Отправить статью по E-mail 
Стимуляция спинного мозга децеребрированной крысы двойными импульсами
- Авторы: Ляховецкий В.А.1, Шкорбатова П.Ю.1, Горский О.В.1,2, Павлова Н.В.1, Баженова Е.Ю.1, Мусиенко П.Е.1,2, Меркульева Н.С.1
-
Учреждения:
- Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
- Санкт-Петербургский государственный университет
- Выпуск: Том 60, № 2 (2024)
- Страницы: 208-220
- Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
- URL: https://journals.rcsi.science/0044-4529/article/view/263209
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044452924020051
- EDN: https://elibrary.ru/XAHEMU
- ID: 263209
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Аннотация
Анализ ответов, обусловленных электрической стимуляцией, – одна из экспериментальных парадигм изучения возбудимости нервной системы. В частности, широко используется методика регистрации ответов мышц на электрическую эпидуральную стимуляцию (ЭС) спинного мозга (СМ) человека и животных. У крыс, децеребрированных на преколликулярном уровне, анализировали ответы mm. tibialis anterior (TA) и gastrocnemius medialis (GM) при ЭС спинальных сегментов L2, L4, L6 и трансвертебральной стимуляции (ТС) на уровне позвонков VL2, VL4, VL6 одиночными и двойными импульсами. Находили токи, при которых амплитуда сенсорного компонента ответа для одиночного импульса и одного из импульсов пары была максимальна. На минимальном из этих токов анализировали отношение амплитуд сенсорного компонента ответа на первый и второй импульсы к амплитуде сенсорного компонента ответа на одиночный импульс. Для обеих мышц было получено ослабление ответа на оба импульса пары при ТС VL2 и VL4, при этом при стимуляции VL2 ответ TA на второй импульс был ниже, чем на первый. Напротив, при ЭС всех сегментов интереса для обеих мышц было получено облегчение ответа на второй импульс. Подобный эффект облегчения качественно наблюдался и для двух других мышц, mm. iliacus и vastus lateralis. Таким образом, использование двойных импульсов при стимуляции позволило выявить зависимость отклика нейронных сетей СМ от способа их активации (ТС или ЭС). Облегчение ответа на второй импульс при ЭС предположительно объясняется уменьшением пресинаптического торможения вследствие децеребрации.
Полный текст
Об авторах
В. А. Ляховецкий
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Email: mer-natalia@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург
П. Ю. Шкорбатова
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Email: mer-natalia@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург
О. В. Горский
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН; Санкт-Петербургский государственный университет
Email: mer-natalia@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург
Н. В. Павлова
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Email: mer-natalia@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург
Е. Ю. Баженова
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Email: mer-natalia@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург
П. Е. Мусиенко
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН; Санкт-Петербургский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: mer-natalia@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург
Н. С. Меркульева
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Email: pol-spb@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург
Список литературы
- McLeod JG, Van der Meulen JP (1967) Effect of cerebellar ablation on the H reflex in the cat. Arch Neurol 16: 421–432. https://doi.org/10.1001/archneur.1967.00470220085010
- Lavrov I, Gerasimenko YP, Ichiyama RM, Courtine G, Zhong H, Roy RR, Edgerton VR (2006) Plasticity of spinal cord reflexes after a complete transection in adult rats: relationship to stepping ability. J Neurophysiol 96: 1699–1710. https://doi.org/10.1152/jn.00325.2006
- Hofstoetter US, Freundl B, Binder H, Minassian K (2019) Recovery cycles of posterior root-muscle reflexes evoked by transcutaneous spinal cord stimulation and of the H reflex in individuals with intact and injured spinal cord. PLoS One 14: e0227057. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0227057
- Sharma P, Shah PK (2021) In vivo electrophysiological mechanisms underlying cervical epidural stimulation in adult rats. J Physiol 599: 3121–3150. https://doi.org/10.1113/JP281146
- Gerasimenko YP, Lavrov IA, Courtine G, Ichiyama RM, Dy CJ, Zhong H, Roy RR, Edgerton VR (2006) Spinal cord reflexes induced by epidural spinal cord stimulation in normal awake rats. J Neurosci Methods 157: 253–263. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2006.05.004
- Courtine G, Harkema SJ, Dy CJ, Gerasimenko YP, Dyhre-Poulsen P (2007) Modulation of multisegmental monosynaptic responses in a variety of leg muscles during walking and running in humans. J Physiol 582(Pt 3): 1125–1139. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2007.128447
- Roy FD, Gibson G, Stein RB (2012) Effect of percutaneous stimulation at different spinal levels on the activation of sensory and motor roots. Exp Brain Res 223: 281–289. https://doi.org/10.1007/s00221-012-3258-6
- Verma R, Virdi JK, Singh N, Jaggi AS (2019) Animals models of spinal cord contusion injury. Korean J Pain 32: 12–21. https://doi.org/10.3344/kjp.2019.32.1.12
- Павлова НВ, Богачева ИН, Баженова ЕЮ, Горский ОВ, Мошонкина ТР, Герасименко ЮП (2019) Восстановление двигательных функций у спинализированных крыс при электрической стимуляции спинного мозга и локомоторной тренировкe. Росс физиол журн им ИМ Сеченова 105: 565–577. [Pavlova NV, Bogacheva IN, Bazhenova EJu, Gorskiy OV, Moshonkina TR, Gerasimenko YuP (2019) Restoration of motor functions in spinal rats by electrical stimulation of the spinal cord and locomotor training. Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova 105: 565–577. (In Russ)]. https://doi.org/10.1134/S086981391905008X
- Malloy DC, Knikou M, Côté M-P (2022) Adapting human-based transcutaneous spinal cord stimulation to develop a clinically relevant animal model. J Clinical Medicine 11: 2023. https://doi.org/10.3390/jcm11072023
- Shkorbatova P, Lyakhovetskii V, Pavlova N, Popov A, Bazhenova E, Kalinina D, Gorskii O, Musienko P (2020) Mapping of the spinal sensorimotor network by transvertebral and transcutaneous spinal cord stimulation. Frontiers in systems neuroscience 14: 555593. https://doi.org/10.3389/fnsys.2020.555593
- Nicolopoulos-Stournaras S, Iles JF (1984) Hindlimb muscle activity during locomotion in the rat (Rattus norvegicus) (Rodentia: Muridae). J Zool Lond 203: 427–440. https://doi.org/10.1111/j.1469-7998.1984.tb02342.x
- Nakanishi ST, Whelan PJ (2012) A decerebrate adult mouse model for examining the sensorimotor control of locomotion. J Neurophysiol 107: 500–515. https://doi.org/10.1152/jn.00699.2011
- Skinner RD, Garcia-Rill E (1984) The mesencephalic locomotor region (MLR) in the rat. Brain Res 323: 385–389. https://doi.org/10.1016/0006-8993(84)90319-6
- Шкорбатова ПЮ, Ляховецкий ВА, Горский ОВ, Павлова НВ, Баженова ЕЮ, Калинина ДС, Мусиенко ПЕ, Меркульева НС (2023) Электрическая эпидуральная стимуляция спинного мозга децеребрированной крысы. Росс физиол журн им ИМ Сеченова 109: 798–816. [Shkorbatova PYu, Lyakhovetskii VA, Gorskiy OV, Pavlova NV, Bazhenova EJu, Kalinina DS, Musienko PE, Merkulyeva NS (2023) Electric epidural stimulation of the spinal cord of the decerebrated rat. Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova 109: 798–816. (In Russ)]. https://doi.org/10.31857/S0869813923060092
- Capogrosso M, Wenger N, Raspopovic S, Musienko P, Beauparlant J, Bassi Luciani L, Courtine G, Micera S (2013) A computational model for epidural electrical stimulation of spinal sensorimotor circuits. J Neurosci 33: 19326–19340. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1688-13.2013
- Ghali GZ, Ghali MGZ (2020) Microneurosurgical techniques and perioperative strategies utilized to optimize experimental supracollicular decerebration in rats. J integrative neurosci 19: 137–177. https://doi.org/10.31083/j.jin.2020.01.1153
- Gilerovich EG, Moshonkina TR, Fedorova EA, Shishko TT, Pavlova NV, Gerasimenko YP, Otellin VA (2008) Morphofunctional characteristics of the lumbar enlargement of the spinal cord in rats. Neurosci Behav Physiol 38: 855–860. https://doi.org/10.1007/s11055-008-9056-8
- Wenger N, Moraud EM, Gandar J, Musienko P, Capogrosso M, Baud L, Le Goff CG, Barraud Q, Pavlova N, Dominici N, Minev IR, Asboth L, Hirsch A, Duis S, Kreider J, Mortera A, Haverbeck O, Kraus S, Schmitz F, DiGiovanna J, van den Brand R, Bloch J, Detemple P, Lacour SP, Bézard E, Micera S, Courtine G. (2016) Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury. Nat Med 22: 138–145. https://doi.org/10.1038/nm.4025
- Curtis DR, Eccles JC (1960) Synaptic action during and after repetitive stimulation. J Physiol 150: 374–398. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1960.sp006393
- Granit R (1950) Reflex self-regulation of muscle contraction and autogenetic inhibition. J Neurophysiol 13: 351–372. https://doi.org/10.1152/jn.1950.13.5.351
- Lloyd DP, Wilson VJ (1957) Reflex depression in rhythmically active monosynaptic reflex pathways. J Gen Physiol 40: 409–426. https://doi.org/10.1085/jgp.40.3.409
- Minassian K, Jilge B, Rattay F, Pinter MM, Binder H, Gerstenbrand F, Dimitrijevic MR (2004) Stepping-like movements in humans with complete spinal cord injury induced by epidural stimulation of the lumbar cord: electromyographic study of compound muscle action potentials. Spinal Cord 42:401–416. https://doi.org/10.1038/sj.sc.3101615
- Dideriksen JL, Muceli S, Dosen S, Laine CM, Farina D (2015) Physiological recruitment of motor units by high-frequency electrical stimulation of afferent pathways. J Appl Physiol (1985). 118: 365–376. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00327.2014
- Jaumard NV, Leung J, Gokhale AJ, Guarino BB, Welch WC, Winkelstein BA (2015) Relevant anatomic and morphological measurements of the rat spine. Spine 40: E1084–E1092. https://doi.org/10.1097/BRS.0000000000001021
- Mohan R, Tosolini AP, Morris R (2015) Segmental distribution of the motor neuron columns that supply the rat hindlimb: A muscle/motor neuron tract-tracing analysis targeting the motor end plates. Neuroscience 307: 98–108. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2015.08.030
- Wilson VJ, Talbot WH, Diecke FP (1960) Distribution of recurrent facilitation and inhibition in cat spinal cord. J Neurophysiol 23: 144–153.
- Tanabe M, Kaneko T (1996) Paired pulse facilitation of GABAergic IPSCs in ventral horn neurons in neonatal rat spinal cord. Brain Res 716:101–106. https://doi.org/10.1016/0006-8993(96)00051-0
- Meinck HM (1976). Occurrence of the H reflex and the F wave in the rat. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 41: 530–533. https://doi.org/10.1016/0013-4694(76)90064-x
- Calancie B, Broton JG, Klose KJ, Traad M, Difini J, Ayyar DR (1993) Evidence that alterations in presynaptic inhibition contribute to segmental hypo- and hyperexcitability after spinal cord injury in man. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 89: 177–186. https://doi.org/10.1016/0168-5597(93)90131-8
- Andrews JC, Roy FD, Ba F, Sankar T (2020). Intraoperative changes in the H-reflex pathway during deep brain stimulation surgery for Parkinson’s disease: A potential biomarker for optimal electrode placement. Brain Stimul 13: 1765–1773. https://doi.org/10.1016/j.brs.2020.09.024
- Ho SM, Waite PM (2002) Effects of different anesthetics on the paired-pulse depression of the h reflex in adult rat. Exp Neurol 177: 494–502. https://doi.org/10.1006/exnr.2002.8013
- Guiho T, Baker SN, Jackson A (2021) Epidural and transcutaneous spinal cord stimulation facilitates descending inputs to upper-limb motoneurons in monkeys. J Neural Eng 18: 046011. https://doi.org/10.1088/1741-2552/abe358
- Taylor BA, Fennelly ME, Taylor A, Farrell J (1993) Temporal summation – the key to motor evoked potential spinal cord monitoring in humans. J Neurol Neurosurg Psychiatry 56: 104–106.
- Zhang W, Schneider SP (2011). Short-term modulation at synapses between neurons in laminae II–V of the rodent spinal dorsal horn. J Neurophysiol 105:2920–2930. https://doi.org/10.1152/jn.00684.2010
- Floeter MK, Lev-Tov A (1993) Excitation of lumbar motoneurons by the medial longitudinal fasciculus in the in vitro brain stem spinal cord preparation of the neonatal rat. J Neurophysiol 70: 2241–2250. https://doi.org/10.1152/jn.1993.70.6.2241
- Lyakhovetskii V, Shkorbatova P, Gorskii O, Musienko P. (2022) Forward stepping evoked by transvertebral stimulation in the decerebrate cat. Neuromodulation S1094–7159(22)01373–3.
Дополнительные файлы
Доп. файлы
Действие
1.
JATS XML
2.
Рис. 1. Схема эксперимента по трансвертебральной и эпидуральной стимуляции спинного мозга крысы. (а) – схема экспериментальной установки. Decerebration – зона децеребрации, stimulation – зона фиксации стимулирующего электрода, TA – m. tibialis anterior, GM – m. gastrocnemius medialis; (b) – положение вертебрального (vertebral) и эпидурального (epidural) стимулирующих электродов относительно позвонка и спинного мозга, dorsal roots – дорсальные корешки спинного мозга, ventral roots – вентральные корешки спинного мозга, DRG – дорсальный корешковый ганглий; (с) Определение амплитуд сенсорного компонента одиночного (H) импульса и первого (H1) и второго (H2) импульса при парной стимуляции. На примере среднего вызванного ответа правого GM при трансвертебральной стимуляции VL2 крысы #9 на токе 900 мкА.
Скачать (157KB)
3.
Рис. 2. Зависимость вызванных потенциалов от тока стимуляции: (а) – изменение вызванных ответов мышц на двойные импульсы по мере роста тока при трансвертебральной (transvertebral) (ТС) и эпидуральной (epidural) стимуляции (ЭС). На каждом токе показано пять индивидуальных ответов мышцы. На примере правых m. gastrocnemius medialis (GM) и m. tibialis anterior (TA) при ТС VL2 и ЭС L2 крысы #9. Stim – стимуляционный канал. ER – ранние, моторные компоненты ответа мышцы, MR – средние, сенсорные моносинаптические компоненты ответа мышцы; (b) – кривые рекрутирования при ТС (слева) и ЭС (справа). H, H1, H2 – амплитуды сенсорного компонента ответа на одиночный импульс и на первый и второй импульс пары соответственно. Пунктирным прямоугольником выделены значения, используемые в дальнейшем анализе. На примере GM при ТС VL2 и ЭС L2 крысы #9.
Скачать (526KB)
4.
Рис. 3. Характеристики сенсорного компонента ответа m. tibialis anterior (TA) и m. gastrocnemius medialis (GM) при трансвертебральной стимуляции с межстимульным интервалом 20 мс: (a) — токи, при которых регистрировался максимальный сенсорный ответ на одиночный (H) и первый из пары (H1) импульс при стимуляции позвонков (Vertebrae) VL2, VL4, VL6. *, ** – p < 0.05, p < 0.01 отличия между токами стимуляции; (b) Отношения амплитуд сенсорных компонентов ответа на первый и второй импульсы пары к ответу на одиночный импульс (H1/H и H2/H соответственно). #, ##, ### – p < 0.05, p < 0.01, p < 0.001 отличия от ответа на одиночный импульс, *, ** – p < 0.05, p < 0.01 отличия между ответами на первый и второй импульс пары.
Скачать (225KB)
5.
Рис. 4. Характеристики сенсорного компонента ответа m. tibialis anterior (TA) и m. gastrocnemius medialis (GM) при эпидуральной стимуляции с межстимульным интервалом 20 мс: (a) Токи, при которых регистрировался максимальный сенсорный ответ на одиночный (H) и второй из пары (H2) импульс при стимуляции сегментов (Segment) L2, L4, L6. * – p < 0.05 отличия между токами стимуляции; (b) Отношения амплитуд сенсорных компонентов ответа на первый и второй импульсы пары к ответу на одиночный импульс (H1/H и H2/H соответственно). #, ##, ### – p < 0.05, p < 0.01, p < 0.001 отличия от ответа на одиночный импульс, **, *** – p < 0.01, p < 0.001 отличия между ответами на первый и второй импульс пары.
Скачать (204KB)
6.
Рис. 5. Примеры средних вызванных ответов, обусловленных эпидуральной стимуляцией двойными импульсами, m. iliacus (IL) и m. vastus lateralis (VL) (межстимульный интервал 20 мс; крыса #11, сегмент L2 – ответы при амплитуде тока 120 мкА, сегменты L4 и L6 – ответы при амплитуде тока 60 мкА); m. gastrocnemius medialis (GM) и m. tibialis anterior (TA) (межстимульный интервал 50 мс; крыса #45, сегмент L2 – ответы при амплитуде тока 120 мкА, крыса #11, сегмент L4 – ответы при амплитуде тока 50 мкА, крыса #10, сегмент L6 – ответы при амплитуде тока 70 мкА), штрих – ответ на первый стимул, сплошная линия – ответ на второй стимул.
Скачать (163KB)
