Аннотация
В работе рассматривается пространственно-временная структура мышечных синергий при произвольных локомоциях, выполняемых в условиях горизонтальной вывески нижних конечностей, и при шагоподобных движениях, модулируемых чрезкожной электрической стимуляцией спинного мозга человека. Синергии извлекали разложением матриц с помощью метода главных компонент (PCA). Выявлено меньшее количество синергий при локомоциях, инициируемых чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга. Установлено, что временнáя структура извлекаемых мышечных синергий при локомоциях в условиях электрической стимуляции спинного мозга имеет явно выраженные пики активности и высокую воспроизводимость паттернов активации. В ряде случаев они реализуются в разные временные периоды локомоторного цикла при их многократной реализации. Мышечные нагрузки в структуре выявленных синергетических модулей существенно различаются, однако векторы синергий оказываются в высокой степени схожими в разных экспериментальных условиях. Различия в параметрах пространственно-временной структуры мышечных синергий произвольных локомоций и модулируемых чрезкожной электрической стимуляцией спинного мозга, вероятно, связаны с реорганизацией ритмогенерирующей части нейрональной сети, осуществляющей управление структурой локомоторного цикла.
Литература
Feldman AG, Levin MF, Garofolini A, Piscitelli D, Zhang L (2021) Central pattern generator and human locomotion in the context of referent control of motor actions. Clin Neurophysiol 132(11):2870–2889. https://doi.org/10.1016/j.clinph.2021.08.016
Madarshahian S, Latash ML (2022) Reciprocal and coactivation commands at the level of individual motor units in an extrinsic finger flexor-extensor muscle pair. Exp Brain Res 240(1):321–340. https://doi.org/10.1007/s00221-021-06255-w
Аршавский ЮИ, Делягина ТГ, Орловский ГН (2015) Центральные генераторы: механизм работы и их роль в управлении автоматизированными движениями. Журн высш нерв деят им ИП Павлова 65(2):156–187. [Arshavsky YI, Deliagina TG, Orlovsky GN (2015) Central Pattern Generators: Mechanisms of the Activity and Their Role in the Control of “Automatic” Movements. IP Pavlov J Higher Nerv Activit 65(2):156–187. (In Russ)]. https://doi.org/10.7868/S0044467715020033
Gorodnichev RM, Pivovarova EA, Puhov A, Moiseev SA, Gerasimenko YP, Savochin AA, Moshonkina TR, Chsherbakova NA, Kilimnik VA, Selionov VA, Kozlovskaya IB, Edgerton VR (2012) Transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord: a noninvasive tool for the activation of stepping pattern generators in humans. Human Physiol 38(2):158–167.
Moiseev SA, Gorodnichev RM (2017) Motor synergies structure variability in different intensity locomotions. Human Physiol 48(4):22–33. https://doi.org/10.31857/S0131164622040087
Turpin N, Uriac S, Dalleau G (2021) How to improve the muscle synergy analysis methodology? Eur J Appl Physiol 121(4):1009–1025. https://doi.org/10.1007/s00421-021-04604-9
Overduin S, d'Avella A, Carmena J, Bizzi E (2014) Muscle synergies evoked by microstimulation are preferentially encoded during behavior. Front Comput Neurosci 8:20. https://doi.org/10.3389/fncom.2014.00020
Cheung VC, d'Avella A, Bizzi E. (2009) Adjustments of motor pattern for load compensation via modulated activations of muscle synergies during natural behaviors. J Neurophysiol 101(3):1235–1257. https://doi: 10.1152/jn.01387.2007
Гурфинкель ВС, Левик ЮС, Козенников ОВ, Селионов ВА (1998) Существует ли генератор шагательных движений у человека? Физиология человека 24(3):42–50. [Gurfinkel VS, Levik US, Kozennikov OV, Selionov VA (1998) Is there a locomotor circuitry in humans? Fiziol chelov 24(3):42–50. (In Russ)].
Minyaeva AV, Moiseev SA, Pukhov AM, Savokhin AA, Gerasimenko YP, Moshonkina TR (2017) Response of external inspiration to the movements induced by transcutaneous spinal cord stimulation. Human Physiol 43(5):43–51. https://doi: 10.7868/S0131164617050113
Moiseev SA, Ivanov SM, Gorodnichev RM (2022) The Motor Synergies’ Organization Features at Different Levels of Motor Control during High Coordinated Human’s Movement. J Evol Biochem Phys 58:610–622. https://doi.org/10.1134/S0022093022020272
Moiseev S, Pukhov A, Mikhailova E (2022) Methodological and computational aspects of extracting extensive muscle synergies in moderate-intensity locomotions. J Evol Biochem Phys 58:88–97. https://doi.org/10.1134/S0022093022010094
Ivanenko Y, Poppele R, Lacquaniti F (2006) Motor control programs and walking. Neuroscientist 12(4):339–348. https://doi: 10.1177/1073858406287987
Hogan N, Sternad D (2013) Dynamic primitives in the control of locomotion. Front Comput Neurosci 7:71. https//doi.org/10.3389/fncom.2013.00071
De Marchis C, Schmid M, Bibbo D (2013) Inter-individual variability of forces and modular muscle coordination in cycling: a study on untrained subjects. Hum Mov Sci 32(6):1480–1494. https://doi: 10.1016/j.humov.2013.07.018
Шапкова ЕЮ (2004) Локализация и свойства спинальных генераторов локомоций (СЛГ), выявленные электростимуляцией спинного мозга у человека. Рос физиол журн им ИМ Сеченова 90(8):420–432. [Shapkova EY (2004) Localization and properties of spinal locomotion generators (SLG) revealed by electrical stimulation of the spinal cord in humans. Russ J Physiol 90(8):420–432. (In Russ)].
Rybak I, Shevtsova N, Lafreniere-Roula M (2006) Modelling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from deletions during fictive locomotion. J Physiol 577(2):617–639. https://doi: 10.1113/jphysiol.2006.118703
Churchland M, Cunningham J, Kaufman M (2012) Neural population dynamics during reaching. Nature 487(7405):51–56. https://doi: 10.1038/nature11129
Hogan N, Sternad D (2007) On rhythmic and discrete movements: reflections, definitions and implications for motor control. Exp Brain Res 181(1):13–30. https://doi: 10.1007/s00221-007-0899-y
Sternad D, Marino H, Charles S, Duarte M, Dipietro L, Hogan N (2013) Transitions between discrete and rhythmic primitives in a unimanual task. Front Comput Neurosci 7:90. https//doi.org/10.3389/fncom.2013.00090
Overduin SA, d'Avella A, Roh J, Carmena JM, Bizzi E (2015) Representation of Muscle Synergies in the Primate Brain. J Neurosci 35(37):12615–12624. https://doi: 10.1523/JNEUROSCI.4302-14.2015