Влияние тонуса мышц ног у больных паркинсонизмом на

Влияние тонуса мышц на шагательную активность у больных
паркинсонизмом: исследование в условиях разгрузки ног.
Д. С. Жванский1,2, В. А. Селионов1, И. А. Солопова1
1
Институт проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН, Москва
2
Московский физико-технический институт (ГУ), Долгопрудный
функциональными нарушениями двигательной
активности, мало изучены. Известно, что у
больных паркинсонизмом сильно нарушена
ходьба. В частности, у этих больных типично
наблюдается шаркающая походка (короткий
шаг). Частично это может быть связано с
потерей нормальной аксиальной синергии [1],
приводящей
к
трудностям
совершения
координированных
компенсаторных
вращательных движений корпуса, необходимых
при ходьбе, а при коротком шаге большие
вращательные движений корпуса не требуются.
Эти больные испытывают также трудности при
смене
направления
ходьбы,
инициации
сопровождающиеся
движения
и
т.п.,
интересным
феноменом
«замораживания
походки» («freezing of gait»).
Больные
паркинсонизмом
могут
инициировать ходьбу, хотя зачастую и с
затруднениями, однако запуск ходьбы – одно, а
ее реализация – другое, т.к. тоническое
состояние спинальных структур и координация
работы различных отделов ЦНС является
важным для поддержания и управления
ходьбой. Было высказано предположение, что
состояние тоногенных структур мозга является
определяющим для активации центральных
генераторов шагания [2, 3]. В частности, у
больных
паркинсонизмом
может
быть
нарушена нормальная тоническая компонента
центральной команды, ответственная за вызов
ритмических движений. Малоизвестно о
степени влиянии мышечного тонуса на
параметры локомоции у этих больных.
Основной метод лечения пациентов с БП
состоит в назначении препарата леводофы,
который, однако, мало действует на аксиальную
мускулатуру [1]. Лечение препаратами L-dopa
могут улучшать длину шага и скорость ходьбы
вместе с уменьшением эффектов позной
нестабильности.
Целью настоящей работы было изучение
механизмов нарушения ходьбы у пациентов с
БП на основании исследования состояния
тонуса проксимальных и дистальных мышц ног
до и после приема лекарства.
Аннотация
Целью настоящего исследования было
изучение механизмов нарушения ходьбы у
пациентов с болезнью Паркинсона (БП). У 22
пациентов с легкой и умеренной стадиями БП в
условиях разгрузки ног оценивали жесткость
мышц бедра и голени при пассивном
сгибании/разгибании
в
тазобедренном,
коленном и голеностопном суставах, а также
реакцию мышц на подобные внешние
возмущения.
Наряду с этим определяли
характеристики произвольных шагательных
движений в вывеске. Полученные результаты
сравнивали с аналогичными характеристиками
у 16 здоровых испытуемых. На пациентах с БП
эксперимент проводили как до приема, так и
через час после приема лекарства леводофы.
Показана существенно большая ригидность
всех групп мышц ног у больных как до, так и
после приема лекарства по сравнению с
состоянием мышц у здоровых испытуемых.
Пассивное сгибание/разгибание в суставах ног
сопровождалось низкопороговыми ответами
мышц как бедра, так и голени – реакцией
укорочения (РУ), которая
наблюдалась у
половины
здоровых
испытуемых,
и
практически у всех пациентов с БП. Лекарство
не оказывало существенного влияния на РУ в
проксимальных мышцах, в то время как
значимо уменьшало РУ в дистальных мышцах.
Можно предположить, что двигательные
нарушения у пациентов с БП связаны с
повышенным уровнем жесткости мышц,
приводящей
к
более
выраженным
низкопороговым реакциям мышц (РУ).
1. Введение
Важной чертой болезни Паркинсона (БП)
является гипертонус, т.е., ригидность и
возникающие при повышенной жесткости
мышц
затруднения
при
выполнении
шагательных движений. Нейрофизиологические
механизмы, лежащие в основе нарушений
мышечного
тонуса,
и
их
связь
с
146
суставах, регистрировали тензометрическим
датчиком. Электомиографическую активность
(ЭМГ) мышц бедра (m. rectus femoris – RF и m.
biceps femoris – BF) и голени (m. tibialis anterior
- TA и m. gastrocnemius lateralis – GL) обеих ног
регистрировали поверхностными электродами с
использованием дифференциального усилителя
биопотенциалов (фирма “ВАK”, США).
Полученные данные оцифровывали с частотой
1000 Гц и вводили в компьютер. Для оценки
эффекта приема стандартного лекарства,
прописываемого больному паркинсонизмом
(леводофа),
у
пациентов
эксперимент
проводили дважды в один день: до и через 1 час
после приема лекарства.
Данные в работе представлены в виде
среднего значения ± среднеквадратичная
ошибка (SE), кроме тех случаев, где это
оговорено особо. Для выяснения значимости
результатов использовали т-тест Стьюдента.
Результаты статистического анализа считались
достоверными, если вероятность ошибки была
менее
0.05.
Для
обработки
данных
использовали программу Matlab.
2. Методы
В экспериментах приняли участие 22
пациента (15 мужчин и 7 женщин) в возрасте
61±9 лет с клинически диагностированной
болезнью Паркинсона (БП) на ранней и
умеренной стадиях болезни (от 1 до 3 по шкале
Хен и Яра [4]). Исследовали также 16 здоровых
испытуемых того же возраста, составляющих
контрольную группу. Для оценки параметров
ходьбы по полу испытуемых просили пройти
10-метровый отрезок пути с удобной
скоростью. При этом оценивали скорость
шагания и длину двойного шага. Для оценки
состояния
нейромышечного
аппарата
использовали горизонтальную шагательную
установку для вызова ритмических движений
обеих ног в положении лежа на боку [2]. Данная
установка дает возможность исследовать работу
генераторов шагательной ритмики у человека и
роли
сенсорной
информации
[3],
т.к.
минимизация внешних влияний на картину
шагания (например, нагрузка на стопу и
влияние гравитации) значительно облегчает
запуск и поддержание ритмических движений в
ответ на тоническую сенсорную стимуляцию
или супраспинальные влияния. Испытуемые
лежали на правом боку с вывешенными обеими
ногами, и были инструктированы расслабиться
и
не
противодействовать
внешним
возмущениям. Пациенты могли совершать
шагательные движения в горизонтальной
плоскости в облегченных условиях пониженной
гравитации. При этом оценивали длину шага и
частоту шагательных движений в вывеске. Для
оценки мышечного тонуса в проксимальных и
дистальных мышцах ног измеряли силу
сопротивления
полностью
расслабленных
мышц ног на поочередное, пассивное сгибание
или разгибание в тазобедренном, коленном и
голеностопном суставах на угол 20°. С учетом
антропометрических
данных
испытуемых
определяли жесткость мышц (Н/м*град). В
каждой
пробе
осуществляли
по
3
однонаправленных отклонения, длительностью
5 секунд каждое, от эквитонометрического
положения.
После
каждого
отклонения
вычисляли величину (угол) невозвращения
отклоняемого звена к исходному положению в
начале пробы. Реакцию каждой мышцы на
пассивное укорочение определяли как среднюю
величину отраженного и сглаженного сигнала
ЭМГ-активности
за
3-с
интервал,
соответствующий отклонению, за вычетом
тонической (фоновой) ЭМГ-активности в
данной пробе.
Углы отклонения в суставах регистрировали
потенциометрическими
датчиками,
закрепленными соосно суставам ног, а силы,
развиваемые при пассивном отведении в
3. Результаты
3.1. Параметры шагания и влияние на
них лечения L-дофой.
При ходьбе по полу шагание у больных
было нарушено: частота следования шагов
(каданс) была значимо меньше, чем у здоровых
испытуемых, как до, так и после приема
лекарства (таблица 1). В то же время длина
шага значимо не менялась. При шагании в
вывеске пациенты с БП как до лечения, так и
после
приема
лекарства
показывали
уменьшенную длину шага и увеличенную
скорость (р<0.05). Также после приема
лекарства у больных наблюдалось значимое
(р<0.05) увеличение длины шага относительно
состояния до лечения.
Здоровые
двойной шаг, м
темп, шаги/мин
шагание по
полу
шагание в
вывеске
1.31± 0.13
113±11
0.69±0.25
66 ±11
Больные
до
после
до
после
шагание по
полу
1.29±0.17
1.35±0.17
шагание в
вывеске
0.46±0.22
*
0.55±0.21
*#
107±13
*
82±20
*
108±14
*
83±18
*
Таблица
1.
Усредненные
по
всем
испытуемым
параметры
нормального
шагания и шагательных движений в
вывеске у здоровых испытуемых и у
пациентов с БП до и после приема
лекарства.
147
Данные представлены в виде среднего значения
± среднеквадратичное отклонение (SD).
*
–
значимые
различия
между
соответствующими параметрами у больных и
здоровых (т-тест, р < 0.05),
#
–
значимые
различия
между
соответствующими параметрами у больных до и
после приема лекарства (т-тест, р < 0.05).
бедра назад. В остальных группах мышц были
видны тенденции к уменьшению жёсткости.
Величины
углов
невозвращения
существенно различались у больных (до
лечения) и здоровых испытуемых (рис. 2). У
пациентов с БП угол невозвращения во всех
пробах, кроме экстензии колена, оказался
значимо больше: при отведении бедра вперед
невозвращение бедра было больше в 1.8±0.4
раза, при отведении бедра назад – в 3.4±1.8
раза, при флексии колена невозвращение голени
было больше в 2.2±0.8 раза, при тыльном
сгибании стопы невозвращение стопы было
больше в 2.5±1.3 раза, при подошвенном
сгибании стопы – в 2.6±0. 9 раза (везде р<0.05).
80
4
Разгибание
колена
Здоровые
6
Больные
4
*
*
2
Дорсальная
флексия
Флексия
колена
Рисунок 2. Невозвращение отклоняемых
звеньев
конечностей
к
исходному
положению у здоровых испытуемых и у
больных перед приемом лекарства.
* – значимые различия между значениями угла
невозвращения у здоровых испытуемых
пациентов с БП (т-тест, р < 0.05).
Плантарная
флексия
*
Дорсальная
флексия
*
Сгибание
колена
Флексия
бедра
0
Экстензия
бедра
20
8
0
Флексия
бедра
0
60
40
*
2
до
после
*
*
*
Разгибатели
Плантарная
флексия
6
P=0.07
100
град
8
Н*м/град
120
Сгибатели
град
Экстензия
колена
Жесткость экстензоров бедра при отведении
назад у пациентов с БП была на 75±16% выше
(р<0.05), чем у здоровых испытуемых;
жесткость флексоров бедра, измеренная при
отведении бедра вперед – выше на 52±18%
(р<0.05). Аналогично, при флексии коленного
сустава жесткость экстензоров бедра у больных
была на 91±31% выше (р<0.05), чем у здоровых;
при экстензии жесткость флексоров бедра была
выше на 91±29% (р<0.05). При тыльном
сгибании стопы жесткость флексоров голени
также имела тенденцию быть выше у пациентов
с БП на 24±14% (р=0.07).
Экстензия
бедра
3.2. Жесткость мышц ног у пациентов
с болезнью Паркинсона.
и
У больных с односторонним поражением
оценивали постэффекты отклонений для
каждой ноги по отдельности. В большинстве
проб наблюдалась асимметрия невозвращения к
исходному
уровню
на
пораженной
и
непораженной
конечностях.
Угол
невозвращения был значимо больше на
пораженной ноге: для бедра при отведении
назад – в 1.5±0.3 раза, для голени при флексии
колена – в 1.3±0.2 раза, для стопы при
дорсальной флексии – в 1.7±0.5 раза, для стопы
при плантарной флексии – в 2.2±0.9 раза (везде
р<0.05).
Рисунок 1. Влияние лекарства
на
жесткость флексоров и экстензоров бедра и
голени у пациентов с БП при их пассивном
растяжении.
* – значимые различия между значениями
жесткости до и после лечения (т-тест, р < 0.05).
После приема лекарства у больных
наблюдалось уменьшение жесткости мышц при
пассивных отведениях (рис. 1). При флексии
коленного сустава жесткость экстензоров бедра
уменьшилась на 30±11% (р<0.05) по сравнению
с ее величиной до лечения, при экстензии
коленного сустава жесткость флексоров бедра
снизилась на 17±12% (р<0.05). Жесткость
соответствующих
экстензоров
также
уменьшилась на 12±10% (р<0.05) при отведении
3.3. Реакции мышц на пассивное
укорочение.
Появление реакций укорочения (РУ) в
мышцах бедра и голени носило нерегулярный
характер. РУ наблюдались у 56% нормальных
испытуемых, и у 86% с болезнью Паркинсона.
В каждом случае пачечная ЭМГ активность
148
появлялась в мышце во время пассивного
укорочения (рис. 3).
реакциях m. BF на ее укорочение в пораженной
и непораженной конечностях; в реакциях m. RF
значимых различий обнаружено не было
(рисунок 4). Усредненные величины РУ в m. BF
и m. RF у больных в пораженной ноге до
лечения были больше аналогичных величин РУ
у здоровых испытуемых в 2.8±1.3 (тенденция, р
< 0.10) и 2.7±1.2 (р < 0.05) раза, соответственно.
В m. BF пораженной ноги до лечения величина
РУ в была в 13±9 раз больше (р < 0.05), чем в
непораженной. После приема лекарства
тенденция к понижению РУ в m. BF
пораженной конечности (в 2.8±1.7 раза, р <
0.15) и к повышению РУ в m. BF непораженной
конечности (в 3.0±1.9 раза, р < 0.15) давала
тенденцию к выравниванию РУ.
m. BF
50мкВ
град
200
разгибание
180
сгибание
160
50
Н
бедро
сила
30
10
10c
Рисунок
3.
Реакция
укорочения
в
двуглавой мышце бедра при ее пассивном
укорочении
(отведение
ноги
в
тазобедренном суставе назад).
А
4
3
У больных с БП паттерн шагания при
нормальной ходьбе значительно нарушен по
сравнению со здоровыми испытуемыми [5].
Шагание в вывеске в условиях минимального
влияния гравитации было использовано нами
как модель для исследования состояния
нейромышечной системы и оценки параметров
ходьбы при нарушениях ее паттерна у
пациентов с БП. Условия вывески выявили
более значимые различия между параметрами
ходьбы у больных и здоровых испытуемых, чем
это наблюдалось при нормальном шагании по
полу, и более явно выявили эффект действия
лекарства на параметры шагательной ритмики.
Это, по-видимому, объясняется отсутствием
необходимости центральной регуляции позы во
время выполнения шагательных движений в
вывеске. В условиях разгрузки ног также был
более выражен эффект уменьшения длины
шага, компенсируемого увеличением частоты
шагания,
являющийся
характерной
особенностью болезни Паркинсона [6].
Результаты
показывают
значительное
увеличение жесткости проксимальных мышц
ног у пациентов с БП по сравнению со
здоровыми испытуемыми. Под действием
лекарства уровень жесткости мышц бедра
понижался, что, вероятно, нашло отражение в
улучшении паттерна ходьбы в воздухе. В работе
Wright et al. [7] было показано увеличение
ригидности аксиальной мускулатуры туловища
у больных с БП, которая не изменялась под
действием
препарата
L-dopa.
Авторы
предположили,
что
аксиальный
и
аппендикулярный
тонус
контролируются
различными нейронными цепями.
Величина невозвращения отклоняемого
звена к исходному уровню, повышенная по
сравнению со здоровыми испытуемыми,
вероятнее всего, связана с увеличением
Б
#
5
4. Обсуждение
+
*
p<0.05
2
до
после
+
#
1
*
Непораженная
нога
Пораженная
нога
Непораженная
нога
Пораженная
нога
0
Рисунок
4.
Отношение
усредненной
величины РУ в мышцах бедра у больных к
усредненной
величине
РУ
в
соответствующих
мышцах
бедра
у
здоровых на пораженной и непораженной
ногах до и после приема лекарства. А – m.
BF, Б – m. RF.
* – значимые различия между РУ у больных и
здоровых (пунктирная линия) (т-тест, р < 0.05),
+ – показывает тенденцию к различию между РУ
у больных и здоровых (пунктирная линия) (ттест, р < 0.10),
# – показывает тенденцию к различию между РУ
до и после приема лекарства (т-тест, р < 0.15).
Реакции
укорочения
наиболее
часто
регистрировались
в m. BF и m. RF.
Наблюдалась выраженная асимметрия в
149
[2] Gurfinkel VS, Levik YS, Kazennikov OV, Selionov
VA. Locomotor-like movements evoked by leg muscle
vibration in humans. Eur J Neurosci 1998, 10(5): 160812.
жесткости соответствующих мышц ног при
болезни Паркинсона.
При пассивных отведениях звеньев нижних
конечностей в мышцах бедра и голени реакции
укорочения наблюдались как у больных, так и, в
меньшей степени, у здоровых испытуемых. У
пациентов с БП в мышцах бедра пораженной
конечности величины РУ были в среднем выше,
чем у здоровых испытуемых, что согласуется с
данными, проведенными ранее в исследованиях
других авторов [8, 9, 10]. Кроме того, у больных
после приема лекарства в двуглавой мышце
бедра происходило уменьшение реакции
мышцы на укорочение в пораженной
конечности, и ее параметры приближались к
таковым в непораженной конечности. Это дает
дополнительные основания полагать, что
величина
РУ
количественно
отражает
патологию мышечного тонуса.
Разработанная методика и подходы могут
быть в дальнейшем использованы для
апробации действия различных лекарств на
состояние тоногенных структур у больных
паркинсонизмом. Дальнейшие исследования
позволят объективно оценить состояние
пациентов с БП и найти новые методы раннего
диагноза этой болезни.
[3] Selionov VA, Ivanenko YP, Solopova IA, Gurfinkel
VS. Tonic central and sensory stimuli facilitate
involuntary air-stepping in humans. J Neurophysiol
2009, 101(6): 2847-58.
[4] Hoehn MM, Yahr MD. Parkinsonism: onset,
progression and mortality. Neurology 1967, 17(5): 42742.
[5] Kemoun G, Defebvre L. Gait disorders in Parkinson
disease. Clinical description, analysis of posture,
initiation of stabilized gait. Presse Med. 2001 Mar 10; 30
(9):452-9.
[6] Morris ME, Iansek R, Matyas TA, Summer JJ.
Ability to modulate walking cadence remains intact in
Parkinson's disease. J. of Neurology, Neurosurgery, and
Psychiatry 1994, 57:1532-153.
[7] Wright WG, Gurfinkel VS, King LA, Nutt JG, Cordo
PJ, Horak FB. Axial kinesthesia is impaired in
Parkinson's disease: effects of levodopa. Exp Neurol.
2010;225(1):202-9.
[8] Angel RW. Shortening reaction in normal and
parkinsonian subjects. Neurology 1982, 32(3):246-51.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант
№ 09-04-01183
[9] Xia R, Rymer WZ. The role of shortening reaction in
mediating rigidity in Parkinson's disease. Exp Brain Res
2004 Jun;156(4):524-8.
5. Список литературы
[10] Andrews CJ, Neilson PD, Lance JW. Comparison of
stretch reflexes and shortening reactions in activated
normal subjects with those in Parkinson's disease. J. of
Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry 1973, 36, 3294.
[1] Wright WG, Gurfinkel VS, Nutt J, Horak FB, Cordo
PJ. Axial hypertonicity in Parkinson's disease: direct
measurements of trunk and hip torque. Exp Neurol 2007,
208(1): 38-46.
150