RU2466756C1

RU2466756C1 - Method for simulating treating patients with chronic spinal injury in laboratory animals

Info

Publication number: RU2466756C1
Application number: RU2011131805/14A
Authority: RU
Inventors: Павел Евгеньевич Мусиенко (RU); Павел Евгеньевич Мусиенко; Александр Анатольевич Савохин (RU); Александр Анатольевич Савохин; Олег Алексеевич Никитин (RU); Олег Алексеевич Никитин; Юрий Петрович Герасименко (RU); Юрий Петрович Герасименко
Original assignee: Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской Академии Наук
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-11-20

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: animal's spinal cord is completely cut at the level of an inferior thoracic segment. Stimulation is started 3 weeks after spinalisation. It is followed by electrical stimulation of the animal with the use of bipolar electrodes. Back extremities of the animal rest against a moving platform tape with the electrodes applied on animal's back or internal hip skin. Said zones are stimulated at frequency 5 Hz, pulse width 20 ms at intensity 1-10 mA.

EFFECT: method enables activating locomotor and postural motions after the spinal injury by non-invasive or minimally invasive method.

1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к медицине, а также к физиологии движений и электрофизиологии и может быть использовано для моделирования и обучения методам лечения и реабилитации людей с вертебро-спинальной патологией.The invention relates to medicine, as well as to the physiology of movements and electrophysiology and can be used to model and teach methods of treatment and rehabilitation of people with vertebro-spinal pathology.

Повреждение спинного мозга приводит к частичному или полному параличу, нарушению локомоторной и постуральной функций. Утрата способностей к передвижению и поддержанию веса тела вызывает многочисленные соматические нарушения, способствует прогрессированию урологических, трофических, сердечно-сосудистых расстройств. Это снижает продолжительность и качество жизни инвалидов, приводит к огромным государственным затратам на их лечение и дополнительный уход. Количество спинальных пациентов в мире ежегодно увеличивается. Несмотря на высокую актуальность, проблема остается нерешенной, что во многом обусловлено неизученностью спинальных механизмов регуляции движений и возможностей их активации внешними воздействиями.Damage to the spinal cord leads to partial or complete paralysis, a violation of locomotor and postural functions. Loss of ability to move and maintain body weight causes numerous somatic disorders, contributes to the progression of urological, trophic, cardiovascular disorders. This reduces the duration and quality of life of people with disabilities, leads to huge government costs for their treatment and additional care. The number of spinal patients in the world is increasing annually. Despite the high relevance, the problem remains unresolved, which is largely due to the lack of knowledge of the spinal mechanisms of regulation of movements and the possibilities of their activation by external influences.

Известен способ лечения больных с поражением спинного мозга (пат. RU 2204423, МПК A61N 1/32), включающий эпидуральную электростимуляцию поясничного утолщения спинного мозга с эффектом координированных локомоторных движений, вызываемых при облегченном положении больного, лежащего на спине или на боку с подвешенными на балканских рамах ногами. При этом пациенты осуществляют процедуры самостоятельно с помощью имплантированной на постоянной основе системы для хронической стимуляции, включающей пару проволочных электродов, установленных на уровне Тh12-L1 позвонков, соединенных с погружной частью стимулятора - приемником, имплантированным в переднюю брюшную стенку, и наружно расположенный передатчик, который связан индуктивной связью с приемником. Стимуляцию осуществляют импульсами тока прямоугольной формы длительностью 0,5-1 мс, амплитудой 0,1-7 мА, с индивидуально подобранной частотой в диапазоне 2-100 Гц, обеспечивающей координированный «шагательный» характер вызванных электростимуляцией движений ног.A known method of treating patients with spinal cord injury (US Pat. RU 2204423, IPC A61N 1/32), including epidural electrical stimulation of the lumbar spinal cord thickening with the effect of coordinated locomotor movements caused by the facilitated position of the patient lying on his back or side with the suspension on the Balkan frames kicked. At the same time, patients carry out the procedures independently with the help of a permanent implanted system for chronic stimulation, including a pair of wire electrodes installed at the level of Th12-L1 vertebrae connected to the immersion part of the stimulator - a receiver implanted in the anterior abdominal wall, and an externally located transmitter, which connected inductively to the receiver. Stimulation is carried out by rectangular current pulses with a duration of 0.5-1 ms, an amplitude of 0.1-7 mA, with an individually selected frequency in the range of 2-100 Hz, providing a coordinated "walking" nature of leg movements caused by electrical stimulation.

Недостаток способа заключается в том, что он является инвазивным и состоит в наложении стимулирующих электродов на поверхность твердой мозговой оболочки спинного мозга с последующей электрической стимуляцией спинного мозга ниже уровня поражения. Реализация этого метода лечения требует сложного оперативного вмешательства для постановки электродов и специфического медицинского обслуживания на весь период работы стимулирующих электродов на поверхности спинного мозга для предотвращения воспалительных реакций, отторжения электродов и др. Кроме того, известный способ вызывал только элементы «шагательных движений» без самостоятельной поддержки веса тела пациента.The disadvantage of this method is that it is invasive and consists in the application of stimulating electrodes to the surface of the dura mater of the spinal cord, followed by electrical stimulation of the spinal cord below the level of damage. The implementation of this treatment method requires complex surgical intervention for the placement of electrodes and specific medical care for the entire period of work of stimulating electrodes on the surface of the spinal cord to prevent inflammatory reactions, electrode rejection, etc. In addition, the known method caused only elements of “walking movements” without independent support body weight of the patient.

Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является способ моделирования и обучения лечению больных с хроническим поражением спинного мозга по пат.RU 2418319, МПК G09B 23/28, A61N 1/32. Известный способ основан на полной перерезке спинного мозга крыс на нижнегрудном уровне Th9, вживлении электродов и проведении хронической эпидуральной стимуляции. При этом электроды вживляют в L2 и S1 сегменты спинного мозга, а стимуляцию осуществляют через две недели после вживления и спинализации. Стимулируют одновременно L2 и S1 сегменты с частотой 40 Гц при интенсивности 4-7 B, при условии, что задние конечности крыс опираются на ленту тредбана.The closest analogue of the proposed solution is a method for modeling and teaching treatment of patients with chronic spinal cord injury according to Pat. RU 2418319, IPC G09B 23/28, A61N 1/32. The known method is based on a complete transection of the spinal cord of rats at the lower thoracic level Th9, implantation of electrodes and chronic epidural stimulation. In this case, the electrodes are implanted in the segments of the spinal cord in L2 and S1, and the stimulation is carried out two weeks after implantation and spinalization. L2 and S1 segments are stimulated simultaneously with a frequency of 40 Hz at an intensity of 4-7 B, provided that the hind limbs of the rats are supported by a treadmill tape.

Недостатком способа также является его инвазивность, сопряженная с травматичностью хирургической процедуры вживления электродов в спинной мозг, возможностью развития воспалительных и дегенеративных изменений в тканях вокруг хронически вживленного имплантата. Последующее удаление электродов или реимплантация также требует массивного оперативного вмешательства с длительным послеоперационным лечением и уходом.The disadvantage of this method is its invasiveness, associated with the invasiveness of the surgical procedure for implantation of electrodes in the spinal cord, the possibility of developing inflammatory and degenerative changes in the tissues around the chronically implanted implant. Subsequent removal of the electrodes or reimplantation also requires massive surgical intervention with long-term postoperative treatment and care.

Заявляемый способ позволяет получить новый по сравнению с прототипом результат, заключающийся в том, что локомоторные и постуральные способности после повреждения спинного мозга могут активироваться неинвазивным или малоинвазивным воздействием. Общепринятым механизмом эпидуральной стимуляции, лежащим в основе прототипа, является стимуляция афферентных входов в дорсальной части спинного мозга и дорсальных корешков. Через усиление афферентного входа достигается эффект тонической активации локомоторных нейрональных сетей спинного мозга, к которым проецируются соответствующие афферентные пути. В предлагаемом способе афферентные каналы, несущие информацию в спинной мозг, стимулируются на этапе периферического рецепторного аппарата парализованных конечностей, что позволяет добиться сходного эффекта восстановления моторной функции, но при минимальной травматичности процедуры, возможности быстро удалять или менять позицию накожных электродов.The inventive method allows to obtain a new result compared with the prototype, which consists in the fact that locomotor and postural abilities after damage to the spinal cord can be activated by non-invasive or minimally invasive effects. The generally accepted mechanism of epidural stimulation underlying the prototype is the stimulation of afferent inputs in the dorsal part of the spinal cord and dorsal roots. By enhancing the afferent input, the effect of tonic activation of locomotor neural networks of the spinal cord, to which the corresponding afferent paths are projected, is achieved. In the proposed method, afferent channels carrying information to the spinal cord are stimulated at the stage of the peripheral receptor apparatus of paralyzed limbs, which allows to achieve a similar effect of restoration of motor function, but with minimal trauma of the procedure, the ability to quickly remove or change the position of the cutaneous electrodes.

Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе моделирования лечения больных с хроническим поражением спинного мозга на лабораторных животных (так же как и в прототипе, включающем полную перерезку спинного мозга животного на нижнегрудном уровне и электрическую стимуляцию животного с помощью биполярных электродов, при том что задние конечности животного опираются на ленту тредбана) в отличие от прототипа биполярные электроды накладывают на кожу задней поверхности бедра или промежности животного, стимулируют указанные зоны с частотой 5 Гц, длительностью импульса 20 мс при интенсивности 1-10 мА, при этом к стимуляции приступают через 3 недели после спинализации. Причиной выбора более проксимальной зоны стимуляции (бедро, промежность) задних конечностях является их меньшая подвижность во время локомоции задней части тела, по сравнению с дистальными зонами (голень, стопа), и меньший риск смещения или повреждения зафиксированных электродов или подлежащих тканей животного.To achieve this result, the following set of essential features is used: in the method for modeling the treatment of patients with chronic spinal cord lesions in laboratory animals (as well as in the prototype, which includes a complete transection of the animal’s spinal cord at the lower thoracic level and electrical stimulation of the animal using bipolar electrodes, that the hind limbs of the animal rest on the tape of the treadmill), unlike the prototype, bipolar electrodes are applied to the skin of the back of the thigh or perineum of the animal, these zones are stimulated with a frequency of 5 Hz, a pulse duration of 20 ms at an intensity of 1-10 mA, while stimulation is started 3 weeks after spinalization. The reason for choosing a more proximal stimulation zone (thigh, perineum) of the hind limbs is their lower mobility during locomotion of the back of the body, compared with the distal zones (lower leg, foot), and a lower risk of displacement or damage to the fixed electrodes or underlying tissues of the animal.

Указанная совокупность существенных признаков заявляемого способа позволяет неинвазивно поверхностными кожными электродами или малоинвазивно внутрикожными электродами активировать системы генерации шагательного ритма и системы регуляции мышечного тонуса, обеспечивает полноценную координированную ходьбу с поддержкой веса тела при отсутствии супраспинальных влияний. Этот результат открывает перспективу использования кожной стимуляции задних конечностей для восстановления двигательных навыков, улучшения качества ходьбы и обеспечения постурального контроля у спинальных больных.The specified set of essential features of the proposed method allows non-invasively surface skin electrodes or minimally invasive intradermal electrodes to activate the system of generation of walking rhythm and the regulation system of muscle tone, provides full-fledged coordinated walking with support for body weight in the absence of supraspinal influences. This result opens up the prospect of using skin stimulation of the hind limbs to restore motor skills, improve walking quality and provide postural control in spinal patients.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - активация локомоторной активности с поддержкой веса тела - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».A comparison of the proposed method and the prototype showed that the task - activation of locomotor activity with support for body weight - is solved as a result of a new set of features, which proves the compliance of the invention with the patentability criterion of "novelty".

В свою очередь проведенный информационный поиск в области медицины и электрофизиологии не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».In turn, the conducted information search in the field of medicine and electrophysiology did not reveal solutions containing individual distinctive features of the claimed invention, which allows us to conclude that the proposed method meets the criterion of "inventive step".

Сущность указанного способа поясняется чертежом, гдеThe essence of this method is illustrated in the drawing, where

на фиг.1 показаны кривые, отражающие перемещение задних конечностей животного, силовые опорные реакции и миограммы.figure 1 shows the curves reflecting the movement of the hind limbs of the animal, power support reactions and myograms.

Чертеж показывает, что после включения стимуляции появляется тоническая активность, переходящая во вспышки активности, которые следуют в локомоторном ритме с реципрокностью с левой и правой сторон, что видно по силовым опорным реакциям, а также по кривым перемещения конечностей.The drawing shows that after the stimulation is turned on, tonic activity appears, which turns into flashes of activity that follow in a locomotor rhythm with reciprocity on the left and right sides, which can be seen in the power support reactions, as well as in the curves of limb movement.

При таком воздействии двигательная активность парализованных животных инициируется неинвазивно через периферический рецепторный аппарат без сложной хирургической имплантации электродов и последующего трудоемкого медицинского ухода, а также при отсутствии рисков, связанных с инородным телом, вживленным на поверхности спинного мозга. Другая особенность заявляемого способа состоит в том, что вызываются шагательные движения с поддержкой веса тела у парализованных животных после полного повреждения спинного мозга. Этот результат открывает перспективу использования предложенного способа для восстановления двигательной функции у пациентов с поражением спинного мозга.With this effect, the motor activity of paralyzed animals is initiated non-invasively through the peripheral receptor apparatus without complicated surgical implantation of the electrodes and subsequent laborious medical care, as well as in the absence of risks associated with a foreign body implanted on the surface of the spinal cord. Another feature of the proposed method is that walking movements are supported with support for body weight in paralyzed animals after complete damage to the spinal cord. This result opens up the prospect of using the proposed method to restore motor function in patients with spinal cord injury.

Пример. Способ исследовался на кошках (2.5-3 кг). Перерезку спинного мозга на нижнегрудном уровне проводили по стандартной методике, в соответствии с международными стандартами, под глубоким наркозом. Животные тестировались через 3 недели после спинализации на Th6-7. При этом передняя половина тела подвешивалась в специальном гамаке, задняя половина тела и задние конечности свободно располагались на тредбане. На заднюю поверхность бедра или на кожу промежности закреплялись игольчатые внутрикожные или поверхностные накожные биполярные электроды. Кожа электрически стимулировалась биполярно с частотой 5 Гц, длительностью импульса 20 мс при интенсивности 1-10 мА.Example. The method was studied on cats (2.5-3 kg). Spinal cord transection at the lower thoracic level was performed according to a standard technique, in accordance with international standards, under deep anesthesia. Animals were tested 3 weeks after spinalization on Th6-7. In this case, the front half of the body was suspended in a special hammock, the rear half of the body and hind limbs were freely located on the treadmill. On the back surface of the thigh or on the skin of the perineum, needle-shaped intradermal or superficial cutaneous bipolar electrodes were fixed. The skin was electrically stimulated bipolar with a frequency of 5 Hz, a pulse duration of 20 ms at an intensity of 1-10 mA.

На Фиг.1 показан эффект вставания кошки (исходно животное пассивно сидело на опоре) при воздействии электрической стимуляции кожи (5 Hz, 3 мА, 20 мс) и последующая ходьба с самостоятельной поддержкой веса тела, где 1 - отметка стимуляции, 2 - электромиограмма m.gastrocnemius lateralis, 3 - кривая силовых ответов под левой лапой, 4 - кривая силовых ответов под правой лапой, 5 - кривая перемещения задней левой конечности, 6 - кривая перемещения задней правой конечности, 7 - отметка амплитуды миограмм, соответствующая 1 мВ, 8 и 9 - отметки амплитуды силовых ответов слева-справа, соответствующие 0.5 кг, 10 и 11 - отметки перемещения задней левой и правой конечностей, соответствующие 10 см, стрелка вниз - перемещение вперед (фаза переноса), стрелка вверх - перемещение назад (фаза опоры), 12 - отметка времени, соответствующая 2 с.Figure 1 shows the effect of a cat getting up (initially the animal was passively sitting on a support) when exposed to electrical stimulation of the skin (5 Hz, 3 mA, 20 ms) and subsequent walking with independent support for body weight, where 1 is the mark of stimulation, 2 is the electromyogram m .gastrocnemius lateralis, 3 - curve of force responses under the left paw, 4 - curve of force responses under the right paw, 5 - curve of movement of the hind left limb, 6 - curve of movement of the hind right limb, 7 - mark of the amplitude of myograms corresponding to 1 mV, 8 and 9 - marks of the amplitude of the force responses on the left-s a ditch corresponding to 0.5 kg, 10 and 11 are the movement marks of the rear left and right extremities corresponding to 10 cm, the down arrow is the forward movement (transfer phase), the up arrow is the backward movement (support phase), 12 is the time stamp corresponding to 2 s .

Из чертежа видно, что после включения стимуляции появляется тоническая активность, переходящая во вспышки активности. При этом вспышки активности следуют в локомоторном ритме с реципрокностью с левой и правой сторон, что видно по силовым опорным реакциям, а также по кривым перемещения конечностей.It can be seen from the drawing that, after the stimulation is turned on, tonic activity appears, turning into flashes of activity. At the same time, outbreaks of activity follow in a locomotor rhythm with reciprocity on the left and right sides, which can be seen in the force support reactions, as well as in the curves of limb movement.

Таким образом, предложенный способ позволяет неинвазивным воздействием активировать локомоторные и постуральные способности после повреждения спинного мозга, изучать нейрофизиологические механизмы двигательного контроля. Назначение - в физиологии движений для моделирования двигательного поведения, исследования регуляции позы и локомоции на стволовом и спинальном уровнях, а также в медицине для создания неинвазивных методов лечения и реабилитации людей с вертебро-спинальной патологией.Thus, the proposed method allows non-invasive exposure to activate locomotor and postural abilities after damage to the spinal cord, to study the neurophysiological mechanisms of motor control. The purpose is in the physiology of movements for modeling motor behavior, studying the regulation of posture and locomotion at the stem and spinal levels, as well as in medicine for creating non-invasive methods of treatment and rehabilitation of people with vertebro-spinal pathology.

Claims

A method for modeling the treatment of patients with chronic spinal cord injury in laboratory animals, including a complete transection of the spinal cord of the animal at the lower thoracic level and electrical stimulation of the animal using bipolar electrodes, while the hind limbs of the animal rest on a treadmill tape, characterized in that the bipolar electrodes are applied on the skin of the rear surface of the thigh or perineum of the animal, these zones are stimulated with a frequency of 5 Hz, a pulse duration of 20 ms at an intensity of 1-10 mA, while stimulation begins 3 weeks after spinalization.