормозного интернейрона - клетки Реншоу [21]. Возвратное торможение через клетку Реншоу используется для защитного ограничения развиваемого мышечного усилия и участвует в модуляции возбудимости гомонимных и гетеронимных мотонейронов [9, 11, 12 и др.]. Активность в путях возвратного торможения а-мотонейронов изменяется при выполнении движения [12, 15, 14]. Во время выполнения изометрических усилий разной силы возвратное торможение а-мотонейронов может уменьшаться или увеличиваться [14]. Установлено, что возвратное торможение гетеронимных а-мотонейронов снижается во время ходьбы человека [8, 15, 17]. Полагают, что во время нормального цикла шагания клетки Реншоу могут быть заторможены под влиянием вестибуло-спинального тракта [13, 17].

Контакты:1 Челноков А.А., E-mail: <and-chelnokov@yandex.ru>

- 28 -

Описаны случаи модуляции возвратного торможения при патологии. Так, у больных со спатичностью, возникшей вследствие травмы, усилено возвратное торможение а-мотонейронов камбаловидной мышцы. У больных детским церебральным параличом обнаружены патологические изменения возвратного торможения а-мотонейронов камбаловидной мышцы как до, так и после произвольного движения [18]. Так же относительно высокий уровень активности системы возвратного торможения был обнаружен в двигательном центре камбаловидной мышцы человека при посттравматической иммобилизации [3]. Данные литературы об особенностях возвратного торможения спинальных а-мотонейронов скелетных мышц у лиц разного возраста ограничены немногочисленными сведениями [2, 19, 10].

Вышеизложенное определило задачу настоящего исследования - изучение возвратного торможения гетеронимных а-мотонейронов m. vastus lateralis на разных этапах возрастного развития человека.

ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В эксперименте участвовали здоровые испытуемые мужского пола 4-х возрастных групп: I группа - мальчики 9-12 лет, II группа - мальчики 14-15 лет; III группа - юноши 17-18 лет, IV группа - мужчины 22-27 лет. Исследование было одобрено комитетом по биоэтике ВЛГАФК и соответствовало «Декларации по этическому кодексу медико-биологических исследований на людях» (Хельсинки, 1964).

Для оценки возвратного торможения гетеронимных а-мотонейронов m. vastus lateralis использовали метод, предложенный J.F. Iles и J. Pardoe [12] (рис. 1). Метод основан на использование кондиционирующей стимуляции n. tibialis при длительных временных интервалах в диапазоне от 14 мс до 40 мс, которая позволяет активировать клетки Реншоу через отходящие моторные коллатерали аксонов а-мотонейронов m. soleus, что в свою очередь вызывает торможение а-мотонейронов m. vastus lateralis (рис. 1). В этих условиях полученный тормозной эффект на а-мотонейроны m. vastus lateralis при стимуляции эфферентных волокон оценивали по степени торможения тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis. Чем больше торможение Н-рефлекса m. vastus lateralis, тем более выражено возвратное торможение а-мотонейронов.

Н- и М-ответы m. vastus lateralis вызывали путем стимуляции n. femoralis через биполярные электроды при этом активный электрод располагался в trigonum femorale, референтный на m. gluteus maximus. При тестирующей стимуляции n. femoralis использовался контрольный Н-ответ m. vastus lateralis с амплитудой ~10% от максимального значения. Амплитуду тестирующего Н-ответа m. vastus lateralis в условиях кондиционирующей стимуляции выражали в процентах от значений амплитуды контрольного ответа.

Рис. 1. Схематическое описание исследования:

- Ia потоки, идущие от nn. tibialis и femoralis; - активация клеток Рен-шоу кондиционирующей стимуляцией n. tibialis; Мн VL - мотонейроны m. vastus lateralis; Мн Sol - мотонейроны m. soleus; КР - клетки Реншоу.

Кондиционирующая стимуляция n. tibialis осуществлялась при помощи униполярного электрода, где активный электрод располагался в fossa poplitea, а референтный на надколенной чашечкой. Интенсивность кондиционирующего стимула n. tibialis подбиралась таким образом, чтобы вызвать ~95% величины максимального М-ответа m. soleus.

Стимуляция афферентов, регистрация Н-рефлексов, М-ответов и биопотенциалов скелетных мышц нижней правой конечности осуществлялась с помощью восьмиканального Мини-Электромиографа, предусматривающего обработку параметров Н-рефлекса и М-ответа в специальной компьютерной программе Муо (АНО «Возращение», Санкт-Петербург, 2003).

Статистическую обработку данных проводили с помощью программы Statisti-ca 6.0. Определяли эффективность задержек с помощью парного критерия Уил-коксона при сравнении амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis в условиях кондиционирующей стимуляции n. tibialis от контрольного значения (Wilcoxon test). Межгрупповые возрастные различия выраженности возвратного торможения гетеронимных а-мотонейронов m. vastus lateralis определяли с помощью дисперсионного анализа (One-way Anova). Результаты статистического анализа считались достоверными, если вероятность ошибки была менее 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для оценки возвратного торможения а-мотонейронов m. vastus lateralis у каждой возрастной группы были определены оптимальные временные задержки в диапазоне от 14 мс до 40 мс с шагом 1 мс. Результаты временных задержек у взрослых испытуемых в возрасте 22-27 лет, полученные в наших исследованиях и сопоставление их с результатами данных F. Iles и J. Pardoe [12] у испытуемых в

возрасте 20-50 лет (n=8), показали различия в выборе эффективных задержек для регистрации возвратного торможения гетеронимных а-мотонейронов m. vastus lateralis. По мнению авторов, для регистрации возвратного торможения а-мотонейронов m. vastus lateralis у испытуемых в возрасте 20-50 лет наиболее эффективной задержкой является 22 мс. В наших исследования получены результаты, указывающие о том, что наиболее эффективными задержками у взрослых испытуемых в возрасте 22-27 лет являются 26; 27; 33 мс, причем максимальных величин возвратное торможение достигало при задержке 27 мс (58,53%; W-тест, p<0.01) (рис. 2). У детей 9-12 лет при использовании того же временного диапазона задержек, как у взрослых испытуемых, повышение уровня возвратного торможения а-мотонейронов m. vastus lateralis отмечалось при задержках, равных 14; 20; 21 мс, максимальное торможение моносинаптического рефлекса регистрировалось при задержке 20 мс (79,11%; W-тест, p<0.01). В отличие от детей 9-12 лет, у подростков 14-15 лет максимальных величин возвратное торможение достигало при задержке 25 мс (38,17%; W-тест, p<0.01) с незначительным его снижением при интервалах 33 мс и 37 мс. У юношей 17-18 лет возвратное торможение зафиксировано при задержках, равных 14; 33; 34 мс с максимальной его величиной при интервале 33 мс (66,37%; W-тест, p<0.01).

Рис. 2. Динамика амплитуды Н-рефлекса m. vastus lateralis в условиях длиннолатентной кондиционирующей стимуляции n. tibialis при различных межстимуль-ных задержках у возрастных групп, % от контроля

Полученные результаты исследований свидетельствуют, что каждый возрастной период онтогенеза характеризуется возрастными изменениями в регистрации

возвратного торможения спинальных а-мотонейронов m. vastus lateralis при определенных временных задержках. По-видимому, возрастные различия связаны с незрелостью эфферентных волокон, определяющих участие тормозных клеток Реншоу в реализации возвратного торможения. Это коррелирует с данными А.Г. Хрипковой и Д.А. Фарбер [7] о незрелости эфферентного звена двигательной системы, претерпевающие окончательного созревания только к 23-25 годам. Кроме того, в работе В.Г. Вахтановой [1] установлено, что половое созревание является ведущим фактором развития скорости проведения возбуждения по эфферентным волокнам, что связано с ролью гормонального фактора в пубертатных перестройках двигательных единиц скелетных мышц.

Учитывая тем самым, что у детей 9-12 лет и подростков 14-15 лет дистанция проведения по афферентным и эфферентным волокнам до спинного мозга меньше, чем у взрослых, следовательно, можно предположить, что вхождение в спинной мозг кондиционирующего и тестирующего стимулов будет происходить быстрее, чем у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет. Вероятно, у детей 9-12 лет и подростков 14-15 лет при временных интервалах 20 мс и 25 мс соответственно, достаточно этого времени для достижения максимальных значений возвратного торможения а-мотонейроны m. vastus lateralis опосредованное через антидромную кондиционирующую стимуляцию быстропроводящих эфферентных волокон m. soleus. Согласно данным E. Pierrot-Deseilligny с соавторами [20] для регистрации возвратного торможения а-мотонейронов m. soleus у испытуемого ростом 156 см эффективной задержкой является 21 мс, а у испытуемого ростом 183 см - 28 мс. По мнению авторов, различия во времени вхождения кондиционирующего и тестирующего стимулов у обследуемых испытуемых зависит не только от времени прохождения их по моносинаптическому каналу, но и длиннотных размеров испытуемого: длина тела, длина нижней конечности.

Исследование временных задержек в диапазоне от 14 мс до 40 мс у разных возрастных групп позволило обнаружить и облегчающие влияния на мотонейрон-ное ядро m. vastus lateralis (возвратное облегчение) в ответ на кондиционирующий стимул n. tibialis (рис. 2). При этом наблюдаются определенные возрастные различия. Процент встречаемости возвратного облегчения от всех используемых задержек уменьшается по мере развития организма. У мальчиков 9-12 лет наибольший процент встречаемости облегчения Н-рефлекса m. vastus lateralis составил 44,45%. У подростков 14-15 лет облегчение Н-рефлекса m. vastus lateralis встречалось в 22,23% случаях, а у юношей 17-18 лет в 11,12% и у мужчин 22-27 лет в 3,71%. V.J. Wilson с соавторами [22] видят в возвратном облегчении приспособление для поддержания баланса между возбудимостью мышц сгибателей и разгибателей. Вообще, по своему физиологическому механизму это облегчение представляет собой растормаживание.

Установлено, что наибольшая выраженность возвратного торможения гете-ронимных а-мотонейронов m. vastus lateralis отмечается в подростковом возрасте (рис. 3). Сравнительный анализ показал, что в группе мальчиков 14-15 лет по сравнению с мальчиками 9-12 лет (F1, 30=45,049, P=0.000), юношами 17-18 лет (F1, з0=10,855, P=0.002) и мужчинами 22-27 лет (F1, 30=8,82, P=0.004) прослеживалось достоверно значимое снижение амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis от контрольных значений.

Рис. 3. Амплитуда тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis от контрольного рефлекса при оптимальных задержках у возрастных групп, %: достоверно при уровне значимости Р<0,01*, Р<0,05** между возрастными группами (One-way Anova).

Отметим, что в меньшей степени эффект возвратного торможения гетеро-нимных а-мотонейронов m. vastus lateralis проявлялся у мальчиков 9-12 лет по сравнению с другими возрастными группами: амплитуда тестирующего от контрольного Н-рефлекса m. vastus lateralis составила 80,36±3,53% (рис. 3). Меж-групповой дисперсионный анализ выявил достоверные различия в выраженности возвратного торможения а-мотонейронов m. vastus lateralis у мальчиков 9-12 лет и мужчин 22-27 лет (F1: зо=4,792, P=0.036). Показано, что возвратное торможение а-мотонейронов m. vastus lateralis выражено несколько больше у мужчин 22-27 лет по сравнению с юношами 17-18 лет, но не имело достоверных отличий (FI, 30=1,244, P=0.273).

Наблюдаемая картина разнонаправленной выраженности возвратного торможения в исследуемые периоды онтогенеза, вероятно, связана с формированием сложных двигательных реакций, соответственно, торможение, опосредованное через клетки Реншоу модулирует механизмы произвольной регуляции движений и его проявления на разных этапах онтогенеза. Так, по мнению И.А. Вахрамеевой [2] наблюдаемая у детей первого месяца жизни спонтанная активность мышц верхних конечностей обусловлена постоянным функционированием мотонейроного пула и повышенной синхронизацией двигательных единиц из-за недостаточного тормозного воздействия на мотонейроны еще не зрелых клеток Реншоу. Аналогичные результаты освещены в работе S.M. McDonough с соавторами [19].

Выявленные возрастные различия возвратного торможения а-мотонейронов m. vastus lateralis на разных этапах онтогенеза, можно объяснить гистохимическими исследованиями четырехглавой мышцы бедра и камбаловидной мышцы [5, 6]. Согласно Р.В. Тамбовцевой [6] плавный рост мышечных волокон всех типов нарушается мощным спрутом только с начала полового созревания, при этом в возрасте 12-14 лет МВ II типа начинают расти быстрее и обгоняют волокна I типа. Особенно интенсивен этот процесс в четырехглавой мышце бедра. Кроме того, в экспериментах на животных была обнаружена корреляция между возвратным торможением мотонейронов, типом мышечных волокон и продолжительностью постгиперполяризации для отдельных мышц [16]. Возможно, структурные преобразования в самой мышце находятся в прямой зависимости с изменениями в двигательных центрах спинного мозга в разные периоды онтогенеза, особенно в период полового созревания, так как процессы передифференцировки и развития мышечных волокон в значительной мере контролируются мужскими половыми гормонами [4]. Это дает основание думать, что все вышесказанные предположения не могут не сказаться определенным образом на формирование возвратного торможения спинальных а-мотонейронов в онтогенезе человека.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных данных складываются новые представления о функциональных особенностях возвратного торможения а-мотонейронов скелетных мышц бедра в разные периоды постнатального онтогенеза. Показано, что выбранные нами периоды онтогенеза характеризуются использованием разных временных задержек для регистрации возвратного торможения спинальных а-мотонейронов скелетных мышц бедра. Полученные данные показывают неравномерный характер выраженности возвратного торможения по мере созревания организма. Если в период 9-12 лет уровень возвратного торможения характеризуется снижением, то в пубертатный период в возрасте 14-15 лет отмечается резкое увеличение тормозного влияния клеток Реншоу, сменяющееся последующим снижением в юношеском возрасте, достигая дефинитивного уровня. Внутренний механизм, обуславливающий неравномерный характер выраженности возвратного торможения в разные периоды онтогенеза пока остается неясным. Очевидно, что определяющую роль в функциональных особенностях тормозного влияния клеток Реншоу в разные периоды онтогенеза, отведено развитию эфферентного звена периферического аппарата, включающего в себя двигательные единицы и соответствующие мотонейроны спинного мозга, а также гормонального фактора в пубертатных перестройках.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вахтанова В.Г. Функциональные особенности нейромоторного аппарата в онтогенезе человека: дисс. ... канд. биол. наук. - Владимир, 2002. - 123 с.

2. Вахрамеева И.А. Физиологические механизмы организации и моторики в раннем постнатальном онтогенезе человека: автореф. дис. . д-ра биол. наук. -Л., 1972. - 49 с.

3. Плещинский И.Н. Тормозные взаимодействия мышц-синергистов у человека / И.Н. Плещинский, Р.Х. Бикмуллина // Тез. докл. XVII съезда Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова. - Ростов-на-Дону, 1998. - С. 70.

4. Тамбовцева Р.В. Возрастные особенности энергетики, роста и развития скелетных мышц у мальчиков 7-17 лет: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - М., 1990. - 21 с

5. Тамбовцева Р.В., Корниенко И.А. Развитие различных типов мышечных волокон четырехглавой мышцы бедра и камбаловидной мышцы в онтогенезе человека // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. - 1986. - Т.41, №9. - С.95.

6. Хрипкова А.Г., Фарбер Д.А. Основные направления исследований физиологии развития ребенка: Итоги и перспективы // Физиология человека. - 1983. - Т. 9, №1. - С. 34-42.

7. Barbeau H. Posture-related changes in heteronymous recurrent inhibition from quadriceps to ankle muscles in humans / H. Barbeau, V. Marchand-Pauvert, S. Meunier, G. Nicolas, E. Pierrot-Deseilligny // Experimental Brain Research. - 2000. - V. 130. -P. 345-361.

8. Bussel B. Inhibition of human motoneurones, probably of Renshaw origin, elicited by an orthodromic motor discharge / B. Bussel, E. Pierrot-Deseilligny // Journal of Physiology (Lond.). - 1977. - V. 269. - P. 319-339.

9. Chalmers G.R., Knutzen K.M. Recurrent inhibition in the soleus motor pool of elderly and young adults // Electromyogr. Clin. Neurophysiol. - 2004. - V. 44, №7. - Р. 413-421.

10. Creange A. Distribution of heteronymous Ia facilitation and recurrent inhibition in the human deltoid muscle / A. Creange, M. Faist, R. Katz, A. Penicaud // Experimental Brain Research. - 1992. - V. 90. - P. 620-624.

11. Iles J.F. Changes in transmission in the pathway of heteronymous spinal recurrent inhibition from soleus to quadriceps motor neurons during movement in man / J.F. Iles, J. Pardoe // Brain. - 1999. - V. 122. - P. 1757-1764.

12. Iles J.F. Human standing and walking: comparison of the effects of stimulation of the vestibular system / J.F. Iles, R. Baderin, R. Tanner, A. Simon // Exp Brain Res. -2007. - V. 178. - P. 151-166.

13. Iles J.F. Seeking functions for spinal recurrent inhibition // J. Physiol. -2008. -V. 586(24). - P. 5843.

14. Iles J.F. Task-related changes of transmission in the pathway of heteronymous spinal recurrent inhibition from soleus to quadriceps motor neurones in man / J.F. Iles, A. Ali, J. Pardoe // Brain. - 2000. - V. 123. - P. 2264-2272.

15. Illert M., Kummel H. Reflex pathways from large muscle spindle afferents and recurrent axon collaterals to motoneurones of wrist and digit muscles: a comparison in cats, monkeys and humans //Experimental Brain Research. - 1999. - V. 128. - P. 13-19.

16. Lamy J.C. Modulation of recurrent inhibition from knee extensors to ankle mo-toneurones during human walking / J.C. Lamy, C. Iglesias, A. Lackmy, J. Nielsen, R. Katz, V. Marchand-Pauvert // J. Physiol. - 2008. - V. 586.24. - P. 5931-5946.

17. Leonard C.T. Deficits in reciprocal inhibition of children with cerebral palsy as revealed by H-reflex testing / C.T. Leonard, T. Moritani, H. Hirschfeld, H. Forssberg // Dev. Med. Child Neurol. - 1990. - V. 32(11). - P. 974-984.

18. McDonough S.M., dowry G.J., Miller S., Eyre J.A. Reciprocal and Renshaw (recurrent) inhibition are functional in man at birth / S.M. McDonough, G.J. Clowry, S. Miller, J.A. Eyre // Brain Res. - 2001. - V. 899. - P. 66-81.

19. Pierrot-Deseilligny E., Bussel B. Evidence for recurrent inhibition by motoneu-rones in human subjects // Brain Research. - 1975. - V. 88. - P. 105-108.

20. Renshaw B. Influence of discharge of motoneurons upon excitation of neighboring motoneurons // J. Neurophysiol. - 1941. - V. 4. - p. 167.

21. Wilson V.J., Burgess P.R. Disinhibition in the cat spinal cord // J. Neurophysiol. - 1962. - V. 25. - P. 394.