Автореферат и диссертация по медицине (14.00.32) на тему:Характеристики активности спинальных механизмов в условиях микрогравитации

М

На правах рукописи

Саенко Ирина Валерьевна

Характеристики активности спинальных механизмов в условиях микрогравитации

14.00.32. - авиационная, космическая и морская медицииа.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Москва 2007 г.

003069327

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем РАН

Научный руководитель

член-корреспондент РАН

доктор медицинских наук, профессор

Козловская Инеса Бенедиктовна

Официальные оппоненты

доктор медицинских наук Моруков Борис Владимирович

доктор медицинских наук, профессор Черникова Людмила Александровна

Ведущая организация

Институт физиологии им И П Павлова Российской академии наук

Защита диссертации состоится » мая 2007 года в /О"' часов на за-

седании диссертационного совета К 002.111.01. в Государственном научном центре РФ - Институте медико-биологических проблем РАН по адресу 123007, г Москва, Хорошевское шоссе, д 76а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН Автореферат разослан 3 » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук— ИП Пономарева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Исследования двигательной сферы в невесомости и моделирующих ее условиях, проведенные в предшествующие годы, показали, что обусловленный невесомостью двигательный синдром характеризуется наличием изменений во всех звеньях двигательной системы [Козловская И Б и др, 1984, Kozlovskaya IB et al, 1988, Edgerton V, 1996; Reschke M.F , Bloomberg J J., 1998, Selionov V #al, 1999,NagyE etal,2000,KormlovaLN.,2003,Григорьев А И, Козловская И Б и др , 2004] и выявили важную роль изменений сенсорного обеспечения движений в патогенезе обусловливаемых невесомостью моторных расстройств Быстрое развитие при переходе к микрогравитации атонии, атаксии, снижения скоростно-силовых свойств мышц и других составляющих "двигательного синдрома" невесомости свидетельствует о его рефлекторной природе

Одним из базисных исполнительных механизмов в системах управления позой и произвольными движениями является моносинаптический рефлекс на растяжение [ Allum J Н, et al, 1995, Chen НН. et al, 2003] Исследования характеристик сухожильных рефлексов и их безрецепторного аналога Н-рефлекса, выполненные в космических полетах и наземных модельных экспериментах, обнаружили их существенное изменение при переходе к микрогравитации Однако данные о направленности этих изменений весьма противоречивы российскими исследователями в полетах по параболе Кеплера было выявлено увеличение электромиографического ответа сухожильного рефлекса на участках невесомости [Черепахин М А , 1966] Аналогичное облегчение ответа было зарегистрировано у космонавтов после 3-5 суточных полетов на кораблях "Союз" [Какурин, Черепахин М А , Первушин В.И, 1970, 1971], а также в ходе полетов на американской станции "Скай-лаб" [Ross С Е. et al, 1973, Baker JT et al, 1977] В исследованиях, выполненных после длительных космических полетов, у большинства членов экипажей выявлялись признаки резкого облегчения в системе спинальных реф^

лекторных механизмов, проявлявшиеся существенным снижением порогов, увеличением амплитуды и расширением рефлексогенной зоны Ахиллова Т-рефлекса, а в некоторых случаях — появлением клонической активности [Kozlovskaya IВ et al., 1981], хотя в значительном числе случаев амплитуда рефлексов при наличии других признаков гиперрефлексии была, напротив, сниженной [Kozlovskaya IB et al, 1981] Однако, в ряде исследований, выполненных в 7-и суточных космических полетах с регистрацией рефлекторных ответов в тестах с лифтньми и позными возмущениями, наряду с выраженным послеполетным увеличением амплитуды Т-рефлекса или его безре-цепторного аналога Н-рефлекса, в ходе полета авторы отмечали отчетливое уменьшение амплитуды рефлекса [Reschke MF, et al, 1984, 1986, Watt D G.D et al., 198<?, Lambertz D. et al., 2003] Неоднозначные изменения параметров сухожильных рефлекторных ответов были обнаружены в разные фазы микрогравитационного воздействия в серии работ, выполненных ГНЦ РФ - ИМБП РАН [Козловская И.Б и др., 1983,1987]

Таким образом, представлялось важным исследовать особенности активности спинальных рефлекторных систем в условиях измененной гравитационной среды, поскольку это позволит подойти к пониманию их возможной роли в развитие двигательных нарушений в микрогравитации, к решению вопросов профилактики этих нарушений и имеет большую теоретическую важность в понимании механизмов сенсорного управления движениями Цель исследования

Изучить степень, направленность и динамику изменений спинальных рефлекторных механизмов в разные фазы микрогравитационного воздействия

Задачи исследования:

1 Исследовать параметры Ахиллова Т-рефлекса после длительных космических полетов

2. Исследовать влияние реальной невесомости на характеристики коленного сухожильного рефлекса

3. Количественно оценить изменения параметров сухожильных рефлексов в условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии

4 Исследовать динамику изменений параметров сухожильных рефлексов в условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии

5 Исследовать характеристики активности безрецепторного аналога сухожильных рефлексов - Н-рефлекса в условиях 7-ми суточной сухой иммерсии

Научная новизну

Результаты проведенных исследований позволили впервые количественно оценить изменения параметров сухожильных рефлексов в разные фазы микрогравитационного воздействия.

Впервые по лараметрам Т-рефлексов определена динамика изменений активности характеристик спинальных рефлекторных систем в длительных космических полетах и при наземных воздействиях, моделирующих физиологические эффекты невесомости

Проведенные исследования показали, что резкое облегчение в системе спинальных рефлекторных механизмов носит генерализованный характер, что подтверждается выявлением его признаков тсак в системе Ахиллова, так и в системе коленного рефлекса

Проведенный сравнительный анализ изменений показателей Т-рефлексов в длительных космических полетах и в наземных, моделирующих эффекты микрогравитации условиях, позволил выделить общие механизмы нарушений в спинальных рефлекторных системах, несмотря на различия в направленности изменений амплитудного параметра в разных фазах микрогравитационного воздействия

Научно-практическая значимость работы

Полученные в работе данные об особенностях активности спинальных рефлекторных систем в условиях микрогравитации углубляют представления о механизмах двигательных нарушений в этих условиях и могут быть использованы для разработки средств профилактики моторных расстройств в

разные периоды длительных космических полетов, в том числе - во время полета к Марсу.

Уровни стабильности показателей Т-рефлекса при повторных исследованиях позволят оценить динамику изменений параметров сухожильных рефлексов при различных патологических состояниях Основные положения, выносимые на защиту

1 Изменения в системе спинальных рефлекторных механизмов в условиях микрогравитации являются проявлением, как собственных центральных рефлекторных эффектов, так и периферических мышечных эффектов

2 В условиях микрогравитации снижение активности опорной сенсорной системы обусловливает изменения в деятельности спинальных рефлекторных систем не напрямую, а через ряд механизмов, включающих, прежде рсего снижение тонической активности Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации доложены на Международной конференции «Гипокинезия», 1997г, г Москва, Международной конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам, 1998г., г. Москва, XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 1998г, г Москва, Международной конференции «Моторный контроль», 1999г, 2000г., г Варна, Болгария, XVIII съезде Физиологического Общества им И П. Павлова, 2001 г, г Казань; XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 2002г, г Москва, Международном гравитационном симпозиуме, 2005г, т Кельн, Германия; Международном гравитационном симпозиуме, 2007г, г Сан Антонио, США

Диссертация .апробирована на заседания секции "Космическая медицина" Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН, 18 апреля 2007 г (Протокол № 4). По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания методов исследования,

4-х глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы Список литературы включает 232 работ, из них 57 отечественных и 175 - зарубежных авторов Материал диссертации иллюстрирован 18 рисунками и 15 таблицами

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследования

Объем экспериментального материала. Влияние микрогравитации на характеристики активности спинальных механизмов исследовали по параметрам сухожильных рефлексов и их безрецепторного аналога - Н-рефлекса - в условиях реальной и моделируемой невесомости - 120- суточной антиортостатической гипокинезиях (АНОГ) и 7-ми суточной сухой иммерсии (СИ) В исследованиях приняли участие 25 космонавтов и 13 здоровых добровольцев Длительность воздействий, количество обследованных лиц и циклограмма исследований представлены в Табл 1 Таблица 1

Структура и объем экспериментального материала

Воздействие Длительность Исследование Испытуемые п

Космические полеты 125-365 сут Ахиллов Т-рефлекс мужчины 19

Космические полеты 125-182 сут коленный Т-рефлекс мужчины 6

АНОГ 120 сут АхилловТ-рефлекс коленный Т-рефлекс мужчины 5 5

Сухая иммерсия 7 сут Н-рефлексш Бо1еш мужчины 8

В соответствии с Хельсинкской декларацией и нормами международного права все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере и возможных неблагоприятных последствиях экспериментальных воздействий и дали письменное согласие на участие в экспериментах Про-

граммы экспериментов были одобрены Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ — ИМБП РАН.

Процедуры исследований. Рефлексы m soleus и m rectus femoris вызывали тарированными механическими ударами по Ахиллову сухожилию и по пателлярной связке соответственно.

Исследования характеристик рефлексов проводили в строго стандартных условиях. До начала тестирования у испытуемых замеряли длину бедра и голени Затем выставлялась необходимая длина ударного устройства, которая фиксировалась в протоколе. Таким образом, обеспечивалось стандартное положение раздражающего молоточка и постоянная зона раздражения сухожилия В начале тестирования определяли порог рефлекса Для чего наносили серию ударов по сухожилию малых интенсивностей в диапазоне отведения ударного устройства от 0-2 уел уд. с шагом 0 1 уел ед с интервалом не менее 10 сек Минимальная величина отведения рычага, при которой возникал электромиографический ответ, считалась порогом рефлексов Затем в случайном порядке с интервалом не менее 10 сек наносились стандартные механические раздражения различной интенсивности Процедура тестирования повторялась дважды

Исследования характеристик Н-рефлекса ш soleus проводили в строго стандартных услрвиях Процедура тестирования проводилась в положении испытуемого лежа на животе с вытянутыми ногами и свободно свисающими с края кушетки стопами Во избежание растяжения мышц под голеностопный сустав подкладывался валик так, чтобы голень была согнута на 20-30 градусов Для получения кривой вовлечения Н-рефлекса наносили электрическое раздражение на болынеберцовый нерв, начиная с минимального порогового уровня Электрическое раздражение проводилось униполярным способом стимуляции Активный электрод располагался в подколенной ямке на уровне складки сгиба на вредней линии, референтный — на противоположной стороне конечности (надколеннике) Стимуляции нерва осуществлялась прямоугольными импульсами длительностью 0,1 мс с интервалами не менее 10 с Этого времени достаточно для полного восстановления исходной рефлекторной возбудимости-спинальных мотонейронов, тем самым обеспечивается по-

стоянство амплитуды многократно вызываемых Н-рефлексов При получении удовлетворительного, с точки зрения качества, сигнала переходили к записи следующего, увеличив уровень стимула на определенный дискрет (30% от порогового стимула) до прекращения прироста амплитуды моторного ответа

Используел^ая аппаратура. Для регистрации электромиографических сигналов (ЭМГ) использовали 2 типа усилителей. В наземных экспериментах это был 4-х кабальный миограф "Медикор" с полосой пропускания от 0 2 Гц до 10 кГц Прибор обладал широкой полосой чувствительности от 0 1 мв до 10 мв В космических полетах электромиографический усилитель, являвшийся составной частью комплекса "DATAMIR", по техническим характеристикам был близок к миографу "Медикор"

Для обеспечения положения конечности со стандартными углами в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах тестируемой ноги, как в наземных экспериментах, так и в полетах использовалась металлическая конструкция, состоящая из ложемента и ударного устройства (рычага), воспроизводящего с помощью пружины удары по сухожилию Сила удара определялась величиной напряжения пружины при отведении ударного устройства на 1-54 угловых градусов Линейность нарастания силы раздражения при увеличении отведения рычага была определена при воспроизведении ударов по пластине с тензодатчиком.

Для стимуляции болынеберцового нерва использовали блок электростимулятора на базе миографа "Медикор" Электростимулятор позволял генерировать стимулы в ручном и импульсном режимах, регулировка амплитуды по-канально составляла от 1В до 150 В

Регистрация данных осуществлялась с частота 5КГц Регистрируемые и анализируемые параметры. При проведении исследований региртрировали электромиографические ответы m soleus и m rectus femoris и величины механических и электрических стимулов

ЭМГ регистрировали поверхностными хлорсеребряными электродами диаметром 10 мм, с межэлектродным расстоянием 20 мм Электроды располагали в проекции мышечного брюшка соответствующей мышцы

Величину механических стимулов регистрировали с помощью потенциометра, располрженного в барабане ударного устройства

В ходе обработки данных анализировали временные и амплитудные параметры, а именно

1 Латентный период рефлекса - время от начала стимула до первого (негативного или позитивного) отклонения рефлекторной волны

2 Длительность - от начала первого (негативного или позитивного) отклонения до полного возврата рефлекторной волны к изолинии

3. Максимальная амплитуда рефлекса - величина рефлекса от максимального позитивного пика до максимального негативного пика.

4. Величина порога рефлекторного ответа — минимальное значение интенсивности стимула, при котором возникает электромиографический ответ.

Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Вю81а1 [Гланц С , 1999] Критический уровень достоверности принимали за 0,05

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Характеристики сухожильных рефлексов после длительных космических полетов

До полета при одиночном раздражении возникал четко организованный двухволновый электромиографический ответ, амплитуда которого варьировала у разные обследуемых, при минимальной силе удара от 30 мкв до 500 мкв, а при максимальной от 120 мкв до 1200 мкв

Отличительной чертой полученных после длительных космических полетов данных было неоднозначное изменение амплитуды рефлекторных ответов Поэтому все обследуемые были разделены на 3 группы в группе А у космонавтов отмечалось выраженное увеличение амплитуды рефлекторных ответов, в группе Б у космонавтов отмечалось увеличение максимальной амплитуды умеренное, в группе В у космонавтов наблюдалось снижение амплитуды рефлексов (Рис 1)

А

ш

г 6

Л} Ш

3 2 5 х а

л и я .

и

5

Я

гл

*3 суши после полета

10 сутки после полета

о <и -

з 2 = 5

II

= Д

и 5

I е-

31

с 2

5 4

3 -2

"3 сутки после полета

10 сутки после попета

'3 С)тки поспе попета 1С сулеи после полета

-о >

Б СП

I 1

Я л

V о

1 ¡Г

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Рисунок 5. Максимальная амплитуда рефлекторных ответов после длительных космических полетов (коментарии в тексте).

достоверные изменения при уровне значимости р<0.05

Как показано на Рис. ! на 3 сутки после полета в группе А максимальная амплитуда достоверно возросла до 3,68+1,16 мв (р<0,05), варьируя по группе от 2,87 мв до 5,7) мв. Картина изменений параметров сухожильных рефлек-

11

сов у обследуемых в группе Б была несколько менее выраженной На 3 сутки после полета в среднем по группе величина максимальной амплитуды рефлекторных ответов m. soleus составляла l,66i0,26 мв (р<0,05), варьируя индивидуально от 1?38 до 1,99 мв

Совсем другая картина изменений наблюдалась у космонавтов в группе В Средняя величина ответов на максимальный стимул на 3 сутки после полета в этой группе была снижена, составляя 0,68±0,28 мв Даже на 10 сутки после полета максимальная амплитуда рефлексов оставалась ниже контрольного значения — 0,84±0,32 мв Наличие отчетливо и достоверно проявляющихся изменений разной направленности после длительных полетов указывало на возможность существования комплекса факторов, определяющих, в конечном счете, исследуемую характеристику К ним прежде всего могут быть отнесены а) исходная (фоновая) амплитуда рефлекса, измененная неконтролируемой деятельностью космонавта в день предполетного обследования, б) уровень и виды используемых космонавтом в ходе полета профилактических нагрузок [Kozlovskaya IB., Stepantzov V.l., 1995; Kozlovskaya IВ , 2002], в) состояние мышечного аппарата (т е. выраженность или, напротив невыраженность атрофии), [Шенкман Б.С, 1997,1999, Fitts R Н, 2001]; г) режим активности космонавта после полета, что определяет индивидуальные особенности развития реадаптивных процессов [Komilova L N, 1997]

Характеристики сухожильных рефлексов в условиях длительных космических полетов

Несмотря на то, что ведение экспериментов в космических полетах имеет ряд особенностей, и циклограмма исследований не была стандартной, полученные результаты позволили выделить две фазы изменений электромиографической амплитуды рефлекса В первую фазу полета было зарегистрировано драматическое снижение амплитуды рефлекторных ответов (Табл 2)

Таблица 2

Изменение максимальной амплитуды сухожильного рефлекса m rectus femoris, мв в длительных космических полетах

Иссле-

дование Испы- Фок 5 сутки 9 сутки 17 сутки 60 сутки 90 сутки 130 сутки

туемый

УЮВ 0 41±0 09 - - 3 84±0 48 0 20±0 05 0 63±0 26 0 09±0 04

МЮИ 4 74±1.62 1 60±0 24 - - 9 45±2 65 7 19±1 41 -

МТА 4 21±1.37 0 16±0 09 - - 1 №0 73 0 84±0 48 -

ВАС 2 70±0 64 - 1 46±0 75 - 4 25±0 36 - 4 72±3 39

ПОП 0 3й±0 12 - - 1 №0 57 - 269±1 37 -

АСВ 2 06±1 07 - - 104±0 32 566±203 1 15±0 31 -

Однако, несмотря на снижение амплитуды рефлексов, в этот период отчетливо проявляйся феномен клонической активности- на одиночное раздражение в популяции ответов вместо одной регистрировались две, три рефлекторные вспышки убывающей амплитуды и длительности с интервалами 150200 мс, что указывало на повышении возбудимости в системе сухожильных рефлексов (Рис.2)

Космонавт МТА

- - 5 сутки полета

0 12 3 4

число вспышек

Космонавт МЮИ

—♦—до и после

полета —а—60 сутки полета

100 i

S* 80-

А 90 сутки полета

5 S 60-

с *

-20

0

1

2

3

4

число вспышек

Рисунок 2 Изменение числа электромиографических вспышек на одиночное раздражение

Можно предположить, что отчетливая тенденция к снижению амплитуды рефлекторных ответов, может быть результатом влияния перефериче-ского фактора, а именно, резкой атонии мышцы [Kozlovskaya IB et al, 1988; Canon F et al, 1998; Popov D.V et al, 2003, Miller T F, 2005], не позволяющей осуществить достаточное растяжение сухожилия при нанесении раздражения Тогда как проявления клонической активности может бьггь результатом частичной гипоафферентации мотонейронного пула, маскируемой периферическими мышечными эффектами, связанной со снижением проприоцеп-тивного притока В условиях снижения или устранения поступления афферентной стимуляции к мотонейрону, происходит деафферентация самого нейрона [Gutmann Е, Hnik Р, 1962; Герасименко Ю П, 2000], которая приводит к повышенной возбудимости нейрона или отдельных его участков [Brooks V В et al, 1957; Burke R.E, 1970]

После первичного снижения во вторую фазу изменений амплитуда ответа нарастала, достигая к 60-130 суткам полета величины, в 2-9 раз превышающей контрольные значения (Табл.2), при этом амплитуда отдельных вспышек составляла 10 709 мв - 11 128 мв Известно, что основной объем профилактических мероприятий в условиях космического полета выполняется, начиная с 30 суток пребывания на борту [Kozlovskaya I.B , Barmin V А, 1990] По-видимому, устраняя после 30 суток полета периферические мы-

шечные эффекты методами профилактики, вновь реализуются в полном объеме центральные, рефлекторные эффекты

Характеристики сухожильных рефлексов m. soleus и т. rectus femoris в 120-суточнон аитиортостатической гипокинезии

Направленность изменений характеристик сухожильных рефлексов m soleus и m rectus iemoris в условиях 120-суточной АНОГ была одинаковой Не нарушая структуру электромиографического ответа, АНОГ существенно нарушал все исследуемые параметры. Изменения максимальной амплитуды рефлексов отмечалось, начиная с первых дней гипокинезии (Рис 3 А-Б) Динамика изменений выявляла отчетливую двухфазность с максимумом первой фазы на 15-30 сутки гипокинезии Величина максимальной амплитуды m soleus достигала набольшего значения на 30 сутки АНОГ - 6 90+0 96 мв (р<0 05), ш rectus femoris на 15 сутки, достигая 3.45±1 30 мв (р<0,05) В последующем отмечалось снижение величины рефлексов, продолжавшееся до конца гипокинезии

А

до 2 5 15 30 60 90 120 после АНОГ АНОГ

сутки АНОГ

Б

n 5 " = 4.5 -

ef 4 -

5 35 -в 3 -

о 25 -

f

ДО 2 АНОГ

Рисунок 3. Значения максимальных амплитуд рефлекторных ответов (А) ш soleus и (Б) m rectas femoris до, в ходе и после 120-суточной АНОГ. *-достоверные изменения при уровне значимости р<0 05

Эти результаты подтверждают выдвинутое предположение о роли периферического фактора в изменениях амплитудных параметров сухожильных рефлексов Цо данным Гевлича Г.Н {1984] в АНОГ жесткость снижалась существенно медленнее, время развития процесса исчислялось не часами, а днями- максимальные величины снижения, составлявшие в среднем 3040%, достигались, как правило, в интервале между 14 и 30 сутками Поэтому в первой фазе воздействия мы, по-видимому, наблюдаем проявления гиперрефлексии, как одной из выражений частичной гипоафферентации мотонейронного пула, связанной со снижением проприоцептивного притока, закономерным следствием которой является существенное повышение чувствительности деафф^рентированных мотонейронов к стимулам, адресующимся как к своим, так и к "чужим" системам [Кеннот Роземблют, 1964] и не замаскированной периферическими мышечными нарушениями При общем повышении возбудимости в системе сухожильных рефлексов отчетливая тенденция к снижению амплитуды рефлекторных ответов, выявляющаяся начиная с 30 суток АНОГ, может быть результатом мышечной атрофии, уменьшающей число вовлекаемых в реакцию мышечных волокон, а также, метаболических изменений в постуральных мышцах голени и бедра, снижения их сократительных свойств,/етруктурных изменений нейромышечных синапсов, изменений свойств мышечных мембран и электросократительного сопряжения

[Ильина-Какуева Е.И., 1979; Григорьева J1.C., Козловская И.Б., 1987; Shenk-man B.S., 1998].

Увеличение амплитуды рефлекторных ответов сопровождалось резким снижением их порогов. На вторые сутки АНОГ значения пороговых величин в среднем по группе были ниже фоновых и составляли для ответов m, soieus 9±2 усл.ед. {вместо 22+1,87 усл.ед. в фоне), а для ответов ш.rectus femoris П±1.73 уел, ед. (против 27.6+1.82 усл.ед. в контроле). Наименьшего значения пороги достигали к 60 суткам гипокинезии — 7.8+2.17 усл.ед. R целом динамика изменений порогов рефлекторных ответов носила монофазный характер с максимальной выраженностью изменений на 60 сутки воздействия

(Рис. 4 А-Б).

А

30 -

2S

20

0 я 1S -

1 3

а 10

ДО

Л

L

JL- * + #

_L — Т

■

JL

15

30

60

90

120 после

120 после АНОГ

сутки АНОГ

Рисунок 4, Средние значения порогов рефлекторных ответов (A) m. soieus и (Б) т. rectus femoris до, в ходе и после (20-суточной АНОГ. *-достоверные изменения при уровне значимости р<0.05

Величины латентного периода и длительности рефлекторных ответов были более стабильны Увеличение этих параметров происходило относительно плавно* монотонно возрастали на протяжении всего воздействия с небольшими колебаниями в сторону снижения на 30 и 90 сутки АНОГ К концу гипокинезии, на 120 сутки, достоверное увеличение длительности ответов и их латентного периода отмечалось у всех испытуемых, при этом для ответов m soleus среднее значение длительности составляло 19 01 ±5 15 мс (р<0 05) по сравнению с 13 90±1 73 мс в контроле, а латентного периода - 42 35±9 79 мс (р<0 05) по сравнению с 32 16+3.07 мс в фоне, а для ответов m rectus femons - 30 56±6 23 мс (р<0 05) по сравнению с 21 87±4 51 мс в контроле, а латентного периода - 33 88±8 74 мс (р<0 05) по сравнению с 24 33+3 69 мс в фоне

Характеристики Н-рефлекса m. soleus в 7-ми суточной сухой иммерсии

Пребывание в условиях 7-ми суточной сухой иммерсии сопровождается развитием признаков гиперсензитивности в системе Н-рефлекса, что проявляется выраженным снижением порогов Н-ответов, увеличением относительной амплитуды Н-рефлекса (отношения Н-ответов к прямым мышечным - Ншах/Мшах в %, которое отражает относительную долю рефлекторно возбужденных мотоцейронов из общего их числа в данной мышце) В первые сутки иммерсии значения порогов Н-рефлекса в среднем по группе были ниже фоновых и составляли для ответов m soleus 27±2,6 В (вместо 31,25+3,6 В в фоне) Наименьшего значения пороги достигали к 6 суткам СИ — 22,31±2 4,66 уел ед На 6 сутки иммерсии величина отношения Ншах/Мшах составило 70,42±15,09% против 47,32±17,56% в фоне, что указывало на резко возросшую возбудимость в мотонейронах, иннервирующих m soleus (Рис. 5)

Рисунок 5 Величина относительной максимальной амплитуды Н-рефлекса, выраженная отношением Нмах/Ммах в % в условиях 7-ми суточной сухой иммерсии

Не маловажным является тот факт, что сухая иммерсия как модель невесомости достаточно близко воспроизводит эффект безопорности, присущего реальной невесомости В работах IВ Kozlovskaya et al., 2004, 2006 была показана прямая роль опорной афферентации в контроле структурно-функциональной организации тонической мышечной системы В серии экспериментов было установлено, что опорная афферентация выполняет роль триггера в системе позно-тонических реакций, облегчая (при наличии опоры) или тормозя (при jta отсутствии) включение тонических ДЕ [Киренская А В , 1987] В условиях безопорности уменьшается поперечная жесткость мышц-экстензоров [D V /Popov et al, 2003; Т. Miller et al, 2005] Эти данные позволили заключить, что дезактивация (или резкое снижение активности) системы тонического мышечного контроля в свою очередь может инициировать цепь сдвигов в состоянии мышечных афферентов и мотонейронного пула Картина исключения из (или уменьшения доли участия) мышечной деятельности тонических антигравитационных мышечных волокон неизбежно включает, атонию, снижение абсолютной силы мышц - тем

19

включает: атонию, снижение абсолютной силы мышц - тем больше, чем большее число тонических волокон содержит данная мышца, снижение плотности проприоцептивного притока, что способствует развитию признаков частичной де^ффрентации, в том числе гиперсенситивности и гиперрефлексии

ВЫВОДЫ

1 В условиях реальной, так и моделируемой микрогравитации развивается выраженная гипресензитивность спинальных рефлекторных механизмов, что проявляется, прежде всего, существенным снижением порогов рефлекторных ответов, увеличением скорости нарастания амплитуды рефлекторных ответов, выраженным увеличением их абсолютной и нормированной по прямому мышечному ответу амплитуд, а также появлением клонической активности.

2. Развитие нарушений в системе сухожильного рефлекса в условиях микрогравитации обусловлено изменениями функций двух ведущих сенсорных систем - опорной и проприоцеггшвной- дефицит опорных нагрузок является триггером в дезактивации (или резким снижением активности) системы тонического мышечного контроля. Картина исключения из (или уменьшения доли участия) мышечной деятельности тонических антигравитационных мышечных волокон инициирует снижение плотности проприоцептивного притока, что способствует развитию признаков частичной деаффрентации, и как следствие, гиперрефлексии

3 Динамика изменений рефлекторных ответов в длительных космических полетах характеризуется наличием двух фаз Фаза ранних изменений (до 30 суток), в которую амплитуда сухожильного рефлекса резко снижается, связана со снижением мышечного тонуса. Тенденция к формированию клонической активности обусловлена развитием частичной деафферентации мотонейронного пуда, маскируемой периферическими мышечными эффектами. Главной чертой фазы поздней адаптации является выраженное нарастание амплитуды рефлекса, достигавшей к 60-130 суткам полета величины в 2-9 раз превышающих контрольные значения, что обусловлено видами и объе-

мом профилактических мероприятий, используемых космонавтами в данный период полета

4. После длительных космических полетов изменения амплитуды сухожильного рефлекса носят разнонаправленный характер, позволяя выделить три четко очерченные группы В первой группе наблюдается выраженное увеличение амплитуды рефлекторных ответов, во второй группе обнаружено умеренное увеличение максимальной амплитуды; в третьей группе зарегистрировано снижение амплитуды рефлексов

5. В условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии развивается гиперрефлексия в системах Ахиллова и коленного рефлексов, что проявляется, прежде всего резким снижением порогов рефлекторных ответов, увеличением /скорости нарастания амплитуды рефлексов, увеличением их максимальной амплитуды Эти изменения выявляются как в системе Ахиллова рефлекса, так и в системе рефлекса коленного, что свидетельствует об универсальности их развития в условиях микрогравитации

6 В условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии установлена двухфазная динамика изменений амплитудных характеристик сухожильных рефлексу- в первую фазу, (первые 30 суток), увеличение максимальной амплитуды рефлексов связано с дезактивацией (или резким снижением активности) системы тонического мышечного контроля, что способствует развитию признаков частичной деаффрентации, снижение амплитуды рефлекторных ответов во второй фазе, связано с развитием атрофических процессов в мышечном аппарате. Пороги рефлекторных ответов как Ахиллова Т-рефлекса, так и рефлекса коленного снижаются на всем протяжении воздействия, достигая максимальной выраженности изменений на 60 сутки антиортостатической гипокинезии.

7. Пребывание в условиях 7-ми суточной сухой иммерсии также сопровождается развитием признаков гиперсензитивности в спинальных рефлекторных механизмах, что проявляется значительным снижением порогов Н-ответов, увеличение их абсолютной и нормированной по прямому мышечному ответу амплитуд

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Влияние длительной гипокинезии на состояние спинальных механизмов Тезисы докладов Международной конференции «Гипокинезия». Москва 1997 - 60 (соавт Саенко Д Г., Шестаков М П, Иванов А.М)

2. Readaptatiori of the human motor system after a bed rest. Тезисы докладов Международной конференции «Гипокинезия» Москва. 1997 -С 65 (et Ruegg D., Sayenko Д, Kakebeeke Т., Shestakov M., Kozlovskaya I, Studer L.)

3. Влияние 120-суточной гипокинезии на состояние спинальных механизмов. Тезисы докладов Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Москва 1998 — С 25 (соавт. Саенко Д.Г, Шестаков М П, Иванов AM)

4 Сравнительный анализ изменений состояния спинальных механизмов в условиях реальной и модулируемой. Тезисы докладов XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине. Москва. 1998 - С 180-181 (соавт Бергер М, Саенко Д.Г, Иванов AM, Шестаков МП)

5 The effect of 120-day antiorthostatic bed-rest on the characteristics of tendon reflexes In books "From basic Motor Control to Functional Recovery", Academic Publishing House, Edit: N Gantchev & GN Gantchev Sofia. 1999 p 235-238 (et Sayenko D, Kozlovskaya 1)

6 Влияние 120-суточной антиортостатической гипокинезии на характеристики сухожильных рефлексов Авиакосмическая и экологическая медицина Т 34, №4, 2000 - С 13-18 (соавт Саенко ДГ, Козловская ИБ)

7 Comparative analysis of the stretch reflexes characteristics m human under conditions of real £ind simulated imcrogravity Abstracts of IX International Symposium on Motor Control Varna, Bulgria 2000 - p 42 (et Sayenko D)

8 Роль фактора проприоцептивной депривации в развитии гипогравита-ционной гиперрефлексии. Тезисы доклада XVIII съезда Физиологиче-

ского Общества им ИП Павлова Казань 2001 -С 570-571 (соавт Саенко Д Г ),

9 Изменение сократительных и рефлекторных ответов скелетных мышц у человека в условиях микрогравитации и с применением низкочастотной электростимуляционной тренировки Тезисы докладов XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине Москва 2002 -С 184 (соавт Коряк Ю А , Козловская И Б , Грачев В А , Майер В , Рафорт Д, Фрайленгер Г, Падалка Г И, Авдеев С В )

10 Развитие гипогравитационной гиперрефлексии в условиях длительной гипокинезии без профилактики и с применением профилактического нагрузочного костюма «Пингвин» Тезисы докладов XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине Москва 2002 — С 301 ( соавт Саенко Д Г , Иванов AM)

И Simulated support as a countermeasure against motor disorders during hypokinesia Тезисы доклада на 2-ом Международном практическом конгрессе "Достижения космической медицины в практику здравоохранения и промышленность" Берлин-Адлерсхоф 2003 - С 28 (et Vinogra-dova О , Sayenko D, Popov D, Fokin К, KozlovskayaT)

12 The method of mechanic stimulation of the support zones as a way to mam-tain activity of the tonic muscular system during functional support deprivation In book "Motor Control" Academic Publishing House, Edit N Gantchev & GN Gantchev. Sofia 2005 - p 200-207 <et Miller T, Ivanov O , Galanov D , Guekht A )

13 Effect of artificial stimulation of foot support zones under support withdrawal conditions on characteristics of m soleus H-reflex Abstracts of Gravitational Physiology Symposium 2005 -p 34 (et Miller T, Kozlovskaya I.)

14 New approaches to countermeasures of the negative effects ofmicrogravity in long-term space flights Acta Astronáutica 2006 59 -p 13-19 (et Kozlovskaya I, Vipogradova О, Miller Т., Khusnutdmova D, Melnik К, Yarmanova E.)

Заказ № 547. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз

Отпечатано в ООО «Петроруш». I. Москва, ул Палиха-2а, тел. 250-92-06 www postator.ru

Исследования двигательной сферы в невесомости и моделирующих ее условиях, проведенные в предшествующие годы, показали, что обусловленный невесомостью двигательный синдром характеризуется наличием изменений во всех звеньях двигательной системы [Козловская И.Б. и др., 1984; Kozlovskaya I.B. et al., 1988; Edgerton V.R., 1996; Reschke M.F., Bloomberg J.J., 1998; Selionov V. et al., 1999; Nagy E. et al., 2000; Kornilova L.N., 2003; Григорьев А.И., Козловская И.Б. и др., 2004] и выявили важную роль изменений сенсорного обеспечения движений в патогенезе обусловливаемых невесомостью моторных расстройств. Быстрое развитие при переходе к микрогравитации атонии, атаксии, снижения скоростно-силовых свойств мышц и других составляющих "двигательного синдрома" невесомости свидетельствует о его рефлекторной природе.

Одним из базисных исполнительных механизмов в системах управления позой и произвольными движениями является моносинаптический рефлекс на растяжение [Allum J.H. et al., 1995; Chen H.H. et al., 2003]. Исследования характеристик сухожильных рефлексов и их безрецепторного аналога Н-рефлекса, выполненные в космических полетах и наземных модельных экспериментах, обнаружили их существенное изменение при переходе к микрогравитации. Однако данные о направленности этих изменений весьма противоречивы. Российскими исследователями в полетах по параболе Кеплера было выявлено увеличение электромиографического ответа сухожильного рефлекса на участках невесомости [Черепахин М.А., 1970]. Аналогичное облегчение ответа было зарегистрировано у космонавтов после 3-5 суточных полетов на кораблях "Союз" [Черепахин М.А., Первушин В.И., 1970], а также в ходе полетов на американской станции "Скайлаб" [Ross С.Е. et al., 1973; Baker J.T. et al., 1977]. В исследованиях, выполненных после длительных космических полетов, у большинства членов экипажей выявлялись признаки резкого облегчения в системе спинальных рефлекторных механизмов, проявлявшиеся существенным снижением порогов, увеличением амплитуды и расширением рефлексогенной зоны Ахиллова Т-рефлекса, а в некоторых случаях - появлением клониче-ской активности [Kozlovskaya I.B. et al., 1981], хотя в значительном числе случаев амплитуда рефлексов при наличии других признаков гиперрефлексии была, напротив, сниженной [Kozlovskaya I.B. et al., 1986]. В ряде исследований, выполненных в 7-и суточных космических полетах с регистрацией рефлекторных ответов в тестах с лифтными и позными возмущениями, наряду с выраженным послеполетным увеличением амплитуды Т-рефлекса или его безрецепторного аналога Н-рефлекса, в ходе полета авторы отмечали отчетливое уменьшение амплитуды рефлекса [Reschke M.F. et al., 1984, 1986; Watt D.G.D et al., 1986; Lambertz D. et al., 2003]. Неоднозначные изменения параметров сухожильных рефлекторных ответов были обнаружены в разные фазы микрогравитационного воздействия в серии работ, выполненных ГНЦ РФ - ИМБП РАН [Козловская И.Б. и др., 1983, 1987].

Таким образом, представлялось важным исследовать особенности активности спинальных рефлекторных систем в условиях измененной гравитационной среды, поскольку это позволит подойти к пониманию их возможной роли в развитии двигательных нарушений в микрогравитации, к решению вопросов профилактики этих нарушений и имеет большую теоретическую важность в понимании механизмов сенсорного управления движениями.

Цель исследования

Изучить степень, направленность и динамику изменений спинальных рефлекторных механизмов в разные фазы микрогравитационного воздействия.

Задачи исследования

1. Исследовать параметры Ахиллова Т-рефлекса после длительных космических полетов.

2. Исследовать влияние реальной невесомости на характеристики коленного сухожильного рефлекса.

3. Количественно оценить изменения параметров сухожильных рефлексов в условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии.

4. Исследовать динамику изменений параметров сухожильных рефлексов в условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии.

5. Исследовать характеристики активности безрецепторного аналога сухожильных рефлексов - Н-рефлекса в условиях 7-ми суточной сухой иммерсии.

Научная новизна

Результаты проведенных исследований позволили впервые количественно оценить изменения параметров сухожильных рефлексов в разные фазы микрогравитационного воздействия.

Впервые по параметрам Т-рефлексов определена динамика изменений активности характеристик спинальных рефлекторных систем в длительных космических полетах и при наземных воздействиях, моделирующих физиологические эффекты невесомости.

Проведенные исследования показали, что резкое облегчение в системе спинальных рефлекторных механизмов носит генерализованный характер, что подтверждается выявлением его признаков как в системе Ахиллова, так и в системе коленного рефлекса.

Проведенный сравнительный анализ изменений показателей Т-рефлексов в длительных космических полетах и в наземных, моделирующих эффекты микрогравитации условиях, позволил выделить общие механизмы нарушений в спинальных рефлекторных системах, несмотря на различия в направленности изменений амплитудного параметра в разных фазах микрогравитационного воздействия.

Научно-практическая значимость работы

Полученные в работе данные об особенностях активности спинальных рефлекторных систем в условиях микрогравитации углубляют представления о механизмах двигательных нарушений в этих условиях и могут быть использованы для разработки средств профилактики моторных расстройств в разные периоды длительных космических полетов, в том числе - во время полета к Марсу.

Уровни стабильности показателей Т-рефлекса при повторных исследованиях позволят оценить динамику изменений параметров сухожильных рефлексов при различных патологических состояниях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Изменения в системе спинальных рефлекторных механизмов в условиях микрогравитации являются проявлением, как собственных центральных рефлекторных эффектов, так и периферических мышечных эффектов.

2. В условиях микрогравитации снижение активности опорной сенсорной системы обусловливает изменения в деятельности спинальных рефлекторных систем не напрямую, а через ряд механизмов, включающих, прежде всего снижение тонической активности.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации доложены на Международной конференции «Гипокинезия», 1997г., г. Москва; Международной конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам, 1998г., г. Москва; XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 1998г, г. Москва; Международной конференции «Моторный контроль», 1999г., 2000г., г. Варна, Болгария; XVIII съезде Физиологического Общества им. И.П. Павлова, 2001г., г. Казань; XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 2002г., г. Москва; Международном гравитационном симпозиуме, 2005г., г. Кельн, Германия; Международном гравитационном симпозиуме, 2007г., г. Сан Антонио, США.

Диссертация апробирована на заседания секции "Космическая медицина" Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН, 18 апреля 2007 г. (Протокол №4).

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания методов исследования, 4-х глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Список литературы включает 232 работ, из них 57 отечественных и 175 - зарубежных авторов. Материал диссертации иллюстрирован 18 рисунками и 15 таблицами.

ВЫВОДЫ

1. В условиях реальной, так и моделируемой микрогравитации развивается выраженная гипресензитивность спинальных рефлекторных механизмов, что проявляется, прежде всего, существенным снижением порогов рефлекторных ответов, увеличением скорости нарастания амплитуды рефлекторных ответов, выраженным увеличением их абсолютной и нормированной по прямому мышечному ответу амплитуд, а также появлением клонической активности.

2. Развитие нарушений в системе сухожильного рефлекса в условиях микрогравитации обусловлено изменениями функций двух ведущих сенсорных систем - опорной и проприоцептивной: дефицит опорных нагрузок является триггером в дезактивации (или резким снижением активности) системы тонического мышечного контроля. Картина исключения из (или уменьшения доли участия) мышечной деятельности тонических антигравитационных мышечных волокон инициирует снижение плотности про-приоцептивного притока, что способствует развитию признаков частичной деаффрентации, и как следствие, гиперрефлексии.

3. Динамика изменений рефлекторных ответов в длительных космических полетах характеризуется наличием двух фаз. Фаза ранних изменений (до 30 суток), в которую амплитуда сухожильного рефлекса резко снижается, связана со снижением мышечного тонуса. Тенденция к формированию клонической активности обусловлена развитием частичной де-афферентации мотонейронного пула, маскируемой периферическими мышечными эффектами. Главной чертой фазы поздней адаптации является выраженное нарастание амплитуды рефлекса, достигавшей к 60-130 суткам полета величины в 2-9 раз превышающих контрольные значения, что обусловлено видами и объемом профилактических мероприятий, используемых космонавтами в данный период полета.

4. После длительных космических полетов изменения амплитуды сухожильного рефлекса носят разнонаправленный характер, позволяя выделить три четко очерченные группы. В первой группе наблюдается выраженное увеличение амплитуды рефлекторных ответов; во второй группе обнаружено умеренное увеличение максимальной амплитуды; в третьей группе зарегистрировано снижение амплитуды рефлексов.

5. В условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии развивается гиперрефлексия в системах Ахиллова и коленного рефлексов, что проявляется, прежде всего: резким снижением порогов рефлекторных ответов, увеличением скорости нарастания амплитуды рефлексов, увеличением их максимальной амплитуды. Эти изменения выявляются как в системе Ахиллова рефлекса, так и в системе рефлекса коленного, что свидетельствует об универсальности их развития в условиях микрогравитации.

6. В условиях 120-суточной антиортостатической гипокинезии установлена двухфазная динамика изменений амплитудных характеристик сухожильных рефлексов: в первую фазу, (первые 30 суток), увеличение максимальной амплитуды рефлексов связано с дезактивацией (или резким снижением активности) системы тонического мышечного контроля, что способствует развитию признаков частичной деаффрентации; снижение амплитуды рефлекторных ответов во второй фазе, связано с развитием ат-рофических процессов в мышечном аппарате. Пороги рефлекторных ответов как Ахиллова Т-рефлекса, так и рефлекса коленного снижаются на всем протяжении воздействия, достигая максимальной выраженности изменений на 60 сутки антиортостатической гипокинезии.

7. Пребывание в условиях 7-ми суточной сухой иммерсии также сопровождается развитием признаков гиперсензитивности в спинальных рефлекторных механизмах, что проявляется значительным снижением порогов Н-ответов, увеличение их абсолютной и нормированной по прямому мышечному ответу амплитуд.