Биофизические основы электрической стимуляции спинного мозга

Для картирования спинного мозга человека в клинике используют катетер-электрод (рис. 1). Как правило, применяется биполярная стимуляция спинного мога. Регистрация ЭМГ-активности осуществляется накожными поверхностными электродами, расположенными над мышцами: m. quadriceps, т. adductor, т. hamstrings, т. tibialis anterior и т. triceps surae обеих ног.

Перерыв нисходящих влияний тестируется при эпидуральной электрической стимуляции шейного утолщения спинного мозга и регистрацией вызванных потенциалов спинного мозга ниже уровня поражения. Отсутствие вызванных потенциалов ниже уровня поражения при стимуляции шейного утолщения с интенсив

ностью, максимально переносимой пациентом, свидетельствует о полном блоке проведения возбуждения по проводящим системам спинного мозга. Прекращение восходящих влияний устанавливается только в случае отсутствия вызванных корковых потенциалов на ЭССМ поясничного утолщения ниже уровня поражения или периферических нервов.

По электрическим свойствам структуры спинного мозга и окружающие его ткани весьма неоднородны. Имеются области с высокой проводимостью, например цереброспинальная жидкость, и области с низкой проводимостью, такие как жировая и костная ткань, а также анизотропные области, к которым относятся проводящие системы и белое вещество спинного мозга. Распределение электрических токови, соответственно, деполяризация определенных структур будет зависеть от локализации электродов и параметров стимулирующего воздействия. Первоначально полагали, что при расположении электрода на дорсальной поверхности спинного мозга происходит деполяризация волокон восходящих трактов. Однако позже было установлено, что смещение электрода даже на один миллиметр может играть решающую роль в активации тех или иных структур спинного мозга. Эксперименты, проведенные на обезьянах, показали, что незначительное изменение позиции электрода и параметров стимуляции может деполяризовать напрямую или транссинаптически множество путей в дорсальном и вентральном квадрантах спинного мозга.

Принято считать, что при эпидуральной стимуляции возбуждаются волокна дорсальных корешков, активируемые на уровне стимулирующего электрода, мотонейроны и проприоспинальные интернейронные структуры. По мнению Б. Кобурна, при эпидуральной стимуляции в первую очередь будут деполяризовываться самые низкопороговые волокна дорсальных столбов и волокна дорсальных корешков (рис. 2). Сравнительный анализ вызванных потенциалов коры головного мозга на стимуляцию грудного и шейного отделов спинного мозга показал, что в основе их возникновения лежит деполяризация дорсальных столбов и спинальных корешков. Согласно модельным данным, при высокой интенсивности стимуляции электрические токи могут непосредственно активировать мотонейроны и дендриты. Многие авторы придают важное значение форме стимулирующего импульса для селективной активации определенных структур спинного мозга, но специальных экспериментальных исследований по этому вопросу не проводилось.

При расположении электрода на дорсальной поверхности спинного мозга кроме восходящих систем, деполяризация которых будет происходить в первую очередь, в активацию могут также вовлекаться дорсальные спиномозжечковые пути и проприоспинальная система дорсолатеральных канатиков. Тот факт, что стимуляция спинного мозга является эффективной в снижении спастичности только у пациентов с сохраненными нисходящими и восходящими системами, указывает на активацию спиномозжечковой петли при эпидуральном воздействии. Этот спиномозжечковый вход будет оказывать влияние на нейроны мозжечка, которые, в свою очередь, будут воздействовать на вестибулоспинальные, ретикулоспинальные и руброспинальные тракты.

Стимуляция спинного мозга у хронически спинальных пациентов будет действовать на нейрональные механизмы, сохраненные после травмы. В условиях хронической спинализации совершенно неясным остается вопрос о том, какие спинальные элементы будут активироваться при эпидуральной стимуляции в случаях полного поперечного поражения спинного мозга и дегенерации нисходящих систем спинного мозга. По выражению М. Димитриевича, конечный результат ЭССМ будет зависеть от взаимодействия между нейрофизиологическими характеристиками эффектов стимуляции и от нейропатофизиологических свойств пораженного участка.

Эффективность эпидуральной стимуляции зависит от размеров и позиции электродов и от относительного сопротивления белого и серого вещества, цереброспинальной жидкости и окружающих тканей. Как известно, максимум электрического поля фокусируется под катодом, и это поле активирует окружающие аксоны в зависимости от их величины и ориентации. В морфологических исследованиях был установлен диапазон диаметров волокон спинного мозга, показано, что самые крупные волокна локализованы в дорсолатеральном и вентральном канатиках. На основании этого можно предполагать, что эпидуральные электроды должны активировать в первую очередь волокна в дорсальных и дорсолатеральных столбах, а также в дорсальных корешках. Б. Кобурн и В.К. Син промоделировали электрические поля и плотности тока, возникающие в спинном мозге при ЭССМ с учетом электрической анизотропности спинного мозга. По их данным, электрическое поле сфокусировано в дорсальных столбах под стимулирующим электродом, прогрессивно уменьшаясь в вентральном направлении. На рис. 2 представлена схема, заимствованная из работы Б. Кобурна. Предполагается, что первыми при ЭССМ активируются миелиновые волокна большого диаметра афферентов, входящих в спинной мозг через дорсальный корешок и идущие в поперечном направлении, затем продольно ориентированные миелиновые волокна дорсальных столбов, и наконец, восходящие или нисходящие миелиновые волокна дорсолатеральных столбов.

Дж.П. Хантер и П. Эшби проанализировали активность отдельных двигательных единиц мышц голени при ЭССМ; был сделан вывод о том, что эпидуральная стимуляция, активируя первичные афференты в дорсальных столбах, оказывает антидромное моносинаптическое влияние на мотонейроны поясничного утолщения. Имеется еще ряд работ, посвященных мониторингу потенциалов при ЭССМ, показывающие участие моторных трактов в их генезе. Предположение о ведущей роли дорсальных корешков в генезе рефлекторных ответов при эпидуральной стимуляции может быть подвергнуто сомнению по следующим причинам. Теоретически возможно предположить, что ортодромная активация нисходящих проекций Iа афферентов с уровня T11-Т12 может распространяться к мотонейронам в пределах 5-6 сегментов. При ЭССМ наблюдаются довольно сильные тонические сокращения межреберных мышц и мышц живота, что указывает на активацию дорсальных корешков данного сегмента. Насколько эффективным является этот вход для мотонейронов мышц голени, иннервирующихся из L5-S1 спинальных сегментов, сказать довольно трудно, так как известно, что гетерогенное облегчение даже между синергистами у человека выражено слабо, поэтому представляется маловероятным, что афференты Iа дорсальных корешков с уровня L1—L2 будут иметь сильные проекции к мотонейронам уровня S1.

В этом смысле более вероятным, по-видимому, является точка зрения об антидромной активации Iа афферентов в дорсальных столбах. Во-первых, имеются данные о том, что у кошки первичные афференты от мышц задней конечности идут в восходящем направлении до синаптического контакта со столбами Кларка на протяжении 4-12 сегментов спинного мозга, поэтому первичные афференты в обязательном порядке будут находиться под стимулирующим электродом. Во-вторых, показано, что у человека имеются сильные связи гомонимных Iа афферентов со всеми мотонейронами мышц нижних конечностей, и, вероятно, этим обстоятельством объясняются эффекты схожести процессов восстановления возбудимости при парном тестировании ЭССМ и при парной стимуляции периферических нервов, активирующих Iа афференты, а также приблизительно одинаковое подавление ответов, вызванных ЭССМ, и моносинаптических рефлексов при вибрации.

Что касается систем, входящих в состав дорсолатеральных канатиков, которые также могут активироваться при эпидуральной стимуляции, то прежде всего надо указать на то, что при условии спинальной патологии нисходящие кортикоспинальные и ретикулоспинальные тракты не будут оказывать влияния на мотонейроны поясничного утолщения вследствие их дегенерации. Влияние проприоспинальных систем также нельзя отнести к определяющим, так как длинные восходящие и нисходящие проприоспинальные аксоны идут в составе вентрального канатика, и по-этому их вклад может быть незначительным. Дорсальная половина латеральных канатиков содержит только короткие проприоспинальные нейроны и представляется маловероятным, что моносинаптические рефлекторные ответы в мышцах при ЭССМ опосредуются их активацией.

Таким образом, ЭССМ вызывает рефлекторные ответы в мышцах ног, которые по своей природе являются моносинаптическими рефлексами. Эти рефлексы, по-видимому, возникают вследствие антидромной активации Iа афферентов в дорсальных столбах.