Механизмы действия электромионейростимуляции на организм человека.

            Механизм динамогенного эффекта электромиостимуляции

            Одним из фундаментальных свойств импульсных токов, особенно биполярных нейроноподбных импульсов, является способность вызывать сокращение мышечных волокон, что общепринято называть динамогенным эффектом тока. Выше подробно описан механизм действия трапецеидальной посылки и ритмов стимуляции аппарата «Миоритм 040-М2», которые вызывают динамогенный эффект. Это -  режимы стимуляции мышц: РСТГ, РСЛГ и РСК.

            Ещё в 1940 году Н.Е. Глушкова установила, что в не стимулируемой мышце утомительная работа вызывала значительный распад АТФ и накопление неорганического фосфора.

            ИсследованиямиБ.Б. Егорова (1970), В.Ю.Давиденко (1970,1972) и других авторов было показано, что под воздействием многоканальной электромиостимуляции увеличивается на 15-20% энергетический потенциал мышц, работоспособность, повышается количество АТФ, особенно, в первые 10 процедур, повышается мышечная сила и масса; возрастает точность выполнения мышечных усилий. В мышцах повышается содержание кальция, натрия, железа, миоглобина, креатинина, гликогена, рибонуклеиновых кислот (РНК, ДНК) и др.

            В результате этих биохимических превращений синтез мышечных белков начинает преобладать над их распадом, повышаются энергетические возможности мышцы, увеличивается её масса на 20-30%.

            Анаэробный гликолиз и ресинтез АТФ больше увеличивается при скоростных режимах сокращений, а окислительно-восстановительные процессы – при длительных сокращениях мышц.

             Исследования показали что во время электромиостимуляции мышцы развивают усилие на 30-33% больше, чем при максимальном волевом. Утомление наступает в несколько раз медленнее, чем при волевом сокращении. При снижении работоспособности на 70 % от исходной величины при волевом сокращении, электростимуляция вызывает сокращение с силой, равной исходной величине при волевом сокращении.

            Систематические сокращения мышц под влиянием электростимула с большим механическим ответом (на 30-33%), чем волевые, могут удерживаться дольше и повторяться большее количество раз, т.к. они проходят без каких либо усилий со стороны человека, дают рост мышечной силы значительно больше и быстрее. При этом, как было сказано выше, увеличивается энергетический потенциал мышц и всего организма, повышается активность ряда ферментативных систем в мышцах и других органах и тканях. Это усиливает окислительные процессы и делает мышцу не только более стойкой к утомлению, но и стимулирует физико-химические изменения одного из основных энергетических субстратов – гликогена мышц, делая его более доступным ферментативным воздействиям.

            Следует заметить,что те нейромоторные единицы, которые при волевом сокращении труднее всего удерживать в активном состоянии, под воздействием электрического тока возбуждаются и включаются в работу в первую очередь. Это объясняется тем, что длинные, параллельно расположенные и способные к динамическим действиям мышечные пучки с магистральным типом ветвления нервов, расположены у человека поверхностно и относятся к быстрым волокнам (отвечающие за скоростно-силовые качества мышцы). Эти большие двигательные единицы как при прямой стимуляции (через двигательные точки мышцы), так и при непрямой (при стимуляции двигательного нерва), возбуждаются легче (при меньшей силе раздражения), чем более глубоко расположенные мышечные волокна малых двигательных единиц и реагируют они на весь диапазон низких частот (от 1 до 120Гц).

            Накопленный фактический материал применения электромиостимуляции при спортивных тренировках показал, что за относительно короткий период времени (2-4 недели) можно увеличить максимальную силу и выносливость отдельных мышечных групп (нижних конечностей) до 20- 30% (М.А.Черепахин, 1972),  а показатели прыжков вверх – на 21,2% за 12-15 сеансов электростимуляции мышц нижних конечностей (В.Ю.Давиденко,1972).

            Наряду с увеличением силы и выносливости мышц при электростимуляции существенно повышается их скоростно-силовые качества и работоспособность всего организма (В.В.Кузнецов, И.Н.Кравцов, В.Н. Хайченко,1976).

            Исследования Э.В.Пурвина и В.А. Смолякова (1995) подтвердили эти данные. Электростимуляция мышц (частота импульсов 50 Гц) нижних конечностей (10 процедур) увеличила скоростно-силовые показатели этих мышц на 14-25%. Интересно отметить, что после прекращения электростимуляционной тренировки продолжался рост исследуемых скоростно-силовых показателей мышц, при этом наибольшие сдвиги зафиксированы в первые 10 дней после стимуляции ( до 16-30% от исходного уровня). После этого наступает этап относительной стабилизации показателей на повышенном уровне, продолжительностью до месяца.

            Основным механизмом повышения мышечной силы (выносливости) при электростимуляции является рабочая гипертрофия стимулированных мышц. Наибольший прирост силы мышц происходит при изометрических условиях тренировки (мышца напрягается, но не сокращается), а также при условии одновременной стимуляции в мышце всех видов волокон - медленных ( глубоких), а также быстрых (поверхностных). Эти условия выполнимы при наличии в посылке «дрейфа» частот от 20 до 120 Гц, поскольку медленные и быстрые волокна активизируются на разных частотах электростимуляции.

            Применение многоканальной электростимуляции мышц является эффективным как до, так и после физических нагрузок. Существенное улучшение этих показателей наступает после 18 сеансов стимуляции. Однако более быстрое улучшение скоростных показателей и времени двигательной реакции, а также уменьшение фазы отталкивания происходит при электростимуляции до физической нагрузки.

            Силовые показатели (выносливость) улучшаются после физических нагрузок на фоне усталости (А.А. Николаев,2006). В последнем случае рекомендуют применять режим стимуляции, при котором в посылках имеется «дрейф» частот от 20 до 120 Гц или  низкие частоты стимуляции (20 Гц), стимулирующие медленные мышечные волокна, отвечающие за выносливость, время сеанса - от 15 до 20 минут.

                        Наибольший темп прироста максимальной произвольной мышечной силы наблюдается в течение первых 10-14 процедур электростимуляции, далее тем прироста несколько замедляется, а после 20-25 процедуры прирост силы вообще отсутствует. В среднем за 14-15 стимуляций мышечная сила (выносливость) возрастает на 20-30%, а за 20 процедур – на 40-50%.

                       Эффект электромиостимуляции у не тренированных людей сохраняется практически неизменно в течение 3-4 месяцев, а у спортсменов, даже спустя 6-8 месяцев после прекращения процедур, сохраняется в среднем около половины силового прироста, достигнутого в результате электростимуляции (Я.В.Коц, 1971)  

            В учебно-тренироворчном процессе студентов института физкультуры (г.Киев,1983) в качестве модели физической нагрузки было выбрано сгибание рук в локтевых суставах. Отягощением служила штанга. Испытуемые выполняли упражнения до отказа с отягощением, равным 60% от максимального веса, поднятого ими в контрольных исследованиях. Электромиостимуляция с использованием биполярного нейроноподобного импульса проводилась три раза в неделю при максимальном надпороговом воздействии, всего 15 сеансов, динамический вид тренировки (руки сгибались в локтевых суставах).

            В результате проведённых исследований были получены следующие данные: электростимуляционное воздействие непосредственно на мышцы вызывает прирост динамической выносливости более чем в три раза по сравнению с исходным (количество повторений движений со штангой увеличилось на 411,7%, время выполнения – на 326,4%, максимальная сила увеличилась на 86,9%, а статическая выносливость стимулируемых мышц – на 81,4%.

При этом наблюдалось улучшение функционального состояния сердечно-сосудистой системы и нервно-мышечного аппарата.

            А при динамической электростимуляции мышц через двигательные точки, динамическая выносливость мышц увеличивалась почти в 4 раза по сравнению с исходной. Количество повторений движений со штангой увеличилось на 500,3%, время работы – на 366,4%, статической выносливости – на 127,9% и силы – на 79,9%. Динамическая электростимуляция через двигательные точки мышц оказалась более эффективной.

            Таким образом, исследования показали большие возможности электромиостимуляции в повышении выносливости, силовых и скоростно-силовых качеств нервно-мышечного аппарата и организма в целом.

            Учитывая тот факт,  что при электромиостимуляции мышцы развивают на 30-33% большее усилие, чем при волевом и могут работать более продолжительное время без утомления, то  безконтрольное и неграмотное применение стимуляции может привести к перетренировке, переутомлению организма и даже к патологическим изменениям в мышцах, органах и системах.

 

                                        Механизм действия электромионейростимуляции на уровне  всего организма.

            Биокибернетики рассматривают организм и его подсистемы как одно и многоконтурную систему управления с обратной связью. Так, рецепторы рассматриваются как датчики, собирающие информацию с чувствительных элементов и посылающие эту информацию в центральную нервную систему (афферентные, восходящие пути); нервно-гуморальные связи – как каналы информации поступления и обратной связи; скопление нейронов в нервных узлах, структурах спинного и головного мозга – как органы переработки и хранения информации, выдачи сигналов управления (эфферентные, нисходящие пути); эффекторы (мышцы, органы, железы др.) – как исполнительный орган (А.И.Коробков,1975).

            На каком же уровне систем организма может быть введена информация в виде электромионейростимуляции?

            Электромионейростимуляция, особенно нейроноподобным импульсом, может быть введена, в зависимости от уровня повреждения системы или поставленной задачи врача, через следующие пути:

            - через рецепторы (специфический или неспецифический стимул);

            - через нервные проводники (периферические нервы, например, непрямая стимуляция мышц; проводящие пути спинного и голоного мозга);

            - через нервные центры – для стимуляции серого вещества в спинном и головном мозге;

            - через эффекторы или их синапсы с аксоном двигательного нейрона -  для прямой стимуляции мышц.

            Электростимуляция оказывает влияние не только на стимулируемые мышцы и органы, но и на весь организм и в первую очередь на ЦНС, на нейрогуморальные механизмы регуляции функциональных систем организма - эндокринной, сердечнососудистой, иммунной, дыхательной, пищеварительной и др. (Е.В.Лахно, Р.В.Чаговец, 1953; Г.Ф.Колесников,1967,1977;Н.Н.Яковлев,1970; В.Ю.Давиденко,1972 и др.)

            По мнению многих исследователей, электростимуляция через рецепторный аппарат трансформирует свою физическую энергию в биологическую, которая обеспечивает необходимый ответ на разных уровнях организма:

            - атомарном;

            - молекулярном;

            - клеточном;

            - органном;

            - системном;

            - функциональных систем (по А.М.Чернуху, 1972).

            Электростимуляция включает сложные рефлекторные механизмы в организме в виде:

            - аксон-рефлекса;

            - интерганглионарных, интерсегментарных, стволовых, условных и безусловных рефлексов;

            - включает звенья нейрогуморально-гормональной регуляции.

                        Обобщая исследования учёных, М.Р.Могендович, 1968, указывает, что  общий стимулирующий эффект электростимуляции информирует о её мобилизующем влиянии на гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую систему, щитовидную и зобную железы, половой эндокринный аппарат, на структуры мозга, определяющих общую реакцию обменно-трофических, иммуннозащитных процессов и поведение человека по типу моторно-эндокринно-трофических рефлексов.

            В исследованиях Е.В.Лахно, Р.В.Чаговец (1953) впервые формируются представления о целесообразности применения электростимуляции для рефлекторного управления функциональным состоянием организма человека.

            Исходя из многочисленных исследований есть все основания говорить об электростимуляции как о методе биологического протезирования различных функциональных систем организма, искусственного целенаправленного управления нервными процессами в норме и при патологии центральной и периферической нервной системы (А.Н.Обросов, Н.Н.Ливенцев,1953; А.И.Коробков,1975; Г.Ф.Колесников, 1977-1979,1983).

            Этот общестимулирующий  положительный эффект, особенно при многоканальной электромионейростимуляции, использовали учёные космической и военной медицины в целях реабилитации организма человека, получившего экстремальные перегрузки, и для разработки методов повышения (поддержания) работоспособности человека в различных условиях его деятельности.

           

            Влияние многоканальной электромионейростимуляции на работоспособность операторов космического профиля при 3-х суточной непрерывной деятельности без сна.        (Л.А.Рудакова, 1987).

            Исследования заключались в оценке работоспособности опытной и контрольной групп операторов по 6 человек в каждой, выполнявших непрерывную работу на тренажерах в течение 3-х суток без сна в аварийной ситуации. Давались 20-минутные перерывы несколько раз в сутки для принятия пищи и гигиенических нужд.

            Операторам опытной группы  проводилась многоканальная электромионейростимуляция (20 электродов) всех крупных мышц туловища и конечностей в течение 20 минут каждые 4 часа в течение 3-х суток на аппаратах типа «Миоритм».

            Сравнение результатов опытной и контрольной групп показали, что период устойчивой работоспособности операторов опытной, стимулированной группы длился 46 часов и сменился периодом утомления, который продолжался до конца 3-х суток. Показатели качества деятельности операторов в период утомления ухудшились на 22-43%. Однако, трое суток операторы выполняли работу и удовлетворительно справились с поставленной задачей.

             В контрольной группе период устойчивой работоспособности длился 16 часов. Затем сменился периодом утомления и через 36 часов непрерывной деятельности операторы не могли больше бороться со сном и в связи с крайней степенью их утомления их сняли с эксперимента. (Рис. 8)

            Таким образом, результаты исследования показали высокую эффективность метода электромиостимуляции для поддержания работоспособности человека в экстремальных условиях, требующих большой выносливости и мобилизации резервных сил организма.

                                          

            Влияние многоканальной электромионейростимуляции на работоспособность человека при тяжелых физических нагрузках.                               ( Л.А.Рудакова,1988)

                         В эксперименте принимали участие солдаты третьего года службы - 12 человек.

            Цель исследования – оценка физической работоспособности военнослужащих в бронежилетах различной тяжести (от 2 до 12 кг) при высоких физических нагрузках, а также разработка метода, повышающего выносливость человека в экстремальных условиях.

            Критериями оценки динамики физической работоспособности были:

            - показатели времени преодоления траншеи с последующим бегом на 200 метров;

            - общее время преодоления полосы препятствий в бронежилетах.

            Многоканальная электромионейростимуляция (20 электродов) проводилась на аппаратах типа «Миоритм» в опытной серии за 20 дней до начала испытаний (15 процедур по 30 минут). Стимулировались все крупные мышцы туловища и конечностей.

            Сравнение результатов исследований опытной и контрольной серии показали. Что время преодоления траншеи с последующим бегом на 200 метров в опытной (стимулируемой) группе уменьшилось в среднем на 18%, а общее время преодоления препятствий в бронежилетах – на 23% по сравнению с контрольной серией.

            Результаты исследований показали высокую эффективность метода многоканальной электромионейростимуляции для повышения физической выносливости организма в условиях высоких физических нагрузок.

             На рис. 8.    представлена зависимость:

            а) времени преодоления траншеи и бега на 200 м от массы бронежилета;

            б) общего времени преодоления полосы препятствий от массы бронежилета;

в стимулируемой ( 1 ) и контрольной ( 2 ) сериях.

 

                 Влияние многоканальной электромионейростимуляции на работоспособность и функциональное состояние операторов            автоматизированного центра управления   (АCУ).

                                   (Л.А.Рудакова, 1988, 2006)

            Целью исследования являлась оценка работоспособности операторов в системе человек-машина и разработка рекомендаций по улучшению качества их деятельности.

            В эксперименте участвовали 16 солдат 3-го года службы.

            Деятельность операторов с информационной моделью АЦУ в условиях длительной 3-часовой непрерывной работы, гипокинезии, эмоционального стресса, дефицита времени и избытком информации, чередующихся с дефицитом информации и избытком времени («рваный» темп работы).

            Информация предъявлялась операторам на экране дисплея виде алфавитно-цифровых символов. Одновременно на дисплей могло быть введено до 12 сообщений.

            Критерии оценки:

            а) прямые показатели деятельности – количество и характер ошибок операторов при определении состава кодограмм;

            б)    - косвенные показатели, обеспечивающие жизнедеятельность организма (частота сердечных сокращений (ЧСС), артериальное давление (АД), коэффициент выносливости (КВ), вегетативный индекс Кердо);

                  - косвенные показатели напряженности – показатели вариативности сердечного ритма, индекс напряжения (ИН)

по Р.М.Баевскому, Ю.Н.Волкову (1968);

            в)  - показатели субъективной оценки работоспособности (САН).

            На основании динамики прямых и косвенных показателей работоспособности оценивались функциональные состояния в процессе непрерывной 3-х часовой деятельности операторов:

            - состояние адекватной мобилизации;

            - состояние динамического рассогласования функций;

            - состояние утомления, диагностика этих состояний использовалась в оценке периодов работоспособности (врабатывания, устойчивой работоспособности и утомления).

            В 1-й серии проводились контрольные испытания работоспособности группы;

             Во 2–й серии испытуемым проводилась многоканальная (20 электродов) электростимуляция нервно-мышечного аппарата (МЭСТ) по следующей схеме: первые два дня – предварительная электромиостимуляция в течение 30 минут всех крупных мышц туловища и конечностей, в последующие пять дней МЭСТ проводилась за 30 минут до начала работы операторов

При оценке показателей исходным положением была теория функциональной системы, разработанная П.К.Анохиным (1975) .

            Результаты экспериментальных исследований контрольной серии ( без электромиостимуляции)

            При анализе результатов исследований операторы были разделены на 4 группы по количеству допущенных ошибок в течение 3-х часовой деятельности (рис 8 а,б,в,г ).

            1 группа – «отличные» операторы ( 16% ), допустившие 0,5-1% ошибок;

            2-я группа – «хорошие» операторы (34% ), допустившие 2-4% ошибок;

            3-я группа – «удовлетворительные» операторы (25%), допустившие 5-9% ошибок;

            4-я группа – «плохие» операторы (25%), допустившие 12-24 % ошибок.

            Результаты исследований динамики показателей работоспособности ( рис. 8 а ) показывают, что у «отличных» операторов вслед за коротким периодом врабатывания (15-20 минут), наступил период устойчивой работоспособности, который продолжался 2-2,5 часа и отличался высоким показателем качества деятельности.

            Этот период в соответствии с работами А.Б.Леонова В.И.Медведева (1981) можно объяснить состоянием адекватной мобилизации, возникающего у оператора в процессе работы. Он характеризуется мобилизацией всех функций организма, отвечающих за операторскую деятельность. Об этом свидетельствует в эксперименте существенное смещение вегетативного индекса (ВИ) Кердо в отрицательную сторону (от 10 до   - 40 ед.), указывающего на сильное напряжение вегетативной нервной системы, отвечающей за деятельность.

             На высокий уровень активационно-эмоциональной напряженности у операторов в процессе деятельности указывают большие значения (200-400 от. ед. ) показателей вариативности сердечного ритма: индекса напряжения (ИН) и отношение амплитуды моды R-R интервалов ЭКГ к вариационному размаху R-R интервалов (АМо/ х) по Р.М.Баевскому (1968),( рис.10 а ). 

 

 

            После 2-2,5 часов непрерывной работы с информационной моделью у «отличных» операторов появились признаки состояния утомления, о чём свидетельствует динамическое рассогласование характеристик показателей функционального состояния. Хотя эффективность деятельности и показатели внимания оставались по-прежнему на

высоком уровне. Так, снизился на 50-60% уровень величины ударного и минутного объёма (УО, МОС) сердца при одновременном уменьшении частоты пульса (ЧП) и увеличении коэффициента выносливости (КВ), что свидетельствует об утомлении механизмов центральной регуляции ССС и ослабление деятельности гемодинамической системы.

            В последние 0,5 часов работы предъявляли жалобы на состояние усталости, невозможности сосредоточиться и выполнять умственную работу.

            Анализ показателей работоспособности операторов 2,3, и 4 групп показал, что общим для них является отсутствие периода устойчивой работоспособности в процессе всей 3-х часовой деятельности, отличались группы в основном различным уровнем эффективности деятельности (рис.8. б,в,г). У операторов 3 и 4 групп отмечалось сильное напряжение симпатической нервной системы (индекс Кердо -70, -90ед.). У 50-60% операторов повышалось АД.

            Субъективно операторы 3 и 4 групп предъявляли жалобы на то, что не успевали записывать кодограммы, нервничали по этому поводу, через 1-1,5 часа появилось сильное чувство раздражения по отношению к дисплею, отсутствие желания работать в настоящее время и на следующий день, сильное чувство усталости после 3-го часа работы, заторможенность, невозможность после работы сосредоточить внимание и выполнять тесты виде умственной работы.

             Можно предположить, что основным фактором, вызвавшим большое количество ошибок у операторов 2, 3 и 4 –й групп при работе с информационной моделью, явился темп предъявляемой информации и, как следствие, дефицит времени и состояние психической напряженности организма, приведшее к ухудшению деятельности. При отсутствии возможности уменьшения количества предъявляемой информации в системе человек-машина, показано применение методов стимулирования организма, направленных на использование его психофизиологических резервных возможностей.

            Результаты экспериментальных исследований 2-й опытной серии.

            Оценка показателей качества деятельности тех же операторов АЦУ, но прошедших электростимуляцию нервно-мышечного аппарата по вышеописанной схеме, показала существенное улучшение эффективности их деятельности во всех 4-х группах (Рис.8.   д,е,ж,з).

 

 

Показатели деятельности операторов «удовлетворительной» и «плохой» групп приблизились по своим значениям к деятельности операторов «хорошей» и «отличной» группам контрольной серии опытов.

            Анализ показателей функционального состояния организма выявил следующие закономерности: по сравнению с контрольной серией уровень показателей вариативности сердечного ритма – индекс напряжения (ИН) и отношение амплитуду моды к вариационному размаху R-R интервалов (АМо/   х ) – уровень активационно-эмоциональной напряженности, уменьшились после курса стимуляции на 40-50% на протяжении всей 3-х часовой деятельности операторов (Рис.10 б).

           

Этот факт совпадает с улучшением эффективности деятельности операторов и может быть объяснён тем, что электромиостимуляция мобилизовала психофизиологические возможности организма таким образом, что цена деятельности снизилась и для её выполнения потребовалась меньшая степень напряжения регуляторных механизмов, о чём свидетельствует уменьшение индекса напряжения (ИН). Снизилась также централизация управления ССС и организма в целом, на что указывает снижение показателя АМо/   х . Об уменьшении степени напряжения вегетативной нервной системыпосле электромиостимуляции свидетельствует сдвиг отрицательного вегетативного индекса (ВИ) в более положительную сторону по сравнению с контролем у 60% испытателей.

            В показателях гемодинамики существенных различий по сравнению с контролем не выявлено. Однако следует отметить тенденцию к нормализации артериального давления после электромиостимуляции у операторов с гипертензивным синдромом

( Рис.1 1 ).

           

 Электромистимуляция способствовала увеличению лабильности (подвижности) процессов нервной регуляции как на рефлекторном, так и на центральном уровнях. Об этом свидетельствует укорочение времени скрытого периода простой сенсомоторной реакции, уменьшение среднего времени на один ответ при выполнении операторами корректурной пробы и красно-чёрной таблицы в сочетании с уменьшением количества ошибок при выполнении тестовых проб сразу после окончания эксперимента на АЦУ.

            Субъективная качественная оценка своего состояния операторами опытной серии после 3-х часовой деятельности свидетельствовала о существенно меньшем чувстве усталости или вообще его отсутствии по сравнению с контролем. По словам операторов, работать после стимуляции было легко, успевали записывать информацию. Не было чувства раздражения к работе и негативных эмоций даже у бывших «плохих» операторов.

            Примечательно, что большинство испытуемых опытной серии считало, что им задавалась более лёгкая информационная модель деятельности.

            В то же время 70% операторов в опытной серии указало на появление лёгкого общего утомления глаз к концу 3-го часа работы.

            Оценивая показатели работоспособности операторов с точки зрения нормирования трудовой деятельности. Следует отметить, что электромиостимуляция

увеличила период устойчивой работоспособности на 2-2,5 часа у 85% операторов, не вошедших в контрольной серии в группу «отличных».           

            Эффективность деятельности у различных операторов опытной серии увеличилась в 1,8 – 12 раз по сравнению с контрольной серией. При этом количество ошибок, допускаемых ими в работе с информационной моделью, не превышало  0,5–3,5 %, что соответствует работе «отличных» и «хороших» операторов, несущих высокую информационную нагрузку в течение длительного периода времени.

Таким образом, многоканальная электромиостимуляция нервно-мышечного системы аппаратами типа «Миоритм», имеющих нейроноподобный импульс и трапецеидальную посылку с дрейфом частот, является эффективным способом повышения работоспособности операторов, несущих высокую информационную нагрузку . Электромионейростимуляция повышает (регулирует) адаптационно-приспособительные механизмы организма человека, существенно увеличивая за счёт этого период устойчивой работоспособности операторов и эффективность их деятельности.