Особенности афферентного обеспечения мышц-антагонистов голени билатеральных конечностей при скоростных локомоторных движениях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье представлена специфика внутри-, межмышечных и перекрестных проявлений импульсной активности различных групп афферентов (Ia, Ib и II) мышц-антагонистов голени билатеральных конечностей при выполнении скоростных локомоторных движений. В исследовании приняли участие 9 мужчин-спортсменов, специализирующихся в беге на короткие дистанции, которые выполняли локомоторный тест – проталкивание пассивной ленты тредбана в течение 10 с с максимально возможной скоростью. Во время бега регистрировали электромиограммы мышц-антагонистов голени (m. tibialis anterior, m. gastrocnemius med.) с последующей их обработкой в программе MatLab и расчетом импульсной активности первичных и вторичных афферентов с помощью математической модели, основанной на прогнозировании срабатывания мышечных веретен. Установлено, что скоростной бег представляет собой перекрестный внутримышечный ЭМГ-паттерн напряжения мышц-антагонистов голени билатеральных конечностей с переходом к их расслаблению, который зависит от фазы движения. Такая работа мышц в отдельные фазы скоростного бегового шага проявлялась эффективной межмышечной координацией флексора и экстензора в фазах опоры и переноса правой конечности, выраженными реципрокными отношениями гомонимных мышц-антагонистов голени в фазу переноса правой и опорный период левой конечностей. Внутримышечная проприоцептивная афферентация мышц-антагонистов голени скоростного движения характеризуется проявлением сильной импульсной активности афферентов Ib, умеренной – афферентов II и слабой – Iа афферентов флексоров и экстензоров голени симметричных конечностей. Показана фазозависимая модуляция межмышечной афферентации первичных и вторичных волокон флексоров и экстензоров голени билатеральных конечностей в фазы опоры и переноса скоростного бегового шага. Установлены характерные для скоростного бегового шага перекрестные взаимодействия афферентной активности гомологичных мышц голени билатеральных конечностей в разные фазы движения. Выявленные особенности внутри-, межмышечной и перекрестной афферентной активности во время бега отражают их ключевую роль в регуляции тормозной интернейрональной сети спинного мозга, обеспечивающей поддержание заданного мышечного сокращения и изменение параметров моторного выхода в целом. Обсуждаются полагаемые рефлекторные механизмы регуляции скоростных локомоторных движений на основе известных феноменов, связанных с взаимодействием различных афферентных входов на нейрональный аппарат спинного мозга в системе мышц-антагонистов голени.

Об авторах

А. А. Челноков

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: and-chelnokov@yandex.ru
Великие Луки, Россия

М. Г. Барканов

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Великие Луки, Россия

Д. А. Гладченко

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Великие Луки, Россия

Р. М. Городничев

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Великие Луки, Россия

Список литературы

  1. Pearson KG (2004) Generating the walking gait: role of sensory feedback. Prog Brain Res 143: 123–129. https://doi.org/10.1016/S0079-6123(03)43012-4
  2. Cappellini G, Ivanenko YP, Poppele RE, Lacquaniti F (2006) Motor patterns in human walking and running. J Neurophysiol 95(6): 3426–3437. https://doi.org/10.1152/jn.00081.2006
  3. Rybak IA, Stecina K, Shevtsova NA, McCrea DA (2006) Modelling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from the effects of afferent stimulation. J Physiol 577(Pt 2): 641–658. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2006.118711
  4. Pierrot-Deseilligny E, Burke D (2012) The Circuitry of the Human Spinal Cord: Spinal and Corticospinal Mechanisms of Movement. United States: Cambridge Univer Press.
  5. Rybak IA, Dougherty KJ, Shevtsova NA (2015) Organization of the Mammalian Locomotor CPG: Review of Computational Model and Circuit Architectures Based on Genetically Identified Spinal Interneurons(1,2,3). eNeuro 2(5): ENEURO.0069-15.2015. https://doi.org/10.1523/ENEURO.0069-15.2015
  6. Dubuc R, Cabelguen JM, Ryczko D (2023) Locomotor pattern generation and descending control: a historical perspective. J Neurophysiol 130(2): 401–416. https://doi.org/10.1152/jn.00204.2023
  7. Pleshchinskii IN, Alekseeva NL (1996) Spinal cord: afferent interactions. Hum Physiol 22(1): 123–130.
  8. Stachowski NJ, Dougherty KJ (2021) Spinal Inhibitory Interneurons: Gatekeepers of Sensorimotor Pathways. Int J Mol Sci 22(5): 2667. https://doi.org/10.3390/ijms22052667
  9. Gladchenko DA, Alekseeva IV, Chelnokov AA, Barkanov MG (2024) Modeling of Impulse Activity of Afferent Fibers of Antagonist Muscles during Transcutaneous Electrical Stimulation of the Spinal Cord During Walking. Hum Physiol 50: 25–34. https://doi.org/10.1134/S0362119723600091
  10. Capaday C, Stein RB (1987) Difference in the amplitude of the human soleus H reflex during walking and running. J Physiol 392: 513–522. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1987.sp016794
  11. Simonsen EB, Dyhre-Poulsen P (1999) Amplitude of the human soleus H reflex during walking and running. J Physiol 515 (Pt 3): 929–939. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1999.929ab.x
  12. Stephens MJ, Yang JF (1996) Short latency, non-reciprocal group I inhibition is reduced during the stance phase of walking in humans. Brain Res 743(1-2): 24–31. https://doi.org/10.1016/s0006-8993(96)00977-8
  13. Faist M, Hoefer C, Hodapp M, Dietz V, Berger W, Duysens J (2006) In humans Ib facilitation depends on locomotion while suppression of Ib inhibition requires loading. Brain Res 1076(1): 87–92. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2005.12.069
  14. Grey MJ, Nielsen JB, Mazzaro N, Sinkjaer T (2007) Positive force feedback in human walking. J Physiol 581(Pt 1): 99–105. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2007.130088
  15. Duysens J, Tax AA, Trippel M, Dietz V (1992) Phase-dependent reversal of reflexly induced movements during human gait. Exp Brain Res 90(2): 404–414. https://doi.org/10.1007/BF00227255
  16. Duysens J, Tax AA, Nawijn S, Berger W, Prokop T, Altenmüller E (1995) Gating of sensation and evoked potentials following foot stimulation during human gait. Exp Brain 105(3): 423–431. https://doi.org/10.1007/BF00233042
  17. Selverston AI (2010) Invertebrate central pattern generator circuits. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 365(1551): 2329–2345. https://doi.org/10.1098/rstb.2009.0270
  18. Grillner S, El Manira A (2020) Current Principles of Motor Control, with Special Reference to Vertebrate Locomotion. Physiol Rev 100(1): 271–320. https://doi.org/10.1152/physrev.00015.2019
  19. Stubbs PW, Mrachacz-Kersting N (2009) Short-latency crossed inhibitory responses in the human soleus muscle. J Neurophysiol 102(6): 3596–3605. https://doi.org/10.1152/jn.00667.2009
  20. Stubbs PW, Nielsen JF, Sinkjær T, Mrachacz-Kersting N (2011) Phase modulation of the short-latency crossed spinal response in the human soleus muscle. J Neurophysiol 105(2): 503–511. https://doi.org/10.1152/jn.00786.2010
  21. Stevenson AJ, Geertsen SS, Andersen JB, Sinkjær T, Nielsen JB, Mrachacz-Kersting N (2013) Interlimb communication to the knee flexors during walking in humans. J Physiol 591(19): 4921–4935. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2013.257949
  22. Hanna-Boutros B, Sangari S, Karasu A, Giboin LS, Marchand-Pauvert V (2014) Task-related modulation of crossed spinal inhibition between human lower limbs. J Neurophysiol 111(9): 1865–1876. https://doi.org/10.1152/jn.00838.2013
  23. Suzuki S, Nakajima T, Futatsubashi G, Mezzarane RA, Ohtsuka H, Ohki Y, Komiyama T (2016) Phase-dependent reversal of the crossed conditioning effect on the soleus Hoffmann reflex from cutaneous afferents during walking in humans. Exp Brain Res 234(2): 617–626. https://doi.org/10.1007/s00221-015-4463-x
  24. Gervasio S, Voigt M, Kersting UG, Farina D, Sinkjær T, Mrachacz-Kersting N (2017) Sensory Feedback in Interlimb Coordination: Contralateral Afferent Contribution to the Short-Latency Crossed Response during Human Walking. PLoS One 12(1): e0168557. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0168557
  25. Barkanov MG, Gorodnichev RM (2022) Peculiarities of Induced Muscle Responses and Kinematic Parameters of High-Speed Locomotor Movements under Percutaneous Electrical Stimulation of Different Spinal Cord Areas. Hum Physiol 48: 526–534. https://doi.org/10.1134/S036211972204003X
  26. Voigt M, Bojsen-Møller F, Simonsen EB, Dyhre-Poulsen P (1995) The influence of tendon Youngs modulus, dimensions and instantaneous moment arms on the efficiency of human movement. J Biomech 28(3): 281–291. https://doi.org/10.1016/0021-9290(94)00071-b
  27. Voigt M, Simonsen EB, Dyhre-Poulsen P, Klausen K (1995) Mechanical and muscular factors influencing the performance in maximal vertical jumping after different prestretch loads. J Biomech 28(3): 293–307. https://doi.org/10.1016/0021-9290(94)00062-9
  28. Voigt M, Dyhre-Poulsen P, Simonsen EB (1998) Modulation of short latency stretch reflexes during human hopping. Acta Physiol Scand 163(2): 181–194. https://doi.org/10.1046/j.1365-201X.1998.00351.x
  29. Prochazka A, Gorassini M (1998) Ensemble firing of muscle afferents recorded during normal locomotion in cats. J Physiol 507 (Pt 1): 293–304. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1998.293bu.x
  30. Mileusnic MP, Loeb GE (2009) Force estimation from ensembles of Golgi tendon organs. J Neural Eng 6(3): 036001. https://doi.org/10.1088/1741-2560/6/3/036001
  31. Enoka RM (2015) Neuromechanics of Human Movement. Champaign, IL, United States.
  32. Labrecque C, Belanger M (1994) The Effects of Low Intensity Cutaneous Stimulation on the H-Reflex Modulation during Static and Dynamic Cycling Movements. Dept Kinanthropol Soc Neurosci Abstr 20(715): 7.
  33. Витензон АС (1998) Закономерности нормальной и патологической ходьбы человека. М. ООО Зеркало-М. [Vitenzon AS (1998) Patterns of normal and pathological human walking. M. OOO Zerkalo-M. (In Russ)].
  34. Mummidisetty CK, Smith AC, Knikou M (2013) Modulation of reciprocal and presynaptic inhibition during robotic-assisted stepping in humans. Clin Neurophysiol 124(3): 557–564. https://doi.org/10.1016/j.clinph.2012.09.007
  35. Kido A, Tanaka N, Stein RB (2004) Spinal reciprocal inhibition in human locomotion. J Appl Physiol 96(5): 1969–1977. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.01060.2003
  36. Stubbs PW, Nielsen JF, Sinkjaer T, Mrachacz-Kersting N (2011) Crossed spinal soleus muscle communication demonstrated by H-reflex conditioning. Muscle Nerve 43(6): 845–850. https://doi.org/10.1002/mus.21964
  37. Mrachacz-Kersting N, Geertsen SS, Stevenson AJ, Nielsen JB (2017) Convergence of ipsi- and contralateral muscle afferents on common interneurons mediating reciprocal inhibition of ankle plantarflexors in humans. Exp Brain Res 235(5): 1555–1564. https://doi.org/10.1007/s00221-016-4871-6
  38. Gervasio S, Farina D, Sinkjær T, Mrachacz-Kersting N (2013) Crossed reflex reversal during human locomotion. J Neurophysiol 109(9): 2335–2344. https://doi.org/10.1152/jn.01086.2012
  39. Mrachacz-Kersting N, Gervasio S, Marchand-Pauvert V (2018) Evidence for a Supraspinal Contribution to the Human Crossed Reflex Response During Human Walking. Front Hum Neurosci 12: 260. https://doi.org/10.3389/fnhum.2018.00260
  40. Hiraoka K (2021) Phase-Dependent Crossed Inhibition Mediating Coordination of Anti-phase Bilateral Rhythmic Movement: A Mini Review. Front Hum Neurosci 15: 668442. https://doi.org/10.3389/fnhum.2021.668442

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025