ВЛИЯНИЕ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМИОСТИМУЛЯЦИОННОЙ ТРЕНИРОВКИ НА ФУНКЦИЮ И АРХИТЕКТУРУ МЫШЦ ЧЕЛОВЕКА

В ходе эволюции функции и системы организма всего живого развивались в условиях гравитационных сил Земли. Физическая нагрузка, в том числе и гравитационная, необходима для сохранения размера и силы мышц у человека [5, 31]. Условия микрогравитации сопровождаются снижением сократительных свойств мышц и активности тонической мускулатуры [13, 31 32]. Наибольшему действию микрогравитации подвергаются антигравитационные мышцы-разгибатели бедра и стопы [12]. В этой связи, чтобы уменьшить потерю сократительных свойств мышц и активировать тонические мышечные волокна требуются средства, которые в условиях микрогравитации могут устранить дефицит нагрузок и активировать деятельность волокон тонического типа. С этой целью используется физическая тренировка ¾ ФТ [4, 9], которая занимает не только много времени, но «отрывает» космонавта от основной операторской деятельности. Более того, применяемый комплекс ФТ полностью не предотвращает развитие изменений в регуляции минерального обмена [8, 10], массы и силы сокращения мышц [24, 29]. Общеизвестный факт воздействия микрогравитации непропорционально большая потеря силы сокращения мышцы по сравнению с ее размером [24, 34], указывая, тем самым, что кроме атрофии существенный вклад в слабость мышцы вносят и другие факторы.

Важным детерминантом функциональных характеристик мышц является ее внутренняя архитектура [17, 19].

Функциональная нейромышечная электростимуляция (ФНМЭС), как метод повышения функциональных возможностей скелетных мышц у человека, занимает особое место в системе профилактики функций мышц, поскольку ФНМСС давно используется в клинике [2, 36] и как дополнительное средство тренировки мышечного аппарата у спортсменов [7, 26]. Достоинством ФНМЭС, как одного из физиологических методов направленного на повышение функциональных возможностей мышечного аппарата, является возможность избирательно воздействовать на отдельные группы мышц человека.

Целью настоящего исследования было изучить изменения архитектуры медиальной икроножной мышцы (МИМ), латеральной икроножной мышцы (ПИМ) и камбаловидной мышцы (КМ) у здоровых лиц под влиянием «сухой» водной иммерсии с применением продолжительной ФНМЭС.

В исследовании приняли участие четверо здоровых мужчин-добровольцев (22.8 ± 0.8 года, 79 ± 4 кг, 1.84 ± 0.1 м) после специального медицинского отбора. В качестве модели, имитирующей физиологические эффекты микрогравитации, использовали «сухую» водную иммерсию ¾ ИМ [11] длительностью 7 суток.

ФНЭМС мышц передней и задней поверхности бедра и голени каждой конечности проводили одновременно с использованием двух стимуляторов «СТИМУЛ НЧ-01», Россия), генерирующих двухполярные симметричные прямоугольные электрические импульсы длительностью 1 мс, частотой 25 Гц и амплитудой от 0 до 45 В. Длительность сокращения мышц составляла 1 с, интервал отдыха между сокращениями 2 с. Для ФНМЭС процедуры применялись «сухие» стимулирующие электроды (фирма «Axelgaard», USA), покрытые силиконовым токопроводящим гелем. ФНМЭС мышц выполнялась на протяжении 6 суток по 3 часа/день.

Для исследования силовых свойств трехглавой мышцы голени (ТМГ) применяли изокинетический динамометр (модель «Biodex 3 QuickSet», USA), позволяющий регистрировать моменты сил, развиваемые при выполнении произвольных движений с задаваемой скоростью или сокращений в изометрическом режиме. Измерения силы сокращения ТМГ были выполнены на правой, ведущей, у всех испытуемых конечности. Во время исследования испытуемый удобно располагался в положении «стоя на коленях» на специальном кресле изокинетического динамометра и стопа его правой конечности относительно жестко фиксировалась к измерительной платформе динамометра. При этом стопу испытуемого крепили таким образом, чтобы ось голеностопного сустава совпадала с осью вращения педали динамометра. В процессе измерения максимального суставного момента (максимальной произвольной силы – МПС) каждого испытуемого тщательно инструктировали, как выполнять подошвенное сгибание стопы. По команде «сократить максимально сильно» испытуемый выполнял три ритмических изометрических подошвенных сгибаний из положения голеностопного сустава ― 0 ^° (нейтральное анатомическое положение голеностопного сустава) и коленного сустава ― 90 ^°. Измерения были выполнены за 3 суток до начала погружения испытуемого в иммерсионную ванну и в день «выхода» из иммерсионой среды.

Для определения архитектуры МИМ, ЛИМ и КМ в реальном времени использовали В-режим изображения универсальной системы «SonoSite MicroMaxx» (USA) с электронным линейным датчиком 7.5 МГц и длиной сканирующей поверхности 60 мм. Визуализация изображения МИМ, ЛИМ и КМ осуществлялась в условиях покоя (пассивный режим) и при усилии 50 % МПС (активный режим) при нейтральной позиции в коленном и голеностопном суставах (угловая позиция – 90 ^°).

Длина (L) волокна определялась как расстояние между местом прикрепления волокна у поверхностного апоневроза до места вхождения в глубокие слои апоневроза мышцы [23].

Угол (Θ) наклона волокна определялся как линия, образованная точкой (местом) прикрепления волокна у поверхностного апоневроза и местом вхождения в апоневроз мышцы [18]. Все ультразвуковые изображения обрабатывались с использованием пакета программ «Dr. Reallyvision» (ООО «Альянс-Холдинг», Россия).

После 7-суточной ИМ с применением ФНМЭС максимальный суставной момент, развиваемый мышцами‑разгибателями стопы после иммерсии с применением ФЭСТ, увеличился в среднем на 14.4 % (146.9 ± 8.3 против 168.1 ± 4.3 Н; p < 0.05) и незначительно (~9.6 %) уменьшился (155 против 140 Н) у одного испытуемого (рис. 1).

Рис. 1. Максимальный суставной момент, развиваемый трехглавой мышцей
голени, в результате ФНМЭС в условиях «сухой» водной иммерсии

Анализ ультразвуковых изображений обнаружил, что архитектура мышц значительно изменяется при переходе от пассивного к активному состоянию, и степень этих изменений в МИМ, ПИМ и КМ была различной. После ИМ в условиях пассивного состояния L волокон в МИМ, ПИМ и КМ уменьшилась на 12, 13 и 13 %; при активном состоянии ¾ на 18, 22 и 21 %; Θ наклона волокон в условиях их пассивного состояния уменьшился на 22, 20 и 16 %; а при активном состоянии ¾ на 17, 22 и 17 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Архитектура трехглавой мышцы голени.

Изменение длины и угла перистости волокон МИМ, ЛИМ и КМ как функция угла в голеностопном суставе.

Применение низкочастотной ФНМЭС мышц нижних конечностей у человека в условиях 7-суточной ИМ способствует увеличению (+ 11 %) суставного момента развиваемого ТМГ. Тогда как отсутствие ФТ приводит к снижению МПС более чем на 30 % [3, 6, 27, 30, 31]. Увеличение суставного момента сопровождалось изменениями внутренней архитектуры МИМ, ЛИМ и КМ. После им L и Θ наклона волокон были снижены, что может указывать на потерю не только последовательно расположенных, но и параллельно расположенных саркомеров. Функциональным последствием снижения L волокон может быть уменьшение укорочения волокон во время сокращения мышцы, что, вероятно, отразится на взаимоотношении «сила-длина» и «сила-скорость» сокращения мышцы. Более того, уменьшение числа последовательно-соединенных саркомеров позволяет предположить, что величина развиваемого сокращения волокна будет сниженной. Эти наблюдения согласуются с результатами, полученными ранее в условиях иммобилизации конечности [35, 37]. Меньший Θ наклона мышечных волокон во время сокращения мышцы после ИМ с использованием ФНМЭС «тренировки», по-видимому, частично компенсирует потерю силы, которая является постоянным «спутником» гравитационной разгрузки двигательного аппарата [5, 13, 32, 25-31] из-за более эффективной передачи силы, развиваемой волокнами к сухожилию. Сниженный Θ наклона мышечных волокон, возможно, является результатом уменьшения жесткости сухожилия или мышечно-сухожильного комплекса [33].

Увеличение суставного момента после ИМ позволяет предположить, что ФНМЭС «тренировка», по-видимому, способствует увеличению потока проприоцептивной афферентации в условиях его дефицита при гравитационной разгрузке [20], что может способствовать также определенной роли в поддержании и нормализации активности систем управления движениями, по принципу обратной связи [1[.

Более того, тетаническая электрическая стимуляция, приложенная поверхностно к мышце человека, и вызывающая сокращение, деполяризует моторные аксоны, расположенные ниже электродов стимуляции. Одновременная деполяризация сенсорных аксонов также может внести вклад в величину сокращение мышцы через синаптический путь рекрутированием спинальных мотонейронов. После входа в спинной мозг сенсорный залп рекрутирует спинальные мотонейроны, ведущие к развитию центрального суставного момента. Эта рекрутирование совместимо с развитием постоянных внутренних токов в спинальных или межнейронных мотонейронов [14-16]. Постоянные внутренние токи ведут к поддержанию некоторого уровня деполяризации (плато потенциалов) и в связи с этим, становится совершенно понятным, что они играют важную роль в регулировании частоты импульсации в нормальных условиях [16, 21, 22]. Максимизирование центрального вклада может быть выгодным для увеличенной силы сокращения мышцы.

В заключение, как следует из результатов настоящего исследования, во-первых, архитектура разных головок ТМГ значительно различается, отражая, возможно, их функциональные роли, во-вторых, различные изменения L и Θ мышечных волокон между разными мышцами, возможно, связаны с различиями в способности развивать силу и упругих характеристиках сухожилий или мышечно-сухожильного комплекса и, наконец, в третьих, ФНМЭС оказывает тренировочное воздействие на стимулируемые мышцы: частично уменьшает потерю силы сокращения мышц, вызванной длительной механической разгрузкой.

Список литературы:

1. Бернштейн Н.А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. // М., Медицина, 1966, 349 С.
2. Бредикис Ю.Ю., Электрическая стимуляция сердца при тахикардиях и тахиаритмиях. // М., Медицина, 1976, 152 С.
3. ГригорьеваЛ.С., Козловская И.Б. Влияние 7-суточной опорной разгрузки на скоростно-силовые свойства мышц человека. // Космич. биол. и авиакосмич. мед., 1983, т. 17, с. 21-25.
4. Еремин А.И., Бажанов В.В., Марищук В.Л., Степанцов В.И.. Джамгаров Т.Т. Тренировка человека в условиях длительной гипокинезии. // Пробл. косм. биол. М. Наука. 1969, с. 191-199.
5. Коряк Ю.А. Сократительные свойства трехглавой мышцы голени у высококвалифицированных спортсменов-многоборцев мужчин и женщин. // Физиология человека. 1994, т. 20, с. 113-122
6. КорякЮ.А. Адаптация скелетных мышц. // Изд. дом Академии Естествознания. М., 2012, 318 С.
7. Коц Я.М. Тренировка мышечной силы методом электростимуляции. Сообщение I. Теоретические предпосылки. // Теория и практ. физич. культ. 1971, № 3, с. 64-67.
8. Моруков Б.В. Регуляция минерального обмена в условиях длительной гипокинезии и космического полета. // Авт. дисс. … д-ра мед. наук. М., 1999, 64 C.
9. СтепанцовВ.И., Тихонов М.А., Еремин А.В. Физическая тренировка как метод предупреждения гиподинамического синдрома. // Космич. биол. и авиакосмич. мед., 1972, т. 6, с. 64-69.
10. ОгановВ.С., Богомолов В.В. Костная система человека в условиях невесомости. Обзор результатов исследований, гипотезы и возможность прогноза состояния в длительных (межпланетных) экспедициях. // Авиакосм и эколог мед, 2009, т. 43, с. 3-12.
11. ШульженкоЕ.В., Виль-Вильямс И.Ф. Возможность проведения длительной водной иммерсии методом «сухого» погружения. // Космич. биол. и авиакосмич. мед., 1976, т. 10, с. 82-84.
12. Akima H., Kawakami Y., Kubo K., Sekiguchi C., Ohshima H., Miyamoto A., Fukunaga T. Effect of short duration of spaceflight on thigh and leg muscle volume. // Sci. Sports Exerc., 2000, v. 32, p. 1743–1747.
13. Bachl N., Tschan H., Baron R., Kozlovskaya I.B., Koryak Yu., Mossaheb M., Albrecht R. Muscular deconditioning during long-term spaceflight exercise recommendations to optimize crew performance. // The Future of Humans in Space. 12^th Man in Space Symp. Washington, DC. 1997, 303P.
14. Collins D.F., Burke D., Gandevia S.C. Large involuntary forces consistent with plateau-like behavior of human motoneurons. // J. Neurosci., 2001, v. 21, p. 4059-4065.
15. Collins D.F., Burke D., Gandevia S.C. Sustained contractions produced by plateau-like behaviour in human motoneurones. // J. Physiol., 2002, v. 538, p. 289-301.
16. Collins D.F., Gorassini M., Bennett D.J., Burke D., Gandevia S.C. Recent evidence for plateau potentials in human motoneurones. // Sensorimotor Control of Movement and Posture, (eds. Gandevia S.C., Proske  U., Stuart D.G.). N.-Y. Plenum. Adv. Exp. Med. Biol., 2002b, v. 508, p.227-235.
17. Fukunaga T., Roy R.R., Shellock F.G., Hodgson J.A., Day M.K., Lee P.L., Kwong-Fu H., Edgerton V.R. Physiological cross-sectional area of human leg muscles based on magnetic resonance imaging. // Orthop. Res., 1992, v. 10, p. 926-934.
18. Fukunaga T., Ichinose Y., Ito M., Kawakami Y., Fukashiro S. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. // Appl. Physiol., 1997, v. 82, p. 354–358.
19. Gans C., Bock W.J. The functional significance of muscle architecture — a theoretical analysis. // Anat. Entwicklungsgesch, 1965, v. 38, p. 115–142.
20. Gazenko O.G., Grigoriev A.I., Kozlovskaya I.B. Mechanisms of acute and chronic effects of microgravity. // Physiologist, 1987, v. 30, p. S1-S5.
21. Gorassini M., Yang J.F., Siu M., Bennett D.J. Intrinsic activation of human motoneurons: possible contribution to motor unit excitation. // J. Neurophysiol., 2002, v. 87, p. 1850-1858.
22. Heckman C.J., Gorassini M.A., Bennett D.J. Persistent inward currents in motoneuron dendrites: implications for motor output. // Muscle Nerve, 2005, v. 31, p. 135-156.
23. Kawakami Y., Abe T., Fukunaga T. Muscle-fiber pennation angles are greater in hypertrophied than in normal muscles. // Appl. Physiol., 1993, v. 74, p. 2740-2744.
24. Kawakami Y., Akima H., Kubo K., Muraoka Y., Hasegawa H., Kouzaki M., Imai M., Suzuki Y., Gunji A., Kanehisa H., Fukunaga T. Changes in muscle size, architecture and neural activation after 20 days of bed rest with and without countermeasures. // J. Appl. Physiol., 2001, v. 84, p. 7-12.
25. Khaslavskaia S, Sinkjaer T Motor cortex excitability following repetitive electrical stimulation of the common peroneal nerve depends on the voluntary drive. // Exp. Brain Res., 2005, v. 162, p. 497-502.
26. Koryak Yu. Effects of surface electrostimulation on human skeletal muscle. // Proc. 5^th Vienna Inter. Workshop. Functional Electrostimulation. 1995, p. 297-300.
27. Koryak Yu. The effect of 120-days of bed rest with and without countermeasures on the mechanical properties of the triceps surae muscle in young female. Eur J Appl Physiol 1998a, v. 78: 128-135
28. Koryak Yu. Electromyographic study of the contractile and electrical properties of the human triceps surae muscle in a simulated microgravity environment. // Physiol., 1998b, v. 510, p. 287-295.
29. Koryak Yu. Electrically evoked and voluntary properties of the human triceps surae muscle: effects of long-term spaceflights. // Acta Physiol. Pharmacol. Bulg., 2001, v. 26, p. 21-27.
30. Koryak Yu. “Dry” immersion induces neural and contractile adaptations in the human triceps surae muscle. // Med., 2002, v. 46, p. 17-27.
31. Koryak Yu. Contractile properties and fatiguability of the human triceps surae muscle after exposure to simulated weightlessness. // From Basic Motor Control to Functional Recovery III. Varna. Univ. Press. (ed Gantchev N), 2003, pp. 369-380.
32. Kozlovskaya I., Dmitrieva I., Grigorieva L., Kirenskaya A., Kreydich Yu. Gravitational mechanisms in the motor sistem. Stydies in real and simulated weightlessness. // Stance and Motion. (eds Gurfinkel V.S., Ioffe M.Ye., Massion J.), Plenum, N-Y., 1988, pp. 37-48.
33. Kubo K., Akima H., Kouzaki M., Ito M., Kawakami Y., Kanehisa H., Fukunaga T. Changes in the elastic properties of tendon structures following 20 days bed rest in humans. // J. Appl. Physiol., 2000, v. 83, p. 463-468.
34. LeBlanc A., Schneider V.S., Krebs J., Schonfeld E., Evans H. Calf muscle area and strength changes after five weeks of horizontal bed rest. // J. Sport Med., 1988, v. 16, p. 624-629.
35. Narici M.V., Capodaglio P., Minetti A.E., Ferrari-Bardile A., Maini M., Cerretelli P. Changes in human skeletal muscle architecture induced by disuse atrophy. // Physiol., 1998, v. 59, p. 506P.
36. Quandt F., Hummel F.C. The influence of functional electrical stimulation on hand motor recovery in stroke patients: a review. // Transl. Stroke Med., 2014, v. 6: p. 1-7.
37. Woo S.L., Gomez M.A., Woo Y.K., Akeson W.H. Mechanical properties of tendons and ligaments. II. The relationships of immobilization and exercise on tissue remodeling. // Biorheology, 1982, v.19, p. 397–408.[schema type=»book» name=»ВЛИЯНИЕ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМИОСТИМУЛЯЦИОННОЙ ТРЕНИРОВКИ НА ФУНКЦИЮ И АРХИТЕКТУРУ МЫШЦ ЧЕЛОВЕКА» description=»Цель. Исследовать влияние хронической низкочастотной функциональной электромиостимуляции (ФЭМС) на архитектуру медиальной икроножной мышцы (МИМ), латеральной икроножной мышцы (ЛИМ) и камбаловидной мышцы (КМ) у группы (n = 6) испытуемых мужчин добровольцев (возрастом 22.8 ± 0.8 лет, ростом 1.84 ± 0.1 м и массой 1.84 ± 0.1 кг), находящихся в условиях сниженной гравитационной нагрузки, вызванной воздействием «сухой» водной иммерсии (ИМ) в течение 7 сут. Метод. Во время ИМ испытуемые ежедневно по 3 ч в день проводили ФЭМС мышц нижних конечностей. Внутренняя архитектура МИМ, ЛИМ и КМ (длина волокон  L, угол наклона волокна  Θ) определялась методом ультразвукового сканирования с использование B-режима при угловых позициях в голеностопном суставе -15  (тыльное сгибание), 0 (нейтральная анатомическая позиция), +15, и +30  (подошвенное сгибание) с углом в коленном суставе — 90 . Визуализация мышц осуществлялась в условиях покоя (пассивное состояние) при нейтральной анатомической позиции голеностопного сустава и при усилии 50 % от максимальной произвольной силы при нейтральной позиции в коленном и голеностопном суставах, соответственно. Результаты. После ИМ максимальный суставной момент, развиваемый трехглавой мышцей голени, увеличился в среднем на 11.3 %. До ИМ в пассивном состоянии L волокон изменялась от 36, 47 и 39 мм (угол голеностопного сустава -15 ) до 27, 31 и 28 мм (угол голеностопного сустава +30 ); Θ наклона волокон изменился от 31, 20 и 23  до 49, 29, и 34  в МИМ, ЛИМ и КМ, соответственно. После ИМ в пассивном состоянии L волокон уменьшалась на 16, 37 и 24 %, а Θ наклона волокон увеличился на 38, 35, и 34 % в МИМ, ЛИМ и КМ, соответственно. Выводы. Тренированные мышцы после ИМ с применением ФЭМС показали существенные изменения в Θ наклона и L мышечных волокон, предполагая, что архитектура мышц действительно изменяется, отражая в большей степени атрофию мышцы.» author=»Коряк Юрий Андреевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_29.08.15_08(17)» ebook=»yes» ]