Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Структурные и функциональные характеристики позвоночного столба человека в нормальных условиях 11
1.2. Мышечный каркас позвоночника в нормальных условиях; мышечный тонус 15
1.3. Влияние гипогравитации на нервно-мышечный аппарат 19
1.4. Влияние невесомости и ее моделей на структурные и функциональные характеристики позвоночника и мышц-разгибателей спины 20
1.5. Феномен болей в спине в условиях гравитационной разгрузки 24
Глава 2. Методология и методы исследования 30
2.1. Объем исследований 30
2.3. Исследование поперечной жесткости мышц спины 32
2.4. Измерение роста 39
2.5. Исследование структурных особенностей позвоночника и мышц спины в условиях «сухой» иммерсии методом магнитно-резонансной томографии 40
2.6. Рентгенографическое исследование структурных особенностей позвоночника 45
2.7. Оценка выраженности и локализации болевого синдрома 47
2.8. Статистический анализ данных 48
Глава 3. Результаты исследований 49
3.1. Влияние опорной разгрузки на биомеханические характеристики позвоночника 49
3.2. Изменение роста и длины позвоночника в условиях «сухой» иммерсии 60
3.3. Исследование поперечной жесткости мышц-экстензоров спины в условиях «сухой» иммерсии различной продолжительности 65
3.4. Исследование площади поперечного сечения мышц позвоночного столба в условиях «сухой» иммерсии 72
3.5. Bыраженность и локализация болей в спине в условиях «сухой» иммерсии 76
3.6. Взаимосвязь изменений роста, поперечной жесткости и площади поперечного сечения мышц спины с выраженностью болевого синдрома в ходе иммерсионного воздействия 79
3.7. Влияние длительных космических полетов на поперечную жесткость мышц спины 81
Глава 4. Обсуждение результатов исследований 84
Заключение 93
Выводы 95
Список основных сокращений 96
Список литературы 97
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 110
- Мышечный каркас позвоночника в нормальных условиях; мышечный тонус
- Влияние опорной разгрузки на биомеханические характеристики позвоночника
- Исследование площади поперечного сечения мышц позвоночного столба в условиях «сухой» иммерсии
- Влияние длительных космических полетов на поперечную жесткость мышц спины
Мышечный каркас позвоночника в нормальных условиях; мышечный тонус
Мышцы спины располагаются в несколько слоев и имеют разное происхождение. В связи с чем, Борисевич А.И. и др. [Борисевич и соавт., 1990] делили их на собственные (аутохтонные) и преместившиеся на спину с головы и верхних конечностей (гетерохтонные). Аутохтонные мышцы — производные миотомов туловища, сохраняют первичное метамерное строение и лежат в глубоком слое. Гетерохтонные мышцы лежат в поверхностных слоях, они представлены трапециевидной мышцей, широчайшей мышцей спины, ромбовидными мышцами и мышцей, поднимающей лопатку, Кроме того, на спине расположены мышцы — производные вентральной мускулатуры, к которым относятся обе задние зубчатые мышцы и мышцы, поднимающие ребра. Интерес представляют глубокие, аутохтонные, мышцы спины, так как именно они преимущественно составляют мышечный каркас позвоночного столба.
Мышца, выпрямляющая позвоночник (m. erector spinae), является самой сильной из аухотонных мышц спины, которая простирается на всём протяжении позвоночника - от крестца до основания черепа. На уровне верхних поясничных позвонков мышца, выпрямляющая позвоночник, разделяется на три тракта: латеральный, промежуточный и медиальный. Каждый тракт получает своё название и подразделяется на части. Латеральный тракт является подзвдошно-рёберной мышцей (m. iliocostalis), которую подразделяют на подвздошно-реберную мышцу поясницы, подвздошно-реберную мышцу груди и подвздошно-реберную мышцу шеи (mm. iliocostales lumborum, thoracis et cervicis). Промежуточный тракт – длиннейшая мышца (m. longissimus), наиболее крупная из трех мышц, образующих мышцу, выпрямляющую позвоночник, в ней выделяют длиннейшие мышцы груди, шеи и головы (mm. longissimi thoracis, cervicis et capitis). Медиальный тракт представлен остистой мышцей (m. spinalis), в ней соответственно выделяют остистую мышцу груди, остистую мышцу шеи и остистую мышцу головы (mm. spinales thoracis, cervicis et capitis).
Среди наиболее значимых мышц позвоночного столба также выделяют:
- поперечно-остистую мышцу (m. transversospinalis), мышечные пучки которой имеют неодинаковую длину и, перекидываясь косо вверх с латеральной в медиальную сторону от поперечных к остистым отросткам позвонков, образуют отдельные мышцы: полуостистые груди, шеи и головы (mm. semispinales thoracis, cervicis et capitis), многораздельные (mm. multifidi), которые лежат непосредственно впереди полуостистой и длиннейшей мышц, и мышцы-вращатели (mm. rotatores lumborum, thoracis et cervicis);
- межостистые мышцы шеи, груди и поясницы (mm. intraspinales lumborum, thoracis et cervicis) соединяющие остистые отростки позвонков между собой начиная от II шейного и ниже;
- межпоперечные мышцы шеи, груди, поясницы (mm. intertransversi lumborum, thoracis et cervicis) делятся на латеральные и медиальные и представленные короткими пучками, перекидывающимися между поперечными отростками смежных позвонков;
- квадратную мышцу поясницы (m. quadratus lumborum) – плоская парная четырёхугольная мышца, начало которой - гребень подвздошной кости, подвздошно поясничная связка и поперечные отростки поясничных позвонков - L1-L4, а место прикрепления - поперечные отростки поясничных позвонков L1-L2 и к нижнему краю XII ребра;
- большую поясничную мышцу (m. psoas major), которая начинается от боковой поверхности тел XII грудного, четырёх верхних поясничных позвонков, а также соответствующих МПД и поперечных отростков всех поясничных позвонков и соединяется с подвздошной мышцей (m. iliacus), образуя общую подвздошно поясничную мышцу (m. iliopsoas) [Неттер, 2007; Сапин, 2013].
Вышесказанные особенности строения мышцы, выпрямляющей позвоночник, Магнус Р. объяснял тем, что они сложились в ходе антропогенеза в связи с прямохождением и выполняют важнейшую функцию – обеспечивают позу и равновесие тела в условиях гравитации [Магнус, 1962]. Это также объясняет многообразие фунций этой мышцы: так как составные части мышцы имеют начало на позвонках, она может действовать как разгибатель позвоночника и головы, являясь антагонистом передних мышц туловища. Сокращаясь отдельными частями с обеих сторон, эта мышца может опускать ребра, разгибать позвоночник, запрокидывать голову назад. При одностороннем сокращении наклоняет позвоночник в ту же сторону. Большую силу проявляет мышца также при сгибании торса, когда она совершает уступающую работу и предупреждает падение тела вперед под действием вентрально расположенных мышц, имеющих больший рычаг действия на позвоночный столб, чем дорсально расположенные мышцы [Похлебаева, 2017]. Также функцию разгибания при двустороннем сокращении позвоночного столба выполняют поперечно-остистая (полуостистые, многораздельные, мышцы-вращатели), межостистые, межпоперечные мышцы и квадратная мышца поясницы, а общая подвздошно-поясничная мышца, образованная большой поясничной и подвздошной мышцами, при сокращении увеличивает поясничный лордоз [Сапин, 2013]. Стоит отметить, что квадратную мышцу поясницы В.С. Гурфинкель считал второй по значимости среди мышц, участвующих в поддержании вертикальной стойки, а мышцу выпрямляющую позвоночник – третьей [Гурфинкель и соавт., 1965].
Мышца, подобно каждому отдельному мышечному волокну, сокращаясь, становится короче и толще; укорачиваясь, она сближает центральные точки начала и прикрепления, развивая при этом силу, которая слагается из сил, проявляемых всеми, входящими в её состав мышечными волокнами. Обычно мышцы действуют на кости, соединённые между собой суставами, таким образом, получается тот или иной род анатомического рычага, тогда движения между позвонками соответствуют рычагу первого рода (двуплечий), когда точка опоры лежит между точкой приложения силы и точкой сопротивления – это рычаг равновесия, или покоя [Тонков, 2013]. Отсюда следует утверждение о том, что функцией мышечной ткани является проявление силы сокращения [Сонькин, 2007]. Сила мышц зависит от площади поперечного сечения мышечных волокон и степени активации двигательных единиц, составляющих мышцу [Язвиков, 1991; Sonkin et al., 2010; Tambovseva, 2010]. Увеличение силы под воздействием тренировки В.Д. Сонькин с соавт. связывает с двумя физиологическими механизмами: рабочая гипертрофия мышц и совершенствование внутримышечной координации, приводящей к увеличению числа двигательных единиц, способных одновременно сократиться [Sonkin et al., 2010]. В случае гипертрофии мышц будет наблюдаться увеличение площади поперечного сечения мышцы. Во втором варианте, сложные морфо-функциональные перестройки затронут в основном нервную ткань. Как правило, оба процесса протекают содружественно, что позволяет наблюдать прирост силы мышцы [Сонькин, 2007].
Прежде всего, структурно-функциональные изменения мышцы отражаются на её жёсткостных свойствах. Ещё в первых опытах, проведенных вначале XX в. А. Хиллом, было показано, что биомеханические свойства мышцы сложны, и она не может быть уподоблена пружине с постоянной жесткостью. Оценка данной характеристики основывается на измерении продольной или поперечной мышечной жесткости, то есть измерении сопротивления мышцы продольной или поперечной стандартной деформации и определяется двумя составляющими: биомеханической (вязко-эластической) и квазимеханической (рефлекторной). Биомеханическая составляющая зависит от механических свойств элементов и структур, входящих в состав мышц. Квазимеханическая составляющая определяется числом активированных мышечных волокон и степенью их активации, которые зависят от нервных влияний и модулируются гуморальными факторами [Жуков, 2011].
Это представление нашло подтверждение в исследованиях А.А. Петрова и М.С. Чаруйской, в которых была показана зависимость жёсткостных свойств мышечной ткани при ее деформации от состояния мышечного тонуса [Петров, Чаруйская, 2008]. В свою очередь контрактильный или физический мышечный тонус - это ответ на эфферентную импульсацию, поступающую из головного мозга, и на афферентную, обусловленную раздражением проприорецепторов, и является рефлекторным напряжением, которое зависит от характера достигающих рецепторов мышечных волокон нервных импульсов (нервно-мышечный тонус) и от происходящих в мышце метаболических процессов (собственный тонус мышц) [Никифоров, Гусев, 2007].
Скелетные мышцы обладают уникальным непрерывным и пассивным тонусом или напряжением, необходимым для поддержания позы. Физиологически мышечное напряжение зависит от активности сократительного аппарата и / или вязкоупругих свойств мышцы (Рисунок 1).
Влияние опорной разгрузки на биомеханические характеристики позвоночника
Изменения высоты межпозвонковых дисков в условиях опорной разгрузки («сухая» иммерсия).
Томографические исследования высоты межпозвонковых дисков позвоночного столба на 3-и сутки иммерсионного воздействия выявили у всех испытателей ее увеличение, составившее в среднем 13,07+5,9% от исходной. Анализ повторяющихся измерений ANOVA подтвердил при этом значимость факторов «сессия» (измерения до СИ, на 3-и и на 5-е сутки СИ) – F(2,14)=38,42 (p 0,0001) и «локализация» (расположение межпозвонкового диска) -F(22,154)=138,7 (p 0,0001). Выраженность изменений для различных сегментов позвоночника была разной. Так, в шейном (от позвонка С2 до С7) и верхнегрудном (от позвонка С7 до Th9) отделах высота межпозвонковых дисков в иммерсии увеличивалась, однако изменения эти не превышали 0,2-0,4 мм и были недостоверными (Рисунок 20, средняя и верхняя диаграммы), за исключением изменений высоты дисков Th5h6 иTh8h9 на 3-и сутки СИ (Таблица 2).
В то же время в поясничном и нижнегрудном (от позвонка Th9 до L1) отделах увеличение высоты всех межпозвонковых дисков было высоко достоверным (Рисунок 20, средняя и нижняя диаграммы). Наиболее выраженные изменения размеров межпозвонковых дисков регистрировались между поясничными позвонками L2 и L3 (от 0,76 до 1,52 мм), L3 и L4 (от 1,4 до 2,15 мм) и L5 и S1 (от 1,2 до 1,95 мм).
Рисунок 20. Высота межпозвонковых дисков шейного (вверху), грудного (посередине) и поясничного (внизу) отделов позвоночника до иммерсии, а также на 3-и и 5-е сутки ее воздействия, данные томографических исследований (n=8). Данные томографического исследования. По оси ординат: высота межпозвонковых дисков, мм. По оси абсцисс: экспериментальная сессия, «фон» – до иммерсии, «3 сутки СИ» и «5 сутки СИ» - 3-и и 5-е сутки иммерсионного воздействия, соответственно. Столбцам разных цветов соответствуют межпозвоночные диски различной локализации (см. легенду справа). - достоверное отличие от фоновых значений, p 0.05.
Отмеченное на 3-и сутки иммерсии увеличение высоты дисков сохранялось и в дальнейшем: в исследованиях, выполнявшихся на 5-е сутки СИ, высота межпозвонковых дисков в поясничном и нижнегрудном отделах позвоночника была существенно выше, чем в фоновых; при этом она достоверно не отличалась от значений, полученных в 3-и сутки иммерсионного воздействия. У двоих испытателей на 5-е сутки иммерсионного воздействия наблюдалось снижение высоты межпозвонковых дисков по сравнению с измерениями, проведенными на 3-и сутки СИ; у остальных участников исследования высота межпозвоночных дисков в этот период оставалась неизменной.
Рентгенологическое исследование, проводившееся совместно с И. Сун [Сун, 2015] на 2-е и 3-и сутки иммерсионного воздействия, также выявило увеличение высоты межпозвонковых дисков. Применение разработанного нами метода анализа данных, снижающего погрешность измерений, обусловленную невысоким качеством изображений, позволило проанализировать размеры межпозвонковых дисков не только в поясничном, но и в грудном отделе. В отличие от более чувствительного и надежного метода томографического исследования, выявившего достоверные изменения исследуемого параметра в грудном отделе (Рисунок 20, посередине), в этом случае достоверные изменения регистрировались только в поясничном отделе позвоночника и на границе нижнегрудного и поясничного отдела (Th12-L1) (Рисунок 21, внизу). На 2-е сутки воздействия достоверное увеличение высоты межпозвонковых дисков также наблюдалось между позвонками Th7-8 и Th11-12, однако на 3-и сутки воздействия достоверных изменений по сравнению с фоновыми данными в этих сегментах обнаружено не было (Рисунок 21, вверху).
Рисунок 21. Высота межпозвонковых дисков грудного (сверху) и поясничного (внизу) отделов позвоночника до иммерсии, а также на 2-е и 3-и сутки воздействия, данные рентгенографического исследования (n=9). По оси ординат: высота межпозвонковых дисков, относительные единицы (см. главу Методика). По оси абсцисс: экспериментальная сессия, «фон» – до иммерсии, «2 сутки СИ» и «3 сутки СИ» - 2-е и 3-и сутки иммерсионного воздействия, соответственно. Столбцам разных цветов соответствуют межпозвоночные диски различной локализации (см. легенду справа). - достоверное отличие от фоновых значений, p 0.05.
Таким образом, рентгенологическое и томографическое исследование размеров межпозвонковых дисков выявило достоверное увеличение их высоты на 2-е сутки иммерсионного воздействия, в большинстве случаев сохраняющееся и не усугубляющееся на 3-и и 5-е сутки СИ. У 2-х из 8-ми участвующих в МРТ-исследовании испытателей (Исп.1 и Исп.4) наблюдалось снижение высоты межпозвонковых дисков на 5-е сутки СИ (на 6 и 4,3%, соответственно), не достигавшее однако исходных значений (Рисунок 22).
Исследования архитектуры кривизны позвоночного столба в условиях 5-суточной «сухой» иммерсии
Анализ архитектуры кривизны позвоночного столба в ходе иммерсионного воздействия выявил существенные индивидуальные различия у испытателей (n=8) как в фоновых исследованиях, так и в динамике изменений. В фоновых исследованиях угол кривизны позвоночника (см. раздел Методика) в шейном отделе колебался от 115,87 до 157, составляя в среднем по группе 144,08±12,93; в грудном отделе – от 135,51 до 163,28 (в среднем – 148,98+9,03); в поясничном отделе - от 101 до 136,7 (в среднем - 126,05+11,63) и в крестцово-поясничном отделе - от 79 до 153 (в среднем - 123,03+23,72). Вариативность угла кривизны позвоночного столба не превышала 13% во всех сегментах, кроме пояснично-крестцового. Необходимо отметить, что этот отдел позвоночника является достаточно подвижным, и поэтому ошибка метода при анализе этого сегмента может быть выше, чем в остальных. МРТ-сканирование, проведенное через 3 и 5 суток опорной разгрузки, выявило существенные изменения кривизны позвоночника (Рисунок 23). В шейном отделе эти изменения были разнонаправленными: у 4-х испытателей наблюдалось некоторое снижение угла кривизны, у остальных - увеличение, т.е. распрямление естественной курватуры.
В грудном отделе кривизна позвоночника достоверно не изменялась. Вместе с тем, в поясничном отделе позвоночника у 5-ти испытателей из 8-ми кривизна достоверно снижалась (F (2, 15) = 8,487; Р = 0,0034). В результате увеличение угла на 5-е сутки пребывания в условиях СИ составило в группе в среднем 3,51+0,22.
В поясничном отделе проведенное исследование выявило сглаживание естественных изгибов позвоночного столба в 63% случаев.
Исследования выраженности межпозвонковых протрузий в условиях 5-суточной «сухой» иммерсии
МРТ-исследования выявили у испытателей (n=8) закономерное уменьшение размеров межпозвонковых протрузий (F (2, 178) = 44,36; р 0.0001) (Рисунок 25). В фоне протрузии межпозвонковых дисков выявлялись у всех испытателей, однако количество и размеры их были достаточно вариативны (Таблица 3). В сегментах С2-С3 и С3-С4 протрузии встречались в 100% случаев; размеры их колебались от 0,8 до 2,4 мм. Наименьшая встречаемость протрузии наблюдалась в сегментах Th2h5 и Th8h12. Наибольшая встречаемость протрузий регистрировалась в шейном и поясничном отделах; размеры протрузий в шейном отделе составляли в среднем 1,37 мм, в поясничном – 2,32 мм, достигая в максимальных значений 4-4,8 мм в пояснично-крестцовом отделе.
Исследование площади поперечного сечения мышц позвоночного столба в условиях «сухой» иммерсии
Сравнительный анализ площади мышц, измеряемой в целом с жировыми прослойками, и площади сухого остатка не выявил достоверных различий в динамике этих параметров в ходе иммерсионного воздействия (Рисунок 32). Поэтому дальнейший анализ проводился только для площади сухого остатка мышц.
Наиболее информативным для измерения площади поперечного сечения (ППС) по данным МРТ явился уровень L4-L5, на котором у всех испытателей четко идентифицировались границы 4-х мышц: большая поясничная мышца (m. psoas major), квадратная мышца поясницы (m. quadratus lumborum), многораздельная мышца (m. multifidus), а также две составные части мышцы, выпрямляющей позвоночник (m. erector spinae), а именно - длиннейшая мышца груди (m. longissimus thoracis) и подвздошно-реберная мышца (m. iliocostalis). Количество пригодных для анализа данных позволило провести статистическую обработку, а также корреляционный анализ (см. раздел 1.7).
ППС мышц, окружающих поясничный отдел позвоночника, на исследуемом уровне достоверно снижалась. Наибольшее уменьшение ППС наблюдалось в квадратной мышце поясницы и многораздельной мышце.
Площадь поперечного сечения квадратной мышцы поясницы на 3-и сутки СИ снизилась до 86,68 + 13,32% от фоновых значений (F (2, 9) = 8,748; P=0,0078) (Рисунок 33) и оставалась на уровне достоверно ниже фоновых значений на 5-е сутки воздействия СИ, хотя и выявляла тенденцию к возрастанию (90,99+9,01%, Р=0,0263).
Аналогичный рисунок изменений выявлялся и в многораздельной мышце (F (2, 15) = 14,11; P=0,0004): на третьи сутки иммерсионного воздействия ее площадь снизилась до 88,21+11,79% от исходной величины (р=0,0002), а на 5-е сутки СИ несколько возросла, составив 91,99+8,01% от фона (р=0,006) (Рисунок 33).
Уменьшение ППС в двух других мышцах были менее выраженными, достигая уровня достоверности в мышце, выпрямляющей позвоночник (Таблица 9).
На поперечных срезах МРТ изображений на уровне L5-S1 выделялись 3 мышцы: длиннейшая мышца груди (m. longissimus thoracis), большая поясничная мышца (m. psoas major) и многораздельная мышца (m. multifidus) (Рисунок 34). Во всех трех мышцах на 3-и сутки СИ наблюдалось снижение ППС, не достигавшее, однако, уровня значимости: F(2,12)=2,369, p=0,136 для большой поясничной мышцы, F(2,15)=1,154, p=0,34 для многораздельной мышцы и F(2,15)=1,328, p=0,29 – для длиннейшей мышцы груди; на 5-е сутки СИ выявлялась тенденция к ее возрастанию.
Поперечные размеры мышц на уровне L1-L2 удалось оценить только у двоих испытателей, у которых на этом уровне идентифицировалось 5 мышц: большая поясничная (m. psoas major), квадратная, остистая мышца груди (m. spinalis thoracis), а также две составные части мышцы, выпрямляющей позвоночник (m. erector spinae), - длиннейшая мышца груди (m. longissimus thoracis) и подвздошно-реберная мышца (m. iliocostalis). Индивидуальные изменения их ППС представлены на Рисунке 35.
Выраженность изменений ППС в исследуемых мышцах у двоих испытателей была различной, однако наибольшее снижение площади поперечного сечения в обоих случаях наблюдалось в остистой мышце груди и подвздошно-реберной мышце. У испытателя 2 отмечалось также уменьшение ППС квадратных мышц, а у испытателя 7 – длиннейшей мышцы груди. ППС большой поясничной мышцы у обоих испытателей практически не изменялась.
Таким образом, в сухом остатке многораздельных, квадратных мышц и мышц, выпрямляющих позвоночник, на уровне позвонков L4-L5 на 3-и сутки СИ обнаруживалось достоверное снижение площади поперечного сечения, сохраняющееся и на 5-е сутки СИ. При этом снижение ППС не было связано с изменением количества жира, так как изменения ППС тощей массы и ППС мышцы с жировым остатком достоверно не различались.
Влияние длительных космических полетов на поперечную жесткость мышц спины
Исследования поперечной жесткости мышц спины выявили у 11 из 12 космонавтов достоверное снижение этого показателя в первые часы после завершения длительного космического полета (Рисунок 39). Статистический анализ полученных данных выявил значимость фактора «сессия» (F(5,210)=5,035; р=0,0002). В дальнейших экспериментальных сессиях достоверных отличий поперечной жесткости мышц спины от фоновых значений в групповом анализе не регистрировалось.
В то же время, изменения поперечной жесткости мышц на разных уровнях позвоночника были различными: значимость фактора «локализация» также была достоверной (F(5,45)=5,26; р=0,0007). Так, поперечная жесткость мышцы, выпрямляющей спину, на уровне поясничного отдела позвоночника была достоверно ниже фоновых значений не только в день завершения полета (р=0,04), но и через 4 суток после него (р=0,011) (Рисунок 40, слева; Таблица 11). Поперечная жесткость исследуемой мышцы в области верхнегрудного отдела позвоночника была достоверно ниже исходной в день завершения полета, восстанавливаясь уже на 4-е сутки после КП; в области нижнегрудного отдела достоверных изменений этого параметра зарегистрировано не было.
Исключение из описанной картины изменений составил космонавт 4, у которого в день посадки наблюдалось повышение поперечной жесткости практически во всех измеряемых отведениях (Рисунок 41). На 7-е сутки после КП значения поперечной жесткости во всех измеряемых отведениях были сниженными; на 11-сутки после завершения КП наблюдалось восстановление до исходных значений.
Таким образом, впервые проведенные исследования поперечной жесткости мышц-экстензоров спины после длительных космических полетов выявили достоверное ее снижение в группе космонавтов в первые часы после завершения полета, наиболее выраженное в области поясничного и верхнегрудного отделов позвоночника.