Нейрональные тормозные сети спинного мозга (научный обзор)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Нейрональные тормозные сети спинного мозга (научный обзор)

доктор наук, доцент, заведующий кафедрой

Челноков Андрей Алексеевич

Аннотация

Настоящий обзор посвящен нейрональным тормозным сетям спинного мозга а, в частности, пресинаптическому, возвратному, нереципрокному и реципрокному торможению. Изложены оригинальные методические приёмы для изучения различных видов торможения в спинном мозге человека. Показано, что процессы спинального торможения находят своё функциональное отражение в двигательной деятельности человека. Контроль нейрональных тормозных сетей спинного мозга может быть различным и зависит от типа двигательного задания, возраста, изменятся у лиц с двигательными нарушениями. Описаны возрастные этапы становления и формирования разных видов спинального торможения у человека. Анализируются возрастные особенности протекания тормозных процессов при осуществлении произвольной двигательной активности.

Изучение процессов торможения в центральной нервной системе до настоящего времени остаётся одной из узловых проблем физиологии. Начало этому направлению исследований дал И.М. Сеченов (1862), который открыл центральное торможение. И.М. Сеченов рассматривал центральное торможение как деятельность специальных тормозных систем по аналогии с хорошо изученными к тому времени эффектами влияния блуждающего нерва на сердце. Существенным в исследовании природы и механизмов торможения в центральной нервной системе было открытие тормозных клеток, возбуждение которых вызывает торможение других клеток, а также открытие специальных тормозных медиаторов и тщательное изучение восходящих и нисходящих тормозных влияний из разных структур головного мозга [5, 6, 27, 51-58, 82-85 и др.]. В дальнейших исследованиях была выявлена роль реципрокного, нереципрокного, возвратного и пресинаптического торможения спинного мозга [57, 74-77, 125-127 и др.]. Все эти исследования доказали, что процессы торможения являются важнейшими нервными механизмами координационной и интегративной деятельности центральной нервной системы.

В современном представлении торможение является активным физиологическим процессом, который характеризуется ослаблением или прекращением возбуждения [27, 6, 22]. И в филогенезе, и в онтогенезе процессы торможения развиваются постепенно и значительно позднее возбуждения. Торможение является более хрупким, менее устойчивым процессом и легко нарушается при неблагоприятных воздействиях на организм [127].

Вместе с возбуждением процессы торможения составляют основу интегративной деятельности нервной системы и обеспечивают координацию всех функций организма [5, 9, 127]. Торможение осуществляется специальными тормозными нейронами, которые, возбуждаясь, оказывают тормозящее действие на другие клетки, при этом тормозные нейроны могут воздействовать как на тело клетки, так и на её синаптические контакты, и, изменяя свойства мембраны, подавляют либо генерацию потенциала действия, либо его распространение от клетки к клетке [6]. Процесс торможения возникая в одних нервных центрах параллельно с возбуждением других нервных центров выключает деятельность ненужных в данный момент органов. Торможение в центральной нервной системе имеет охранительное значение, защищая нервную систему от перевозбуждения (в первую очередь клетки коры головного мозга), а также участвует в регуляции сна и гипнотических состояний мозга. Разнообразные формы торможения играют большую роль в условно-рефлекторной деятельности человека и животных. торможение спинной мозг нейрональный

В отличие от возбуждения, торможение не может распространяться, т.е. является строго локализованным процессом. В соответствии с современными представлениями выделяют следующие виды спинального торможения: пресинаптическое, постсинаптическое (возвратное), нереципрокное (аутогенное), реципрокное [140, 94, 127, 22].

Пресинаптическое торможение. Первые сведения о наличии пресинаптического торможения в ЦНС были получены в 1933 году Г. Гассером и Г. Грэхемом, а в 1938 - Д. Барроном и Б. Мэттьюсом. Эти исследователи обнаружили, что при раздражении заднего корешка спинного мозга на его дорсальной поверхности регистрируется медленный позитивный потенциал, длительность которого приблизительно соответствует развитию торможения сгибательных рефлексов, вызываемых раздражением соседнего заднего корешка [22].

Только в лаборатории J.C. Eccles в 1957 году K.A. Frank и M. Fuortes было показано, что амплитуда внутриклеточно регистрируемого возбуждающего постсинаптического потенциала может уменьшиться, но при этом регистрируется тормозной постсинаптический потенциал. Авторы назвали этот тип торможения «пресинаптическим торможением» и предположили, что оно локализуется в пресинаптических волокнах. K.A. Frank и M. Fuortes показали, что пресинаптическое торможение в основном состоит из сильного подавления ответа нейрона, возникающего прежде, чем стимул достигнет синаптических терминалей, связанных с промежуточным тормозным нейроном (тормозной Ia интернейрон). Раздражение мышечного нерва сгибателя подавляло моносинаптические возбуждающие потенциалы действия разгибателя мотонейронов мышцы без изменений в мембранном потенциале или изменения возбудимости мотонейрона. Продлевание процесса торможения являлось следствием угнетения пресинаптического звена или увеличения электропроводности мембран, расположенных на периферических дендритах [62].

Позднее в 1960 году J.C. Eccles с сотрудниками начали исчерпывающие исследования механизмов пресинаптического торможения в спинном мозге. J.C. Eccles с соавторами описал главные особенности пресинаптического торможения и показал, что торможение связано с первичной афферентной деполяризацией (ПАД). Пресинаптическое торможение и ПАД опосредованы теми же самыми интернейронами, действующими на терминали Ia через аксо-аксональные синапсы [55, 132]. В норме при пресинаптическом торможении аксо-аксональные синапсы выделяют гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая вызывает локальную деполяризацию мембраны и, таким образом, понижает выделение возбуждающего нейтротрансмиттера в синапсах [33].

В настоящее время известно, что, во-первых, пресинаптическое торможение локализуется в аксо-аксональных синапсах, в которых синаптической структурой является не тело клетки, а пресинаптическое разветвление афферентных волокон. Во-вторых, основным электрофизиологическим проявлением этого торможения является не гиперполяризация, а деполяризация аксональных окончаний. На этих окончаниях - пресинаптических терминалях располагаются окончания других нервных клеток, образующие здесь особые тормозные синапсы, медиаторы которых деполяризуют мембрану терминалей, обуславливая частичную или полную блокаду проведения нервных импульсов, то есть состояние парабиоза (пессимального торможения, по Введенскому). Заторможенный концевой участок аксона прекращает проведение нервных импульсов к следующей нервной клетке. Этот вид торможения обусловливает ограничение притока афферентных импульсов к нервным центрам [132, 127, 22].

Пресинаптическое торможение играет важную роль в обработке поступающей в ЦНС информации. Оно более точно регулирует процесс возбуждения, поскольку этим торможением могут быть заблокированы отдельные нервные волокна. К одному возбуждающему нейрону могут проходить сотни и тысячи импульсов по разным терминалям. Вместе с тем, число дошедших до нейрона импульсов определяется пресинаптическим торможением. Торможение латеральных путей обеспечивает выделение существенных сигналов из фона. Блокада торможения ведёт к широкой иррадиации возбуждения и судорогам (например, при выключении пресинаптического торможения биккулином) [55].

Пресинаптическое торможение имеет свои разновидности: параллельное и латеральное, которые, однако, ещё недостаточно изучены. По-видимому, имеются те же варианты, что и для постсинаптического торможения. Вместе с тем, возвратное пресинаптическое торможение на уровне спинного мозга (по типу возвратного постсинаптического торможения) у млекопитающих обнаружить не удалось, хотя у лягушек оно выявлено [48, 121].

Как показали многочисленные исследования, пресинаптическое торможение наиболее эффективно в возбуждающих синапсах первичных афферентных волокон [55, 127]. Это согласуется с общим представлением о роли пресинаптического торможения как отрицательной обратной связи, действующей на приток сенсорной информации центральной нервной системы [55]. Такая отрицательная обратная связь не имеет точной топографии, но обычно локализуется в пределах одной сенсорной модальности. Однако пресинаптическое торможение в волокнах Ia представляет собой некоторое исключение из этого правила, поскольку оно также вызывается импульсами, приходящими по волокнам Ib [5, 97].

Пресинаптическое торможение наблюдается и в кожных афферентах [55]. Эксперименты на животных показали, что кожные афференты пресинаптически тормозятся активнее всего внутри своей модальности. Однако деполяризация кожных афферентов может быть вызвана и другими ипсилатеральными афферентами - волокнами Ib, мышечными волокнами II и III групп, а также висцеральными афферентами. Пресинаптическое торможение обнаружено в ядрах тригеминального комплекса, ядрах задних столбов, в некоторых ядрах таламуса [51, 55].

Оценить пресинаптическое торможение у человека можно по подавлению Н-рефлекса m. soleus при кондиционирующей стимуляции афферентов m. tibialis anterior, m. biceps femoris или вибрации tendo calcaneus [38, 74, 109] и по облегчению Н-рефлекса m. soleus в условиях кондиционирующей стимуляции n. femoralis и n. tibialis [74, 106].

В исследованиях H. Hultborn с сотрудниками [74] была установлена моносинаптическая связь между Ia волокнами m. quadriceps femoris и б-мотонейронами m. soleus у человека. В результате был предложен новый метод оценки пресинаптического торможения гомонимных и гетеронимных Ia афферентов у человека, идущих от m. quadriceps femoris к б-мотонейронам m. soleus, который основан на определении облегчения моносинаптического Н-рефлекса m. soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. femoralis и n. tibialis (рис. 1). В этом случае облегчение Н-рефлекса m. soleus проходит по моносинаптическому каналу, и только при определённых величинах временных интервалов между кондиционирующим и тестирующим стимулами на него не воздействуют никакие немоносинаптические влияния со стороны супраспинальных и сегментарных нейрональных систем [74]. H. Hultborn с соавторами [66] пришли к выводу, что при этих условиях облегчение Н-рефлекса m. soleus зависит только от величины кондиционирующего постсинаптического потенциала возбуждения. Следовательно, чем больше облегчение Н-рефлекса m. soleus, тем меньше величина пресинаптического торможения гетеронимных афферентов Ia. При наиболее выраженном облегчении Н-рефлекса, исключаются олиго- и полисинаптические влияния, например, от афферентных волокон Ib, и, следовательно, регистрируется «чистый» эффект пресинаптического торможения первичных афферентов [74]. Тестирующая стимуляция n. tibialis наносится раньше кондиционирующего раздражения n. femoralis на -4,9 мс у мальчиков 9-12 лет, -5,3 мс - у подростков 14-15 лет, -5,9 мс - у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет [16, 24, 21], чтобы обеспечить одновременное прибытие этих двух залпов на мотонейроны m. soleus, т.е. «нулевую центральную задержку» [74]. В таком случае интервал между кондиционирующим и тестирующим стимулами имеет отрицательную величину.

Рис. 1. Схематическое описание методики оценки пресинаптического торможения гетеронимных афферентов Ia m. rectus femoris: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и femoralis, Мн RF - мотонейроны m. rectus femoris, Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ia - тормозные интернейроны Ia (жёлтым цветом) [22].

Пресинаптическое торможение гомонимных Ia афферентов m. soleus оценивается по методике предложенной Y. Mizuno с соавторами [108]. В соответствии с этим методом оценивается степень подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. peroneus profundus и наносимого за 40 мс у мальчиков 9-12 лет, 70 мс - у подростков 14-15 лет и 100 мс - у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет до тестирующего раздражения n. tibialis (рис. 2) [25, 21]. Принимается, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено пресинаптическое торможение гомонимных афферентов Iа.

Рис. 2. Схематическое описание методики оценки пресинаптического торможения афферентов Ia m. soleus: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и peroneus profundus; Мн TA - мотонейроны m. tibialis anterior; Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ia - возбуждающие интернейроны Ia (синим цветом); Ин Ia - тормозные интернейроны Ia (жёлтым цветом) [22].

S. Meunier и E. Pierrot-Deseilligny [106] разработали метод, который позволил оценить пресинаптическое торможение у людей при произвольном сокращении мышц. При сокращении мышц-агонистов в первичных афферентных терминалях пресинаптическое торможение уменьшается, тогда, как пресинаптическое торможение мышц-антагонистов возрастает. Избирательность пресинаптического торможения в блокировании какого-либо входа нейрона, связана с супраспинальным контролем, который подавляет их эффект, когда требуется изолированное сокращение мышцы.

В последующих исследованиях S. Meunier с сотрудниками [107] также показано, что активность в путях пресинаптического торможения изменяется при выполнении движения. Так, пресинаптическое торможение афферентов Ia, проецирующихся на мотонейроны сокращающейся мышцы нижней конечности, существенно уменьшается, а пресинаптическое торможение афферентов Ia, идущих к антагонистам или мотонейронному пулу синергистов, не участвующих в движении, - увеличивается [12, 107]. В отличие от данных, полученных на нижней конечности, на верхней конечности, наряду со снижением пресинаптического торможения афферентов Ia к б-мотонейронам сокращающейся мышцы, показано снижение пресинаптического торможения Ia афферентов к б-мотонейронам антагониста [30]. Роль пресинаптического торможения при выполнении произвольных движений рассмотрена во многих работах [20, 17, 19, 99, 34, 35, 117, 115, 87].

Роль пресинаптического торможения в модуляции активности б-мотонейронов мышц у человека зависит от положения тела [95, 142]. Известно, что в положении стоя пресинаптическое торможение б-мотонейронов мышц голени увеличивается и уменьшается в положении сидя и лёжа. Показано увеличение пресинаптического торможения афферентов Ia при удержании равновесия [91].

Модуляция пресинаптического торможения у человека наблюдается при вибрации мышцы или сухожилия [36, 26, 68]. Вибрация мышц или сухожилия, активируя афференты Ia, подавляет Н-рефлекс в покое, а в сочетании с произвольным напряжением мышц ведёт к увеличению рефлекса [74].

Активность пресинаптического торможения может изменяться от уровня сложности зрительного, двигательного задания и возраста [124, 34]. Также установлено, что адаптация к мышечной работе разной направленности, выполняемая в течение длительного времени, модулирует выраженность пресинаптического торможения [50, 144]. Пресинаптическое торможение б-мотонейронов спинального двигательного центра m. soleus, регистрируемое в состоянии покоя, существенно меньше у спортсменов стайеров по сравнению со спринтерами и самбистами [4].

Обострение корешковых и рефлекторных синдромов на фоне остеохондроза позвоночника сопровождается более выраженным уровнем пресинаптического торможения Ia волокон по сравнению со здоровыми лицами [1]. У лиц с болезнью Паркинсона отмечены патологические изменения пресинаптического торможения в моторной коре головного мозга, сопровождающиеся его ослаблением, по сравнению со здоровыми испытуемыми [43]. Нарушения в пресинаптическом торможении афферентов Ia обнаружены у лиц с детским церебральным параличом [28] и диабетической нейропатией [122].

Исследования с использованием транскраниальной магнитной стимуляции показали, что модуляция пресинаптического торможения происходит через кортикоспинальные пути к гомонимным и гетеронимным б-мотонейронам спинного мозга [40, 68]. В частности, пресинаптическое торможение афферентов Ia мышц нижней конечности при активации кортикоспинальных путей снижается, пресинаптическое афферентов мышц верхней конечности - увеличивается [105].

Исследования в области возрастной нейрофизиологии показали, что пресинаптический контроль у молодых и пожилых людей различается в покое, при ходьбе, езде на велосипеде, вибрации сухожилия, произвольном сокращении мышц [95, 35, 87, 34, 139]. Изменения в выраженности пресинаптического торможения афферентов Ia, проецирующих на мотонейроны мышц верхней и нижней конечности у пожилых людей, по мнению авторов, связаны с атрофией мышечных волокон, уменьшением числа б-мотонейронов в спинном мозге, а также снижением супраспинального нисходящего контроля.

Проведённые нами исследования свидетельствуют о возрастных изменениях в проявлении пресинаптического торможения афферентов Ia скелетных мышц бедра и голени в состоянии покоя [19, 24, 25, 22, 21, 42]. Пресинаптическое торможение гетеронимных Ia афферентов мышцы-разгибателя голени в состоянии относительного мышечного покоя достигает уровня взрослого у детей в возрасте 9-12 лет. В период от 9 до 27 лет выраженность пресинаптического торможения гомонимных Ia афферентов мышцы-сгибателя стопы в состоянии покоя изменяется неравномерно. У мальчиков 9-12 лет отмечается самая слабая выраженность пресинаптического торможения гомонимных Ia афферентов мышцы-сгибателя стопы. В возрасте 17-18 лет пресинаптическое торможение гомонимных Ia афферентов мышцы-сгибателя стопы выражено больше в отличие от мальчиков 9-12 лет, но более ослаблено по сравнению с мальчиками 14-15 лет и мужчинами 22-27 лет. У подростков 14-15 лет выраженность пресинаптического торможения гетеронимных Ia афферентов мышцы-разгибателя голени и гомонимных Ia афферентов мышцы-сгибателя стопы была существенно больше по сравнению с другими исследуемыми возрастными группами, что, вероятно, объясняется гормональными перестройками, интенсивными преобразованиями энергетического потенциала и скорости ростовых процессов разных типов мышечных волокон, характерными для пубертатного периода.

Результаты наших исследований показали, что у детей 9-12 лет в условиях произвольной двигательной активности проявляется самое слабое пресинаптическое торможение Ia афферентов m. soleus, у подростков 14-15 лет - самое большое, к 17-18 годам - слабое и достигает уровня взрослого человека [20, 22]. Полученные данные дают основание полагать, что у подростков 14-15 лет в процессе управления произвольными статическими усилиями нисходящие потоки от кортико-спинального тракта и восходящие потоки от афферентов Ia m. tibialis anterior оказывают более активное тормозное влияние на спинальные интернейронные сети пресинаптического торможения мышц-антагонистов голени по сравнению с детьми 9-12 лет (рис. 3, 3, 1).

Рис. 3. Схема тормозной интернейрональной цепи, опосредуемая восходящими и нисходящими влияниями на мотонейроны спинного мозга в регуляции произвольных движений человека [22].

В последних наших исследованиях было установлено, что реализация произвольного движения в течении 30-и секунд сопровождалась повышением уровня активности пресинаптическое торможение Ia афферентов мышцы-сгибателя стопы, в отличие от нереципрокного и реципрокного торможения [19]. Возможно, в процессе произвольного движения пресинаптическое торможение активно регулирует избыточный афферентный приток к б-мотонейронам мышц-агонистов и антагонистов голени, растормаживая нереципрокные и реципрокные тормозные влияния на них, обеспечивая нормальную двигательную активность человека.

Возвратное торможение. При осуществлении движений мотонейронный пул является «общим конечным путём», который контролируется различными спинальными и супраспинальными механизмами. Существует единственный механизм саморегуляции мотонейронного пула - возвратное торможение [119]. Такой тип торможения спинальных мотонейронов реализуется по следующей схеме: разряд мотонейрона, активация возвратной коллатерали его аксона, возбуждение тормозящего интернейрона - клетки Реншоу, торможение мотонейрона. Возвратное торможение в спинном мозге, согласно современным представлениям, выполняет роль также отрицательной обратной связи, которая стабилизирует и ограничивает частоту разряда б-мотонейрона [8].

В 1941 году B. Renshaw дал первое описание так называемого «антидромного торможения», при котором залп импульсов в моторных аксонах тормозит мотонейроны всех типов на данном сегментарном уровне. При большом числе импульсов, генерируемых мотонейроном, часть этих импульсов по коллатералям может поступать на клетки Реншоу, являющиеся тормозными интернейронами. Образуя тормозящие синапсы на мотонейронах, клетки Реншоу могут, таким образом, уменьшать поток импульсов к мышце и обеспечивать её оптимальное возбуждение [128].

Открытое в 1941 году B. Renshaw влияние антидромных импульсов в двигательных аксонах на возбудимость соседних мотонейронов, опосредуемое тормозными интернейронами, получило термин «возвратное торможение» [52]. В дальнейшем возвратное торможение тщательно исследовалось на экспериментальных животных J.C. Eccles с сотрудниками [52]. На основании полученных данных эти исследователи сделали заключение, что возвратное торможение через клетки Реншоу является одним из механизмов ограничения частоты импульсации мотонейронов. J.C. Eccles с сотрудниками [52] установили, что после стимуляции гетеронимного нерва, одиночные нервные импульсы в аксонах б-мотонейрона вызывают повторные разряды клеток Реншоу, которые являются следствием воздействия длительного возбуждающего постсинаптического потенциала от возвратных коллатералей. Максимальный возвратный тормозной постсинаптический потенциал в мотонейронах, выявляемый антидромной стимуляцией всех моторных аксонов в нерве, генерируется за время, превышающее 1 миллисекунду, достигает максимальных значений на 5 миллисекунде и сохраняется около 40 миллисекунд. Возвратные тормозные постсинаптические потенциалы обнаружены не только в гомонимных мотонейронах, но и во многих других мотонейронах, которые также могут подвергаться возвратному торможению [52, 54].

Кроме гомо- и гетеронимных б-мотонейронов клетки Реншоу тормозят г-мотонейроны [59], интернейроны тормозного реципрокного пути по афферентам группы Ia [77], другие клетки Реншоу [134]. Р. Ellaway [59] выявил, что возвратное торможение г-мотонейронов является менее мощным, чем б-мотонейронов того же самого двигательного центра. Тормозное воздействие клеток Реншоу на интернейроны Ia происходит посредством дисинаптического реципрокного Ia торможения от моторных аксонов антагонистов, которые активируют возвратные коллатерали этих интернейронов [32]. Предполагается, что увеличивающееся на фоне мышечной активности возбуждение интернейронов Ia одноименными афферентами компенсируется возвратным торможением тех же интернейронов [63].

В своих исследованиях V.J. Wilson, P.R. Burgess [141] и R. Ryall [134] показали, что клетки Реншоу также могут эффективно тормозить другие клетки этого типа. Так, активированные эфферентными импульсами клетки Реншоу мышц разгибателей настоятельно тормозят клетки Реншоу мышц сгибателей и наоборот [133]. Возвратное растормаживание направлено, главным образом, на активность мышц разгибателей и служит для поддержания баланса между возбудимостью мышц сгибателей и разгибателей [5]. Торможение тормозных клеток, лежащее в основе феномена растормаживания, является одним из механизмов регуляции движений [12, 127]. Исследования H. Hultborn с соавторами [68] показали, что торможение клетками Реншоу тормозных интернейронов системы Ia антагониста может облегчить коактивацию агониста и антагониста. По мнению H. Hultborn [76] возвратное торможение может предохранять реципрокное Ia торможение от действия увеличивающего возбуждения синергистов через б-г-систему.

Возвратное торможение имеет место не только в спинном мозге, но и в разных структурах головного мозга. Клетки Реншоу наряду с другими интернейронами являются интеграторами как восходящих, так и нисходящих влияний [12, 3, 73]. Установлено, что вестибулярная система осуществляет регуляцию позы через торможение клеток Реншоу [129]. Доказано, что торможение антидромно вызванного разряда клеток Реншоу может быть вызвано стимуляцией структур головного мозга: коры, внутренней оболочки, красного ядра, мозжечка, ретикулярной формация, таламуса и неокортекса [85, 143, 120].

Возвратное торможение участвует в реализации произвольных движений человека [81, 94, 60]. У человека для исследования возвратного торможения обычно применяют методы подавления моносинаптических рефлексов при длиннолатентной стимуляции периферических нервов [39, 78]. Для оценки нереципрокного торможения гетеронимных б-мотонейронов m. vastus lateralis использовали метод, предложенный J.F. Iles с соавторами [78] (рис. 4.). При такой методике нереципрокное торможение гетеронимных б-мотонейронов m. vastus lateralis определяется при нанесении кондиционирующего стимула n. tibialis и тестирующего раздражения n. femoralis при оптимальных задержках у мальчиков 9-12 лет 5 мс, у подростков 14-15 лет, юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет - 10 мс [15, 22, 17]. В этом случае кондиционирующая стимуляция n. tibialis позволяет активировать афференты соответствующих тормозных интернейронов Ib к б-мотонейронам m. soleus и m. vastus lateralis, тем самым вызывая подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis. Постулируется, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. vastus lateralis по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено нереципрокное торможение б-мотонейронов.

Рис. 4. Схематическое описание методики оценки возвратного и нереципрокного торможения гетеронимных б-мотонейронов m. vastus lateralis: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и femoralis; зелёная линия - Ib потоки, идущие от n. tibialis; - активация клеток Реншоу кондиционирующей стимуляцией; Мн VL - мотонейроны m. vastus lateralis; Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ia - возбуждающие интернейроны Ia (синим цветом); Ин Ib - тормозные интернейроны Ib (зелёным цветом); КР - тормозные клетки Реншоу (красным цветом) [22].

С помощью этих методов исследована роль возвратного торможения гомонимных спинальных б-мотонейронов человека проксимальных мышц верхних и нижних конечностей при осуществлении двигательной активности разного характера [41, 127, 103, 22]. Гетеронимное (возвратное) торможение спинальных б-мотонейронов более подробно исследовано у человека в мышцах нижней конечности [78, 31, 127, 22]. При выполнении фазического и сильного тонического сокращения m. triceps surae показана низкая активность возвратного торможения гомонимных б-мотонейронов m. soleus человека [127]. По мнению авторов, ослабление возвратного торможения в этих условиях в определённой мере ограничивает миотатический рефлекс антагониста - m. tibialis anterior; ограничение рефлекса происходит за счёт подавления активности интернейронов Ia m. soleus, тормозящих аналогичные нейроны антагониста. В литературе также описаны примеры модуляции возвратного торможения гомонимных б-мотонейронов m. soleus во время коактивации антагонистов голеностопного сустава при тыльном и подошвенном сгибания стопы [118, 102]. Клетки Реншоу затормаживаются при сильном подошвенном сгибании стопы, но не во время тыльного сгибания стопы.

Роль возвратного торможения в модуляции б-мотонейронов спинного мозга у человека зависит от положения тела. В положении стоя происходит усиление возвратного торможения гомонимных б-мотонейронов m. soleus, вероятно, из-за влияния супраспинальных механизмов, возможно вестибулярного аппарата [114, 127]. Также показано, что возвратное торможение б-мотонейронов m. soleus увеличивается во время статического наклона испытуемых назад от 80° до 40° [127].

Произвольные движения также приводят к модуляции возвратного торможения гетеронимных б-мотонейронов у человека [78, 81]. Во время выполнения изометрических усилий разной величины возвратное торможение гетеронимных б-мотонейронов может уменьшаться или увеличиваться [80]. Установлено, что возвратное торможение гетеронимных б-мотонейронов снижается во время ходьбы человека [31, 98, 81]. Полагают, что во время нормального цикла шагания клетки Реншоу могут быть заторможены под влиянием вестибуло-спинального тракта [80, 98]. Так же доказано, что уровень повседневной двигательной активности и адаптация к мышечной работе разной направленности влияют на выраженность возвратного торможения б-мотонейронов m. soleus у человека [50, 144, 18]. У лиц, не занимающихся спортом, наблюдается наибольшая выраженность возвратного торможения б-мотонейронов m. vastus lateralis, чем у спортсменов [18]. Сходные результаты, описывающие о наибольшей выраженности возвратного торможения гомонимных б-мотонейронов m. soleus у лиц, не занимающихся спортом и спринтеров по сравнению со стайерами приведены в работе D.R. Earles с соавторами [50].

Описаны случаи модуляции возвратного торможения у лиц с двигательными нарушениями. Так, у больных со спастичностью, возникшей вследствие травмы, усилено возвратное торможение б-мотонейронов m. soleus. У больных детским церебральным параличом обнаружены патологические изменения возвратного торможения б-мотонейронов m. soleus как до, так и после произвольного движения [101]. Относительно высокий уровень проявления возвратного торможения был обнаружен в двигательном центре m. soleus человека при посттравматической иммобилизации [10].

Следует подчеркнуть, что в области возрастной нейрофизиологии сведения о возвратном торможении ограничены немногочисленными исследованиями, констатирующими, что формирование возвратного торможения гетеронимных б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени в состоянии покоя до дефинитивного уровня происходит в юношеском возрасте. Для мальчиков 9-12 лет характерна самая слабая выраженность возвратного торможения гетеронимных б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени. Наибольшая активность этой тормозной внутриспинальной системы наблюдается в подростковом возрасте - у мальчиков 14-15 лет [15, 21, 42]. У лиц зрелого и пожилого возраста выраженность возвратного торможения спинальных б-мотонейронов m. soleus в состоянии мышечного покоя не имеет отличий [41].

Нереципрокное торможение. В связи с появлением экспериментальных фактов, свидетельствующих о тормозном влиянии Ib афферентов не только на мотонейроны собственной мышцы, но и на мышцы-синергисты вместо термина «аутогенное» торможение стали использовать «нереципрокное торможение» [125, 83, 130, 140, 127, 94, 90]. Поэтому в обзоре используется терминология согласно публикациям авторов.

О функциональном значении сухожильных органов Гольджи впервые косвенно упоминается при рассмотрении рефлекторного спинального торможения сокращения собственных мышц [135]. С. Sherrington [135] описал эффект «складного ножа», характеризующийся проявлением начального сопротивления мышцы растяжению, которое при дальнейшем приложении растягивающего усилия исчезает. Позже было показано, что по афферентным волокнам Ib от сухожильных органов Гольджи осуществляется аутогенное торможение, являющееся по своему функциональному значению предохранительным от чрезмерных напряжений мышц. Последующие исследования выявили высокую чувствительность сухожильных рецепторов, реагирующих изменением импульсации на сокращение даже отдельных двигательных единиц [137], и их обширные связи с интернейронным аппаратом спинного мозга. Эти факты доказали важную роль передаваемой ими афферентной информации не только в рефлекторном торможении собственных мышц, но и в координированных сокращениях различных мышечных групп.

R. Granit [66] с помощью внутриклеточной регистрации продемонстрировал аутогенное торможение б-мотонейронов мышцы-разгибателя у кошки во время произвольного сокращения гомонимной мышцы. Используя тестирование моносинаптического рефлекса, Y. Laporte и D.P.C. Lloyd [100] представили первые доказательства кротколатентного аутогенного торможения гомонимных б-мотонейронов разгибателя (обратный миотатический рефлекс) в состоянии мышечного покоя. Затем было установлено, что активация Ib афферентов экстензоров у кошки приводит к облегчению гомонимной мышцы и её синергистов при ходьбе. В дальнейших исследованиях показаны возможности торможения или возбуждения г-мотонейронов через интернейроны Ib при стимуляции афферентов группы I у кошки [83]. Оказалось, что интернейроны, активируемые афферентами группы I, имеют не только моносинаптические связи с Ia и Ib афферентами, но и немоносинаптические связи с высоко- и низкопороговыми мышечными, кожными и суставными афферентами, а также рядом эфферентов нисходящих систем [82]. Так, мышечные афференты группы I, рубро- и кортико-спинальные тракты имеют моно- и дисинаптические проекции на интернейроны нереципрокного торможения, а кожные афференты - только дисинаптические. Существуют и полисинаптические проекции различных афферентов на интернейронах данного типа [2]. Интернейроны, ответственные за нереципрокное торможение мотонейронов от мышечных афферентов группы I, дают коллатерали к другим интернейронам располагающихся в V - VI пластинах по Рекседу [37]. Принято считать, что основная функция Ib интеренейронов - координация активности мышц, обслуживающих разные суставы [3].

P. Hoffman [71] первым обнаружил, что вслед за рефлекторным Н-ответом или сухожильным (ахилловым) рефлексом, вызванным на фоне произвольного сокращения m. gastrocnemius, регистрируется период электрического молчания этих мышц, который длится несколько десятков миллисекунд. Этот феномен получил название «периода молчания» [7, 9]. Аутогенное торможение мотонейронов человека можно косвенно оценить по длительности «периода молчания» - прекращению электрической активности при искусственно вызванном сокращении мышцы на фоне произвольного движения [7, 13].

Метод оценки нереципрокного торможения, предложенный E. Pierrot-Deseilligny с сотрудниками [125], основан на подавлении амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus при нанесении кондиционирующего стимула на n. common peroneal и тестирующего раздражения на n. tibialis. В этом случае кондиционирующая стимуляция n. common peroneal вызывает «чистый» эффект Ib торможения б-мотонейронов m. gastrocnemius medialis и m. soleus [125] (рис. 5). Оценивается степень подавления тестирующего Н-рефлекса m. soleus в условиях нанесения кондиционирующей стимуляции n. common peroneal за 2 мс у мальчиков 9-12 лет и 14-15 лет, в 6 мс - у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет до тестирующего раздражения n. tibialis [23, 21]. Принималось, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено нереципрокное торможение б-мотонейронов. У человека в состоянии покоя, кондиционирующая стимуляция низкопороговых кожных афферентов нижней конечности снижает действие тормозных путей Ib к б-мотонейронам m. quadriceps femoris, но возбуждает их во время произвольного сокращения [126]. Установлено, что стимуляция афферентов m. gastrocnemius med. уменьшает нереципрокное торможение б-мотонейронов m. quadriceps femoris (но не б-мотонейронов m. soleus) во время произвольных сокращения m. triceps surae [65]. Такие эффекты, вероятно, вовлекают пресинаптический компонент, так как в настоящее время имеются данные о пресинаптическом торможение Ib афферентов [97]. В реализации нереципрокного торможения также может участвовать механизм возвратного торможения через клетку Реншоу [130, 22].

Рис. 5. Схематическое описание методики оценки нереципрокного торможения гомонимных б-мотонейронов m. soleus: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и common peroneal; зелёная линия - Ib потоки, идущие от n. common peroneal; Мн GM - мотонейроны m. gastrocnemius medialis; Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ib - тормозные интернейроны Ib (зелёным цветом) [22].

M.J. Stephens и J.F. Yang [138] впервые изучили нереципрокное торможение группы I во время локомоции человека. Нереципрокное торможение, опосредованное Ib афферентами на б-мотонейроны m. soleus, уменьшается во время настройки перед совершением шагательных движений. Позже было показано, что нереципрокное торможение во время ходьбы человека инвертируется на облегчение [61]. Разгибание в коленном суставе приводит к пространственному облегчению нереципрокного торможения б-мотонейронов m. vastus lateralis [12]. В исследованиях Л.В. Смирновой [13] раскрыты новые аспекты влияния Ib афферентов на спинальные двигательные центры в условиях утомления. Автором установлено, что по мере развития утомления, вызываемого длительным удержанием статического усилия, выраженность аутогенного торможения возрастает. Уровень двигательной активности у юношей 17-18 лет влияет на выраженность нереципрокного торможения б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени. Процесс нереципрокного торможения б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени наиболее выражен у юношей-самбистов, чем у юношей-неспортсменов [18].

У здоровых испытуемых при произвольных максимальных сокращениях отмечается уменьшение нереципрокного торможения, хотя у больных со спастичностью и цервикальной миелопатией торможение увеличивается [110, 104], а в состоянии относительного мышечного покоя инвертируется на облегчение [47]. У больных детским церебральным параличом нереципрокное торможение в системе мышц-синергистов усилено, что, возможно, связано с компенсаторными процессами в центральной нервной системе [11].

Изучение возрастных особенностей нереципрокного торможения гетеронимных и гомонимных б-мотонейронов скелетных мышц позволило установить, что дефинитивный уровень развития нереципрокного торможения гетеронимных б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени и гомонимных б-мотонейронов мышцы-сгибателя стопы в состоянии мышечного покоя приходится на возраст 14-15 лет [23, 21, 42]. Для 14-15-летних подростков, по сравнению с мальчиками 9-12 лет и юношами 17-18 лет, характерно наиболее выраженное нереципрокное торможение гетеронимных б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени, но наименее выраженное нереципрокное торможение гомонимных б-мотонейронов мышцы-сгибателя стопы. В возрасте 9-12 лет выраженность нереципрокного торможения гетеронимных б-мотонейронов мышцы-разгибателя голени меньше, чем у взрослых, тогда как нереципрокное торможение их гомонимных б-мотонейронов мышцы-сгибателя стопы выражено существенно больше в сравнении со взрослыми людьми. Это может быть связано с морфофункциональной незрелостью скелетных мышц и сухожилий, которая, вероятно, может влиять на афферентные Ib потоки, идущие от сухожильных рецепторов Гольджи к тормозным интернейронам Ib и таким образом изменять нереципрокное торможение б-мотонейронов спинного мозга у детей в возрасте 9-12 лет.

Анализ возрастных изменений нереципрокного торможения б-мотонейронов m. soleus человека при выполнении произвольного движения показал, что у мальчиков 9-12 лет отмечалась самая большая выраженность этого вида торможения по сравнению с другими возрастными группами [20]. Мы предположили, что у детей 9-12 лет произвольное сокращение мышц голени сопровождается более значительной афферентной импульсацией сухожильных рецепторов Гольджи и более выраженными возбуждающими супраспинальными влияниями на тормозные интернейроны Ib по сравнению с другими возрастными группами (рис. 3, 2, 5). Выявленная самая слабая выраженность нереципрокного торможения б-мотонейронов m. soleus при выполнении произвольного движения подростками 14-15 лет и юношами 17-18 лет связана с ослаблением возбуждающих супраспинальных и периферических влияний на тормозные интернейроны Ib, что приводит к усилению облегчающих влияний на мотонейронный пул m. soleus (рис. 3, 2, 5).

Реципрокное торможение. Спинной мозг также включает нейрональные сети через которые осуществляется реципрокное торможение. С. Sherrington в 1906 году впервые показал, что в пределах каждого из основных типов спинальных рефлексов существует реципрокные отношения флексорных и экстензорных групп мышц. Позже P. Hoffman [70] с помощью метода регистрации моносинаптического рефлекса m. soleus при произвольном сокращении мышц претибиальной группы также выявил реципрокное торможение и предположил, что механизм этого торможения локализован в мотонейронах. В 1946 году D.P. Lloyd указал, что торможение мотонейронов мышц-антагонистов вызывается активацией Ia афферентов. С помощью внутриклеточной регистрации активности мотонейронов спинного мозга у кошки J.C. Eccles с соавторами [56] установил, что в тормозных путях реципрокного торможения участвуют интернейроны Ia и торможение является дисинаптическим. Тормозные Ia интернейроны являются интеграторами нисходящей нейрональной активности кортикоспинального, руброспинального и вестибулоспинального трактов [67], а также восходящего потока импульсов афферентов II, III, IV [79, 82].

Реципрокное торможение у человека можно оценить по подавлению амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus в условиях кондиционирующей стимуляции n. peroneus [44], произвольной дорсифлексии стопы или сгибания в голеностопном суставе [45, 112], а также по длительности «периода молчания» при электростимуляции периферического нерва [29]. Реципрокное торможение б-мотонейронов m. soleus оценивается по методу C. Crone с соавторами [44]. При этом методе используется кондиционирующая стимуляция n. peroneus profundus, которая активирует афференты m. tibialis anterior и возбуждает Ia тормозные интернейроны, проецирующие на б-мотонейроны m. soleus. В соответствии с данным методом оценивалась степень подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. peroneus profundus и наносимой за 2 мс у мальчиков 9-12 лет и 3 мс - у подростков 14-15 лет, юношей 17-18 лет, мужчин 22-27 лет до тестирующего раздражения n. tibialis [14, 21]. Постулируется, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено реципрокное торможение спинальных б-мотонейронов.

Рис. 6. Схематическое описание методики оценки реципрокного торможения б-мотонейронов m. soleus: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и peroneus profundus; Мн TA - мотонейроны m. tibialis anterior; Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ia - тормозные интернейроны Ia (жёлтым цветом) [22].

В ранних работах в реципрокном торможении выделяли три тормозных периода: I период - коротколатентное дисинаптическое реципрокное торможение [108, 46], II период - длиннолатентное торможение (D₁-торможение) и III-период - длиннолатентное торможение (D₂-торможение) [46]. В настоящее время реципрокное торможение на спинальном уровне принято разделять на два периода: дисинаптическое реципрокное торможение через Ia интернейроны и длиннолатентное реципрокное торможение [127]. Описанные выше фазы реципрокного торможения наблюдаются и в мышцах верхних конечностей [46, 116].

Выраженность реципрокного торможения у человека зависит от уровня активности антагониста, агониста и мышц, относящихся к другим суставам [45, 64, 49]. Контроль нейрональных сетей реципрокного торможения может быть различным и определяется характеристиками произвольных двигательных действий [3, 136, 113, 86]. Модуляция реципрокного торможения также наблюдается при патологии: спастичности нижних конечностей [111], верхних конечностей [123], детском церебральном параличе [101, 69] и после травмы спинного мозга [93].

С помощью метода транскраниальной магнитной стимуляции головного мозга установлено, что на спинальных интернейронах реципрокного торможения человека конвергируют нейроны кортикоспинальных путей [79, 127, 96]. Описана конвергенция на общих спинальных интернейронах кортикоспинальных путей и афферентов, осуществляющих коротко- и длиннолатентное дисинаптическое реципрокное торможение [79].

Выраженность реципрокного торможения б-мотонейронов мышцы-сгибателя стопы в состоянии относительного мышечного покоя соответствует дефинитивному уровню в возрастном периоде от 9 до 18 лет [14, 21]. К 9-12-летнему возрасту реципрокное торможение б-мотонейронов мышцы-сгибателя стопы сформировано и характеризуется достаточно высокой функциональной организацией, по-видимому, на основе уже имеющихся морфологически зрелых дисинаптических нейрональных путей. У лиц зрелого возраста спинальное и корковое реципрокное торможение увеличено в сравнении с лицами пожилого возраста [89, 72].

Данные, полученные по изучению реципрокного торможения б-мотонейронов m. soleus человека при выполнении произвольного движения, указывают на то, что в возрасте 9-12 лет наблюдается большая выраженность данного вида торможения, у подростков 14-15 лет - самая малая, а в возрасте 17-18 лет - слабая и достигает дефинитивного уровня [20, 42]. Эти данные позволяют высказать предположение о том, что у детей 9-12-летнего возраста напряжение мышц голени вызывает большее усиление афферентных потоков от m. tibialis anterior к мотонейронам m. soleus по сравнению с подростками 14-15 лет, юношами 17-18 лет и мужчинами 22-27 лет (рис. 3, 1). Возможно, детям 9-12 лет при произвольном усилии требуется также увеличение нисходящих возбуждающих влияний на тормозные Ia и Ib интернейроны для компенсации развивающихся при удержании статического усилия реципрокных и нереципрокных тормозных процессов, снижающих возбудимость спинальных б-мотонейронов (рис. 3, 4, 5).

Список литературы

1. Андриянова Е.Ю. Электронейромиографические показатели и механизмы развития пояснично-крестцового остеохондроза / Е.Ю. Андриянова, P.M. Городничев. - Великие Луки, 2006. - 191 с.

2. Бикмуллина Р.Х. Влияние кожных афферентов стопы на спинальные центры функционально сопряженных мышц голени человека: дисс….канд. биол. наук / Р.Х. Бикмуллина. - Казань, 2001. - 136 с.

3. Бикмуллина Р.Х. Тормозные системы спинного мозга в контроле взаимодействий функционально сопряжённых мышц / Р.Х. Бикмуллина, А.Н. Розенталь, И.Н. Плещинский // Физиология человека. - 2007. - Том 33, №1. - С. 119-130.

4. Городничев P.M. Пресинаптическое торможение альфа-мотонейронов спинного мозга человека при адаптации к двигательной деятельности разной направленности / P.M. Городничев, Р.Н. Фомин // Физиология человека. - 2007. - № 33(2). - С. 98-103.

5. Гранит Р. Основы регуляции движений / Р. Гранит. - М.: Мир, 1973. - 368 с.

6. Костюк П.Г. Механизмы электрической возбудимости нервной клетки / П. Г. Костюк, О. А. Крышталь. - М.: Наука, 1981. - 204 с.

7. Коц Я.М. Организация произвольного движения / Я.М. Коц. - М.: Наука, 1975. - 250 с.

8. Кудина Л.П. Анализ возвратного торможения, иннервирующих быстрые мышцы у человека / Л.П. Кудина, М. Пиотркевич // Нейроинформатика. - 2006. - Часть 1. - С. 137-140.

9. Персон Р.С. Спинальные механизмы управления мышечным сокращением / Р.С. Персон. - М.: Наука, 1985. - 184 с.

10. Плещинский И.Н. Тормозные взаимодействия мышц-синергистов у человека / И.Н. Плещинский, Р.Х. Бикмуллина // Тез. докл. XVII съезда Всероссийского физиологического общества им. И. П. Павлова. - Ростов-на-Дону, 1998. - С. 70.

11. Плещинский И.Н. Тормозные взаимодействия функционально-сопряжённых мышц голени при детском церебральном параличе / И.Н. Плещинский, Г.Г. Гусельникова, Р.Х. Бикмуллина, Е.В. Новикова // Неврологический вестник. - 1998. - Т. 30. - №3-4. - С. 39.

12. Розенталь А.Н. Исследование состояния спинального центра камбаловидной мышцы человека при выполнении различных двигательных заданий: дисс….канд. биол. наук / А.Н. Розенталь. - Казань, 2006. - 125 с.

13. Смирнова Л.В. Влияние изометрического сокращения скелетных мышц на аутогенное торможение спинальных б-мотонейронов у человека: автореф. дисс….канд. биол. наук / Л.В. Смирнова. - Тверь, 2011. - 18 с.

14. Челноков А.А. Возрастные особенности реципрокного торможения б-мотонейронов на спинальном уровне у человека / А.А. Челноков // Материалы международной научно-практической конференции «Детство, отрочество и юность в контексте научного знания». Пенза - Шадринск - Ереван, 25-26 апреля 2011 года. - Научно-издательский центр «Социосфера», 2011. - С. 80-83.

15. Челноков А.А. Исследование возвратного торможения спинальных б-мотонейронов у лиц разного возраста / А.А. Челноков // Новые Исследования. - №2(31). - 2012. - С. 26-34.

16. Челноков А.А. Особенности пре- и постсинаптического торможения спинальных альфа-мотонейронов у юношей 17-18 лет / А.А. Челноков // Теория и практика физической культуры. - № 6. - 2010. - С. 57-60.

17. Челноков А.А. Тормозные системы спинного мозга в управлении произвольными движениями / А.А. Челноков // Проблемы физкультурного образования: содержание, направленность, методика, организация: Материалы IV международного научного конгресса, посвященного 45-летию Уральского государственного университета физической культуры (г. Челябинск, 13-14 ноября 2015г.) / Т. 1 / Под ред. д.м.н., проф. Е.В. Быкова. - Челябинск: Издательский центр «Уральская Академия», 2015. - С. 598-600.

18. Челноков А.А. Влияние уровня двигательной активности на модуляцию нереципрокного и возвратного торможения спинальных б-мотонейронов у лиц юношеского возраста / А.А. Челноков, И.Н. Бучацкая // Педагогико-психологические и медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. - №4(17). - 2010. - С. 78-85. - URL: http://kamgifk.ru/magazin/4_10/17.pdf

19. Челноков А.А. Функциональные особенности спинального торможения человека при произвольной двигательной активности / А.А. Челноков, И.Н. Бучацкая // Теория и практика физической культуры. - 2015. - №6. - С. 11-13.

20. Челноков А.А. Возрастные особенности спинального торможения человека при произвольной двигательной активности мышц голени / А.А. Челноков, Р.М. Городничев // Теория и практика физической культуры. - № 11. - 2013. - С. 80.