Электростимуляция. Механизмы воздействия.

1. Электростимуляция.  Механизмы воздействия.
1. Электростимуляция.

  Электростимуляция - лечебное применение импульсных токов  для восстановления деятельности органов  и тканей, утративших нормальную функцию.Электростимуляцию как лечебный метод воздействия на возбудимые структуры (нервная и мышечная ткани), используют не только в физиотерапии, но и реаниматологии  дефибрилляция сердца) и кардиохирургии (носимые и имплантируемые кардиостимуляторы).Электростимуляцию применяют для воздействия на поврежденные нервы и мышцы, а также внутренние органы, содержащие в своей стенке гладко-мышечные элементы (бронхи, желудочно-кишечный тракт). Электростимуляция улучшает кровообращение путём расширения кровеносных сосудов и ускорения в них кровотока. Активизация крово - и лимфообращения происходит и в более глубоких тканях межэлектродного пространства, повышается проницаемость сосудистых стенок, раскрываются резервные капилляры. Активизация кровообращения под воздействием электростимуляции является фактором, обеспечивающим многие компоненты лечебного процесса. Это улучшение трофики тканей, удаление продуктов нарушенного обмена веществ из патологических очагов, рассасывание отёков, размягчение и рассасывание рубцов, регенерация поврежденных тканей, нормализация нарушенных функций. Наряду с улучшением кровообращения стимулируемой области активизируются процессы синтеза нуклеиновых кислот, в том числе РНК.

  Электростимуляция регулирует активность центральной  нервной системы (головного и  спинного мозга), восстанавливает активность нервно-мышечного аппарата, восстанавливает  тонус мышц и объем мышечной массы, увеличивает сосудистое русло артериальной и венозной крови, питающее нервы  и мышцы, а также обладает обезболивающим эффектом.

  Электростимуляция, вызывая двигательное возбуждение  и сокращение мышц, одновременно рефлекторно  усиливает весь комплекс обменно-трофических  процессов, направленных на энергетическое обеспечение работающих мышц, а также  повышает активность регулирующих систем, в том числе клеток коры головного  мозга. При прохождении стимулирующего электрического тока вдоль нервных  стволов повышается проводимость по ним нервного возбуждения, ускоряется регенерация поврежденных нервов.

    Сокращение мышц, вызываемое стимулирующим электрическим током даже при полном нарушении проводимости нерва, в силу указанных выше процессов, тормозит развитие атрофии мышц и склеротических изменений (перерождение мышечной ткани в соединительную, т.е. в ткань не способную к активному сокращению) в них.  
 
 
 

  2.1. Механизмы воздействия. 

  Под влиянием импульсного электрического тока происходит деполяризация возбудимых мембран, опосредованная изменением их проницаемости. При превышении амплитуды  электрических импульсов над  уровнем критического мембранного  потенциала (КМП) происходит генерация  потенциалов действия (спайков). В рамках современных представлений об интегративной деятельности ионных каналов на возбудимой мембране, ее деполяризация вызывает кратковременное сочетанное открытие (срабатывание)       Na+-каналов, что приводит к увеличению натриевой проницаемости плазмолеммы. В последующем происходит компенсаторное нарастание калиевой проницаемости мембраны и восстанавливается ее исходная поляризация. Основными параметрами электрических импульсов, деполяризующих возбудимую мембрану, являются амплитуда, длительность, форма и частота их следования.

  Вероятность формирования потенциалов действия зависит также и от характеристик плазмолеммы, основной из которых является возбудимость. Количественной мерой возбудимости служит величина, обратная интенсивности порогового раздражителя, в ответ на который генерируется спайк. Возбудимость зависит от критического уровня деполяризации (КУД) - величины критического мембранного потенциала, при котором происходит лавинообразное открытие потенциалзависимых Na+-ионных каналов, деполяризация мембраны и инверсия знака мембранного потенциала (формируется потенциал действия).

  Возбудимость S нервной и мышечной ткани количественно определяется величиной, обратной силе тока Iпор  вызывающего пороговое возбуждение нерва или сокращение мышц:

наряду с возбудимостью, реакции возбудимой мембраны обусловлены также и ее емкостью. Последняя определяет позитивное смещение КУД при продолжительном электрическом раздражении — феномен аккомодации. Способность к аккомодации объясняют частичной инактивацией -каналов и активацией -каналов при длительной подпороговой деполяризации. Ее количественной мерой служит минимальный градиент (критический наклон) — наименьшая крутизна переднего фронтапорогового электрического стимула, вызывающего генерацию потенциала действия.

  Взаимосвязь параметров воздействующего электрического стимула и реакций возбудимой мембраны определяется законами электрического раздражения нервных и мышечных волокон.

  Молекулярная  природа биоэлектрогенеза объясняет полярный закон раздражения Э.Пфлюгера.

  Лечебное  применение постоянных и импульсных электрических токов возбудимых тканей обеспечивается только внешним током выходящего направления. Следовательно, при приложении к нерву или мышце двух разнополярных электродов деполяризация возникает только в области катода, т.к. именно здесь локальные ионные токи имеют выходящее направление. Таким образом, при воздействии подпороговым электрическим стимулом, величина которого меньше КМП, происходит градуальная деполяризация мембраны под катодом {катэлектротон) и гиперполяризация гюд анодом (анэлектротон). Изменения возбудимости мембраны под действием подпорогового электрического тока называются электротоническими явлениями.

  При замыкании электрической цепи сила сокращения мышц под катодом {катодзамыкательное сокращение, КЗС) больше, чем под анодом (анодзамыкательное сокращение, АЗС). При размыкании цепи наблюдают обратные соотношения: сила анодразмыкательного сокращения мышцы (АРС) больше катод- размыкательного (КРС). Такой феномен связан с тем, что при выключении гиперполяризующего тока мембранный потенциал падает до исходного уровня при смещенном к нему КУД, в результате чего наступает возбуждение мышечного волокна. Таким образом, полярнызй закон Пфлюгера для сокращения мышц может быть выражен следующим неравенством:

  КЗС >АЗС> АРС >КРС

  Следует отметить, что с увеличением амплитуды  электрического стимула возбуждается все большее число мышечных Следует отметить, что с увеличением амплитуды электрического стимула возбуждается все большее число мышечных волокон, пока не наступит сокращение всех волокон данной мышцы (лестница Боудича).

  Аккомодационные свойства возбудимых мембран лежат  в основе закона возбуждения Э.Дюбуа-Реймона, согласно которому реакции возбудимых тканей определяются, не только силой действующего тока, но и скоростью его изменения (крутизной переднего фронта импульса). Следовательно, пороговая сила деполяризующего тока (но не КУД) зависит как от амплитуды, так и от продолжительности электрического импульса.

  Этот  закон графически изображается кривой "сила-длительность” (кривая (I/T))которая  является совокупностью точек, образованных правыми верхними углами пороговых электрических импульсов, вызывающих минимальное возбуждение (рис. 1). Она может быть адекватно описана уравнением:

  где – I, T - амплитуда и длительность порогового электрического импульса, вызывающего возбуждение нервов и мышц, Q- суммарный заряд, переносимый электрическим импульсом,R – реобаза - пороговая амплитуда электрического тока, вызывающего реакцию возбуждения вне зависимости от его длительности. 

  Рис. 1. Кривая "сила- длительность" (кривая I/T) для импульсов различной                       (П и /L) формы в норме (I) и при патологии (II). По оси абсцисс: длительность импульса Т; по оси ординат амплитуда импульса, I. Ch - хронаксия; tn -полезное время; R -реобаза.

  При действии электрических импульсов  величиной в 1 реобазу зависимость эффекта возбуждения от длительности импульса исчезает. Это соответствует аккомодации возбудимой ткани к электрическому току. Минимальная продолжительность такого импульса называется полезным временем (tп). Оно различно у мышц и нервов. Так, например, скелетные мышцы здорового человека отвечают сокращением на импульсы продолжительностью 10^-4 – 10^-3 с, а при патологических изменениях реакция наблюдается на импульсы длительности с и больше.

  Кривая "сила-длительность" имеет наиболее крутой участок в точке, соответствующей току в 2 реобазы (рис. 1). Длительность порогового прямоугольного импульса величиной в 2 реобазы называется хронаксией (Ch). Важным следствием проявления этого закона является зависимость пороговой амплитуды от крутизны переднего фронта электрического импульса.

  Сила  возбуждения нарастает с увеличением  минимального градиента импульса и максимальна у электрических импульсов прямоугольной формы.  

  Рис.2. Изменения возбудимости тканей  при возбуждении.  По оси абсцисс время Т, мс; по оси ординат - возбудимость S, усл. ед.. АРФ – абсолютно рефрактерная  фаза; ОРФ – относительно рефрактерная фаза;  ФЭ – фаза экзальтации ; ФС – фаза субиормальности.

  При действии импульсов электрического тока, вызывающих формирование потенциалов действия, происходят последовательные изменения возбудимости нервов и мышц, подчиняющиеся закону рефрактерности Э. Ж. Марея. Деполяризация мембран приводит к открытию Na+--каналов и последующей их полной инактивации (на пике потенциала действия).

  Это состояние называют абсолютно рефрактерной фазой (АРФ). Она сменяется относительно рефрактерной фазой (ОРФ), которая отражает реполяризацию возбудимых мембран и связана с частичной инактивацией Na+--каналов и постепенной активацией K+-каналов (рис. 2). При этом возбудимость тканей снижена и генерация спайков происходит лишь при действии импульсов значительной амплитуды. После ОРФ следуют фазы экзальтации и субнормальности (ФЭ и ФС), связанные с инерционностью сенсоров напряжения ионных каналов, что проявляется в последовательном следовом повышении и понижении возбудимости тканей. Продолжительность фаз измененной возбудимости различна. В скелетных мышцах продолжительность АРФ составляет 2,5 мс, ОРФ -12 мс, а ФЭ и ФС — 2 мс. У двигательных нервных волокон время АРФ короче 1 мс, а длительность остальных фаз также не превышает 1 мс. Максимально возможная частота импульсной активности в нервных и мышечных волокнах лимитируется продолжительностью абсолютно рефрактерной фазы и служит показателем лабильности Л (функциональной подвижности):

  Фазы  измененной возбудимости определяют частоту  электростимуляции нервов и мышц, которая не должна превышать лабильности нервных и мышечных волокон. Так, лабильность неповрежденной мышцы не превышает 200-500 c^-1 тогда как при патологических изменениях она составляет 25 c^-1 . Лабильность двигательных нервных проводников составляет 300 — 600 c^-1 , а при функциональных или патологических изменениях она может уменьшаться до 15 c^-1. Если мышцу или иннервирующий ее нерв раздражать электрическими импульсами с частотой,превышающей 10 имп*c^-1 возникает суммационный эффект деполяризации, связанный с суперпозицией генерируемых спайков. Такая серия потенциалов действия обеспечивает сильное длительное сокращение мышцы - тетанус. Амплитуда тетанического сокращения мышцы в несколько раз превышает величину одиночного сокращения.

  При частоте электростимуляции 10-20 имп*c^-1 происходит частичное расслабление и последующее сокращение скелетной мышцы — зубчатый тетанус. С увеличением частоты мышца не расслабляется из-за частого следования электрических импульсов, и наступает полный тетанус, который при дальнейшем нарастании частоты сменяется полной невозбудимостью (пессимумом возбуждения), что связано с инактивацией химиочувствительных каналов субсинаптической мембраны концевой пластинки.

  Эффект  возбуждения периферических нервов зависит и от типа составляющих их нервных волокон. В соответствии с классификацией Г.Гассера и Дж.Эрлангера, выделяют несколько типов нервных проводников.

  Наиболее  эффективно возбуждение нервов происходит в случае совпадения частотного диапазона электростимуляции с оптимумом следования спайков в нервных проводниках. Так, под влиянием электрического раздражения нервов импульсами с частотой выше 50 имп*c^-1 возникает возбуждение преимущественно двигательных нервных проводников (Аα и Аγ - волокон) и пассивное сокращение иннервируемых ими мышц. В результате постепенно усиливается их ослабленная сократительная функция. Активация метаболизма способствует восстановлению проводимости и возбудимости периферических нервов и ускорению их регенерации. При электростимуляции нервных стволов, в связи с присутствием в них вегетативных проводников, происходит усиление трофической функции, что проявляется в нарастании интенсивности пластических и энергетических процессов в иннервируемых органах, При этом восстанавливается нервная регуляция мышечных сокращении, увеличивается сила и объем мышц, их адаптация и порог утомления.