50лет иппи ран нейрофизиология, биофизика и психофизика в иппи ран: истоки и современность

Гурфинкель В.С., Дебрева Е.Е., Левик Ю.С. Роль внутренней модели в восприятии положения и планировании движения. Физиология человека, 1986, том 12, с. 769-776.

Гурфинкель В. С., Левик Ю. С., Лебедев М. А. Позные автоматизмы, выявляемые усилением тонического фона. Доклады Академии Наук СССР, 1989, т. 305, № 5, с. 1266-1270.

Гурфинкель В.С., Левик Ю.С. Концепция схемы тела и моторный контроль. В сб. “Интеллектуальные процессы и их моделирование. Организация движений” Ред. А.В.Чернавский, М. Наука, 1991(а), с. 59-105.

Гурфинкель В.С., Левик Ю.С., Лебедев М.А. Концепция схемы тела и моторный контроль. Схема тела в управлении позными автоматизмами. В сб. “Интеллектуальные процессы и их моделирование. Пространственно-временная организация” Ред. А.В.Чернавский, М. Наука, 1991(б), с. 24-53.

Сметанин Б. Н., Гурфинкель В. С. Пространственное восприятие и вестибулярные реакции. // Нейрофизиология. 1986, Т. 18, № 6, c. 778-782.

Гурфинкель В.С., Левик Ю. С. Системы отсчета и интерпретация проприоцептивных сигналов. Физиология человека. 1998, т.24, № 1, с. 53-63.

Солопова И.А., Иваненко Ю.П., Левик Ю.С. Позные вибрационные реакции человека во фронтальной плоскости при стоянии на различных типах неустойчивых опор. "Физиология человека", 2002а, 28(3), c.76-81.

Солопова И.А., Казенников О.В., Денискина Н.В., Иваненко Ю.П., Левик Ю.С. Сравнение ответов мышц ног на транскраниальную магнитную стимуляцию при стоянии на устойчивой и неустойчивой опоре. "Физиология человека", 2002б, 28(6), с.80-85.

Левик Ю.С., Шлыков В.Ю., Гурфинкель В.С., Иваненко Ю.П., Движения глаз, вызываемые изменениями внутреннего представления о конфигурации тела. Физиология Человека 2005, том 31, № 5, с. 1-5.

Gurfinkel V. S., Levik Yu. S. The suppression of cervico-ocular response by haptokinetik information about contact with a rigid immobile object. Exp. Brain Res., 1993, vol. 95, pp. 359-354.

Gurfinkel V.S., Ivanenko Yu. P., Levik Yu. S., The influence of head rotation on human upright posture during balanced bilateral vibration. NeuroReport, 1995(а), vol. 7, pp. 137-140.

Gurfinkel V. S., Ivanenko Yu. P., Levik Yu. S., Babakova I. A. Kinestetic reference for human orthograde posture. Neuroscience, 1995б, Vol. 68, pp. 229-243.

Solopova I.A., Kazennikov O.V., Deniskina N.B., Levik Y.S., Ivanenko Y.P, Postural instability enhances motor responses to transcranial magnetic stimulation in humans, Neuroscience Let., 2003, 337 (1), p.25-28.

В 1960-х годах в нашей лаборатории стали использовать децеребрированный препарат кошки (Рис. 1), на котором исследовали вклады в локомоторный автоматизм спинальных генераторов шагания. На основании этой модели было показано, что управляемая (стимуляцией структур среднего мозга) локомоция высокодецеребрированой кошки может быть использована для демонстрации взаимодействий между нисходящими сигналами управления, предполагаемыми генераторами шагания для каждой конечности и сенсорной обратной связью.

Р

ис.1.

Идея, что СГШ присутствует также у человека, как и у других животных, не один раз декларировалась учеными на основании наблюдений на здоровых людях и на пациентах с повреждениями спинного мозга. Изучение механизмов управления локомоторными движениями у человека было затруднено рядом обстоятельств, одним из которых было отсутствие надежных, неинвазивных методов для вызова непроизвольной шагательной активности. К тому же необходимо было найти условия, которые позволили бы иметь управляемый доступ к нейронным центральным механизмам управления шагательной ритмикой. В нашей лаборатории В.А. Селионовым и О.В. Казенниковым была разработана специальная система вывески для ноги, дающая возможность горизонтальной ротации без трения в трех суставах: бедре, колене и стопе, и устранении влияния гравитации и внешнего сопротивления движению (Рис. 2, А). Вывеска не ограничивала естественных движений ноги и позволяла совершать движения, имитирующие ходьбу как вперед, так и назад без ограничения амплитуды. В горизонтальной плоскости моменты, связанные с гравитацией и взаимодействием с опорой, отсутствовали, напряжение и жесткость мышц ноги были гораздо ниже, чем во время обычного шагания. Вывешивание нижних конечностей именно в такой плоскости давало наилучший моторный выход при попытке активации шагательного автоматизма неинвазивными сенсорными воздействиями.

А

В дальнейшем возникло предположение о том, что шагательные движения могут быть запущены не только вибрацией, но и другими воздействиями, влияющими на тоническое состояние локомоторных структур. В качестве таких воздействий, способных вызвать неспецифические изменение возбудимости спинного мозга, использовали приём Ендрассика и феномен Конштамма. В отличие от вибростимуляции, которая, в основном, влияет на периферическую сенсорную систему, эти два приема вовлекали центральные тонические влияния. Было показано, что приём Ендрассика не только заметно облегчал локомоцию, вызванную вибрацией, но и приводил к незатухающим колебаниям вывешенных ног при их пассивном отведении одной ноги от положения равновесия. Постэффект произвольного, продолжительного напряжения мышц вывешенных ног (феномен Конштамма) также выражался в альтернирующих, имеющих сходные с шагательными характеристиками, ритмических затухающих движениях ног, которые продолжались 20-40 секунд. Полученные результаты позволили предположить, что необходимым условием активации спинальных механизмов генерации шагания является повышение уровня тонической готовности тоногенных структур ЦНС, участвующих в реализации локомоторной программы.

Супраспинальные влияния могут быть одним из факторов, затрудняющих активацию непроизвольного шагания. Поэтому в условиях эксперимента важно было исключить эти влияния, что, к примеру, можно достичь, используя активацию когнитивных функций испытуемого. Показано, что выполнение испытуемым несложной ментальной задачи (счет) на фоне любого афферентного воздействия не только приводило к увеличению процента испытуемых, у которых удавалось активировать СГШ, но и в значительной степени потенцировало параметры шагательных движений.

В дальнейшем мы показали возможность инициации непроизвольной шагательной ритмики вывешенной ноги электрической стимуляцией кожных нервов, иннервирующих поверхность стопы как вывешенной, так и контралатеральной, неподвижной ноги. Такой метод вызова «шагания в воздухе» оказался более эффективным методом воздействия на СГШ, а характеристики полученных движений еще в большей степени подтвердили предположение о центральном происхождении шагательной ритмики. Как при произвольном, так и при вызванном шагании афферентная обратная связь играет ключевую роль в адаптации и модуляции работы СГШ в условиях реального окружения.

Отсутствие опоры под стопами в условиях вывески дало нам возможность исследовать роль сенсорной афферентации от рецепторов нагрузки стопы в формировании паттерна шагательного цикла. Искусственная имитация давления на подошву вносила существенный вклад в общую картину генерации шагательных движений и оказывала модулирующее, и даже модифицирующее влияние на их структуру. Было показано, что дополнительные афферентные сигналы, обусловленные давлением на стопу, могут облегчать инициацию и поддержание индуцированного шагания “в воздухе”.

Для понимания механизмов генерации шагания необходимо иметь представление о состоянии спинальных мотонейронов, ­ уров­ень возбудимости которых отражает влияние разномодальных входов. На современном этапе исследования работы СГШ происходят с применением методов, позволяющих оценить состояние центральных и спинальных нервных цепей, формирующих и управляющих локомоторным выходом. Транскраниальная магнитная стимуляция и метод измерения Н-рефлекса являются удобными для такой оценки. При помощи этих методов нами показано, что в условиях вызванных движений в фазу переноса происходит повышение возбудимости нейронов спинного мозга, обусловленное, по-видимому, повышенным уровнем активности коры.

Сходство картины модуляции Н-­рефлекса в цикле шага при произвольном и вызванном шагании в условиях разгрузки предполагает, что СГШ в обеих ситуациях использует одни и те же спинальные нейронные связи, которые ответственны за генерацию шагательной ритмики. Показано также, что основной вклад в общую картину модуля­ции Н-­рефлекса в цикле шага в условиях вывески вносят движения в коленном суставе. Заметное влияние на уровень возбудимости нейронов спинного мозга, участвующих в генерации шагательной ритмики, играет также афферентная информация от рецепторов нагрузки стопы.

На основании проведенных многочисленных экспериментов можно сделать заключение, что двуногое шагание человека, также как и четвероногое шагание животных, основано на интеграции активности спинальных нейронных цепей с сенсорной обратной связью и нисходящими моторными командами. Подтверждено и обосновано существование механизма генерации локомоторных движений, реализуемых организованными нейрональными структурами спинного мозга, так называемыми спинальными генераторами шагания, способными самостоятельно, без участия высших отделов мозга, генерировать циклическую активность конечностей. В настоящее время в лаборатории продолжаются работы по исследованию шагательного автоматизма у человека с перенесением теоретических и практических разработок, касающихся механизмов управления движения у человека, в клиническую практику.

Для наиболее эффективной диагностики нормальных и патологических состояний сердца на основе неинвазивных электрокардиографических измерений необходимо совместное использование общепринятых количественно-статистических методов и эвристических методов, реализующих в полной степени знания и опыт кардиолога-диагноста. При этом важное значение имеет содержательно-образное представление электрофизиологических характеристик сердца с привязкой к его анатомическим элементам.

Такое представление было получено при помощи разработанных методов МУЛЬТипольной ЭлектроКАРдиоТОпографии (МУЛЬТЭКАРТО) и Дипольной ЭлектроКАРдиоТОпографии (ДЭКАРТО), которые обеспечивают визуализацию характеристик сердца в форме карт на сферической поверхности отображения, концентричной с миокардом и находящейся на достаточно малом расстоянии от его внешней поверхности.

Исходными данными для методов МУЛЬТЭКАРТО и ДЭКАРТО служат синхронные измерения потенциалов кардиоэлектрического поля на поверхности тела многоэлектродными и экономичными (в частности, векторкардиографическими) системами отведений, соответственно.

Вычисленные по синхронным электрокардиосигналам электрофизиологические характеристики и основные состояния миокарда проецируются на окружающую сердце сферу (сферу отображения), причем на эту же сферу проецируются основные анатомические элементы поверхности сердца. При использовании многоэлектродных систем отведений (CARDIAG-80, НЕКТАЛ-48 и др.) это осуществляется на основе мультипольного разложения кардиоэлектрического потенциала (метод МУЛЬТЭКАРТО). При этом индивидуальная геометрия торса и положение сердца определяются приближенно по основным анатомическим параметрам, а координаты электродов на поверхности торса определяются правилами наложения электродов используемой системы отведений. Применяемые здесь методы вычисления мультипольных компонент кардиогенератора и определения по ним электрофизиологических характеристик миокарда могут быть использованы и для значительно более точной реконструкции электрического поля сердца по индивидуальной геометрии торса и сердца, и координатам электродов, полученных при компьютерно-томографическом исследовании.

При использовании корригированных ортогональных систем отведений (Франк, Макфи-Парунгао, Франк-М и др.) – на основе дипольной составляющей кардиоэлектрического поля (метод ДЭКАРТО).

Разработаны биофизические модели нормальных и различных патологических состояний миокарда, которые используются для построения электрокардиотопограмм на сфере отображения; к этим электрокардиотопограммам относятся:

• Моментные изопотенциальные карты – карты распределения потенциала на сфере отображения, в которых по возможности устранены искажения, вносимые поверхностью тела; они служат основой для вычисления остальных электрокардиотопограмм.

• Моментные карты деполяризации – распределения трех основных состояний миокарда – покоя, активации (фронта волны деполяризации) и полной деполяризации; их анимация позволяет увидеть особенности пространственно-временного процесса распространения возбуждения.

• Моментные карты реполяризации – распределения уровня поляризации миокарда в заданные моменты времени; они полезны при распознавании состояний уязвимости к аритмиям.

• Изохронные карты деполяризации – распределения времени прихода и времени ухода активации миокарда; они отражают движение фронта волны деполяризации в тангенциальном направлении к стенке сердца и полезны при распознавании желудочковых блокад, синдрома предвозбуждения желудочков и областей постинфарктного некроза.

• Карты длительности активации – распределения длительности состояния активации; они отражают движение фронта волны деполяризации в радиальном направлении к стенке сердца и полезны при распознавании блокад и гипертрофий.

• Предсердные электрокардиотопограммы – распределения изохрон деполяризации и параметра размеров стенки предсердий; полезны при распознавании увеличения предсердий.

По сравнению с методом МУЛЬТЭКАРТО, метод ДЭКАРТО дает менее подробное описание электрофизиологического процесса в сердце, однако он может быть реализован со значительно менее трудоемкой измерительной процедурой и поэтому может практически применяться в медицинских учреждениях всех уровней и при любых условиях обследования испытуемого.

Диагностическая интерпретация дипольных и мультипольных электрокардиотопограмм (дэкартограмм и мультэкартограмм) основывается на результатах теоретических и клинико-статистических исследований методов МУЛЬТЭКАРТО и ДЭКАРТО, изложенных в многочисленных статьях и в нескольких монографиях (Титомир с соавт, 2009; Яковлев с соавт., 2007). Были разработаны новые критерии для диагностики и локализации ряда патологических состояний сердца, в частности, для диагностики начальных стадий и комбинированных форм увеличения предсердий, гипертрофии желудочков сердца, острого инфаркта и рубцового инфаркта различных локализаций (Титомир с соавт., 2009; Сахнова, Блинова, 2007; Яковлев с соавт, 2007; Titomir et al., 2008). Клинические исследования показали значительное повышение эффективности диагностики ряда заболеваний при использовании новых электрокардиотопографических критериев (например [Сахнова, Блинова, 2007; Блинова, 2007; Яковлев с соавт, 2007; Titomir et al., 2008]).

С другой стороны, диагностическая интерпретация дэкартограмм и мультэкартограмм опирается на их эвристический анализ с привлечением знаний и опыта кардиолога-диагноста и на сравнение новых случаев со случаями из базы прецедентов. С этой целью был сформирован компьютерный “ДЭКАРТО-Атлас”. Компьютерный атлас содержит дэкартограммы, векторкардиограммы и клинические данные для более 80 различных случаев основных и сложных сочетанных патологических состояний сердца. Характерные, физиологически осмысленные и легко запоминающиеся паттерны дэкартограмм для основных патологических категорий значительно облегчают процесс принятия обоснованного диагностического решения, в частности, при анализе сложных сочетанных патологий. Приведенный рисунок иллюстрирует возможность анализа сложных сочетанных патологий средствами ДЭКАРТО.

Слева вверху приведены дэкартограммы двух последовательных, разделенных значительным промежутком времени ЭКГ одного пациента.

При первой съёмке явно видны характерные паттерны: блокада правой ножки пучка Гиса (значительная задержка прихода активации в области, отмеченной коричневым кругом), блокада передней ветви левой ножки пучка Гиса (движение активации вправо-вверх, отмеченное желтой стрелкой).

При второй съёмке добавились: гипертрофия левого желудочка (увеличение длительности активации в области левого желудочка – появились синяя и голубая области на карте длительности активации), очагово-рубцовое поражение миокарда задней локализации с распространением на нижнюю стенку левого желудочка (уменьшилась область распространения активации, на пути распространения возбуждения появилась преграда, отмеченная двойной черной линией).

Внизу приведены характерные дэкартограммы для составляющих представленного случая сложной сочетанной патологии, а вверху справа – дэкартограммы варианта нормы.

A – дэкартограмма прихода активации, D – дэкартограмма длительности активации.
Дэкартограммы и мультэкартограммы дают наглядную визуализацию электрокардиографических данных и существенно уменьшают негативное влияние индивидуальной формы грудной клетки на точность неинвазивной диагностики. При использовании как множественных, так и векторкардиографических отведений эти методы обеспечивают повышение точности определения электрофизиологического состояния сердца и динамического наблюдения за этим состоянием благодаря совместному использованию количественных и эвристических подходов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-01-00806 и программы Президиума РАН «Фундаментальные науки –медицине».