Как электромиостимуляция влияет на нервную регуляцию работы мышц и мышечную архитектуру

Джулиен Гондин, Мари Гуэтте, Ив Баллей, Ален Мартин

Университет Бургундии, Дижон, Франция, 2005 г.

Резюме

Цель данной работы: изучить, какое воздействие оказывает электростимуляция в течение 4 и 8 недель на мышечную ткань и нервные окончания разгибателей колена.

Методы: 20 испытуемых мужского пола разделили на две группы. Основная группа (12 человек) проходила программу изометрической электромиостимуляции, общее число сеансов составило 32, в течение восьми недель. Обе группы проходили тестирование перед началом программы, на четвертой неделе и на восьмой неделе. Для оценки параметров адаптации нервных окончаний использовались данные электромиографии и данные об активации мышц при совершении мышечного сокращения с максимальной силой. Для анализа изменений, происходящих в мышечных волокнах, были изучены вращающий момент и возникающие при электромиографии потенциалы, полученные при выполнении непроизвольных мышечных сокращений под действием электрического тока, а также с помощью ультразвука были зафиксированы анатомическое поперечное сечение мышцы и угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis (латеральная широкая мышца бедра).

Результаты: во время недели 8 было зафиксировано существенное (27%, р<0,001) увеличение силы произвольного сокращения разгибателей колена, сопровождавшееся увеличением активации мышц (6%, р<0,001), анатомическим увеличением площади поперечного сечения четырехглавой мышцы (6%, р<0,001) и увеличением угла прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis (14%, р<0,001). Также во время недели 8 было отмечено существенное увеличение электрической активности мышц vastus lateralis и vastus medialis (медиальная широкая мышца бедра) во время сокращения (соответственно 69 и 39%), в то же время увеличение активности rectus femoris (прямая мышца бедра) зафиксировано не было. Было зарегистрировано существенное (5-8%, р<0,001) увеличение поперечного сечения vastus lateralis, vastus medialis и vastus intermedius (промежуточная широкая мышца бедра) на неделе 8, которого не наблюдалось на неделе 4. Изменений в мышце rectus femoris зафиксировано не было.

Выводы: мы пришли к выводу, что увеличение вращающего момента при произвольных сокращениях, наступившее после сеансов ЭМС, объясняется изменениями и в нервной регуляции, и в мышечной ткани. И те, и другие изменения выборочно затрагивали суставные мышцы бедра.

Ключевые слова: увеличение силы, электромиография мышечных сокращений, активация мышц, гипертрофия, разгибатели колена.

Ранее электромиостимуляция (ЭМС) использовалась для проведения силовых тренировок у здоровых людей. Авторы многих работ свидетельствовали о том, что после многочисленных сеансов электромиостимуляции можно наблюдать увеличение силы произвольных мышечных сокращений, особенно четырехглавой мышцы бедра – именно ее стимулировали особенно часто. Однако механизм, лежащий в основе повышения силовых показателей после ЭМС остается неясным.

Авторы нескольких исследований ЭМС выдвигают гипотезу о том, что увеличение силы при прохождении сеансов ЭМС происходит не в связи с изменениями на мышечном уровне, а из-за изменений функционирования нервных окончаний. Особенно это касается коротких программ (4 недели и меньше). Например, Мафиулетти и др. (16), говорят о том, что увеличение силы произвольных сокращений сгибающей подошву мышцы сопровождалось усилением и нервной активации, и электромиографической активности камбаловидной мышцы после четырех недель сеансов ЭМС. Более того, соотношение доза/ответная реакция между стимуляцией четырехглавой мышцы и активацией некоторых отделов мозга (26), а также передача эффекта на другую конечность, которая не подвергалась ЭМС (11), свидетельствуют о том, что ЭМС позволяет добиться активизации нервной системы. Все эти данные указывают на то, что адаптация нервной регуляции, вероятнее всего, наступает после множественных сеансов непроизвольных сокращений мышц с преодолением сопротивления.

Еще одно недавно проведенное исследование указывает, что резкая и сильная стимуляция электричеством оказывается достаточной для того, чтобы обеспечить изменения на молекулярном уровне. Такие изменения указывают на начало гипертрофических процессов в четырехглавых мышцах как здоровых испытуемых, так и пациентов с травмами спинного мозга. Так что можно ожидать наступления изменений на уровне мышечных волокон после повторяющихся сеансов ЭМС. Тем не менее, научная литература не дает однозначного ответа на вопрос о том, как ЭМС влияет на мышечную гипертрофию, главным образом, в связи с принятой длительностью и параметрами ЭМС. К примеру, два исследования (24, 27) зафиксировали внушительное увеличение размера четырехглавой мышцы после 8-9 недель ЭМС, а другие исследователи (19, 25) не зафиксировали изменений после ЭМС длительностью в четыре недели. Таким образом, можно прийти к предположению, что мышечная гипертрофия может наступить после ЭМС, но только в том случае, если программа продолжается более 4 недель.

Цель данной работы – исследовать влияние 4-недельной и 8-недельной ЭМС на нервную регуляцию и мышечную архитектуру мышц-разгибателей колена, уделяя особое внимание срокам наступления наблюдаемых изменений. Насколько нам известно, данное исследование – первое, включающее комбинированный анализ мышечных и нервных факторов после множественных сеансов ЭМС. Электромиографическая активность и активация мышц, измеренная при произвольных мышечных сокращениях разгибателей колена максимальной силы, послужили основой для оценки изменений нервной регуляции. Для изучения изменений, происходящих в мышечных волокнах, были исследованы вращающий момент и возникающие при электромиографии потенциалы, полученные при выполнении непроизвольных мышечных сокращений под действием электрического тока, а также с помощью ультразвука были зафиксированы анатомическое поперечное сечение мышцы и угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis.

Методы

Подход к проблеме и протокол эксперимента

Данный эксперимент был проведен для того, чтобы изучить какое воздействие оказывает электростимуляция в течение 4 и 8 недель на мышечную ткань и нервные окончания разгибателей колена. Для оценки параметров адаптации нервных окончаний использовались данные электромиографии и данные об активации мышц при совершении мышечного сокращения с максимальной силой. Для анализа изменений, происходящих в мышечных волокнах, были изучены вращающий момент и возникающие при электромиографии потенциалы, полученные при выполнении непроизвольных мышечных сокращений под действием электрического тока, а также с помощью ультразвука были зафиксированы анатомическое поперечное сечение мышцы и угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis (латеральная широкая мышца бедра). Эти показатели проверялись у двух групп испытуемых, одна из которых проходила сеансы электромиостимуляции, а другая, контрольная, не тренировалась никак. Всего было проведено 32 изометрических (двусторонних) сеанса ЭМС по 18 минут каждый в течение восьми недель – по четыре сеанса в неделю. Все испытуемые проходили тестирование четыре раза: за две недели до начала сеансов, непосредственно перед началом сеансов (чтобы оценить достоверность данных), на четвертой неделе (в конце недели 4), и на восьмой неделе. От 16-го (неделя 4) и 32-го (неделя 8) сеансов до тестирования проходило три-четыре дня. Члены контрольной группы также проходили тестирование на четвертой и восьмой неделе своей обычной жизнедеятельности. Все замеры делались на правой ноге. Независимые переменные – сроки проведения тестирования (неделя 4 и неделя 8) и группа испытуемых (основная и контрольная). Зависимые переменные – сила произвольного мышечного сокращения, электромиографическая активность и активация мышц, полученные при произвольном сокращении максимальной силы, вынужденные сокращения (единичный и двойственный разряды) и связанная с ними максимальная М-волна, ширина поперечного сечения четырехглавой мышцы и отдельных мышц, а также угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию.

Испытуемые

Двадцать студентов мужского пола подписали информированное согласие на участие в данном исследовании. Их случайным образом поделили на основную и контрольную группу. Основная группа состояла из 12 участников (возраст 23,5 ±5,0 лет, рост 178,4± 8,9 см, вес 73,7±9,4 кг). Контрольная группа состояла из 8 участников (возраст 24,3 ± 1,6 года, рост 176,4 ± 4,7 см, вес 69,3 ± 7,4 кг). Никто из испытуемых не занимался силовыми тренировками и не проходил сеансов ЭМС в течение 12 месяцев, предшествовавших проведению эксперимента, но некоторые заполняли свой досуг спортивными занятиями. Проект был утвержден Комитетом исследований возможностей человека Бургундского университета. Все процедуры в рамках проведения данного исследования соответствуют требованиям Хельсинской декларации.

ЭМС

Сеансы. За неделю до начала программы участники основной группы приняли участие в ознакомительном сеансе с целью изучения параметров стимуляции. Программа состояла из 32 изометрических (двусторонних) сеансов ЭМС по 18 минут каждый в течение восьми недель – по четыре сеанса в неделю. В ходе каждого сеанса выполнялись 40 изометрических сокращений. Во время сеанса спортсмены сидели на машине (Multiform, производство Франции) используемой для силовой тренировки четырехглавых мышц бедра, причем коленный сустав был зафиксирован под углом 60º (0º соответствует полностью выпрямленной ноге). Для минимизации движений бедер и таза во время сокращений таз был зафиксирован ремнями. Три самоклеющихся электрода толщиной в 2 мм были прикреплены к каждому бедру. Положительные электроды, площадью 25 см ² (5 см х 5 см), с функцией деполяризации мембраны, были размещены максимально близко к точкам вхождения двигательного нерва в мыщцы vastus lateralis и vastus medialis и возле мест крепления этих мышц. Отрицательный электрод, площадью 50 см ² (10 см х 5 см), был размещен возле бедренного треугольника, на 5-7 см ниже паховой (пупартовой) связки. По окончании четырех недель электроды для каждого из участников были заменены. Использовался портативный стимулятор, работающий от аккумулятора (Compex 2, Medicompex SA, Экубленц, Швейцария). Характеристики электростимуляции: ток прямоугольной волны (75 Герц) продолжительностью 400 µs. В течение 1,5 сек ток возрастал, потом в течение 4 секунд происходила постоянная тетаническая стимуляция, снижающаяся в течение 0,75 сек. Таким образом, суммарная длительность сокращения составляла 6,25 сек. Каждое сокращение 3 секунды сменялось 20-секундной паузой (рабочий цикл – 24%). Интенсивность отслеживалась в режиме реального времени, плавно увеличивалась во время сеанса до максимально переносимых величин, которые оказались в районе от 30 до 120 мА, в зависимости от индивидуального болевого порога участников. Никто из испытуемых не испытывал существенного дискомфорта при данных условиях. Вначале сеанса проводилась пятиминутная подготовка по стандартной процедуре, в ходе которой проходила субмаксимальная ЭМС с произвольно выбранной интенсивностью (5 герц, импульсы длительностью 200 µs). Вышеприведенные параметры стимуляции были избраны на основе рекомендаций нескольких авторов (9,14). Такой протокол ЭМС был успешно использован в нашей лаборатории для увеличения силы разгибателей колена (15, 17).

Замеры силы вынужденных сокращений при ЭМС. Индивидуальный уровень изометрической силы, полученный в результате ЭМС, измерялся изокинетическим динамометром один раз в случайно определенный день во время четвертой недели стимуляции и еще один раз во время последней недели. Поза испытуемых описана в следующем разделе (Замеры вращающего момента). Сначала проводилась подготовительная стимуляция, процедура описана выше, а потом испытуемые делали два произвольных сокращения разгибателей колена с максимальной силой, между ними двухминутный отдых. После этого испытуемые проходили полный сеанс ЭМС, сила вынужденных сокращений фиксировалась специальным коммерческим программным обеспечением (Tida, Heka Elektronik, Германия) и позже анализировалась.

Сила вынужденных сокращений, с шестого по десятое, была приведена к среднему значению и после этого разделена на силу произвольного сокращения, зафиксированную перед сеансом. Выяснилось, что сила, произведенная ЭМС, колебалась от 47 до 93% силы максимального произвольного сокращения (среднее значение 68 ± 13%).

Замеры

Замеры вращающего момента. Мгновенный изометрический вращающий момент на коленном суставе был зафиксирован при помощи изокинетического динамометра Biodex. Испытуемые сидели, угол между туловищем и бедрами составлял 90°, колено было согнуто под углом 60° (0º соответствует полностью выпрямленному колену) – эта поза здесь и далее будет определяться как тренировочная поза. Каждый испытуемый был зафиксирован ремнями на уровне таза и плечей. Ось динамометра была сопоставлена с анатомической осью коленного сустава, и плечо рычага было прикреплено ремнями на 2-3 см выше наружной лодыжки. Чтобы произвести электромиографию двуглавой мышцы бедра, под испытуемого клали доску (толщиной 3 см) с отверстием в том месте, где были размещены электроды – чтобы избежать сдавливания между поверхностным электродом и проводом на сиденье. Испытуемых просили скрестить руки во время прохождения процедуры замеров. Делалась также поправка на влияние силы тяжести – в зависимости от веса конечности.

Электрическая стимуляция. Стимуляция бедренного нерва происходила при помощи прикатодного шарикового электрода (диаметр 0,5 см), приложенного и удерживаемого одним и тем же экспериментатором внутри бедренного треугольника, на 3-5 см ниже паховой (пупартовой) связки. Анод – крупный электрод (10 х 5 см, производства Швейцарии), располагающийся в ягодичной складке. Применялись прямоугольные импульсы длительностью в 1 мс, максимальное напряжение – 400 В (Digitimer DS7, Великобритания). Индивидуальная интенсивность стимуляции постепенно увеличивалась. Увеличение прекращалось тогда, когда пиковая сила вращающего момента рывка больше не росла (то есть при наибольшей величине вращающего момента рывка), так же, как и сопутствующая амплитуда М-волны. Эта интенсивность впоследствии была увеличена еще на 20% (супрамаксимальная интенсивность), и потом сохранена для одиночных и парных импульсов (интервал между пиками составлял 10 мс). Супрамаксимальная интенсивность у разных испытуемых колебалась от 45 до 100 мА.

Процедура эксперимента. Процедура тестирования и фиксации результатов началась с четырех единичных импульсов с перерывами между ними в 8 секунд, и трех парных импульсов, с перерывами между ними в 6 секунд. Во время перерывов испытуемых просили расслабить мышцы. Потом испытуемым предложили выполнить два произвольных сокращения разгибателей колена. Парные импульсы подавались 3 с после достижения изометрического плато (парный импульс наложения) и 3 с после сокращения (парный импульс усиления), чтобы оценить активацию мышц по методике конвульсивной интерполяции. В заключение испытуемые два раза выполнили максимальные произвольные сокращения сгибателей колена. Общая продолжительность этих усилий составила примерно 5 с. Если разница между максимальной силой двух произвольных сокращений сгибателей и/или разгибателей колена составила более 5%, испытуемого просили выполнить третье сокращение. Между ЭМС и произвольными сокращениями испытуемым давалась возможность отдохнуть в течение 3 минут для того, чтобы усталость не ухудшила их последующие показатели.

Записи электромиографии. Во время произвольных и вынужденных сокращений при помощи хлорсеребряных электродов диаметром 20 мм (записывающим диаметром 10 мм) биполярно фиксировалась поверхностная электромиографическая активность мышц vastus lateralis, vastus medialis, rectus femoris и biceps femoris (двуглавой мышцы бедра). Электроды прикреплялись по длине над серединой брюшка мышцы, расстояние между электродами (от центра до центра) составляло 20 мм. Такое местоположение было определено во время предварительного тестирования, именно в нем при заданной интенсивности можно получить максимальную амплитуду М-волны для каждой мышцы при стимуляции бедренного нерва. Эта процедура выполнялась для того, чтобы избежать зону иннервации, и, таким образом, получить оптимальную амплитуду электромиографической реакции. Электрод сравнения был размещен на коленной чашечке противоположной ноги. Расположение каждого электрода было отмечено на коже несмываемыми чернилами, так, чтобы оно оставалось неизменным при всех сеансах. Низкое сопротивление (< 5 Ом) между двумя электродами достигалось обработкой кожи абразивным материалом (наждачной бумагой) и очисткой спиртом. Сигналы электромиографии усиливались при помощи частот от 15 герц до 5 кГц (коэффициент подавления синфазной помехи= 90дБ, полное сопротивление – 100 МОм, выдача=1000).

Анализ данных. Механические данные и данные электромиографии были оцифрованы (частота считывания данных 2 кГц) и сохранены специальным коммерческим программным обеспечением (Tida, Heka Elektronik, Германия). При анализе рассматривались только наибольшие значения силы максимального произвольного сокращения разгибателей и сгибателей колена.

Были проанализированы вращающий момент произвольных сокращений и электромиография за период 500 мс, наступающий после того, как вращающий момент достигал плато, и до того, как подавались импульсы наложения.

Было подсчитано и впоследствии нормализировано до амплитуды максимальной М-волны среднеквадратическое значение электромиографии мышц vastus lateralis, vastus medialis и rectus femoris для каждой мышцы в отдельности. Активация мышц (в процентах) рассчитывалась по такой формуле: (1 - парный импульс наложения /парный импульс усиления) х 100. Уровень совместной активации подсчитывался путем нормализации среднеквадратического значения электромиографии biceps femoris, когда эта мышца выступала в качестве антагониста к среднеквадратическому значению, полученному при функционировании этой мышцы в роли протагониста, то есть, во время сгибания колена, и выражался в процентах. Что касается вынужденных сокращений, электромиография и механические сигналы были приведены к среднему показателю, и были измерены амплитуда и длительность максимальной М-волны vastus lateralis, vastus medialis и rectus femoris. Были проанализированы следующие параметры конвульсивных сокращений: 1) пиковая величина конвульсивного вращающего момента, 2) время до наступления пика, рассчитанное от возникновения механического сигнала, 3) время полурасслабления – время, нужное для того, чтобы максимальный вращающий момент ослаб наполовину. В случае с парными импульсами измерялся только пиковый вращающий момент.

Измерение поперечного сечения мышц. Для измерения поперечного сечения мышц использовался ультразвуковой аппарат В-режима (Esaote Biomedica, AU5, Флоренция, Италия) с 50-мм линейным датчиком 7,5 мГц. В результате были получены изображения осевой плоскости четырехглавой мышцы, на основе методов, которые применялись ранее (21, 22) для мышцы vastus lateralis. Все замеры происходили после того, как испытуемые не менее 20 минут лежали на спине, чтобы избыток жидкости мог покинуть ткани (3). Во время проведения замеров испытуемых просили расслабить мышцы ног. Изображения были сделаны на осевой плоскости на уровне 50%-ного расстояния от верхней границы коленной чашечки до большого вертела бедренной кости. Это положение было отмечено на коже несмываемыми чернилами. Ориентированный в осевой плоскости, датчик был расположен строго перпендикулярно латеральной стороне мышцы vastus lateralis, и передвигался через предварительно помеченный участок по эхопоглощающим внешним маркерам, прикрепленным к коже с латерального по медиальное положение.

Потом датчик покрыли водорастворимым гелем, передающим сигналы, для обеспечения акустического контакта. Особое внимание уделялось тому, чтобы во время сканирования всегда осуществлялось минимальное давление, чтобы не допустить сжатия находящихся под датчиком тканей. Данные УЗИ фиксировались на видеопленку SVHS и потом обрабатывались при помощи программного обеспечения, позволяющего покадровый импорт (Adobe Premier Version 5.1). Для дальнейшего анализа были отобраны отдельные изображения. Используя линии от внешних маркеров как точку отсчета, изображения были обработаны программой сопоставления контуров. Четыре отдельные мышцы (vastus lateralis, vastus medialis, rectus femoris и biceps femoris) анализировались отдельно при использовании программы анализа изображений (NIH Image version 1.61). Для вычисления поперечного сечения всех четырех мышц использовались средние величины пяти последовательных морфометрических анализов каждого изображения. После этого, суммировав значения поперечного сечения четырех мышц, получилось среднее поперечное сечение четырехглавой мышцы, из них состоящей. Эта работа проводилась одним специалистом, который не знал, кому принадлежат те или иные данные.