Control of Walking Cycle Using Noninvasive Electrical Stimulation of the Spinal Cord and Muscles

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The possibility of controlling human stepping phases by means of electrical transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) and functional stimulation of the lower leg muscles has been studied. The results involving healthy volunteers (n = 8) in which multilevel tSCS and muscle stimulation were performed while walking on a treadmill are presented. The study methods included recording spatial and temporal gait parameters using wireless sensors and video motion capture. It was revealed that tSCS in combination with functional muscle stimulation provides the greatest effect in the regulation of stepping parameters. Stimulation of the calf muscle in the stance phase increased the amplitude of movements in the ankle joint and foot elevation above the support. Stimulation of the tibialis anterior muscle in the swing phase contributed to an increase in foot dorsiflexion and movement speed. The obtained results have important practical significance for the development of new methods of rehabilitation of patients with locomotor function disorders. The prospect of alternating modes of spinal-muscular stimulation to restore of the swing and stance phases during walking is shown.

About the authors

T. R Moshonkina

Pavlov Institute of Physiology Russian Academy of Sciences

Email: moshonkina@infran.ru
ORCID iD: 0000-0002-8934-5253
Dr. Sci. (Biology), Principal researcher Saint-Petersburg, Russian Federation

S. S Ananyev

Pavlov Institute of Physiology Russian Academy of Sciences

Email: ananevss@infran.ru
ORCID iD: 0000-0001-9757-7946
Researcher Saint-Petersburg, Russian Federation

V. A Lyakhovetsky

Pavlov Institute of Physiology Russian Academy of Sciences

Email: lyakhovetskiiva@infran.ru
ORCID iD: 0000-0001-5948-0991
PhD in Technical Sciences, Senior researcher Saint-Petersburg, Russian Federation

A. A Grishin

Pavlov Institute of Physiology Russian Academy of Sciences

Email: agrishin@infran.ru
ORCID iD: 0000-0002-1681-2543
PhD in Mathematical and Physical Sciences, Senior Researcher Saint-Petersburg, Russian Federation

Y. P Gerasimenko

Pavlov Institute of Physiology Russian Academy of Sciences

Email: gerasimenko@infran.ru
ORCID iD: 0000-0003-1229-2410
Dr. Sci. (Biology), Professor, Head of the Laboratory Saint-Petersburg, Russian Federation

References

  1. Inman V.T. Human locomotion // Can. Med. Assoc. J. 1966. V. 94. № 20. P. 1047.
  2. Скворцов Д.В. Диагностика двигательной патологии инструментальными методами: анализ походки, стабилометрия. М.: Науч.-мед. фирма МБН, 2007. 640 с.
  3. Prakash C., Kumar R., Mittal N. Recent developments in human gait research: parameters, approaches, applications, machine learning techniques, datasets and challenges // Artif. Intell. Rev. 2018. V. 49. № 1. P. 1.
  4. Côté M.-P., Murray L.M., Knikou M. Spinal control of locomotion: Individual neurons, their circuits and functions // Front. Physiol. 2018. V. 9. P. 784.
  5. Cappellini G., Ivanenko Y.P., Dominici N. et al. Migration of motor pool activity in the spinal cord reflects body mechanics in human locomotion // J. Neurophysiol. 2010. V. 104. № 6. P. 3064.
  6. Avaltroni P., Cappellini G., Sylos-Labini F. et al. Spinal maps of motoneuron activity during human locomotion: Neuromechanical considerations // Front. Physiol. 2024. V. 15. P. 1389436.
  7. Городничев Р.М., Пивоварова Е.А., Пухов А. и др. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга: неинвазивный способ активации генераторов шагательных движений у человека // Физиология человека. 2012. Т. 38. № 2. С. 46.
  8. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Moshonkina T. et al. Transcutaneous electrical spinal-cord stimulation in humans // Ann. Phys. Rehabil. Med. 2015. V. 58. № 4. P. 225.
  9. Singh G., Lucas K., Keller A. et al. Transcutaneous spinal stimulation from adults to children: A review // Top. Spinal Cord Inj. Rehabil. 2023. V. 29. № 1. P. 16.
  10. Gerasimenko Y.P., Lu D.C., Modaber M. et al. Noninvasive reactivation of motor descending control after paralysis // J. Neurotrauma. 2015. V. 32. № 24. P. 1968.
  11. Мошонкина Т.Р., Погольская М.А., Виноградская З.В. и др. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга в двигательной реабилитации пациентов с травмой спинного мозга // Интегративная физиология. 2020. Т. 1. № 4. С. 350.
  12. Megia Garcia A., Serrano-Munoz D., Taylor J. et al. Transcutaneous spinal cord stimulation and motor rehabilitation in spinal cord injury: A systematic review // Neurorehabil. Neural Repair. 2020. V. 34. № 1. P. 3.
  13. Solopova I.A., Sukhotina I.A., Zhvansky D.S. et al. Effects of spinal cord stimulation on motor functions in children with cerebral palsy // Neurosci. Lett. 2017. V. 639. P. 192.
  14. Sachdeva R., Girshin K., Shirkhani Y. et al. Combining spinal neuromodulation and activity based neurorehabilitation therapy improves sensorimotor function in cerebral palsy // Front. Rehabil. Sci. 2023. V. 4. P. 1216281.
  15. Мошонкина Т.Р., Жарова Е.Н., Ананьев С.С. и др. Новая технология восстановления локомоции у пациентов после инсульта // Доклады РАН. Науки о жизни. 2023. Т. 508. № 1. С. 14.
  16. Герасименко Ю.П.,Маккинней З.Б., Саенко Д.Г. и др. Спинальная и сенсорная нейромодуляция спинальных нейронных сетей человека // Физиология человека. 2017. Т. 43. № 5. С. 6.
  17. Гурфинкель В.С., Левик Ю.С., Казенников О.В., Селионов В.А. Существует ли генератор шагательных движений у человека? // Физиология человека. 1998. Т. 24. № 3. P. 42.
  18. Leis A.A., Kronenberg M.F., Stétkárová I. et al. Spinal motoneuron excitability after acute spinal cord injury in humans // Neurology. 1996. V. 47. № 1. P. 231.
  19. Pelletier C.A., Hicks A.L. Muscle fatigue characteristics in paralyzed muscle after spinal cord injury // Spinal Cord. 2011. V. 49. № 1. P. 125.
  20. Shenkman B.S., Kalashnikov V.E., Sharlo K.A. et al. Continuous use during disuse: Mechanisms and effects of spontaneous activity of unloaded postural muscle // IJMS. 2024. V. 25. № 22. P. 12462.
  21. Aout T., Begon M., Jegou B. et al. Effects of functional electrical stimulation on gait characteristics in healthy individuals: A systematic review // Sensors. 2023. V. 23. № 21. P. 8684.
  22. Popovic M.R., Curt A., Keller T., Dietz V. Functional electrical stimulation for grasping and walking: Indications and limitations // Spinal Cord. 2001. V. 39. № 8. P. 403.
  23. Wagner F.B., Mignardot J.B., Le Goff-Mignardot C.G. et al. Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury // Nature. 2018. V. 563. № 7729. P. 65.
  24. Гришин А.А., Боброва Е.В., Решетишкова В.В. и др. Система детектирования фаз шагательного цикла и стимуляции спинного мозга как инструмент управления локомоцией человека // Медицинская Техника. 2020. Т. 54. № 5 (323). С. 10.
  25. Городничев Р.М., Пухов А.М., Моисеев С.А. и др. Регуляция фаз шагательного цикла при неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 1. P. 73.
  26. Мошонкина Т.Р., Шаманцева Н.Д., Ананьев С.С. и др. Новая технология регуляции ходьбы у детей с детским церебральным параличом // Физиология человека. 2025. Т. 51. № 1. P. 27.
  27. Francis C.A., Lenz A.L., Lenhart R.L., Thelen D.G. The modulation of forward propulsion, vertical support, and center of pressure by the plantarflexors during human walking // Gait Posture. 2013. V. 38. № 4. P. 993.
  28. Dong H., Hou J., Song Z. et al. An adaptive reflexive control strategy for walking assistance system based on functional electrical stimulation // Front. Neurosci. 2022. V. 16. P. 944291.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).