Спосіб дослідження підтримки рівноваги у децереброваних лабораторних тварин
Власники патенту UA 2393761:
Винахід відноситься до медицини, а саме до електрофізіології та експериментальної медицини і може бути використане для вивчення нейрофізіологічних механізмів регуляції пози, моделювання методів відновлення постурального контролю при його порушенні. Розміщують децеребровану тварину на опорі, що нахиляється, з датчиками тиску на неї. Підвішують передню частину тіла тварини, а задню - залишають вільною так, щоб задні кінцівки спиралися на двострічковий тредбан, виконаний нахиленим. Закріплюють стимулюючий електрод на твердій мозковій оболонці попереково-крижового потовщення спинного мозку (L5 сегмент). Закріплюють на задній частині хребта датчик відхилень тіла у фронтальній та сагітальній площинах. Стимулюють струмом із частотою 1-5 Гц, амплітудою 50-300 мкА, тривалістю стимулу 0,2-0,5 мс. Одночасно під час ходьби фіксують параметри підтримки рівноваги. Спосіб дозволяє аналізувати постуральні відповіді при активному пересуванні експериментальної тварини, дає можливість запису силових опорних реакцій, що є важливим інтегральним показником, що характеризує підсумковий результат всіх м'язів кінцівки при виконанні руху. 3 іл.
Винахід відноситься до фізіології рухів, електрофізіології, експериментальної медицини і може бути використане для вивчення ролі стовбура головного та спинного мозку у збереженні та регуляції рівноваги, моделювання методів відновлення постурального контролю за його порушення.
Травма спинного та головного мозку часто призводить до часткового або повного паралічу. Кількість таких пацієнтів у всьому світі щороку зростає. Втрата паралізованими хворими здатності підтримувати власну вагу тілавідноситься до однієї з найскладніших проблем реабілітології. Без необхідного постурального тонусу кінцівок та збереження рівноваги хворі не здатні як до стояння, так і до ходьби. Незважаючи на актуальність, проблема залишається невирішеною, що пов'язано з невивченістю спинальних та стовбурових механізмів регуляції постуральної функції, можливостей її відновлення за допомогою зовнішніх впливів.
За найближчий аналог прийнято спосіб дослідження постурального контролю, запропонований у статті "Postural performance in decerebrated rabbit" [1], присвяченій аналізу стовбурових механізмів регуляції пози на моделі децереброваного кролика. Здібності до збереження рівноваги тестувалися на платформі, що нахиляється, що викликає постуральні відповіді в м'язах кінцівок при стоянні. Для оцінки постуральних реакцій реєстрували електроміографічну активність та відхилення тіла кролика в медіо-латеральному напрямку. Підхід використаний для аналізу стовбурових механізмів регуляції пози, виявлено специфічну роль рухових центрів стовбура мозку в постуральному контролі. Робота показала, що кролик - зручна модель вивчення рівноваги при стоянні. Але для дослідження рівноваги при активній локомоції модель не підходить через специфіку локомоторної активності (нестримний галоп або стрибки), коли проблематично здійснювати постуральні тести і реєструвати дані. При частковій фіксації тулуба галоп, як правило, призводив до порушення функціонального стану тварини, зміни положення імплантованих стимулюючих і електродів, що відводять, і, в кінцевому підсумку, до їх пошкодження. Здібності кролика до збереження рівноваги посилювали електричною стимуляцією рухових центрів середнього та довгастого мозку. Цей метод цікавий для дослідження значеннямоторних ядер головного мозку, але не може бути використаний для посилення постурального тонусу в умовах ізольованого спинного мозку і, як наслідок, не застосовується в аналізі внутрішньоспінальних механізмів контролю пози та безпосередньо для пошуку методів активації постуральних здібностей у спинальних хворих.
Завдання - спосіб дослідження стовбурових та спинальних механізмів збереження рівноваги як при стоянні, так і при ходьбі, придатний для тренування постуральної функції за її змодельованого порушення.
Сутність запропонованого способу дослідження підтримки рівноваги у децереброваних тварин, що включає розміщення об'єкта дослідження на опорі, що нахиляється, забезпеченої датчиками тиску на неї, електростимуляцію мозку, реєстрацію відведеної нейрональної активності і параметрів відхилень опори від горизонталі, характеризується тим, що підвішують передню частину тіла тварини частина залишають вільно спирається задніми кінцівками на двострічковий тредбан, виконаний нахиляється; закріплюють стимулюючий електрод на твердій мозковій оболонці попереково-крижового потовщення спинного мозку (L5 сегмент), закріплюють на задній частині хребта датчик відхилення тіла у фронтальній та сагітальній площинах, стимулюють струмом із частотою 1-5 Гц, амплітудою 50-300 мкА. -0.5 мс; одночасно при ходьбі фіксують параметри підтримки рівноваги: вимірюють тиск кінцівок (при ходьбі) на стрічки тредбана, відхилення тіла у фронтальній та сагітальній площинах, відхилення тредбана від горизонталі, кінематику руху, записують електроміограми м'язів кінцівок.
Особливість заявляється способу вивчення та тренування рівноваги полягає в тому, що постуральні відповіді відводять та аналізують не тільки під часстояння, а й за активному пересуванні. Іншою важливою відмінністю є запис силових опорних реакцій, що є важливим інтегральним показником, що характеризує підсумковий результат всіх м'язів кінцівки при виконанні руху. Метод досить інформативний при відносній простоті використання і вимагає попередньої підготовки об'єкта дослідження, здійснення будь-яких інвазивних процедур. Мезенцефалічна кішка має дефіцит постурального тонусу також як і порушення локомоторної функції, тому може бути використана як модель патологічного стану із заданими руховими розладами (важка травма головного мозку, масивне порушення мозкового кровообігу та ін.). Як модель для дослідження методів активації постуральних здібностей після пошкодження спинного мозку може бути обрана спіналізована тварина. В цьому випадку пропонований спосіб дає можливість вивчати внутрішньоспінальні механізми регуляції пози як у гострий період після пошкодження спинного мозку, так і в ході регулярних процедур, спрямованих на тренування постуральних корекцій у хронічному експерименті. Важливо відзначити, що епідуральна стимуляція спинного мозку, запропонована для посилення м'язового тонусу та виклику локомоції за допомогою ваги тіла, може бути використана як спосіб активації постуральних здібностей після повної перерви спинного мозку, так як електростимулюючий вплив прикладають нижче рівня пошкодження. Зіставлення одержуваних параметрів, що характеризують модель (кінетика, кінематика рухів, електроміограми, відхилення тіла), дозволяє досить повно аналізувати та досліджувати рухову активність при виконанні постуральних завдань та дає можливість якісно та кількісно порівнювати механізмизбереження рівноваги в статичних умовах та при активному пересуванні у просторі, розробляти підходи до відновлення порушеної постуральної функції при стоянні та ходьбі.
приклад. Дослідження проведено на чотирьох кішках (2-2.5 кг). Після децеребрації хребет тварини фіксували, передні кінцівки підвішували, задні кінцівки розташовували на двострічковому тредбані, що нахиляється, де вимірювали силові опорні реакції. Виробляли часткову ламінектомію поперекового відділу хребта, імплантацію міографічних електродів, постановку кінематичних світловідбиваючих маркерів на суглоби задніх кінцівок. На відкриту частину спинного мозку з дорсальної сторони в області сегмента L5 підшивали поверхневий епідуральний електрод. Регулювали параметри стимуляції (1-5 Hz, 50-300 мкА, 0.2-0.5 мс), оптимальні збільшення постурального тонусу і виклику локомоторної активності задніх кінцівок. Спочатку постуральні рефлекси під час ходьби, стояння, нахили опорної поверхні тестували при зафіксованому хребті. Потім задні дві третини тіла звільняли, задні кінцівки вільно розташовували на тредбане, датчик відхилення тулуба тварини закріплювали в ділянці попереку, та постуральні реакції досліджували при стоянні та ходьбі з самостійною підтримкою ваги тіла, при виконанні тестів з нахилами опори.
На Фіг.1 зображена експериментальна установка, де 1 - епідуральний електрод, 2 - датчик відхилення тварини, 3 - двигун, 4 - важіль нахилу тредбана, 5 - датчик сили з сенсорною платформою, 6 - сигнал сили, що реєструється праворуч, 7 - сигнал сили , що реєструється зліва, 8 - кут нахилу платформи, 9 - сигнал відхилення кішки вгору-вниз, 10 - сигнал відхилення кішки латерально, 11 - кабель, що проводить всі сигнали в аналого-цифровийперетворювач.
На Фіг.2 показаний ефект вставання кішки (вихідно тварина пасивно сиділо на опорі) при дії епідуральної стимуляції (5 Hz, 200 мкА, 0.5 мс) і подальша ходьба з самостійною підтримкою ваги тіла, де 12 - відмітка стимуляції, 13 - електроміограма. vastus lateralis right, 14 - електроміограма m.vastus lateralis left, 15 - електроміограма m.tibialis anterior left, 16 - крива силових відповідей під правою лапою (шкала від 0 до 1.2 кг), 17 - крива силових відповідей під лівою лапою 0 до 1.2 кг кг), 18 - крива відхилення тварини вгору-вниз (шкала від 0 до 8 см), 19 - крива відхилення тварини латерально (шкала від 0.8 см вліво до 0.8 см вправо), 20 - момент включення стимуляції, 21 - момент включення тредбана, 22 - відмітка часу, що відповідає 0.5 с, 23 - відхилення вгору, 24 - відхилення вниз, 25 - відхилення вправо, 26 - відхилення вліво, 27 - відмітка амплітуди міограм, що відповідає 0.1 мВ. На електроміограмах видно, як після включення стимуляції з'являється тонічна активність, що переходить у спалахи активності, які йдуть у локомоторному ритмі з реципокністю в екстензорах (m.vastus lateralis left) та флексорах (m.tibialis anterior left), між однойменними м'язами з лівого та правого сторони (m.vastus lateralis right, m.vastus lateralis left). Характер зміни опорних силових реакцій повторює описану динаміку. Крива відхилення вгору-вниз 18 показує підйом тіла вгору при вставанні тварини і потім, з появою локомоції, ритмічні відхилення вгору на максимумах активності екстензорів зліва-праворуч. Крива відхилення 19 в медіо-латеральному напрямку демонструє коливання тулуба у бік під час ходьби. Відхилення проявляється в момент активності екстензора з протилежного боку і потімкомпенсується роботою екстензора іпсилатерально.
На Фіг.3 показана активація постуральних реакцій кішки з зафіксованим хребтом, де 28 - електроміограма m.vastus lateralis right, 29 - електроміограма m.vastus lateralis left, 30 - крива силових відповідей під правою лапою (шкала від 0 до 1 кг) - крива силових відповідей під лівою лапою (шкала від 0 до 1 кг), 32 - крива відхилення опори латерально (шкала від 20° вліво до 20° вправо); відхилення вліво, 36 - відмітка амплітуди міограм, що відповідає 0.1 мВ, 37 - відмітка часу, що відповідає 1 с, 38 - до стимуляції, 39 - після стимуляції. Видно значне посилення амплітуди електроміографічних, а також силових відповідей кішки, що стоїть, при нахилах опори після епідуральної стимуляції (Фіг.3, А). Постуральні реакції кішки при ходьбі на опорі, що нахиляється під час епідуральної стимуляції виявлялися компенсаторною зміною локомоторного патерну (Фіг.3, Б). Контралатерально стороні нахилу опори, локомоторні спалахи активності в екстензорах та силові відповіді збільшувалися за тривалістю та амплітудою.
Таким чином, запропонований спосіб дозволяє активувати постуральні здібності організму та вивчати нейрофізіологічні механізми підтримки рівноваги. Призначення – у фізіології рухів для дослідження регуляції пози на стовбуровому та спинальному рівні, розробки підходів тренування постуральної функції у паралізованих хворих.
1. Мусієнко Р.Є., Zelenin PV, Lyalka V.F., Orlovsky G.N., Deliagina T.G. Postural performance in decerebrated rabbit // Behav Brain Res. 2008 р. Jun 26; 190(1): 124-34, прототип.
Спосіб дослідження підтримки рівноваги у децереброваних лабораторних тварин, що включаєрозміщення на опорі, що нахиляється, забезпеченої датчиками тиску на неї, електростимуляцію мозку, реєстрацію відведеної нейрональної активності і параметрів відхилень опори від горизонталі, який відрізняється тим, що підвішують передню частину тіла тварини, а задню залишають вільною так, щоб задні кінцівки спиралися на двострічковий тредбан, виконаний нахиляється, закріплюють стимулюючий електрод на твердій мозковій оболонці попереково-крижового потовщення спинного мозку (L5 сегмент), закріплюють на задній частині хребта датчик відхилень тіла у фронтальній та сагітальній площинах, стимулюють струмом з частотою 1-5 Гц, амплітудою 50-300 мкА, тривалістю стимулу 0,2-0,5 мс, одночасно при ходьбі фіксують параметри підтримки рівноваги: вимірюють тиск кінцівок на стрічки тредбана, відхилення тіла у фронтальній та сагітальній площинах, відхилення тредба від горизонталі, кінематику руху записують електроміограми м'язів кінцівок.