Некоторые особенности биоритмической активности спинного мозга

Профессор К.Б. Петров, Аспирант О.С. Калинина
Новокузнецкий институт усовершенствования врачей, кафедра лечебной физкультуры, физиотерапии и курортологии. г. Новокузнецк, Россия

Биологические ритмы (БР) обнаружены на всех уровнях организации живой природы – от одноклеточных до биосферы. Они признаны важнейшим механизмом, обеспечивающим гомеостаз организма [3]. С одной стороны БР имеют эндогенную природу и генетическую регуляцию, с другой - их существование тесно связано с изменчивостью факторов внешней среды [24]. Все БР подразделяются на внутренние (физиологические) и внешние (экологические). По мнению С.Л. Загускина [7], эталоном биологического времени для многоклеточного организма является ритм пульса, а для биоценоза - околосуточный ритм.

Физиологические ритмы, как правило, генетически детерминированы и имеют периоды от долей секунды до нескольких минут. В эволюционном аспекте их происхождение связано с микропульсациями геомагнитного поля, ионосферы, электромагнитными шумами, колебаниями яркости Солнца и т.п.[7]. Так ритмы тремора, a -волн ЭЭГ, ЭКГ коррелируют с электромагнитными колебаниями и кратны частоте в 8 герц [14, 15].

Доказано, что практически все патологические процессы в организме сопровождаются временной дезорганизацией физиологических функций [10]. Как правило, подобные десинхронозы связаны не столько с нарушением одного какого-нибудь ритма, сколько обусловлены дисбалансом между периодами нескольких БР одного уровня. Например, в норме отношение частоты сердечных сокращений к частоте дыхания находится в диапазоне от 3 до 5 [7].

Нередко для оптимизации физиотерапевтических процедур пытаются согласовывать режим их воздействия с тем или иным БР (ЭКГ, пульсограмма, фотоплетизмограмма и др.) [19].Помимо вышеуказанных причин, сложность использования для этой цели одночастотных резонансов состоит в принципиальной негармоничности флюктуаций в биосистемах [7].

В настоящее время наиболее изучены и широко применяются в клинике показатели вариабельности сердечного БР [22, 26]. С помощью методик спектрально-волнового анализа выделяется три частотных диапазона кардиоритма: VLF (very low frequency) - 0,004 - 0,07 Гц (свидетельствует об уровне энергетики метаболизма); LF (low frequency) 0,08 - 0,17 Гц (характеризует степень вагоинсулярных влияний) и HF (high frequency) 0,18 – 0,5 Гц (отражает сосудисто-гемодинамические процессы) [22].

Нисходящий нейромышечный контроль, а вместе с ним и изменение возбудимости сегментарного аппарата спинного мозга также подвержены медленным колебаниям декасекундного (околоминутного) диапазона. По имеющимся данным А.Н Флейшмана и И.Г. Халиулина [23], при мониторировании параметров Н-рефлекса (отношение Н/М*100%) выявлены спонтанные колебания активности мотонейронов спинного мозга с периодом в 1,0 – 1,2 минуты (60 - 72 сек или 0,0167 - 0,0139 Гц). У больных вегетативной дистонией и артериальной гипертонией наблюдалось значительное рассогласование этого БР.

Цель настоящего исследования состояла в углублённом изучении ритмической активности нейронного аппарата поясничного утолщения спинного мозга у клинически здоровых добровольцев для последующей разработки методик частотной оптимизации физиотерапевтических процедур.

Поставленная проблема решалась путём изучения динамики параметров H-рефлекса в икроножной мышце (отношение Н/М*100% и латентный период) на электромиографе «MG-440» фирмы Medicor (Венгрия) по стандартной методике [1, 2]. Известно, что Н-рефлекс является чувствительным индикатором, как нисходящих влияний, так и собственной активности сегментарного аппарата спинного мозга [12].

Таблица 1. Величина отношения Н/М*100% у мужчин и женщин

* Здесь и далее доверительный интервал вычисляется при P < 0,05.

Процедура проводилась в положении пациента лежа на животе, стопы свисали с края кушетки, голова располагалась по средней линии. Тестирование Н-рефлекса осуществлялось в автоматическом режиме с интервалом в 1 секунду в течение 360 секунд (6 минут). Ход всего исследования регистрировался на фотобумагу. Учитывалось, что при интервале между двумя стимулами не мене чем в 1 секунду следовое влияние первого стимула на амплитуду второго Н-рефлекса обычно уже минимально [1].

Кроме того, по индивидуальной оценке волонтёров регистрировалось время адаптации к боли, возникающей в ответ на электрический стимул которым вызывался Н-рефлекс, то есть временной промежуток, после которого тестирующее раздражение переставало восприниматься как болезненное или субъективно неприятное.

Таблица 2. Величина отношения Н/М*100% в различных возрастных группах

* Различия при сравнении с генеральной совокупностью (все данные) статистически достоверны

Исследованная группа насчитывала 55 человек (41 мужчина и 14 женщин) в возрасте от 18 до 65 лет. Средний возраст соответствовал 31+11 лет. Критерием включения являлось отсутствие каких-либо болевых синдромов, клинически актуальной вертеброгенной патологии, а также других заболеваний нервной системы в анамнезе и в неврологическом статусе.

Статистическая обработка осуществлялась по программам: Microsoft^@ «Excel 2002», «Caterpillar-1.0», «STATGRAPHICS Plus-3,0» и «SPSS-9.0 for Windows».

Рис. 1. График посекундной динамики Н-рефлекса при тестировании через каждую секунду в течение 6 минут (360 секунд). Отчётливо прослеживается его неоднород-ность в виде трёх составляющих

Полученная база данных содержала результаты тестирования 18322 Н-рефлексов. В среднем величина отношения Н/М*100% составила 23,22+0,326%. Статистических различий в величине изучаемого параметра в группе мужчин и женщин обнаружено не было (табл. 1). В отдельных же возрастных группах (табл. 2) и у отдельных испытуемых амплитуда Н-рефлекса варьировала в пределах от 7,49 + 0,79 % (47 – 51 лет) до 27,16 + 1,43 % (42 – 46 лет), при этом его величина не коррелировала с возрастом (R= - 0,0535).

Время адаптации к болевому раздражителю составляло 15,96 + 2,51 секунды, наблюдалась слабая отрицательная корреляция между ним и амплитудой Н-рефлекса (R = - 0,38). Сколько-нибудь значительных связей между возрастом и временем адаптации обнаружено не было (R = 0,02).

Таблица 3. Общая характеристика частотных компонентов биоритмической активности спинного мозга

^{* Частота вычислялась как ¹/_период
Рис. 2. Образцы сверхнизкочастотного, низкочастотного и высокочастот-ного компонентов, выделенных с помощью программы «Caterpillar-1.0» у раз-личных испытуемых (амплитуда дана во внутренних единицах программы)

При визуальной оценке кривой посекундной динамики Н-рефлекса (рис. 1) просматривается по крайней мере три составляющих: высокочастотная, низкочастотная и почти линейная – сверхнизкочастотная.
С целью статистически достоверного выделения ведущих составляющих частотного спектра изучаемой зависимости был произведён анализ временных рядов методом «Гусеница» [5] («Caterpillar-1.0»). Основным управляющим параметром программы является «Lag» - длина гусеницы. Не центрированные и не нормализованные данные по каждому испытуемому анализировались при Lag = 20. После разложения исходного материала на отдельные гармоники, последние вновь компоновались в три группы по принципу их отношения к ритмам высокой (ВЧ), низкой (НЧ) и сверхнизкой (СНЧ) частоты (рис. 2).
Наиболее многочисленным является СНЧ компонент с периодом акрофазы в 44,7 сек (0,02 Гц) и амплитудой до 20 условных единиц (УЕ) программы «Caterpillar-1.0». Его удельный вес в среднем составляет 60,2% от общего массива данных по каждому испытуемому (табл. 3). Вторым по величине процентного соотношения оказался ВЧ компонент (26,2%) с периодом в 3,2 сек (0,3 Гц) и амплитудой до 10 УЕ. Наименьший вклад в биоритмический ансамбль спинного мозга вносит НЧ компонент (11,4%), его период соответствует 9,2 сек (0,1 Гц), а амплитуда – около 45 УЕ. Если округлить периоды СНЧ, НЧ и ВЧ до целых чисел (45, 9 и 3), легко подсчитать, что одна СНЧ составляющая содержит 5 НЧ и 15 ВЧ элементов.
Период СНЧ компонента у мужчин оказался статистически достоверно длиннее, чем у женщин на 4,9 сек, а ВЧ компонента – на 0,1 сек (табл. 4).

Таблица 4. Соотношение периодов основных биоритмов спинного мозга у мужчин и женщин

Процентные вклады СНЧ и ВЧ компонентов (табл. 5) находится в обратно корреляционной зависимости (R = -0,5). Наиболее ярко эта тенденции выражена у мужчин (R = -0,6).
Полученные сведения о независящей от половозрастного фактора средней амплитуде Н-рефлекса в общем соответствуют данным литературы. Известно, что этот показатель отличается не только индивидуальной вариабельностью, но и весьма значительно колеблется в различные дни и даже в течение одних суток [1]. В норме отношение Н/М*100% для икроножной мышцы составляет 13-17-18% [1, 2].

Таблица 5. Корреляционные связи между удельным весом СНЧ и ВЧ компонентов в общей выборке и у мужчин

Постепенная депрессия вызванной активности (на 30% за исследуемый промежуток времени) и адаптация к болезненному монотонному электрическому раздражителю (в среднем, через 16 сек), вероятно, связаны с явлениями габитации (привыкания), обусловленной снижением амплитуды постсинаптического потенциала, продуцируемого сенсорным нейроном на интернейрон или мотонейрон (рис. 1) [25].
Выделенные компоненты нормальной ритмической активности мотонейронов спинного мозга близки к показателям вариабельности сердечного ритма [22]. При этом СНЧ (0,02 Гц) соответствует VLF (0,004 - 0,07 Гц), НЧ (0,1 Гц) - LF (0,08 - 0,17 Гц), а ВЧ (0,3 Гц) - HF (0,18 - 0,5).
Полученные ранее данные А.Н Флейшмана и И.Г Халиулина [23] о характере БР спинного мозга (0,0167 - 0,0139 Гц) следует признать частным случаем, соответствующим СНЧ компоненту нашего исследования. Цитируемые авторы вызывали Н-рефлекс на фоне калорической пробы с интервалом в 30 сек (у нас - 1,0 сек) и не могли отследить более высокочастотных колебаний. Кроме того, известно, что вестибулярные импульсы, инициируемые калорической пробой, могут оказывать тормозящие влияния на сегментарные мотонейроны [8, 9] и, следовательно, подавлять некоторые спинальные БР.
По этой же причине, наши исследования не улавливали биений с периодом менее 1 секунды, например «знаменитого» восьмигерцевого ритма.
В отличие от средней амплитуды Н-рефлекса, периоды его наиболее значимых СНЧ и ВЧ компонентов демонстрируют явную зависимость от полового признака. Первый из них преобладает у мужчин почти на 5 секунд, а второй – на 0,1 сек. Имеющиеся данные позволяют предположить существование некоторого антагонизма между этими БР, что проявляется весьма тесной отрицательной корреляцией между их процентными вкладами в общий ансамбль ритмической активности мотонейронов поясничного утолщения.
В настоящее время трудно судить о природе каждого из выделенных компонентов БР спинного мозга. Они значительно ниже частоты разрядов мотонейронов в естественных условиях деятельности (50 - 60 Гц) [21] или ритмов ЭЭГ, превышающих как правило 1 Гц (напомним, что a -ритм равен 8-12 Гц) [13]. Учитывая близость спинальных и сердечных БР, можно думать о хотя бы частичной общности их происхождения. В этой связи любопытно сообщение об отсутствии у больных с тетраплегией низкочастотных компонентов кардиоритма, что предполагает критическую роль супраспинальных механизмов в их определении [27].
Как известно, частота кранио-сакрального ритма – 6-10 колебаний в минуту (0,1 – 0,17 Гц), что соответствует НЧ компоненту спинального и LF - сердечного ритмов. В его происхождении, как известно, существенную роль играет ритмическая пульсация глии и цикличность выработки ликвора хориоидальными сплетениями [16], то есть сосудисто-метаболический фактор.
Полученные данные, в частности, могут найти применение для параметрической оптимизации лечения синусоидальными модулированными токами (СМТ) больных с вертеброгенным болевым синдромом поясничной локализации.
Обычно СМТ-терапию в данном случае применяют по следующей схеме: режим переменный, род работы (РР) – III, частота модулирующего тока (ЧМ) - 100 Гц, глубина модуляции (ГМ) – 75 – 100%, длительность посылок модулированного и немодулированного сигнала - 2 и 3 сек, 3-5 минут; затем переключаются на IY РР с ЧМ – 70 Гц, ГМ – 75–100% и соотношением посылок модулирующего тока нефиксированной частоты и частоты в 150 Гц – 1,0 – 1,5 сек., 3 – 5 мин. [20, 4, 6, 17, 11, 18].
Предлагаемая нами методика может быть реализована на аппарате «Амплипульс-3». Приборы более поздних модификаций, к сожалению, лишены возможности изолированной регулировки длительности посылок токов с различной ЧМ или пауз между ними. Процедура состоит из 2 рабочих периодов по 3 мин. Каждый период содержит 4 пачки импульсов, длительностью 45 сек. Внутри каждой пачки за счёт чередования различных родов и режимов работы имеется 5 интервалов по 9 сек. Каждый из этих интервалов, в свою очередь, разделён на 3 трёхсекундных периода, отличающихся частотой модуляции (рис. 3).
Первые 9 сек. воздействие оказывается III РР в переменном режиме, ЧМ – 100 Гц, ГМ – 75-100%, соотношение посылок модулированного и немодулированного тока – 3:3 сек. Затем, сохраняя прежние настройки, на 9 включается I РР. В следующий девятисекундный интервал, не меняя рода работы, устанавливается выпрямленный режим, после чего возвращается переменный режим I РР, продолжительностью в 9 сек. В заключительные 9 сек. повторяется III рр.
Рис. 3. Примерная схема биосинхронизировнной СМТ-терапии вертебро-генных болевых синдромов.
45 сек. – СНЧ диапазон; 9 сек – НЧ диапазон; 3 сек – ВЧ диапазон. I рр – 1 род работы; III pp – 3 род работы; IY рр – 4 род работы

Последующие три пачки отличаются друг от друга лишь переменой последовательности чередования I и III РР.
Второй рабочий период начинается с IY РР (чередование длительности посылок прежнее) – 9 сек, затем повторяется III РР – 9 сек, после чего на 9 сек. включается выпрямленный режим, а потом вновь следуют девятисекундные интервалы переменных режимов III и IY РР. В последующих трёх пачках III и IY РР каждый раз меняются местами.
Таким образом, выполненное исследование позволило выделить три компонента ритмической активности мотонейронного аппарата спинного мозга декасекундного (околоминутного) диапазона. Полученные данные, наряду с показателями медленных колебаний кардиоритма, могут быть использованы с диагностической целью, а также служат основой для частотной оптимизации различных методов лечения – от массажа и мануальной терапии - до физиотерапевтических процедур.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бадалян Л.О. Клиническая электронейромиография: Руководство для врачей / Л.О.Бадалян, И.А.Скворцов. - М.: Медицина, 1986.- 368 с.
Байкушев Ст. Стимуляционная электромиография и электронейрография в клинике нервных болезней./ Ст. Байкушев, З.Х Манович., В.П. Новикова. - М.: Медицина, 1974.- 144 с.
Бакумцев Н.И., Иванов Ю.Н. Фундаментальные основы ритмодинамики // Монография. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wint.decsy.ru/mirit/RD_01/INDEX/HTML/Titl3/Ilyin_Ru.htm
Боголюбов В.М. Общая физиотерапия: Учебник./ В.М. Боголюбов, Г.Н. Пономаренко. - 3-е изд., перераб. И доп. – Москва: Медицина, 1999. – 432 с.
Главные компоненты временных рядов: метод Гусеница / Под ред. Д.Л.Данилова. А.А.Жиглявского. - СПБ: Издательство Санкт-Петербургского университета, 1997. – 150 с. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gistatgroup.com/gus/book1/manual.html)
Гурленя А.М. Физиотерапия и курортология нервных болезней./ А.М. Гурленя, Г.Е. Багель.- Мнск: Вышэйшая школа, 399 с.
Загускин С.Л. Синхронизация ритмов фазовых золь - переходов – основа происхождения и эволюции живых организмов на земле. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.stavedu.ru/_docs/pdf/vuz-chursin/_confer/cyclesX/0/04.pdf
Калинин И.П. Вестибуло-моторные реакции у больных с поражением пояснично-крестцового отдела периферической нервной системы / И.П. Калинин // Материалы 3 съезда невропатологов и психиатров Белоруссии.- Минск, 1986.- С. 69 - 70.
Калинин И.П. Клинико-физиологическая характеристика вестибулоспинальных влияний на деятельность сегментарного моторного аппарата у больных с неврологическими проявлениями поясничного остеохондроза системы / И.П. Калинин. // Периферическая нервная система / Под ред. И. П. Антонова. - Минск, 1986. - вып.. 9. - С. 79 - 84.
Комаров Ф.И. Хронобиологическое направление в медицине: биоуправляемая хронофизиотерапия / Ф.И. Комаров, С.Л. Загускин, С.И. Рапопорт // Терапевтический архив - № 8. – 1994. – С. 3 – 6.
Комарова Л.А. Руководство по физическим методам лечения/ Л.А. Комарова. Л.А. Благовидова. – Ленинград: Медицина, 1983 - 264 с.
Коц Я.М. Организация произвольного движения / Я.М. Коц. – М.: Наука, 1975.- 248 с.
Крамаренко А.В. Электроэнцефалограмма: анализ с точки зрения теории информации. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// htmtelemedicine.com/rus/publicationsnalise_eeg.htm
Курортология и физиотерапия: руководство в 2-х томах / под ред. В.М. Боголюбова. – М.:, Медицина, 1985. – Т. 1. - 560 с.
Магомедова Р.К. Исследование тремора покоя и движения у больных с экстрапирамидными нарушениями и болезнью Паркинсона / Р.К. Магомедова, В.Н. Суслов, Г.И. Фирсов. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iash.ru/conf/tesys/sec4/Magomedova.doc
Патогенетическое обоснование кранио-сакральной терапии при бронхиальной астме / под ред. А.Ф. Беляева, И.Л. Ли (Владивостокский государственный медицинский университет, кафедра и клиника мануальной медицины, г. Владивосток). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vtc.ru/~inmanmed/index1.htm
Стрелкова Н.И. Физические методы лечения в неврологии / Н.И. Стрелкова - Москва, Медицина, 1983. – 272 с.
Техника и методика физиотерапевтических процедур: справочник / Под ред. В.М. Боголюбова. – Москва: Медицина, 1983.- 352 с.
Улащик В.С. Новые методы и методики физической терапии / В.С. Улащик - Минск: Беларусь, 1986. – 175 с.
Улащик В.С., Лукомский И.В. Общая физиотерапия: Учебник/ В.С. Улащик, И.В. Лукомский. – Минск: Интерпрессервия; Книжный Дом, 2003.- 512 с.
Физиология человека :Учебник для институтов физической культуры / Под ред. Н.В. Зимкина. – 5-е изд. – М:. Физкультура и спорт, 1975. – 360 с.
Флейшман А.Н. Медленные колебания гемодинамики: Теория, практическое применение в клинической медицине и профилактитке / А.Н. Флейшман. - Новосибирск, Наука, Сиб. Предприятие РАН, 1999 - 264 с
Флейшман А.Н., Халиулин И.Г. Медленные колебания нисходящего нейромышечного контроля при калорической пробе / А.Н. Флейшман, И.Г. Халиулин // Сборник научных трудов II симпозиума «Медленные колебательные процессы в организме человека: теория, практика, применение в клинической медицине и профилактике».- Новокузнецк, 1999. С. 79 – 87.
Хронобиология и хрономедицина / под ред. Ф.И. Комарова и С.И. Рапопорта;2-е изд..- М :.Триада-Х. – 2000, 488 с.
Черникова Л.А. Нейрореабилитация: проблемы и пути решения / Л.А. Черникова. // Физиотерапия, бальнеология, реабилитация. – 2004.- № 7. – С. 3 –10.
Яблучанский Н.И. Физиологические основы ВСР. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hrvcongress.org/russian/education/courses/basis/
Spectral analysis of heart rate variability signal and respiration in diabetic subjects. / A. Bianchi, B. Bontempi, S. Cerutti, P. Gianogli // Med Biol Eng Comput. – 1990. - V. 28. – №. – 2. - Р. 5 - 11.

УДК. 612.17017.2+616.74-008.1
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОРИТМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ СПИННОГО МОЗГА
К.Б. Петров, О.С. Калинина
Изучалась ежесекундная динамика H-рефлекса в икроножной мышце. Выделено 3 компонента биоритмической активности спинного мозга: сверхнизкочастотный компонент (0,02 Гц), низкочастотный компонент (0,1 Гц) и высокочастотный компонент (0,3 Гц). Полученные данные могут быть использованы с диагностической целью, а также служат основой для частотной оптимизации различных методов лечения – от массажа и мануальной терапии - до физиотерапевтических процедур.
SOME FEATURES OF BIORHYTHMIC ACTIVITY OF THE SPINAL CORD
K.B.Petrov, O.S.Kalinina
Every second dynamics of a H-reflex in muscles of a shin was studied. It is allocated 3 components of biorhythmic activity of a spinal cord: a superlow-frequency component (0,02 Hz), a low-frequency component (0,1 Hz) and a high-frequency component (0,3 Hz). The received data can be used with the diagnostic purpose, and also form a basis for frequency of optimization of various methods of treatment - from massage and manual therapy - before physiotherapeutic procedures.}