Анализ возвратного торможения мотонейронов

ISBN 5-7262-0634-7. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2006. Часть 1
Л.П. КУДИНА1, М. ПИОТРКЕВИЧ2
1Институт
2Институт
проблем передачи информации РАН, Москва,
биокибернетики и биомедицинской инженерии ПАН, Варшава
E-mail:kudina@iitp.ru masia@ibib.waw.pl
АНАЛИЗ ВОЗВРАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
МОТОНЕЙРОНОВ, ИННЕРВИРУЮЩИХ
БЫСТРЫЕ МЫШЦЫ У ЧЕЛОВЕКА
Аннотация
Исследовано влияние активации клеток Реншоу, вызванной стимуляцией аксонов больших мотонейронов, на ритмическую импульсацию малых мотонейронов при слабом произвольном сокращении мышцы. Перистимульные гистограммы и анализ межспайковых интервалов выявили
коротколатентное торможение импульсации, которое на основании его
латентности и длительности может быть классифицировано как возвратное торможение. Обсуждаются сходство и различия в характеристиках
возвратного торможения мотонейронов медленных и быстрых мышц и его
возможное функциональное значение.
Введение
Мотонейронный пул, являясь при построении движений «общим конечным путём», контролируется различными спинальными и супраспинальными механизмами. Среди них, единственный механизм саморегуляции мотонейронного пула – дисинаптическое возвратное торможение,
осуществляемое по схеме: разряд мотонейрона, активация возвратной
коллатерали его аксона, возбуждение тормозящего интернейрона – клетки
Реншоу, торможение мотонейрона. Этот тормозный механизм, который
обычно рассматривается как коротколатентная отрицательная обратная
связь, начиная с его открытия (Реншоу, 1941), тщательно исследовался в
экспериментах на животных (см. обзоры [1, 2]). И хотя был предложен
ряд гипотез о его функциональной роли, она и на сегодня остаётся далеко
не ясной. Исследование возвратного торможения на мотонейронах человека позволяет анализировать его в условиях, близких к физиологическим. Наличие возвратного торможения у человека сначала было показано для целого мотонейронного пула [3, 4, 5], а затем его анализ был начат
и на отдельных мотонейронах [6, 7, 8]. Однако эти работы ограничивались
анализом мотонейронов медленной камбаловидной мышцы. В то же вреУДК 004.032.26(06) Нейронные сети
137
ISBN 5-7262-0634-7. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2006. Часть 1
мя данные о наличии возвратного торможения в других мотонейронных
пулах, которые, как правило, являются преимущественно быстрыми,
крайне противоречивы [9, 10, 11]. Цель данной работы – выявление и анализ возвратного торможения мотонейронов, иннервирующих быстрые
мышцы у здорового человека.
Методика
Исследовать импульсные свойства мотонейронов у человека позволяет
методика отведения потенциалов одиночных двигательных единиц (ДЕ)
при произвольном сокращении мышцы, ритмическая импульсация которых полностью соответствует ритмике мотонейронов. Произвольное сокращение мышцы с различной силой даёт возможность анализировать
естественную импульсацию мотонейронов в широком диапазоне частот и
её изменения при стимуляции различных возбуждающих и тормозящих
структур. И хотя синаптические потенциалы (ВПСП и ТПСП) не могут
быть зарегистрированы в МН человека внутриклеточно, оценка модальности посылки (возбуждающая она или тормозящая) и её характеристики
(латентность и эффективность) могут быть извлечены из анализа её влияния на паттерн ритмической импульсации ДЕ.
Исследовали мышцы голени, предплечья и кисти (которые являются
преимущественно быстрыми) – переднюю большеберцовую мышцу, локтевой сгибатель кисти, первую тыльную межкостную мышцу и мышцу,
отводящую V палец. Для активации клеток Реншоу на фоне импульсации
низкопороговых (малых) ДЕ, рекрутируемых слабым произвольным сокращением мышцы, пороговой стимуляцией эфферентных волокон соответственного смешанного нерва вызывали её М-ответ (5-10 % максимального). Особенностью методики является то, что при такой стимуляции
активируются толстые аксоны больших мотонейронов, в то время как
тонкие аксоны исследуемых малых мотонейронов на пороговую стимуляцию нерва, как правило, не отвечают [6, 10]. Это позволяет исследовать
возвратное торможение, не осложнённое следовой гиперполяризацией
мотонейрона, вызванной стимуляцией.
Потенциалы ДЕ отводили при помощи биполярных игольчатых электродов, записывали на магнитную ленту для последующего автоматического распознавания ДЕ (при контроле опытным оператором) и анализировали при помощи специального программного обеспечения (подробно
см. [12]). Для статистической оценки эффектов стимуляции и определения
их латентности (по которой можно судить о происхождении посылки)
строили перистимульные гистограммы (ПСГ). Кроме того, анализировали
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
138
ISBN 5-7262-0634-7. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2006. Часть 1
длительность межспайковых интервалов, строили интервалограммы и
анализировали, как изменяется тормозимость мотонейрона в межспайковом интервале.
Результаты и их обсуждение
При стимуляции нерва, вызывающей М-ответ, в ритмической импульсации малых ДЕ (не участвующих в ответе) в ряде тестов можно было
видеть удлинение межимпульсного интервала, в который попало воздействие, что можно было трактовать как приход к мотонейрону тормозящего влияния. Однако, этот эффект был непостоянен. Более того, в ряде тестов ДЕ отвечала на стимуляцию укорочением межспайкового интервала.
ПСГ большинства ДЕ выявили первоначальное достоверное увеличение
вероятности разряда с латентностью моносинаптического H-рефлекса
тестируемой мышцы, непосредственно следующее за ним коротколатентное достоверное снижение вероятности разряда и последующие длиннолатентные эффекты, которые в данной работе не рассматриваются. Таким
образом, коротколатентный эффект стимуляции оказывался сложным
(возбуждающе-тормозящим), что затрудняло выявление возвратного торможения и требовало дополнительных методов оценки. В качестве такого
метода мы использовали разделение тестов на две группы – тех, в которых наблюдался возбуждающий ответ ДЕ и тех, в которых такого ответа
не было. Так как Н-ответ в условиях данной стимуляции был слабым (индекс разряда различных ДЕ обычно составлял не более 15 %), первая
группа тестов была немногочисленной. Анализ ПСГ показал, что и в отсутствии возбуждающего ответа наблюдалось достоверное снижение вероятности разряда ДЕ, т.е. тормозный эффект. Его латентность (близкая к
латентности моносинаптического рефлекса) и длительность позволяют
идентифицировать его как возвратное торможение. Анализ интервалограмм показал, что торможению, выявляемому по ПСГ, соответствовало
удлинение межспайковых интервалов ДЕ, что является общепризнанным
критерием торможения. Эффективность возвратного торможения в значительной степени зависела от двух факторов: частоты импульсации ДЕ
(повышалась при снижении частоты) и от момента прихода посылки в
межимпульсном интервале (была неэффективна в его начале). Последнее
показывает, что мотонейрон не может оказывать тормозящего влияния
через клетки Реншоу на самого себя, так как, будучи коротколатентным,
оно всегда приходит в начало межспайкового интервала. Эти результаты
совпадают с данными, полученными ранее для мотонейронов медленной
камбаловидной мышцы [7]. В то же время возвратное торможение в моУДК 004.032.26(06) Нейронные сети
139
ISBN 5-7262-0634-7. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2006. Часть 1
тонейронах медленной мышцы, в среднем, было более длительным, что,
по-видимому, можно объяснить более низкими частотами импульсации.
Таким образом, в мотонейронных пулах быстрых мышц выявлено возвратное торможение малых мотонейронов в условиях активации клеток
Реншоу путём надпороговой стимуляции аксонов больших мотонейронов.
В то же время при произвольном сокращении мышцы возвратное торможение с одного мотонейрона на другой в отсутствии стимуляции не выявлялось [13]. Эти данные показывают, что для проявления возвратного
торможения необходима синхронная активация клеток Реншоу, что, в
свою очередь, позволяет предполагать, что одной из функций возвратного
торможения может быть экстренное торможение импульсации одних мотонейронов при синхронной активации других. Такая функция возвратного торможения для мотонейронов собственной мышцы в какой-то мере
была бы аналогична функции реципрокного торможения мотонейронов
мышцы-антагониста.
Список литературы
1. Windhorst U. Activation of Renshaw cells // Prog. Neurobiol. 1990. Vol.35. № 1. P.135179.
2. Windhorst U. On the role of recurrent inhibitory feedback in motor control // Prog. Neurobiol. 1996. Vol.49. № 3. P.517-587.
3. Veale J.L., Rees S. Renshaw cell activity in man // J. Neurol. Neurosurg. Psychiat. 1973.
Vol.36. № 4. P.674-683.
4. Pierrot-Deseilligny E., Bussel B. Evidence for recurrent inhibition by motoneurons in human
subjects // Brain Res. 1975. Vol.88. № 1. P.105-108.
5. Katz R., Pierrot-Deseilligny E. Recurrent inhibition in humans // Prog. Neurobiol. 1998.
Vol.57. № 2. P.325-355.
6. Кудина Л.П., Панцева Р.Э. Выявление и анализ возвратного торможения импульсирующих мотонейронов у человека // Нейрофизиология (Киев). 1984. Т.16. № 1. С.88-96.
7. Kudina L.P., Pantseva R.E. Recurrent inhibition of firing motoneurones in man // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1988. Vol.69. № 2. P.179-185.
8. Miles T.S., Le T.H., Turker K.S. Biphasic inhibitory responses and their IPSPs evoked by
tibial nerve stimulation in human soleus motor neurons // Exp. Brain Res. 1989. Vol.77. № 4.
P.637-645.
9. Sica R.E.P., Sanz O.P. Some speculations on the normal human silent period evoked in the
small muscles of the hand // Medicina. 1975. Vol.35. № 5. P.483-498.
10. Персон Р.С., Кожина Г.В. Исследование периода молчания с помощью метода постстимульных гистограмм // Нейрофизиология (Киев). 1978. Т.10. № 2. С.177-185.
11. Person R.S., Kozhina G.V. Study of orthodromic and antidromic effects of nerve stimulation on single motoneurones of human hand muscles // Electromyogr. Clin. Neurophysiol. 1978.
Vol.18. № 6. P.437-456.
12. Piotrkiewicz M., Kudina L., Hausmanowa-Petrusewicz I., Zhoukovskaya N., Mierzejewska J. Discharge properties and afterhyperpolarization of human motoneurons supplying slow and
fast muscles // Biocybernetics and Biomedical Engineering. 2001. Vol.21. № 1. P.53-75.
13. Piotrkiewicz M., Kudina L., Mierzejewska J. Recurrent inhibition of human firing motoneurons (experimental and modeling study) // Biol. Cybern. 2004. Vol.91. № 2. P.243-257.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
140
ISBN 5-7262-0634-7. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2006. Часть 1
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
141