Contractions dynamic of “fast” and “slow” rat muscle under spinal shock and modulators of contraction

V V Valiullin; Валиуллин Виктор Владимирович; A E Khairullin; Хайруллин Адель Евгеньевич; A A Eremeev; Еремеев Антон Александрович; A Yu Teplov; Теплов Александр Юрьевич; A R Shaikhutdinova; Шайхутдинова Асия Равильевна; N M Kashtanov; Каштанова Наталия Михайловна; S N Grishin; Гришин Сергей Николаевич

doi:10.17816/KMJ2021-329

Contractions dynamic of “fast” and “slow” rat muscle under spinal shock and modulators of contraction

Authors: Valiullin VV¹, Khairullin AE¹, Eremeev AA², Teplov AY.¹, Shaikhutdinova AR¹, Kashtanov NM¹, Grishin SN¹
Affiliations:
1. Kazan State Medical University
2. Kazan Federal University
Issue: Vol 102, No 3 (2021)
Pages: 329-334
Section: Experimental medicine
Submitted: 13.02.2021
Accepted: 27.05.2021
Published: 10.06.2021
URL: https://kazanmedjournal.ru/kazanmedj/article/view/60826
DOI: https://doi.org/10.17816/KMJ2021-329
ID: 60826

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Aim. To study the dynamics of neuromotor regulation of the contractile function of “fast” and “slow” muscles in rodents during spinal shock by spinal cord transection at the level Тh11–Тh12.

Methods. The experiments were carried out on laboratory rats weighing 140–180 g. The animals were divided into two groups: “Control” (8 rats) and “Spinal shock” (6 rats). The lower leg muscles, m. soleus and m. extensor digitorum longus (m. EDL), were dissected by partially isolating without disrupting the connection with the body's circulatory system. The sciatic nerve was stimulated with single electrical impulses (10 V, 0.5 ms). Contractions of both muscles caused by electrical stimulation of the sciatic nerve before and after the injection of the substances into the femoral artery — tubocurarine (1 mM) or norepinephrine (10 mM) — were recorded in animals of both groups. After spinalization, muscle contractions were re-recorded during electrical stimulation of the sciatic nerve before and 10 minutes after the injection of tubocurarine or noradrenaline into the femoral artery in the same concentrations.

Results. After spinalization of the animal, the contraction force of the muscle m. EDL fibers increased to 0.43±0.03 g (p=0.040), but the temporal parameters remained unchanged. M. soleus, on the contrary, showed a decrease in the contraction time to 0.053±0.005 s (p=0.045), and no change in the contraction force was observed under these conditions. Intra-arterial administration of norepinephrine in the control group resulted in an increase of m. soleus contractions up to 1.21±0.17 g (p=0.048), and m. EDL — up to 0.57±0.07 g (p=0.043). The administration of norepinephrine in spinalized animals caused an increase in the contraction of m. soleus up to 1.21±0.09 g (p=0.047), and m. EDL up to 0.66±0.05 g (p=0.043). The blocker of postsynaptic cholinergic receptors tubocurarine administration reduced the force of contraction of both muscle types in both control [m. soleus up to 0.39±0.03 g (p=0.039), m. EDL up to 0.11±0.02 g (p=0.042)] and spinalized [m. soleus up to 0.34±0.05 g (p=0.039), m. EDL up to 0.15±0.04 g (p=0.040)] animals.

Conclusion. The data obtained demonstrate the presence of significant differences in the mechanisms of control of contractile activity in the “fast” and “slow” skeletal muscles of warm-blooded animals; the persistence of the similar effect of the basic modulators on the contraction of both muscles with such a striking reaction to spinalization highlights the contribution of neurotrophic control to the functioning of “fast” and “slow” motor units.

Keywords

spinal shock, “fast” and “slow” skeletal muscles, isometric contraction, modulators of contractile activity

Full Text

Актуальность. Поиск лечения больных с травмами спинного мозга остаётся актуальным для медицины и биологии. Причём, естественно, основное внимание уделяют восстановлению двигательной функции. При этом нет данных о том, как меняются параметры самих мышечных сокращений после повреждения спинного мозга, хотя наличие этих изменений не подвергаются никакому сомнению [1–4]. Эти изменения должны обеспечиваться так называемой «нервной трофикой», под которой понимают нейрональные влияния, необходимые для поддержания нормальной жизнедеятельности иннервируемых структур: нейронов и соматических клеток [2, 5].

Термин «нервная трофика» не вполне точен, так как выделяемые нервными окончаниями и оказывающие трофическое влияние вещества не относятся к питательным субстратам и не обеспечивают питание клетки-мишени [5]. В большей степени они регулируют структурно-метаболические процессы, поэтому в последние годы наибольшее распространение получил термин «нейротрофический контроль» [2]. Под нейротрофическим контролем понимают управление, связанное со специальными трофическими факторами, образующимися в нейронах и иннервируемых структурах, — так называемыми нейротрофическими факторами [1–5].

При спинальном шоке происходит устранение влияния нейротрофических факторов. Спинальный шок возникает при различных травмах спинного мозга. И хотя механизмы этого посттравматического состояния до конца не выявлены [6–9], современная концепция развития спинального шока основана, в первую очередь, на работах Шеррингтона и его последователей [9–11]. Предполагают, что посттравматическое угнетение функций спинномозговых структур, лежащих ниже места повреждения, во многом бывает результатом снятия возбуждающего влияния нейронов супраспинальных отделов центральной нервной системы (ЦНС), что в конечном итоге и приводит к изменению эффективности синаптической передачи в двигательных единицах [11].

Исходя из гетерогенности скелетных мышц по многим морфологическим и функциональным признакам, мы можем предположить различный ответ «быстрых» и «медленных» двигательных единиц теплокровных на повреждение спинного мозга.

Цель данной работы — изучение влияния спинального шока на амплитудные и временны́е параметры сокращения «быстрой» m. extensor digitorum longus (m. EDL) и «медленной» m. soleus скелетных мышц голени крысы.

Материал и методы исследования. Все исследования осуществляли по разрешению локального этического комитета Казанского государственного медицинского университета (протокол № 10 от 23.12.2014).

Эксперименты проводили на лабораторных крысах с массой тела 140–180 г.

Для наркотизации использовали масляный раствор эфира [12, 13]. Мышцы голени — m. soleus и m. EDL — подготавливали к проведению эксперимента in situ: частично выделяли без нарушения связи с системой кровообращения организма по нашей оригинальной методике [12]. Седалищный нерв отсепаровывали без нарушения иннервации мышц голени, после чего бедренную артерию катетеризировали.

К нерву подводили стимулирующий погружной электрод (на который подавали одиночные прямоугольные электрические импульсы напряжением 10 В и длительностью 0,5 мс). Сокращение мышцы регистрировали помощью мини-лаборатории PowerLab фирмы ADInstruments, анализ сокращения осуществляли по его силе и длительности [13].

Все эти операции проводили как над первой («Контроль», состоящей из 8 крыс), так и над второй («Спинальный шок», состоящей из 6 крыс) группами животных. Количество животных в обеих группах соответствует расчётному объёму выборки при заданных значениях надёжности (95%) и точности.

Ламинэктомию и последующую перерезку осуществляли во второй группе животных на уровне Тh₁₁–Тh₁₂ по методу перерезки спинного мозга МакДауэлла [7]. Животное помещали в механомиографическую установку, дистальные сухожильные концы мышц с помощью лигатур фиксировали к изометрическим датчикам силы сокращения.

Сокращения обеих мышц, вызванные электростимуляцией седалищного нерва до и после введения в бедренную артерию веществ — тубокурарина (1 мМ) или норадреналина (10 мМ) (Tocris Cookson и Research Biochemicals International, USA) — регистрировали у животных как первой, так и второй групп [11].

После спинализации повторно регистрировали сокращения мышц при электростимуляции седалищного нерва до и через 10 мин после введения в бедренную артерию тубокурарина или норадреналина в прежних концентрациях.

Механомиографические эксперименты на m. soleus и m. EDL крысы анализировали с использованием ANOVA. За достоверный принимался уровень значимости менее 0,05. Экспериментальные данные представлены в виде среднего арифметического ± стандартной ошибки среднего.

Результаты. Кривые сокращения m. soleus и m. EDL крыс первой, контрольной группы представлены слева на рис. 1. Сила сокращения m. soleus составила 0,80±0,05 г, время сокращения — 0,078±0,005 с; сила сокращения m. EDL — 0,31±0,02 г, время сокращения — 0,032±0,003 с.

Рис. 1. Влияние спинального шока на параметры сокращения m. extensor digitorum longus (m. EDL) и m. soleus крысы (представлены отдельные репрезентативные треки)

Введение норадреналина животным первой группы увеличивало силу, но не время сокращения m. soleus до 1,21±0,17 г (p=0,048), а у m. EDL — до 0,57±0,07 г (p=0,043). Введение тубокурарина крысам первой группы снижало силу сокращения m. soleus до 0,39±0,03 г (p=0,039), m. EDL — до 0,11±0,02 г (p=0,042). Временны́е параметры сокращения при этом также не отличались от таковых до введения агентов.

Как показано справа на рис. 1, у животных второй группы (с повреждением спинного мозга) сила сокращения m. soleus не отличалась от первой группы (0,830±0,084 г), а время сокращения при этом уменьшалось до 0,053±0,005 с (p=0,045). Сила сокращения m. EDL животных второй группы (см. рис. 1) возрастала до 0,43±0,03 г (p=0,040), время сокращения при этом не менялось (0,036±0,005 с).

Динамика силы и длительности сокращения обеих мышц при влиянии норадреналина и тубокурарина у животных второй группы сохранялась. Норадреналин увеличивал силу сокращения у обеих мышц: у m. soleus до 1,21±0,09 г (p=0,047), у m. EDL до 0,66±0,05 г (p=0,043). Тубокурарин снижал силу сокращения обеих мышц: m. soleus до 0,34±0,05 г (p=0,039), m. EDL до 0,15±0,04 г (p=0,040).

Обсуждение. Итак, нами были проведены сравнительные эксперименты на «быстрых» m. EDL и «медленных» m. soleus мышцах грызунов. Скелетные мышцы составляют гетерогенную популяцию, и среди них различают «быстрые» и «медленные», различающиеся силой, скоростью сокращения и, соответственно, качественным составом сократительных белков [1, 2].

Известно, что различные характеристики скелетных мышц находятся под контролем со стороны нервной системы — «феномен нейротрофического контроля» [3, 4]. Такой контроль осуществляется двигательными нейронами при помощи низкомолекулярных факторов, синтезируемых в α-мотонейронах и доставляемых к мышце аксональным транспортом, а также реализуется за счёт специфического для каждого вида мышц паттерна импульсной активности.

Вместе с тем, нет однозначного ответа о возможной роли вышестоящих отделов ЦНС в реализации нейротрофического контроля. Неясно, какую роль играют в такой регуляции ассоциативные нейроны, хотя знание о возможном вкладе таких нейронов в реализацию нейротрофического контроля чрезвычайно важны для клиники, особенно в той её части, которая связана с травмами спинного мозга [1–4]. Недостаточная исследованность последствий повреждения спинного мозга связана с недостаточной информацией о взаимосвязанных изменениях параметров самих мышечных сокращений после спинального шока.

Спинальный шок — обусловленное травмой состояние временного угнетения рефлекторной деятельности спинного мозга, которое описывают при различных вариантах его разрушения. В наших исследованиях при выборе экспериментальной модели спинального шока мы, руководствуясь необходимостью полного разрушения спинного мозга, остановились на его анатомической перерезке [7, 11]. Такая модель обеспечивает наступление наиболее полного и продолжительного спинального шока, который характеризуется, в том числе, и резким изменением тонуса мускулатуры парализованных конечностей [5, 14].

Результаты проведённых нами исследований свидетельствуют о том, что повреждение спинного мозга изменяет характер мышечной деятельности. Так, спинализация вызывала у «медленной» m. soleus увеличение скорости, а у «быстрой» m. EDL — силы сокращения. Было обнаружено, что «быстрые» и «медленные» мышцы интактных крыс, одинаково реагирующие на норадреналин и тубокурарин, по-разному отвечают на повреждение спинного мозга. Это позволяет говорить о более глубоких, чем предполагали ранее, различиях между ними, которые заключаются не только в различиях по качественному составу сократительных белков, но и в чувствительности к нарушению нейротрофического контроля.

Оценивая результаты собственных исследований, мы опирались на следующие положения. Общепринято, что нейротрофический контроль различных скелетных мышц осуществляется мотонейронами при помощи трофических факторов, доставляемых к мышечным волокнам посредством аксонального транспорта, и реализуется за счёт импульсной активности. Вклад каждого из вышеперечисленных компонентов в реализацию нейротрофического контроля скелетной мышцы изучен достаточно подробно [10, 15]. Вместе с тем, очевидно, что нейротрофический контроль скелетных мышц, не ограничиваясь вкладом двигательных нейронов, включает и нервные клетки вышележащих отделов ЦНС [2, 6]. Вклад вышеперечисленных клеток в нейротрофический контроль различных скелетных мышц неоднозначен [1–4] и до сих пор остаётся мало исследованным.

Итак, найдены существенные различия в сократительной деятельности «быстрых» и «медленных» скелетных мышц теплокровных при спинализации. Почему спинализация вызывала у m. soleus увеличение скорости, а у «быстрой» m. EDL — силы сокращения? Как можно судить даже из самих названий, в норме «медленная» мускулатура уступает быстрой в скорости, а «быстрая» — в выносливости. Представленные в данной статье результаты исследований позволяют говорить о том, что за эту специфику отвечает в первую очередь нейротрофический контроль. И действительно, подобное отмечали ранее даже в более специфически отличающихся от исследуемых здесь нами фазных мышц «тонической» мускулатуры [16].

Денервация от «тонических» нервов и последующая первоначальная реиннервация более быстро растущими «фазными» аксонами приводят к тому, что тоническая мышца утрачивает свои специфические свойства и сокращается как фазная [17], что, правда, не сопровождается образованием типичной по морфологии «фазной» нервной терминали [18]. Также при «подшивании» к тонической мышце не содержащего «тонических» аксонов нерва от фазной мышцы тоническая мышца теряла свой специфический компонент сокращения на всё время наблюдения (до 15 мес) [17]. Таким образом, можно предположить, что выраженность «быстрого» и «медленного» функционирования при спинализации «сглаживается», и характер контрактильной активности становится более усреднённым.

Тем не менее, по-видимому, для ответа на поставленные вопросы необходимо проведение дальнейших исследований.

Выводы

1. Полученные данные демонстрируют наличие существенных различий в механизмах контроля сократительной деятельности у «быстрых» и «медленных» скелетных мышц теплокровных.

2. Сохранение сходного влияния базовых модуляторов на сокращение обеих мышц при столь разительной реакции на спинализацию оттеняет вклад нейротрофического контроля в функционирование «быстрых» и «медленных» двигательных единиц.

Участие авторов. А.Е.Х. и А.Р.Ш. проводили исследования; А.А.Е. и Н.М.К. отвечали за сбор и анализ результатов; А.Ю.Т. отвечал за содержание и предэкспериментальные операции с животными; В.В.В. и С.Н.Г. — руководители работы.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ №19-04-01067.