Методы электростимуляции в восстановлении двигательных функций после позвоночно-спинномозговой травмы: обзор литературы

А.Н. Белова, С.Н. Балдова, Нижегородский НИИ травматологии и ортопедии, г. Нижний Новгород, РФ
Позвоночно-спинномозговая травма (ПСМТ) — это механическое повреждение позвоночника и/или спинного мозга, которое часто приводит к нарушению функции тазовых органов и к утрате произвольных движений. Проблема восстановления утраченных после ПСМТ функций является особенно актуальной в связи с тем, что более половины пострадавших — лица моложе 40 лет [1]. Прогноз восстановления зависит от степени и уровня повреждения спинного мозга: чем грубее нарушение проводниковых функций спинного мозга и чем более краниальным является уровень повреждения — тем менее утешителен прогноз.

Механизмы нарушения и восстановления функций при ПСМТ

В момент приложения травматической силы происходит первичное непосредственное повреждение мозговой ткани (контузия паренхимы мозга, ее сдавление, дисциркуляторные расстройства), морфологическим проявлением которого является очаг некроза в спинном мозге [2]. Параллельно запускаются механизмы вторичного повреждения клеток, к которым относятся ишемия, воспалительная реакция, глиальная реакция, апоптоз. Постепенно некротический очаг эволюционирует в глиально-соединительнотканный рубец, окруженный посттравматическими кистами различного размера. Морфологической основой последствий повреждения спинного мозга при ПСМТ служат атрофия спинного мозга, очаги некроза или глиоза, кистозная дегенерация; патофизиологической основой — прерывание проводящих путей спинного мозга, приводящее к утрате произвольного контроля над мышцами, иннервируемыми расположенными ниже уровня травмы сегментами спинного мозга [3]. Соответственно, возможность восстановления утраченных функций зависит, в первую очередь, от степени восстановления спинальной проводимости [4, 5].
В случаях полного нарушения проводимости (морфологического перерыва спинного мозга) развивается автоматизация его отделов, расположенных книзу от уровня перерыва. В случаях частичного нарушения проводимости (частичного повреждения спинного мозга) возможно медленное восстановление функций, которое происходит за счет сохранившихся клеток и волокон после устранения парабиотического состояния нервных клеток, ликвидации отека и циркуляторных расстройств [2, 3].
Среди методов восстановительной неврологии, используемых при реабилитации больных, перенесших ПСМТ, особые надежды возлагают на методы электростимуляции спинного мозга, целью которых является реактивация сохранных нейрональных цепей, координирующих и контролирующих гладкие и поперечно-полосатые мышцы ниже уровня травмы [6]. В основе действия этих методов лежит свойство нейропластичности — способность нервных структур изменяться под воздействием стимуляции [7]. Изменения касаются экспрессии генов [8], модификации синапсов [9, 10], усиления миелинизации [11–13], роста аксонов [14] и в итоге приводят к модификации нейрональной активности. Полагают, что оптимизация активности нейронов спинного мозга под воздействием электростимуляции крайне важна для регенераторных процессов: известно, что повышение и понижение активности нейронов спинного мозга способно соответственно усиливать и ослаблять процессы спонтанной регенерации [15, 16]. У значительного числа пациентов даже с так называемым полным поперечным повреждением спинного мозга в зоне травмы остаются сохранными хотя бы некоторые проводящие элементы (нефункционирующие миелинизированные либо лишенные миелина аксоны), которые потенциально при оптимальной активации могут обеспечить проведение импульсов [17].

Методы электростимуляции

С целью восстановления двигательных функций после повреждения спинного мозга в клинике и в эксперименте предпринимаются попытки использовать различные методы электростимуляции — функциональную электростимуляцию, эпидуральную стимуляцию спинного мозга, чрескожную стимуляцию поясничного отдела спинного мозга, интраспинальную микростимуляцию.
Функциональная электростимуляция (ФЭС) — метод, использующий курсовую терапию импульсами электрического тока для вызывания определенного паттерна мышечных сокращений и движений, необходимых для выполнения конкретной функции; мышцы активируются в результате стимуляции двигательной точки мышцы (т.е. сохранного нижнего мотонейрона), электростимуляция сочетается с выполнением целевых упражнений [18, 19]. ФЭС относится к наиболее распространенным и изученным у больных с ПСМТ методам электростимуляции; наиболее часто применяют накожное расположение электродов, что делает эту методику неинвазивной. Для пациентов с нижней параплегией разработаны специальные многоканальные устройства, предназначенные для тренировки стояния или для выработки шаговых движений [20]. С помощью накожных электродов производится стимуляция малоберцового нерва и четырехглавой мышцы бедра с обеих сторон, иногда совместно с ягодичными мышцами; микрокомпьютер обеспечивает такую последовательность стимулирующих импульсов, которая позволяет выполнять разгибание ног/удержание туловища в вертикальном положении в фазу стояния и сгибание-разгибание в голеностопных суставах при инициации ходьбы [19]. Для поддержания вертикальной позы и обеспечения устойчивости одновременно с ФЭС используются дополнительные механические приспособления и ходунки. При неполном поперечном поражении спинного мозга у лиц с достаточной силой проксимальных мышц ног, но слабостью тыльных сгибателей стопы, применяют электростимуляцию малоберцовых нервов, сочетая ее с занятиями на беговой дорожке [18].
Показано, что регулярное использование ФЭС у пациентов, перенесших ПСМТ, приводило к улучшению способности совершать шаговые движения, и индуцировало активацию центрального паттерна ходьбы [21, 22], у некоторых больных сопровождалось повышением баллов моторики и чувствительности по шкале ASIA (American Spinal Injury Assosiation [Американская ассоциация спинальной травмы] — 5-pанговая шкала степени нарушения проводимости спинного мозга) и некоторым уменьшением степени пареза [23]. Положительный эффект может быть достигнут даже при полном поперечном повреждении спинного мозга [24]. Помимо изменения спинальной активности, ФЭС сопровождалась увеличением массы, силы и выносливости тренируемых мышц [25, 26]; биопсия продемонстрировала конверсию мышечных волокон типа IIB в тип IIA и тип I, что подтверждало повышение аэробной активности мышц [27]. Денситометрия выявила увеличение плотности костной ткани, что снижало риск переломов у лиц, перенесших ПСМТ [28]. Кроме того, не менее важным в отношении улучшения качества жизни является позитивное воздействие ФЭС на сердечно-сосудистую систему. Так, регулярные процедуры ФЭС (с частотой 2–3 раза в неделю на протяжении 6–12 месяцев) приводили к более чем двукратному увеличению максимального потребления кислорода и к повышению толерантности к физическим нагрузкам пациентов с ПСМТ шейной и грудной локализации [29–31].
Проведение ФЭС требует обязательной сохранности нижнего мотонейрона на уровне предполагаемой стимуляции (т.е. интактных мотонейронов передних рогов спинного мозга, спинномозговых корешков и периферических нервов); по данным M. Mulcahey, мышца с интактной периферической иннервацией при стимуляции с частотой 10–20 Гц и частотой импульсов 200–400 µs должна давать сокращение силой не менее 3 баллов, в противном случае сохранность ее периферической иннервации вызывает сомнения [32]. Кроме того, важным является подбор правильных параметров стимуляции (форма, амплитуда, частота, скважность, скорость нарастания, продолжительность импульсов). Вызванные ФЭС мышечные сокращения, в отличие от физиологических, более резкие (происходит синхронное возбуждение двигательных единиц), мышца быстро утомляется [17]. Для профилактики утомления мышц при проведении ФЭС подбирают минимальные по нагрузке параметры стимуляции, обеспечивающие нужное движение одной или нескольких мышц. Локализацию электродов подбирают такую, чтобы вызывать целенаправленное функционально значимое движение (например, сжатие пальцев кисти с целью удержания предмета; шаговые движения; перемещение из положения лежа в положение сидя). Показано, что комбинация ФЭС с попыткой совершить произвольное движение дает более эффективное и сильное мышечное сокращение, поскольку при этом рекрутируются различные двигательные единицы. Противопоказаниями к ФЭС могут служить наличие в анамнезе у пациента эпилепсии, тромбозов или кровотечений, имплантированные электронные устройства [17].
Эпидуральная стимуляция спинного мозга (ЭССМ) — стимуляция корешков спинного мозга эпидуральными электродами (генератор электрических импульсов имплантируется подкожно в нижнюю часть живота или ягодиц, управляется дистанционно с пульта). В отличие от курсового применения ФЭС, ЭССМ проводится долговременно. ЭССМ первоначально применялась при ПСМТ с целью снижения спастичности; у пациентов с ПСМТ грудной и шейной локализацией стимуляция была направлена на верхние поясничные сегменты спинного мозга в связи с гипотезой об особой физиологической роли этого отдела спинного мозга в условиях его перерыва [33]. В процессе клинических исследований было обнаружено, что ЭССМ не только влияет на спинальную активность и вызывает в ряде случаев снижение спастичности, но и может вызывать двигательные реакции в конечностях, характер которых зависит от параметров стимуляции [34]. M.R. Dimitrijevic и соавторы показали, что эпидуральная электростимуляция поясничных сегментов спинного мозга у пациентов с нижней параплегией вследствие хронической ПСМТ может вызвать ритмичную моторную активность в парализованных конечностях, подтвержденную с помощью электромиографии [35]. С целью вызвать ритмическую двигательную активность применяли стимуляцию с частотой 25–60 Гц [36]. При стимуляции поясничного отдела спинного мозга с более низкой частотой (5–15 Гц) вызывалась двусторонняя разгибательная реакция нижних конечностей (у пациента с полным перерывом двигательных путей, лежащего на спине с пассивно согнутыми в коленных и тазобедренных суставах ногами, стимуляция сопровождалась сильным и быстрым разгибанием ног, которое сохранялось в течение всего периода стимуляции) [34, 37].
У двух пациентов с полным поперечным перерывом спинного мозга вследствие ПСМТ использование поясничной ЭССМ с частотой 20–50 Гц позволило в значительной степени облегчить тренировку шаговых движений на роботизированном тренажере; авторы объясняли этот факт интеграцией ритмической проприоцепции, обусловленной пассивными шаговыми движениями, и тонической афферентации, вызванной ЭССМ [34, 38]. Однако достичь самостоятельных активных движений у этих пациентов так и не удалось. Похожие результаты получил S. Harkema и коллеги: ЭССМ с частотой 30–40 Гц позволила у больного с нижней параплегией вследствие ПСМТ, занимавшегося локомоторными тренировками на роботизированном тренажере, увеличить ритмическую мышечную активность в ногах. Хотя получить спонтанных шаговых движений также не удалось, но при стимуляции с частотой 15 Гц удавалось достичь самостоятельного удержания туловища в вертикальном положении; кроме того, через 7 месяцев на фоне процедур ЭССМ появлялся произвольный контроль над некоторыми мышцами [39].
При неполном поперечном повреждении спинного мозга эффект ЭССМ может быть еще выше. Так, R. Herman и соавторы дали описание двух случаев, когда пациентам с нижним парапарезом, прикованным к инвалидному креслу, проводились занятия ходьбой на роботизированном локомоторном тренажере, однако существенной положительной динамики не наблюдалось. После того, как помимо тренировок на тренажере пациентам была начата тораколюмбальная ЭССМ частотой 20–60 Гц, у них не просто возросла мышечная сила нижних конечностей, но пациенты научились самостоятельно ходить, используя полученные на тренажере навыки шаговых движений [40–42]. J.M. Waltz выявил улучшение двигательной функции под влиянием ЭССМ у 65% из числа 303 пациентов с травмой шейного отдела спинного мозга; улучшение касалось тех мышечных групп, в которых был сохранен некоторый произвольный контроль [43].
Механизм воздействия ЭССМ при ПСМТ продолжают изучать. Электрофизиологические [36, 44] и нейровизуализационные [45, 46] исследования показали, что при люмбальной ЭССМ происходит стимуляция афферентных волокон задних корешков. Кроме того, было подтверждено, что поясничный отдел спинного мозга человека содержит нейрональные цепи, которые даже в отсутствии связей с супраспинальными структурами способны в ответ на афферентную тоническую импульсацию генерировать координированную осцилляторную активность в ответ на тоническую афферентную импульсацию [47]. Тоническая импульсация, следующая в спинной мозг по афферентам задних корешков, вероятно, вызывает сегментарный мышечный ответ в нижних конечностях по типу моносинаптического рефлекса. При неполном поперечном повреждении спинного мозга (при частичной сохранности восходящих и нисходящих путей спинного мозга) в модуляции сегментарной активности, вероятно, принимают участие также сохранные дорсальные спинально-стволовые нейрональные петли, активизируемые посредством транссинаптических связей [35].
Таким образом, в настоящее время считается доказанным, что моторный контроль со стороны поясничных сегментов спинного мозга возможен даже после хронической сепарации этого отдела от вышележащих супраспинальных структур, и эти возможности можно активировать путем эпидуральной стимуляции неповрежденных сегментарных афферентных путей. ЭССМ модулирует сегментарную спинальную активность и позволяет использовать резервные возможности нейрональных рефлекторных цепей спинного мозга, при этом получаемые в результате двигательные реакции зависят от локализации, частоты и интенсивности стимуляции: стимуляция с частотой 5–15 Гц вызывает разгибательный ответ в мышцах нижних конечностей, стимуляция с частотой 25–60 Гц может вызвать или облегчить ритмическую активность мышц, а частота стимуляции 50–100 Гц ассоциируется с ослаблением чрезмерной активности спинальных нейронов и снижением спастичности в ногах [37, 39, 48, 49].
Положительные результаты ЭССМ, которая активизирует спинальные нейроны не непосредственно, а путем обеспечения дополнительной афферентации по задним спинномозговым корешкам, индуцировали попытки использовать с этой же целью неинвазивный метод чрескожной стимуляции поясничного отдела спинного мозга (ЧССМ), при котором электрическая стимуляция задних корешков и спинальных афферентов осуществляется с помощью кожных электродов [50, 51]. Активные электроды накладываются паравертебрально на уровне LII–SII сегментов спинного мозга (между ThXI и ThXII остистыми отростками), референтный электрод — на нижние отделы живота. При стимуляции возникает локальная деполяризация волокон задних корешков, при этом, с учетом встречающихся на пути тока мягкотканых препятствий, величина деполяризации может отличаться от наблюдаемой при ЭССМ [52].
Однако первые результаты применения ЧССМ у пациентов с повреждением спинного мозга вследствие ПСМТ обнадеживают. Так, трем пациентам с неполным поперечным поражением спинного мозга был проведен курс процедур ЧССМ, процедуры проводились в положении лежа, по 30 минут, частота 50 Гц, интенсивность тока — до возникновения парестезий в нижних конечностях. У 2 из этих трех пациентов значительно выросла скорость ходьбы (один из них стал самостоятельно ходить с двумя костылями, второй — в ходунках) [50, 53]. Есть работы, подтверждающие появление ритмической биоэлектрической активности в ранее «молчавших» мышцах нижних конечностей у пациентов с полным поперечным повреждением спинного мозга, которым процедуры ЧССМ с частотой стимуляции 30 Гц сочетали с занятиями на роботизированном локомоторном тренажере [51, 53].
Интраспинальная микростимуляция (ИСМС) — метод стимуляции спинальных мотонейронов имплантированными в спинной мозг микроэлектродами, относится к наиболее инвазивным из всех перечисленных выше методов электростимуляции и пока апробирован только на животных. Является примером прямой стимуляции спинного мозга. Длительное время ИСМС применялась в эксперименте исключительно с целью изучения проводящих путей спинного мозга [54, 55]. Результатом этих научных работ стала гипотеза о том, что вставочные нейроны спинного мозга организуют автономные нейрональные цепи, активация которых способна вызывать определенные компоненты простых движений; эти сложные и функционально гибкие мотонейрональные пулы находятся под влиянием нисходящей центральной импульсации [6, 54]. Полученные знания легли в основу работ, касающихся возможности применения ИСМС с целью обеспечения стояния и шаговых движений после ПСМТ. Исследования проводились на крысах и кошках. Применялись металлические электроды диаметром 30 мкм, со специальным покрытием, которые имплантировались с двух сторон в поясничные сегменты спинного мозга животного, в  IX пластину серого вещества, представляющую собой первичную моторную область, а именно — соматотопически расположенные спинальные мотонейроны; электростимуляция проводилась под контролем селективной активации конкретных мышечных групп при частоте 20–50 импульсов в секунду [56, 57]. Стимуляция приводила к сокращениям целевых мышц с увеличением силы сокращения в зависимости от интенсивности стимуляции; можно было вызвать не только одиночные мышечные сокращения, но и функционально-ориентированные движения всей конечности или обеих конечностей (разгибание и сгибание конечности в суставе, шаговые движения, поддержание туловища при стоянии). Полагают, что простые движения типа сгибания-разгибания в суставе вызваны активацией дискретного пула мотонейронов, тогда как синергичные движения многих мышечных групп — транссинаптической активацией множества мотонейрональных пулов вследствие включения спинальных сегментарных цепей, в том числе ипси- и контралатеральных реципрокных тормозных путей [58]. Важным преимуществами ИСМС являются сходный с физиологическим порядок рекрутирования двигательных единиц мышц и, соответственно, плавность мышечных сокращений и низкая мышечная утомляемость [59]. При амплитуде ИСМС до 300 мкА болевых или неприятных ощущений у животного не возникало [60]. Посмертные гистологические исследования тканей спинного мозга крыс, которым на протяжении 30 дней ежедневно проводилась ИСМС, обнаружило воспалительные изменения в зонах, окружающих имплантированный электрод [61], однако аналогичные исследования у кошек, которым на протяжении 6 месяцев выполнялась ИСМС с частотой 2–3 раза в неделю, не выявили признаков воспаления; это может свидетельствовать о постепенном стихании воспалительной реакции в случаях адекватной интенсивности хронического воздействия и стабильности имплантата [6]. По-видимому, ИСМС может оказаться высокоэффективным методом терапии пациентов, перенесших ПСМТ, однако клинических исследований этой методики пока не проводилось.

Выводы

Таким образом, методы электростимуляции относятся к перспективным средствам терапии двигательных нарушений, возникающих вследствие травмы спинного мозга, позволяя использовать резидуальные возможности поврежденного спинного мозга [62]. Однако в целом, доказательная база эффективности методов электростимуляции в реабилитации больных, перенесших ПСМТ, пока не может считаться достаточной.

Список литературы

Tee J.W., Chan P.C., Rosenfeld J.V., Gruen R.L. Dedicated Spine Trauma Clinical Quality Registries: A Systematic Review // Global Spine J. – 2013. – Vol. 3 (4). – P. 265–272. Tansey K.E. Neural plasticity and locomotor recovery after spinal cord injury // Pm. R. – 2010. – Vol. 2 (12). – P. 220–226. Hillen B.K., Abbas J.J., Jung R. Accelerating locomotor recovery after incomplete spinal injury // Ann. N Y Acad. Sci. – 2013. – Vol. 1279. – P. 164–174. Beauparlant J., van den Brand R., Barraud Q. et al. Undirected compensatory plasticity contributes to neuronal dysfunction after severe spinal cord injury // Brain. – 2013. – Vol. 136. – P. 3347–3361. Hubli M., Dietz V. The physiological basis of neurorehabilitation – locomotor training after spinal cord injury // J. Neuroeng. Rehabil. – 2013. – Vol. 10. – P. 15–17. Bamford J.A., Mushahwar V.K. Intraspinal microstimulation for the recovery of function following spinal cord injury // Brain Res. – 2011. – Vol. 194. – P. 227–239. Martin R., Sadowsky C., Obst K., Meyer B. Functional Electrical Stimulation in Spinal Cord Injury // Top Spinal Cord. Inj. Rehabil. – 2012. – Vol. 18 (1). – P. 28–33. Muslimov I., Banker G., Brosius J., Tiedge H. Activity-derived regulation of dendritic BCI RNA in hippocampal neurons in culture // J. Cell Biol. – 1998. – Vol. 141. – P. 1601–1611. Zhou Q., Poo M. Reversal and consolidation of active-induced synaptic modification // Trends Neurosci. – 2004. – Vol. 7. – P. 378–383.

Ранее статья публиковалась в журнале «Трудный пациент», 2014, №8–9.

Печатается в сокращении.
Поделиться с друзьями: