Основными факторами, определяющими характеристики моторных систем, предполагаются экзогенные гравитационные силы и эндогенные мышечные силы. Однако конкретные пути и механизмы их действия остаются не ясными. Широкая распространенность патологий, сопровождающихся изменением двигательных качеств, и интенсивное освоение космического пространства делает необходимым получение новых знаний о механизмах реорганизации моторики, детализации роли и долевого вклада в эти процессы как периферических, так и центральных структур нейромоторных систем. Не менее важным представляется понимание процессов восстановительной реадаптации двигательного аппарата после нормализации условий функционирования. Терапевтические приемы, предлагаемые для увеличения скорости и эффективности восстановления двигательной функции, в частности, активация спинальных нейронных сетей, широко исследуется.

Целью работы являлась оценка влияния электрической и неинвазивной магнитной стимуляции спинного мозга на функциональное состояние нейромоторного аппарата камбаловидной (КМ) и передней большеберцовой мышц (ПБМ) голени крысы при гравитационной разгрузке и в период постгипогравитационной реадаптации.

Проводили модельные эксперименты на лабораторных крысах-самцах весом 190-210 г в строгом соответствии с принятыми биоэтическими нормами. Животные были разделены на следующие экспериментальные группы: «АОВ» – животные с моделируемой гравитационной разгрузкой задних конечностей (7, 35 сут; n=11); «АОВ+МС» - животные с моделируемой гравитационной разгрузкой задних конечностей, комбинируемой с магнитной стимуляцией спинного мозга (7, 35 сут; n=10); «АОВ+ЭС» – животные с моделируемой гравитационной разгрузкой задних конечностей, комбинируемой с электростимуляцией спинного мозга (7, 35 сут; n=9); «РД» - животные в условиях реадаптации к действию силы реакции опоры и осевым нагрузкам после моделируемой гравитационной разгрузки (1, 3, 7, 14 сут; n=18); «РД+МС» - животные в условиях реадаптации, комбинируемой с магнитной стимуляцией спинного мозга (1, 3, 7, 14 сут; n=16); «РД+ЭС» - животные в условиях реадаптации, комбинируемой с электростимуляцией спинного мозга (1, 3, 7, 14 сут; n=14).

Моделирование гравитационной разгрузки осуществляли общепринятым методом антиортостатического вывешивания крысы за хвост. Для исследования эффектов реадаптации к действию силы реакции опоры и осевым нагрузкам у животных моделировали гравитационную разгрузку задних конечностей. Стимуляцию спинного мозга проводили в области локализации двигательных центров исследуемых мышц (L4-S1 сегменты). Магнитную стимуляцию (группы «АОВ+МС», «РД+МС»), осуществляли магнитным стимулятором «Нейро-МВП-4» (Нейрософт, Россия), 8-образным индуктором. Электрическую стимуляцию (группы «АОВ+ЭС», «РД+ЭС») проводили через предварительно имплантированные электроды. Параметры стимуляции: ежедневно в течение 90 минут сериями по 10 мин с интервалом 10 мин; амплитуда стимулов - пороговая для сокращения мышц голени; частота – 3 Гц.

После завершения сроков воздействия экспериментальных условий регистрировали рефлекторный (Н) и моторный (М) ответ КМ и ПБМ. Определяли порог возникновения, максимальную амплитуду, латентность и длительность вызванных потенциалов. Вычисляли отношение максимальных амплитуд рефлекторного и моторного ответов.

Проведенный анализ параметров Н ответа указывал на повышение рефлекторной возбудимости мотонейронов мышц голени крысы как при 7-суточной (для КМ), так и при 35-суточной (для КМ и ПБМ) моделируемой микрогравитации. Регистрируемое снижение максимальной амплитуды М-ответа КМ после длительной разгрузки свидетельствовало о снижении общего количества двигательных единиц, развитии атрофических процессов. Активация спинальных структур в условиях краткосрочной (7 сут) моделируемой разгрузки предотвращала изменение рефлекторной возбудимости спинальных двигательных центров, однако, не исключала гипогравитационнодетерминированных преобразований при длительной разгрузке (35 сут).

В условиях постгипогравитационной реадаптации после 7-суточной разгрузки рефлекторная возбудимость соответствующих двигательных центров уже на 1 сут приближались к уровню контроля. Через 35 сут моделируемой микрогравитации при реадаптации на 1 сут наблюдали снижение рефлекторной возбудимости мотонейронов КМ и ПБМ, затем возбудимость повышалась. Отмечали увеличение латентности и длительности регистрируемых потенциалов. Восстановление морфофункционального состояния мышцы после разгрузки, очевидно, сопровождается резким усилением периферической афферентации, в том числе от мышц антагонистов, мотонейронные пулы которых, связаны реципрокными отношениями; процессами реиннервации и, как следствие, рассинхронизацией рекрутирования двигательных единиц. В условиях применения стимуляции спинного мозга вовремя реадаптационного периода не наблюдали резкого изменения рефлекторной возбудимости двигательных центров. На 1 сутки реадаптации сохранялся повышенный уровень активности мотонейронных пулов, однако, уже к 3 суткам реадаптационного периода отмечали приближение данных показателей к уровню контроля и на следующих исследуемых этапах реадаптации существенных изменений не регистрировали. Также, в условиях реадаптации, комбинируемой с стимуляцией спинного мозга, не регистрировали изменений порога, латентности и длительности М-ответа, а амплитуда моторного потенциала восстанавливалась до контрольных значений уже 3 суткам.

Мы заключаем, что стимуляция спинного мозга может активировать процессы нейрональной пластичности, способствовать реактивации существующих и, возможно, образованию новых внутриспинальных локомоторных схем. Данные об эффективности стимуляции спинного мозга могут быть приняты за основу для разработки терапевтического протокола нейрореабилитации пациентов после нарушения/ограничения двигательной функции.

Работа выполнена в рамках программы «Стратегическое академическое лидерство Казанского федерального университета» (ПРИОРИТЕТ-2030).

The main factors that determine the characteristics of motor systems are assumed to be exogenous gravitational forces and endogenous muscle forces. However, the specific ways and mechanisms of their action remain unclear. The wide prevalence of pathologies accompanied by changes in motor qualities and the intensive exploration of outer space makes it necessary to obtain new knowledge about the mechanisms of reorganization of motor skills, detailing the role and contribution of both peripheral and central structures of neuromotor systems to these processes. No less important is the understanding of the processes of restorative readaptation of the motor apparatus after the normalization of functioning conditions. Therapeutic approaches proposed to increase the speed and efficiency of recovery of motor function.

The aim of the work was to evaluate the effect of electrical and non-invasive magnetic stimulation of the spinal cord on the functional state of the neuromotor apparatus of the soleus (SM) and tibialis anterior muscles (TA) of the rat tibia during gravitational unloading and during the period of posthypogravitational readaptation.

Model experiments were carried out on laboratory male rats weighing 190-210 g in strict accordance with accepted bioethical standards. Animals were divided into the following experimental groups: "HU" - animals with simulated gravitational unloading of the hind limbs (7, 35 days; n=11); "HU+MS" - animals with simulated gravitational unloading of the hind limbs, combined with magnetic stimulation of the spinal cord (7, 35 days; n=10); “HU+ES” – animals with simulated gravitational unloading of the hind limbs, combined with electrical stimulation of the spinal cord (7, 35 days; n=9); "RD" - animals in conditions of readaptation to the action of the support reaction force and axial loads after simulated gravitational unloading (1, 3, 7, 14 days; n=18); "RD+MS" - animals under conditions of readaptation combined with magnetic stimulation of the spinal cord (1, 3, 7, 14 days; n=16); "RD+ES" - animals under conditions of readaptation combined with electrical stimulation of the spinal cord (1, 3, 7, 14 days; n=14).

Modeling of gravitational unloading was carried out by the generally accepted method of antiorthostatic hanging of the rat by the tail. To study the effects of readaptation to the action of the reaction force of the support and axial loads in animals, gravitational unloading of the hind limbs was modeled. Spinal cord stimulation was performed in the area of localization of the motor centers of the studied muscles (L4-S1 segments). Magnetic stimulation (HU+MS, RD+MS groups) was performed with a magnetic stimulator, an 8-shaped inductor. Electrical stimulation (HU+ES, RD+ES groups) was performed through pre-implanted electrodes. Stimulation parameters: daily for 90 minutes in series of 10 minutes with an interval of 10 minutes; amplitude of stimuli - threshold for contraction of the leg muscles; frequency - 3 Hz.

After the expiration of the experimental conditions, the reflex (H) and motor (M) responses of SM and TA were recorded. The threshold of occurrence, maximum amplitude, latency, and duration of evoked potentials were determined. The ratio of the maximum amplitudes of the reflex and motor responses was calculated.

The analysis of H response parameters indicated an increase in the reflex excitability of rat calf motor neurons both during 7-day (for SM) and 35-day (for SM and TA) simulated microgravity. The recorded decrease in the maximum amplitude of the M-response of the SM after prolonged unloading indicated a decrease in the total number of motor units, the development of atrophic processes. Activation of spinal structures under conditions of short-term (7 days) simulated unloading prevented changes in the reflex excitability of spinal motor centers, however, did not exclude hypogravitation-determined transformations during long-term unloading (35 days).

Under the conditions of posthypogravitational readaptation after 7 days of unloading, the reflex excitability of the corresponding motor centers approached the control level by 1 day already. After 35 days of simulated microgravity during readaptation for 1 day, a decrease in the reflex excitability of motor neurons of the SM and TA was observed, then the excitability increased. An increase in the latency and duration of the recorded potentials was noted. The restoration of the morphofunctional state of the muscle after unloading is obviously accompanied by a sharp increase in peripheral afferentation, including from the muscles of antagonists, the motor neuron pools of which are connected by reciprocal relationships; reinnervation processes and, as a result, desynchronization of recruitment of motor units. Under the conditions of spinal cord stimulation during the readaptation period, no sharp changes in the reflex excitability of the motor centers were observed.

On the 1st day of readaptation, an increased level of activity of motor neuron pools remained, however, by the 3rd day of the readaptation period, these indicators approached the control level, and no significant changes were recorded at the next studied stages of readaptation. Also, under conditions of readaptation combined with spinal cord stimulation, no changes in the threshold, latency and duration of the M-response were recorded, and the amplitude of the motor potential was restored to control values already 3 days later.

We conclude that spinal cord stimulation can activate the processes of neuronal plasticity, promote the reactivation of existing and, possibly, the formation of new intraspinal locomotor circuits. Data on the effectiveness of spinal cord stimulation can be taken as a basis for developing a therapeutic protocol for neurorehabilitation of patients after impaired/limited motor function.

This work was part of Kazan Federal University Strategic Academic Leadership Program (PRIORITY-2030).