Нейропластичность как основа двигательной реабилитации

Введение

Заболевания нервной системы занимают ведущее место среди причин нарушения трудоспособности, при этом одной из наиболее важных причин, приводящих к повышению уровня инвалидизации, является нарушение локомоторных реакций [1]. Несмотря на существенную значимость проблемы реабилитации, направленной на эффективное восстановление движений, она недостаточно изучена вследствие её многогранности и в связи с новыми вызовами, возникающими перед профессиональным сообществом из-за устойчивой тенденции к увеличению числа больных. Поэтому возникает необходимость выделения самостоятельного раздела научной практики, непосредственно связанного с физиологией адаптации, включающего изучение механизмов развития патологии, а также разработки фармакологического, немедикаментозного сопровождения нейрореабилитационных мероприятий и профилактики двигательных расстройств при заболеваниях центральной нервной системы [2].

Поскольку развитие нейрореабилитации и профилактика локомоторных нарушений тесно связаны с изучением принципа компенсаторно-пластической реорганизации нервной системы при её повреждениях [3][4], целью настоящего обзора является обобщение сведений о нейрофизиологических механизмах, обеспечивающих формирование пластичности в центральной нервной системе.

Для осуществления поставленной цели был выполнен систематический поиск информации в базах данных КиберЛенинка, Google Академия, eLIBRARY, BMJ Knowledge, Cochrane DOAJ, EBSCO, PubMed, Medscape, Science Direct, Springer Nature, Trip Medical Database, UpToDate, WILEY ONLINE LIBRARY. Поиск проводился по следующим ключевым словам: «нейропластичность», «двигательная реабилитация», «механизмы нейроплатичности», «пластичность синапсов», «спинальный локомоторный центр», «neuroplasticity», «motor rehabilitation», «mechanisms of neuroplasticity», «synaptic plasticity», «spinal locomotor circuits».

Исторические аспекты и современные представления о нейропластичности.

Несмотря на то, что термин «нейропластичность» был предложен Е.  Конорски (J. Konorski, 1948) и популяризирован Д. Хеббом (D. Hebb, 1949), понятие «пластичности» применительно к нервной системе впервые было упомянуто У. Джеймсом (W. James, 1890) [5][6]. Исследования С. Рамон-и-Кахаля (S. Ramon-Cajal, 1894) позволили предположить, что пластичность обеспечивается межнейронными связями, которые в дальнейшем Ч. Шеррингтоном (Сh. Sherrington, 1897) были названы синапсами [6][7].

Представления школы И.П. Павлова и его учеников (Э.А. Асратян, 1953, П.К. Анохин, 1968) о временной связи между разными отделами коры головного мозга и подкорковыми структурами сформировали концептуальную основу пластичности, поскольку возникновение временных связей предполагало изменение эффективности межнейронных взаимодействий и наличие синаптической пластичности [8][9]. Наряду с этим впервые обнаруженный Т. Блиссом и Т. Ломом (T. Bliss, T. Lomo, 1973) физиологический механизм длительного усиления синаптических связей [10] стал важным этапом для прорывных исследований в области пластичности нервной системы.

Согласно современным представлениям, нейропластичность — это способность нервной системы изменять свою активность в ответ на внутренние или внешние стимулы путём реорганизации своей структуры, функций или связей. При этом необходимо учитывать, что эти изменения могут быть либо полезными (восстановление функции после повреждения), нейтральными (без изменений), либо негативными (могут иметь патологические последствия). [6].

Выделяют два основных типа нейропластичности — структурный и функциональный [11]. Структурная нейропластичность подразумевает реконструкцию нервных центров, нейрогенез, формирование новых синаптических контактов [11][12]. Функциональная пластичность сопровождается изменениями биоэлектрической активности нейронов, усилением экзоцитоза медиаторов, что может изменять величину синаптических связей, влиять на синхронизацию импульсной активности популяций нейронов [13][14]. Кроме того, в формировании пластичности существенную роль играют глиальные клетки [15], эндотелиоциты и адекватный кровоток в сосудистом модуле [16].

К механизмам, лежащим в основе формирования синаптической пластичности, относятся изменение количества дендритов, изменение протяженности активных зон синапсов, формирование новых межнейронных контактов, сопряжённых с аксональным или дендритным спрутингом [17][18]. В качестве дополнительных факторов рассматриваются изменения функциональной активности нервных синапсов, длительное потенцирование, компенсаторные молекулярные и метаболические изменения мембранных структур клеток, в том числе потенциалуправляемых и хемоуправляемых мембранных каналов [19][20]. Указанные механизмы могут формировать разные по длительности формы синаптической пластичности: краткосрочную (секунды, минуты) и долгосрочную (часы, месяцы и годы) [21][22].

В основе краткосрочной синаптической пластичности лежат процессы, происходящие на пре- и постсинаптической мембране. Пресинаптические механизмы связаны с изменениями величины входящего кальциевого тока, а также времени экзоцитоза медиатора. Постсинаптические механизмы связаны с повышением потенциации и изменением чувствительности постсинаптических рецепторов к медиатору [20][21].

Долгосрочная синаптическая пластичность сопровождается структурными изменениями: увеличением количества и ветвлением пресинаптических нервных окончаний, увеличением числа рецепторов на постсинаптической мембране, образованием новых синаптических контактов [22]. Инициация долгосрочных форм пластичности синапсов происходит в результате активации глутаматных NMDA-рецепторов, которым отводят особую роль в регуляции нейрональной возбудимости и синаптической пластичности. Данные рецепторы активируются при деполяризации мембраны, в результате чего ионы кальция входят в клетку, активируя многочисленные белки, которые облегчают экзоцитоз медиаторов [23].

Наряду с этим формированию нейропластичности способствуют нейротрофичность, а также нейропротекция, которые обеспечивают эндогенную защитную активность и противостоят развитию апоптоза нейронов [15][24].

Таким образом, в процессе двигательной реабилитации восстановлению утраченных функций будет способствовать активация следующих компонентов:

1. поведенческого, который проявляется в новых комбинациях движений. Так, например, пациент может использовать различные группы мышц или неоднозначные когнитивные стратегии для выполнения двигательной задачи [25];
2. физиологического (нормализация рефлексов, усиление двигательных вызванных потенциалов) [11][13];
3. анатомического (аксональный, дендритный, коллатеральный спрутинг, который зависит от трофических особенностей нервной ткани, активности леммоцитов и регенераторных возможностей нейронных сетей) [12][14];
4. клеточного (синаптогенез и синаптическое усиление) [20][21][ 22];
5. молекулярного (восстановление активации нейротрансмиттеров и нейротрофических факторов, повышение чувствительности рецепторов, экспрессия генов) [17][19].

В то же время общим конечным путём реализации локомоций являются мотонейроны спинного мозга [7], поэтому неотъемлемым фактором двигательной реабилитации является активация спинального локомоторного центра.

Спинальный локомоторный центр (СЛЦ) как общий конечный путь в двигательной реабилитации

В 1890 г. И.М. Сеченов высказал мысль о том, что спинной мозг содержит все элементы, которые способны координировать работу мышц [26]. В трудах T. G. Brown (1910–1914) было впервые показано, что изолированный спинной мозг кошки может генерировать локомоторные ритмы [27]. Анализ данных литературы позволил сделать заключение о том, что СЛЦ расположен в вентральных отделах серого вещества спинного мозга и представлен группой межсегментарных глутаматергических интернейронов, формирующих синаптические взаимодействия с альфа- и гамма-мотонейронами, а также с тормозными клетками Реншоу и rIa-тормозными нейронами [28][29]. При этом эти интернейроны находятся под нисходящим контролем глутаматергических, серотонинергических, дофаминергических и норадренергических систем [30][31]. Нейронная организация СЛЦ представлена на рисунке 1.

Данные литературы свидетельствуют о наличии кратковременной спонтанной ритмической шагоподобной активности ног у пациентов с травмой спинного мозга [32]. Кроме того, выявлено, что электрическая стимуляция спинного мозга с учётом топографии спинального локомоторного центра приводит к появлению локомоторных движений у пациентов с повреждениями спинного мозга [33].

Не вызывает сомнения тот факт, что для повышения эффективности двигательной реабилитации необходимо учитывать принципы и механизмы регуляция спинального локомоторного центра. Такая регуляция объединяет в себе центральное управление с участием структур головного мозга и афферентную обратную связь [34][35].

В соответствии с современным представлением о функциональной иерархии двигательной системы, по K. Takakusaki [35], локомоции — это целенаправленное поведение, инициируемое сигналами, возникающими либо в результате волевой обработки в коре головного мозга («когнитивная ссылка»), либо в результате эмоциональной обработки в лимбической системе («эмоциональная ссылка»). Принцип организации двигательной системы и контроль спинального локомоторного центра по K. Takakusaki в модифицированном виде представлен на рисунке 2.

Независимо от того, является инициирование движения волевым или эмоциональным, передвижение сопровождается автоматическими контролируемыми двигательными процессами: регуляцией позы и ритмичными движениями конечностей. Сенсомоторная интеграция в стволе головного мозга, мозжечке и спинном мозге играет решающую роль в этом процессе, при этом базовый двигательный паттерн формируется в интернейронах спинального локомоторного центра [35].

Перспективы двигательной реабилитации при патологии центральной нервной системы

Особенностью современного состояния двигательной реабилитации является тенденция к научному обоснованию и патогенетическому выбору методов компенсаторно-восстановительной терапии при цереброваскулярных заболеваниях, воспалительных, травматических, демиелинизирующих болезнях центральной нервной системы, а также экстрапирамидных нарушениях и паралитических синдромах.

Наряду с этим вне зависимости от нозологической единицы к основным принципам реабилитации нарушенных двигательных функций относятся следующие [36]:

• раннее начало восстановительной патогенетической терапии;
• длительность и непрерывность терапии при поэтапном построении методов реабилитации;
• направленное комплексное применение различных видов реабилитационных мероприятий;
• закрепление результатов лечения и реабилитации в социальном аспекте с определением бытового и трудового устройства пациентов.

Исходя из организации двигательной системы и возможности инициации нейропластичности экзогенными факторами, можно предположить, что базой для успешной профилактики нарушений локомоций и двигательной реабилитации является активация сенсорных сигналов.

Анализ данных литературы позволил выявить основные инновационные методы двигательной реабилитации, направленные на активацию процессов нейроплатичности через сенсорную стимуляцию. К ним относятся программируемая функциональная электростимуляция, тренинг на стабилометрической платформе с использованием метода биологической обратной связи, роботизированная реабилитация и методы виртуальной реальности [37]. Внедрение этих технологий демонстрирует большой потенциал для совершенствования двигательной реабилитации. Однако в настоящее время не существует единого стандарта или руководства по применению и оценки эффективности этих технологий. Поэтому дальнейшее всестороннее изучение нейропластичности, а также усовершенствование методов нейровизуализации и проведение рандомизированных исследований будут способствовать надежности и распространению методов активации нейропластичности для профилактики нарушения движений и нейрореабилитации. Следует также подчеркнуть, что новые реабилитационные технологии являются дополнением, а не заменой традиционных реабилитационных мероприятий. В связи с этим функциональное восстановление при заболеваниях центральной нервной системы возможно при сочетании традиционной реабилитационной терапии и новых технологий.

Заключение

В представленном обзоре приведён ряд аспектов и теоретических основ нейрореабилитации, рассмотренных с молекулярно-биологических и структурно-функциональных позиций и базирующихся на фундаментальных представлениях физиологии человека и животных. Вышеприведённые данные литературы убедительно свидетельствуют о доказанности нейропластичности спинального локомоторного центра и супраспинальных центров регуляции движений. В этой связи для профилактики локомоторных нарушений и разработки методов двигательной реабилитации при заболеваниях центральной нервной системы представляется целесообразным поиск способов регенерации, в том числе адекватной сенсорной стимуляции биоэлектрической активности нейронов, формирования новых межнейрональных связей, а также устойчивого межклеточного взаимодействия в структуре нервной ткани головного и спинного мозга.