БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 5, с. 1021-1029

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 612.816

СИНАПТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГИПОГРАВИТАЦИОННОГО

ДВИГАТЕЛЬНОГО СИНДРОМА

Казанский государственный медицинский университет, 420012, Казань, ул. Бутлерова, 49

*Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18

E-mail: sgrishin@inbox.ru

Поступила в редакцию 07.06.2019 г.

После доработки 07.06.2019 г.

Принята к публикации 08.07.2019 г.

Представлен обзор данных по исследованиям влияния гипогравитации на функционирование

нервно-мышечной системы. Как известно, пребывание в состоянии микрогравитации вызывает

целый ряд реакций нейромоторного аппарата, объединяемых в так называемый «гипогравитацион-

ный двигательный синдром». Несмотря на большое количество публикаций, посвященных патоге-

незу гипогравитационного двигательного синдрома, представления о его двигательных нарушениях

в основном связаны с изменением морфофункциональных характеристик скелетных мышц. Одна-

ко при рассмотрении приведенных в настоящем тексте данных по всему комплексу знаний о про-

цессах, происходящих в двигательных единицах при условиях, близких к невесомости, не менее

важным звеном представляется синаптический переход.

Ключевые слова: двигательные единицы, гипогравитация, нервно-мышечный синапс, моторный кон-

троль, мышечное сокращение, невесомость, ортостатическая разгрузка.

DOI: 10.1134/S0006302919050260

в большей степени ответственное за адаптацию

Гравитация сыграла существенную роль в эво-

двигательных единиц к опорной разгрузке.

люции функциональных систем наземных жи-

вотных и человека, в частности, двигательного

Для возможного определения этого гипотети-

аппарата [1-6]. В настоящее время известно, что

ческого ключевого звена мы решили свести вме-

в условиях ограничения действия силы тяжести

сте данные по исследованиям влияния гипогра-

существенно изменяются интегральные свойства

витации на параметры мионевральной передачи

мышечной системы и отдельных мышечных

и сокращения различных типов скелетных мышц.

При написании данного обзора по особенностям

групп (сила, работоспособность), а также элемен-

функционирования фазных двигательных еди-

тарные характеристики мышц (тонус, объем,

ниц холоднокровных и теплокровных в условиях

структура сократительного аппарата, его энерге-

гипогравитации мы привлекли результаты соб-

тический потенциал) [7-19].

ственных исследований по электронейромиогра-

Исследования двигательной сферы в невесо-

фии и механомиографии грызунов с опорной раз-

грузкой задних конечностей.

мости и моделирующих ее условиях (гипокине-

зия, иммерсия, безопорные стенды [20,21]) пока-

зали, что обусловленный этими условиями, т.е.

ГИПОГРАВИТАЦИЯ

невесомостью либо ее имитацией, гипогравита-

И МОТОРНЫЙ КОНТРОЛЬ

ционный двигательный синдром характеризуется

наличием изменений во всех звеньях двигатель-

Можно полагать, что гипогравитационные па-

ной системы [22-25]. Было показано, что элек-

тологические сдвиги обусловлены изменением

трическая активность камбаловидной мышцы

состояния нервных структур, в особенности спи-

крысы резко менялась уже через 20 с воздействия

нальных. В экспериментах с опорной разгрузкой

нижних конечностей установлены такие функци-

микрогравитации [26]. Вместе с тем в указанных

ональные изменения в поясничном отделе спин-

работах осталось невыявленным ключевое звено,

ного мозга, как повышение рефлекторной возбу-

Сокращения: М-ответ

- моторный ответ, Н-ответ

димости мотонейронов [27], снижение уровней

рефлекторный ответ.

мРНК, общего белка и другие, что указывает на

1021

1022

ХАЙРУЛЛИН и др.

вовлеченность центральных структур в развитие

вероятно, свидетельствует о повышении возбуди-

симптомов гипогравитационного двигательного

мости аксонов соответствующих спинальных мо-

синдрома [28,29]. Одной из вероятных причин

тонейронов. Возрастание амплитуды моторных

изменения морфофункционального состояния

потенциалов при сверхмесячном выдерживании,

мотонейронов могут быть сдвиги в характере вза-

по-видимому, обусловлено повышением син-

имодействий между нейронами и глией [30]. По-

хронности реакции двигательных единиц на сти-

ведение глии при гипогравитации и ее возможная

мул в результате их реорганизации после измене-

роль в развитии гипогравитационного двигатель-

ний условий моторики. Показано, что при функ-

ного синдрома остается неясной.

циональных сдвигах в работе нервно-мышечного

аппарата может происходить не только снижение

Показано, что внутриаксонный синтез белка и

числа функционирующих двигательных единиц

антероградный аксональный транспорт влияют

по сравнению с нормой, но и его повышение [36].

на характер активности в нервной терминали;

У обследуемых в условиях иммерсионной гипо-

при этом на модели опорной разгрузки нижних

кинезии при реализации движения могут рекру-

конечностей обнаружено, что изменения в ске-

тироваться новые двигательные единицы, а

летных мышцах не связаны с гибелью нейронов

задействованные - увеличивать частоту импуль-

или дегенерацией их отростков [31].

сации [37]. Кроме того, известно влияние грави-

Нейроморфологическое исследование выяви-

тационной разгрузки на качественный состав

ло паталогические изменения нервных клеток в

мышцы: в этих условиях часть медленных воло-

ганглиях спинномозговых нервов и мотонейро-

кон превращается в быстрые за счет изменений

нов спинного мозга крыс после пребывания в

интенсивности экспрессии соответствующих ге-

условиях невесомости и после антиортостатиче-

нов [38]. Процессы, развивающиеся в мышце, как

ского вывешивания. Выявленные структурные

предполагается, тесно связаны с параметрами ре-

изменения были более выражены после воздей-

флекторных реакций. Данное заключение полно-

ствия реальной гипогравитации, чем после экс-

стью подтверждается результатами изучения ха-

периментов, моделирующих эффекты невесомо-

рактеристик рефлекторного ответа (Н-ответа)

сти на Земле при одинаковой продолжительности

икроножной мышцы. Порог Н-ответа икронож-

[32].

ной мышцы крысы снижался, достигая своего

Электромиографическое исследование позво-

минимального значения к двум неделям антиор-

ляет с большой степенью точности изучить дина-

тостатического вывешивания. В дальнейшем на-

мику реорганизации двигательных единиц, дает

блюдали незначительную позитивную коррек-

возможность судить о функциональном состоя-

цию этого параметра. При этом выявили двукрат-

нии любого звена в сложной цепи взаимодей-

ный прирост амплитуды Н-ответа икроножной

ствия различных элементов нейромоторного ап-

мышцы крысы уже после первой недели антиор-

парата - мотонейрона, его аксона, нервно-мы-

тостатического вывешивания, который сохра-

шечной передачи и мышечных волокон [33]. В

нялся вплоть до трех недель с небольшим сниже-

проведенных нами экспериментах обнаружено,

нием к сверхмесячному антиортостатическому

что при моделировании гравитационной разгруз-

вывешиванию.

ки параметры регистрируемых в икроножной

Н-ответ моделирует моносинаптическое про-

мышце электрических потенциалов, вызванных

ведение через ЦНС сигналов, функционально

стимуляцией седалищного нерва, отличались от

важных для реализации двигательной функции и

таковых, регистрируемых при исследовании ин-

используется для оценки рефлекторной возбуди-

тактных животных. Было показано снижение по-

мости спинальных мотонейронов [39]. Показан-

рога моторного ответа (М-ответа) икроножной

ные в ходе эксперимента изменения параметров

мышцы крысы после недели воздействия микро-

Н-ответа икроножной мышцы (снижение порога

гравитации, которое усугубилось к двум неделям

и увеличение амплитуды) указывают на повыше-

и достигло трети от исходного значения. В даль-

ние возбудимости мотонейронов соответствую-

нейшем наблюдали неполное восстановление

щего двигательного центра. В исследованиях, вы-

этого параметра. Амплитуда М-ответа икронож-

полненных после длительных космических поле-

ной мышцы крысы постепенно увеличивалась и к

тов, у большинства членов экипажей также

сверхмесячному выдерживанию выросла на

выявлялись признаки резкого облегчения в си-

треть.

стеме спинальных рефлекторных механизмов,

проявлявшиеся существенным снижением поро-

В исследованиях с участием людей при моде-

гов, увеличением амплитуды и расширением ре-

лировании гипогравитации описаны изменения

флексогенной зоны ахиллова Т-рефлекса, а в не-

электромиографических параметров, характери-

которых случаях - появлением клонической ак-

зующих состояние центральных и перифериче-

ских звеньев двигательной системы [34,35]. Об-

тивности [40].

наруженное в проведенных нами экспериментах

Была дана оценка значения отношения макси-

снижение порога М-ответа икроножной мышцы,

мальных амплитуд Н- и М-ответов икроножной

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

СИНАПТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

1023

мышцы. Обнаружено, что значение Н_max/M_max,

ящий момент не получено. Тем не менее можно

определяемое на всех исследуемых сроках воз-

обобщить, что в условиях гравитационной раз-

действия микрогравитации, увеличивалось по

грузки, наряду с изменениями функционального

сравнению с результатами, полученными в кон-

состояния скелетных мышц, происходит преоб-

трольной серии экспериментов. Полученные

разование рефлекторной активности соответ-

данные согласуются с тем наблюдением, что че-

ствующих двигательных центров. Очевидно, что

рез семь суток воздействия сухой иммерсии ам-

перестройка в системе спинальных рефлектор-

плитуда Н-ответа камбаловидной мышцы испы-

ных механизмов является адаптивной и направ-

тателей-добровольцев, нормированная к макси-

лена на компенсацию генерализованого сниже-

мальной амплитуде М-ответа, также достоверно

ния афферентной информации, в том числе и с

повышалась [41]

рецепторов опоры, возникающего при длитель-

ном нахождении в невесомости.

Отношение максимальных амплитуд Н- и М-

ответов считается точным показателем, отражаю-

щим количество возбуждаемых альфа-мотоней-

ВЛИЯНИЕ ГИПОГРАВИТАЦИИ

ронов при афферентной стимуляции [42]. Резуль-

НА НЕРВНО-МЫШЕЧНУЮ ПЕРЕДАЧУ

таты проведенных нами экспериментов свиде-

Химический мионевральный синапс, по-

тельствуют об увеличении пула мотонейронов

средством которого, как известно, осуществля-

спинального двигательного центра, реагирующе-

ется передача возбуждения с окончания мото-

го на афферентную стимуляцию и сужении под-

нейрона на постсинаптическую область мы-

пороговой каймы.

шечного волокна позвоночных, достаточно

Увеличение рефлекторной возбудимости мо-

хорошо изучен. Различают неквантовую, спон-

тонейронов при гравитационной разгрузке свя-

танную и вызванную квантовые секреции аце-

зывают с уменьшением размеров сомы нейрона и

тилхолина в синаптическую щель [49,50]. При

преобразованием уровня пресинаптического тор-

этом имеется масса свидетельств, что каждый из

можения [43]. Данное объяснение не является

перечисленных видов секреции ацетилхолина

единственно возможным. В ряде исследований

оказывает влияние на фенотипические свойства

показано, что моделирование гипогравитации

скелетных мышц [51-55].

может приводить к денервационно-подобным

Рядом авторов было показано, что функцио-

перестройкам [44].

нальная разгрузка скелетных мышц (при косми-

Еще в 1949 г. было обнаружено [45], что при

ческом полете и моделировании его эффектов на

перерезке нерва денервированная часть клеток-

Земле, а также при иммобилизации) сопровожда-

мишеней может становиться более чувствитель-

ется нарушением нервно-мышечной передачи

ной к оставшемуся афферентному входу. Подоб-

[56-60].

ное явление известно, как «закон денервации».

При изучении состояния

«медленных» и

Денервационная суперчувствительность может

«быстрых» мышц у взрослых крыс после косми-

вести к увеличению рефлекторной активности

ческого полета была выявлена деградация и рас-

[46]. В условиях антиортостатического вывеши-

пад части нервно-мышечных синапсов [10,61].

вания происходит нарушение опорной чувстви-

Дегенерирующие нервные терминали содержали

тельности, которой отводится большая доля уча-

меньше нормальных синаптических везикул и

стия в двигательном контроле. В частности, уста-

были заполнены мембранными и филаментными

новлено, что опорная афферентация выполняет

фрагментами. Шванновские клетки окутывали

роль триггера в системе позно-тонических реак-

дегенерирующие нервные терминали, при этом

ций [6].

перисинаптическая область была зачастую лише-

Механические раздражения стопы ограничи-

на этих элементов. У крыс после двухнедельного

вают или предотвращают изменения в скелетных

космического полета было выявлено значитель-

мышцах в условиях гипогравитации [47,48]. Раз-

ное снижение количества, либо полное отсут-

дражение механорецепторов подошвы стоп в

ствие синаптических везикул в терминалях нерв-

условиях сухой иммерсии предотвращало разви-

но-мышечных синапсов, а также наличие дегене-

тие гиперрефлексии [41]. Вероятно, обнаружен-

ративных изменений и процессов спраутинга

ное в проведенных экспериментах увеличение

[62].

возбудимости мотонейронов икроножной мыш-

Активность ацетилхолинэстеразы. Патогенез

цы является следствием ограничения афферент-

гипогравитационного двигательного синдрома

ного притока, в том числе и опорного, а также

включает в себя нарушение механизмов регуля-

адаптацией центральной нервной системы к но-

ции и саморегуляции экзоцитоза медиатора. Оце-

вым условиям двигательной активности.

нена активность ацетилхолинэстеразы, фермен-

Что касается медленной мышцы, эксперимен-

та, принимающего участие в расщеплении аце-

ты на m. soleus крысы в данное время нами только

тилхолина. Было показано, что активность

еще проводятся и однозначных данных на насто-

ацетилхолинэстеразы увеличилась в m. soleus

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

1024

ХАЙРУЛЛИН и др.

крысы в два с половиной раза, а в m. extensor digi-

го компонента в результате изменения в коли-

torum longus (m. EDL) изменения активности аце-

чественном соотношении противопотоков ос-

тилхолинэстеразы отсутствовали [63]. Эти дан-

новных потенциалобразующих ионов, осуществ-

ные указывают на возможность изменений в про-

ляемых при участии работы Na⁺,K⁺-АТФазы

цессах, обеспечивающих синтез и деградацию

мышечной мембраны. В частности, было уста-

ацетилхолинэстеразы, что может повлечь преоб-

новлено подавление электрогенного вклада уаба-

разования в работе синаптического аппарата при

ин-чувствительной изоформы 2 Na⁺,K⁺-АТФа-

передаче возбуждения с нерва на мышечное во-

зы, что является основной причиной деполяриза-

локно.

ции мембраны мышечных волокон после трех

С другой стороны, показано, что моделируе-

суток вывешивания и к тому же может являться

мая микрогравитация приводит к уменьшению

фактором накопления ионов кальция в миоплаз-

активности фермента ацетилхолинэстеразы в

ме мышечных волокон, например, за счет актива-

нервно-мышечных соединениях крыс после трех

ции части потенциал-чувствительных Са²⁺-кана-

недель эксперимента, что может быть обусловле-

лов L-типа [68,70].

но снижением функциональной активности мо-

Неквантовая секреция. Изменяющая мембран-

тонейронов [64].

ный потенциал покоя молекулярная, неквантовая

Уровень мембранного потенциала покоя. Уро-

секреция оценивается по гиперполяризации, по-

вень мембранного потенциала покоя мышечных

лучаемой в присутствии блокаторов постсинапти-

волокон является одним из основных фенотипи-

ческих рецепторов - «Н-эффекту» [71,72].

ческих признаков различных функциональных

Исследования по оценке влияния моделиро-

типов мышечных волокон и, что особенно важно,

вания микрогравитации на параметры как не-

имеющим непосредственное отношение к про-

квантовой, так и квантовой секреции проводи-

цессу передачи возбуждения на сократительный

лись в лаборатории Е.Е. Никольского (Казанский

аппарат [49]. Стационарный уровень потенциала

институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН,

покоя, так же как и мышечная масса, находится

Казань). После семи суток антиортостатического

под нейротрофическим контролем со стороны

вывешивания не было отмечено каких-либо из-

двигательных нейронов [65,66]. При моделирова-

менений величины Н-эффекта ни в медленной

нии воздействия невесомости методом антиорто-

(m. soleus), ни в быстрой (m. EDL) мышцах крысы

статического вывешивания было выявлено сни-

(таблица). Однако после месяца опорной разгруз-

жение мембранного потенциала покоя в m. soleus

ки задних конечностей было установлено увели-

крысы [67,68].

чение Н-эффекта в полтора раза [73]. Это увели-

Было установлено, что при кратковременном

чение неквантовой секреции должно приводить к

пребывании в условиях антиортостатического

большей десенситизации постсинаптических н-

вывешивания снижение мембранного потенциа-

холинорецепторов.

ла покоя обусловлено увеличением проводимо-

Спонтанная квантовая секреция. У животных,

сти сарколеммы для Na⁺ за счет увеличения экс-

содержащихся в условиях антиортостатического

прессии Na⁺-каналов. Через одну неделю опор-

вывешивания, были выявлены сдвиги спонтан-

ной квантовой секреции медиатора из двигатель-

ной разгрузки плотность Na⁺-каналов на

ных нервных окончаний, иннервирующих волок-

постсинаптической мышечной мембране увели-

на разного типа [73].

чилась в два раза, а через три недели - в три раза,

достигнув, таким образом, более половины зна-

Электрофизиологической характеристикой

чения плотности каналов на мембране быстрой

спонтанной квантовой секреции медиатора

мышцы. Не имея достаточной компенсации по-

обычно является частота возникновения миниа-

тюрных потенциалов концевой пластинки [50].

средством усиления работы Na⁺,K⁺-насоса, уве-

После недели опорной разгрузки задних конеч-

личение плотности натриевых каналов постси-

ностей наблюдалось уменьшение на одну пятую

наптической мышечной мембраны может сильно

частоты возникновения миниатюрных потенциа-

изменять сократительные свойства, в частности,

лов концевой пластинки в синапсах медленной

увеличивать утомляемость мышечных волокон

мышцы (m. soleus), но не быстрой (m. EDL - см.

антигравитационных мышц. Эта причина может

таблицу) [73].

быть одним из составляющих компонентов, вно-

сящих вклад в снижение двигательной способно-

Увеличение срока антиортостатического вы-

сти и нарушение процесса поддержания позы у

вешивания до месяца восстанавливало исходную

космонавтов после пребывании в космосе, или во

частоту возникновения миниатюрных потенциа-

время длительной иммобилизации [69]. Дальней-

лов концевой пластинки и даже увеличивало на

шие исследования продемонстрировали, что ос-

одну пятую. Что касается быстрой мышцы

новным механизмом уменьшения мембранного

(m. EDL), то в ее синапсах после месячной анти-

потенциала покоя является утрата электрогенно-

ортостатической разгрузки наблюдается почти

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

СИНАПТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

1025

Влияние различных сроков гипогравитации на параметры нервно-мышечной передачи и силу сокращения ске-

летных мышц

Уровень

Величина

Сила

Время

Амплитуда

Частота спонтанной

неквантовой

вызванной

одиночного

М-ответа

Н-ответа

секреции медиатора

секреции

квантовой секреции

сокращения

быстрая

медленная

быстрая

медленная

быстрая

медленная

быстрая

медленная

быстрая

медленная

быстрая

мышца

1 неделя

Почти

↑

Не меняется

↓

Не меняется

↓

↑↑↑

не меняется

2 недели

↑

↑↑

Нет данных

↓↓

↑↑↑

↓↓↓

3 недели

↑↑

↑↑↑

Нет данных

↓↓

↑↑↑

Месяц

↑↑↑

↑↑↑↑

↑

↑↑↑↑

↓↓↓

↑↑

↑↑↑

двойное увеличение частоты миниатюрных по-

ВЛИЯНИЕ ГИПОГРАВИТАЦИИ

тенциалов. Несмотря на изменения частоты ми-

НА ПАРАМЕТРЫ СОКРАЩЕНИЯ

ниатюрных потенциалов концевой пластинки,

Решению вопроса о способности постсинап-

характер распределения гистограмм межим-

пульсных интервалов спонтанных сигналов оста-

тической мембраны генерировать потенциал дей-

вался неизменным во всех исследуемых группах

ствия в физиологическом диапазоне частот мо-

[73].

жет способствовать оценка параметров сократи-

тельных ответов мышц у объектов, находившихся

Вызванная квантовая секреция. На препаратах

в условиях микрогравитации.

быстрых мышц, взятых у крыс различных сроков

гравитационной разгрузки, не было достоверных

При обследовании членов космических экспе-

различий в параметрах вызванной квантовой сек-

диций [74-76] выявили существенные изменения

реции [73].

сократительных свойств скелетных мышц пре-

После недели антиортостатического вывеши-

имущественно выраженные в мышцах, участвую-

вания в m. soleus количество квантов (высчитыва-

щих в поддержании позы. В исследованиях ско-

емое путем деления площади вызванных постси-

ростно-силовых характеристик мышц астронав-

наптических потенциалов на площадь спонтан-

тов, выполнявшихся на борту космической

ных) уменьшалось на одну пятую; после месяца -

станции «МИР», максимальная сила экстензоров

на одну треть от контрольных значений [73]. Вы-

бедра и голени снизилась на 40% и более в первые

явленный факт снижения квантового состава в

же недели пребывания в невесомости, причем у

синапсах m. soleus вполне согласуется с указан-

одного из членов экипажа существенные потери

ным нами ранее уменьшением экспрессии аце-

силы были зарегистрированы уже на вторые сут-

тилхолинэстеразы и может являться причиной

ки полета. Аналогичная скорость изменений

нарушения передачи возбуждения с нерва на

функциональных свойств скелетных мышц была

мышцу.

отмечена также в экспериментах с моделирова-

Однако не был получен ответ на вопрос: связа-

нием эффектов невесомости на Земле [77-80].

но ли нарушение двигательной функции при

Выяснилось, что семисуточное пребывание в

опорной разгрузке с нарушением проведения

иммерсии, как и в космическом полете, сопро-

возбуждения с нерва на скелетную мышцу в усло-

вождалось снижением силовых показателей трех-

виях высокочастотной ритмической активности?

главой мышцы голени в среднем на треть, корре-

Поэтому далее изучали функционирование си-

лируя при этом со снижением жесткостных мы-

наптического аппарата при ритмической стиму-

шечных характеристик [81]. Было показано, что

ляции нерва (от 10 до 100 имп/с). В ходе проведе-

при погружении в иммерсионную безопорную

ния экспериментов установлено, что в синапсах

среду тонус экстензоров стремительно падал: по-

как быстрой, так и медленной мышц ритмиче-

перечная жесткость трехглавой мышцы голени

ская стимуляция нерва не приводила к трансфор-

через 48 ч после погружения в воду снижалась по-

мации ритма последовательных потенциалов

чти наполовину [82].

концевой пластинки в исследуемом диапазоне

частот [73]. Этот факт свидетельствует о сохране-

Наконец, нами осуществлена непосредствен-

нии достаточно высокой лабильности синапсов.

ная регистрация контрактильных ответов быст-

Однако остается открытым вопрос о способности

рых и медленных мышц крыс с ортостатической

постсинаптической мембраны генерировать по-

разгрузкой задних конечностей [83]. Осуществля-

тенциал действия.

ли одновременную регистрацию in vivo [84,85]

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

1026

ХАЙРУЛЛИН и др.

кривых сокращения скелетных мышц различных

ных наряду с начальным увеличением амплитуды

типов.

суммированных сокращений наблюдалась быст-

роразвивающаяся характерная пессимальная

У крыс, подвергнутых разгрузке задних конеч-

картина спада, что коррелирует с уменьшением

ностей, уже через неделю более чем в два раза рез-

времени одиночного сокращения и позволяет

ко увеличивалась сила одиночных сокращений

объяснить, как наряду с увеличением силы оди-

икроножной мышцы. Усиление сокращений

ночного мышечного сокращения может наблю-

устойчиво наблюдалось далее на всех сроках вы-

даться общая картина мышечной атонии. Похо-

вешивания.

жую картину можно предположить и в послепо-

Существуют исследования, показавшие, что

летном состоянии космонавтов

[97]. Анализ

глубина снижения скоростно-силовых свойств в

тетанусов, вызванных непрямым и прямым раз-

условиях микрогравитации существенно разнит-

дражениями (см. рисунок), показал, что в случае

ся, будучи более выраженной в медленных мыш-

вывешивания тетанусы можно привести к опти-

цах [86,87]. В наших экспериментах [83] камбало-

мальному виду при непосредственной стимуля-

видная мышца в целом повторила эффект потен-

ции скелетной мышцы, что указывает на синап-

циации силы сокращений икроножной мышцы.

тический компонент наблюдаемых эффектов.

Сохраняя значительно превышающие контроль

Эксперименты с участием астронавтов и ис-

значения, динамика изменений силы сокраще-

следования на животных продемонстрировали,

ния носила отчетливый двухфазный характер: к

что максимальная скорость сокращения мышц

двум и, далее, трем неделям вывешивания сила

голени увеличивается в результате космического

сокращений продолжала увеличиваться, а при

полета [97-100]. У крысы уже через трое суток ан-

дальнейших сроках вывешивания несколько сни-

тиортостатического вывешивания наблюдалось,

жалась. При этом сила сокращений камбаловид-

по сравнению с контролем, достоверное умень-

ной мышцы крыс с трехнедельным вывешивани-

шение времени нарастания одиночного сокраще-

ем достоверно отличалась не только от контроль-

ния m. soleus до пика и времени полурасслабления

ных значений, но и от соответствующих значений

[101]. Наблюдаемое ускорение сокращений, воз-

на сроках в одну и пять недель гравитационной

можно, связано с перестройкой сократительного

разгрузки. В неполной схожести динамики изме-

аппарата на молекулярном уровне, включающей

нений силы сокращений разных мышц, на наш

снижение экспрессии тяжелых цепей миозина

взгляд, проявляются отличия организации быст-

медленного типа и увеличение экспрессии тяже-

рых и медленных двигательных систем.

лых цепей миозина быстрого типа [102,103]. В то

Что касается изменения формы кривой оди-

же время авторы работы [97] заключают, что уве-

ночного мышечного сокращения, подобное так-

личение скорости сокращения мышц, вызванное

же было нами обнаружено в условиях гипотермии

космическим полетом, связано с увеличением

[88,105-106] и иммобилизации

[89]. Вообще,

скорости отдельных типов волокон, а не только

неоднократно отмечено, что эффекты гравитаци-

результатом повышенной экспрессии быстрого

онной разгрузки на свойства и характеристики

типа миозина. Невесомость вызывает избира-

различных звеньев двигательного аппарата во

тельную потерю основных сократительных бел-

многом соответствуют эффектам гипокинезии

ков, при этом снижение содержания актина

другого характера (иммобилизация, денервация,

выше, чем миозина. Последнее может способ-

деафферентация, длительный постельный ре-

ствовать увеличению скорости сокращения мы-

жим) [44, 90-96].

шечных волокон [104].

Возникает вопрос: как полученные данные о

потенциации мышечных усилий согласуются с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

явлением мышечной атрофии у вывешенных жи-

вотных, а также людей, вернувшихся с орбиталь-

Общепринято, что пребывание в невесомости,

ных станций [74-76]?

реальной и моделируемой, закономерно сопро-

вождается глубоким снижением сократительных

Чтобы адекватно оценить способность пост-

свойств и выносливости мышечного аппарата

синаптической мембраны генерировать потенци-

[74,75]. Однако при оценке влияния ортостатиче-

ал действия в физиологическом диапазоне ча-

стот, нами были проведены следующие серии

ской разгрузки нижних конечностей на ампли-

экспериментов. При увеличении сроков вывеши-

тудно-временные параметры изометрического

сокращения нами выявлено, что в условиях гипо-

вания вплоть до трех недель наблюдалось увели-

гравитации увеличивалась сила одиночного со-

чение частоты слияния сокращений икроножной

кращения.

и камбаловидной мышц. Дальнейшее увеличение

сроков гравитационной разгрузки не сопровож-

Возникший вопрос о том, как полученные

далось изменением частоты слияния сокращений

данные о потенциации мышечных усилий согла-

этих мышц. При сравнении кривых тетанических

суются с состоянием мышечной слабости выве-

сокращений у интактных и у вывешенных живот-

шенных животных, а также людей, вернувшихся с

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

СИНАПТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

1027

Тетанические сокращения икроножной и камбаловидной мышц при двухнедельном сроке вывешивания, вызванные

прямым (а) и непрямым (б) раздражением (репрезентативные данные одного из типовых экспериментов серии).

орбитальных станций, решается, на наш взгляд,

Представленные в настоящем обзоре совре-

сравнением кривых тетанических сокращений у

менные данные о процессах, происходящих в

интактных и у вывешенных животных. У послед-

двигательных единицах при состояниях, близких

них наряду с начальным увеличением амплитуды

к невесомости, еще не всеобъемлющи. Остается

суммированных сокращений наблюдалась харак-

множество открытых вопросов, которые требуют

терная пессимальная картина спада, коррелиру-

все новых и новых исследований в данной акту-

ющая с уменьшением времени одиночного со-

альнейшей области знаний.

кращения. Это позволяет объяснить, как наряду с

увеличением силы одиночного мышечного со-

БЛАГОДАРНОСТИ

кращения может наблюдаться общая картина

Данная работа посвящается памяти академика

мышечной слабости, которая и наблюдается у

Е.Е. Никольского.

космонавтов после полета.

Анализ тетанусов, вызванных непрямым и

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

прямым раздражениями, показал, что в случае

вывешивания тетанусы можно привести к опти-

Работа выполнена при финансовой поддержке

мальному виду при непосредственной стимуля-

Российского фонда фундаментальных исследова-

ции скелетной мышцы, что может свидетельство-

ний (грант № 19-04-01067).

вать о синаптической подоплеке наблюдаемых

при ортостатической разгрузке эффектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Однако при исследованиях вызванной кванто-

1. И. Б. Козловская, Авиакосм. и эколог. медицина

вой секреции изменения квантового состава в си-

51 (3), 5 (2017).

напсах быстрых мышц вывешенных животных не

2. P. E. Di Prampero, M. V. Narici, and P. A. Tesch, In:

Muscles in space. A world without gravity: research in

обнаружено (таблица). Также установлено, что в

space for health and industrial processes, Ed. by B. Fitton

синапсах как быстрой, так и медленной мышц

and B. Battrick European Space Agency, Paris, 2001),

ритмическая стимуляция нерва не приводила к

pp. 69-82.

трансформации ритма последовательных постси-

3. G. Clement, Fundamentals of space medicine. Musculo-

наптических потенциалов в физиологическом

skeletal system in space (Kluwer Academic Publishers,

диапазоне частот. Следовательно, причина на-

Dordrecht (Netherlands), 2003), pp. 173-204.

блюдаемых эффектов может лежать в начальном

4. L. C. Shackelford, In: Principles of clinical medicine for

звене электромеханического сопряжения.

space flight, Ed. by M. R. Barratt and S. L. Pool,

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

1028

ХАЙРУЛЛИН и др.

(Springer Science and Business Media, New York,

32.

I. B. Krasnov, Adv. Space Biol. Med. 4, 85 (1994).

2008), pp. 293-306.

33.

Б. М. Гехт, Л. Ф. Касаткина, М. И. Самойлов и

5. А. И. Григорьев и Б. С. Шенкман, Вестн. РАН 78,

А. Г. Санадзе, Электромиография в диагностике

337 (2008).

нервно-мышечных болезней (ТРТУ, Таганрог, 1997).

6. А. И. Григорьев, И. Б. Козловская и Б. С. Шенк-

34.

О. G. Gazenko, A. I. Grigoriev, and I. B. Kozlovskaya,

ман, Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова 90, 508

Physiologist 29, 48 (1986).

(2004).

35.

I. B. Kozlovskaya, I. Dmitrieva, L. Grigorieva, et al.,

7. T. P. Martin, V. R. Edgerton, and R. E. Grindeland, J.

In: Stance and Motions, Ed. by V. S. Gurfinkel, M. Ye.

Appl. Physiol. 65, 2318 (1988).

Ioffe, and J. Massion (Plenum Press, New York, 1988),

8. B. Miu, T. P. Martin, R. R. Roy, et al., FASEB J. 4 (1),

pp. 37-48.

64 (1990).

36.

Л. О. Бадалян и И. А. Скворцов, Клиническая

9. D. B. Thomason and F. W. Booth, J. Appl. Physiol. 68,

электронейромиография: Руководство для врачей

1 (1990).

(Медицина, М., 1986).

10. 10. D. A. Riley, E. I. Ilyina-Kakueva, S. Ellis, et al.,

37.

A. B. Киренская, И. Б. Козловская и М. Г. Сирота,

FASEB J. 4 (1), 84 (1990).

Физиология человека 12, 617 (1986).

11. D. L. Allen, W. Yasui, T. Tanaka, et al., J. Appl. Physiol.

38.

Б. С. Шенкман, Acta Naturae 8 (4), 47 (2016).

81 (1), 145 (1996).

39.

S. H. Cho and J. H. Lee, J. Phys. Ther. Sci. 25 (6), 729

(2013).

12. J. J. Widrick, J. G. Romatowski, K. M. Norenberg,

et al., J. Appl. Physiol. 90 (6), 2203 (2001).

40.

I. B. Kozlovskaya, Yu. V. Kreidich, and A. S. Ra-

khmanov, Physiologist 24, 559 (1981).

13. T. Stein, M. Schluter, A. Galante, et al., J. Nutr. Bio-

chem. 13 (8), 471 (2002).

41.

А. З. Закирова, Т. А. Шигуева, Е. С. Томиловская и

И. Б. Козловская, Физиология человека 41 (2), 46

14. K. S. Litvinova, I. M. Vikhlyantsev, I. B. Kozlovskaya,

(2015).

et al., J. Gravit. Physiol. 11 (2), 131 (2004).

42.

M. Pensini and A. Martin, Neurosci. Lett. 367, 369

15. B. S. Shenkman, K. S. Litvinova, T. L. Nemirovskaya,

(2004).

et al., J. Gravit. Physiol. 11 (2), 111 (2004).

43.

L. De-Doncker, M. Kasri, and M. Falempin, Experim.

16. I. M. Vikhlyantsev, Z. A. Podlubnaya, B. S. Shenkman,

Neurol. 201, 368 (2006).

and I. B. Kozlovskaya, Dokl. Biochem. Biophys. 407,

88 (2006).

44. Л. Л. Бабакова, И. Б. Краснов и О. М. Поздняков,

Авиакосм. и экол. мед. 42 (4), 31 (2008).

17. A. Ulanova, Y. Gritsyna, I. Vikhlyantsev, et al.,

Biomed. Res. Int. 2015, 104 (2015).

45.

W. B. Cannon and A. Rosenblueth, The supersensitivity

of denervated structures: a law of denervation. (Macmil-

18. T. Trappe, D. Costill, P. Gallagher, et al., J. Appl.

lan Co., N.Y., 1949).

Physiol. 106, 1159 (2009).

46.

M. Goldberger, Trends Neurosci. 3 (11), 288 (1980).

19. B. Jiang, Y. Ohira, R. R. Roy, et al., J. Appl. Physiol. 73

(2), 58 (1992).

47.

Б. С. Шенкман, З. А. Подлубная, И. М. Вихлянцев

и др., Биофизика 49 (5), 881 (2004).

20. G. R. Adams, V. J. Caiozzo, and K. M. Baldwin, J. Ap-

pl. Physiol. 95, 2185 (2003).

48.

T. F. Miller, I. V. Saenko, and D. V. Popov, J. Gravit.

Physiol. 11 (2), 135 (2004).

21. С. Н. Гришин, Модели, симулирующие микро-

гравитацию в наземных условиях (Изд-во Казан.

49.

J. G. Nicholls, A. R. Martin., B. G. Wallace, and

гос. техн. ун-та, Казань, 2014).

P. A. Fuchs, From neuron to brain (Sinauer Associates.,

Sunderland, MA, USA, 2001).

22. I. B. Kozlovskaya, Yu. V. Kreidich, V. S. Oganov, and

O. P. Koserenko, Acta Astronaut. 8, 1059 (1981).

50.

B. Katz, J. Neurocytol. 32 (5-8), 437 (2003).

23. R. Kalb and D. Solomon, Arch. Neurol. 64 (4), 485

51.

D. Pette, Muscle & Nerve 8 (8), 676 (1985).

(2007).

52.

T. Lömo, CRC Press Boca Raton 5, 61 (1988).

24. И. В. Огнева, В. А. Курушин, М. М. Глашев и др.,

53.

S. Thesleff, Prog Brain Res. 84, 93 (1990).

Биофизика 55 (6), 1117 (2010).

54.

F. Vyskocil, Physiol Res. 58 (6), 763 (2009).

25. D. Sandonà, J. F. Desaphy, G. M. Camerino, et al.,

55.

S. N. Grishin and A. U. Ziganshin, Biochemistry

PLoS One 7 (3), 233 (2012).

(Moscow), Suppl. Ser. A: Membrane and Cell Biology

26. F. Kawano, T. Nomura, A. Ishihara, et al., Neurosci-

9 (1), 13 (2015).

ence 114, 1133 (2002).

56.

L. L. Ploutz-Snyder, J. Appl. Physiol. 79 (1) 168 (1995).

27. А. А. Еремеев, М. А. Чеботарев, М. В. Кузнецов

57.

M. R. Deschenes, Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp.

и др., Авиакосм. и эколог. медицина 49 (1), 32

Physiol. 282 (2), 578 (2002).

(2015).

58.

B. C. Clark, J. Appl. Physiol. 101 (1), 256 (2006).

28. Р. Р. Исламов, А. А. Ризванов, О. В. Тяпкина и др.,

59.

B. C. Clark, J. Appl. Physiol. 101 (1), 264 (2006).

Докл. РАН 439 (3), 416 (2011).

60.

S. B. Cook, Eur. J. Appl. Physiol. 114 (7), 1357 (2014).

29. Р. Р. Исламов, О. В. Тяпкина, Е. Е. Никольский

61.

О. Б. Поздняков, Вестн. РАМН 8, 24 (1998).

и др., Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова 99

(3), 281 (2013).

62.

F. D'Amelio, Adv. Space Res. 22 (2), 235 (1998).

30. Y. A. Chelyshev, Y. O. Muhamedshina, T. V. Povyshe-

63.

R. C. Gupta, Exp. Neurol. 89 (3), 622 (1985).

va, et al., Neuroscience 280, 328 (2014).

64. B. Tang, Space Med. Med. Eng. (Beijing) 15 (5), 317

31. Р. Р. Исламов, О. В. Тяпкинаa, Э. А. Бухараева и

(2002).

др., Докл. РАН 414, 205 (2007).

65.

J. J. McArdle, J. Gen. Physiol. 61, 1 (1973).

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019

СИНАПТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

1029

66. H. L. Davis, Exp. Neurol. 80 (2), 383 (1983).

89. А. С. Филимонов, Р. С. Сафиуллин, Г. А. Морозов

67. S. Pierno, Brain 125, 1510 (2002).

и др., Нелинейный мир 11 (5), 323 (2013).

68. И. И. Кривой, Биофизика 53 (6), 1051 (2008).

90. S. Bayol, P. T. Loughna, and C. Brownson, Biochem.

Biophys. Res. Commun., 273 (1), 282 (2000).

69. J. F. Desaphy, Brain 124, 1100 (2001).

91. Y. Ohira, B. Jiang, R. R. Roy, et al., J. Appl. Physiol.

70. V. V. Kravtsova, Biomed Res Int. 2015, 170 (2015).

73, 51 (1992).

71. F. Vyskocil, P. Illes, Pflug. Arch. 370, 295 (1977).

92. Y. Ohira, Jpn. J. Physiol. 39, 21 (1989).

72. А. И. Маломуж и Е. Е. Никольский, Успехи

физиол. наук 41 (2), 27 (2010).

93. F. Kawano, Y. Matsuoka, Y. Oke, et al., Am. J. Physiol.

Cell Physiol. 293, 35 (2007).

73. О. В. Тяпкина, Докл. РАН 488 (1), 105 (2013).

94. F. Kawano, A. Ishihara, J. L. Stevens, et al., Am. J.

74. M. A. Черепахин, Космич. биол. мед. 2, 43 (1968).

Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 287, 76 (2004).

75. Л. И. Какурин, Космич. биол. мед. 5 (2), 63 (1971).

95. F. W. Booth, J. Appl. Physiol. Respir. Environ. Exerc.

76. M. R. Deschenes, Muscle & Nerve 31 (4), 468 (2005).

Physiol. 52, 1113 (1982).

77. А. В. Овсянников, Физиол. журн. 3, 305 (1972).

96. K. Yamashita-Goto, R. Okuyama, M. Honda, et al., J.

78. I. B. Kozlovskaya, I. F. Aslanova, L. S. Grigorieva, and

Appl. Physiol. 91, 417 (2001).

Yu. V. Kreidich, Physiologist 25 (6), 49 (1982).

97. J. J. Widrick, J. Physiol. 516 (3), 915 (1999).

79. Yu. A. Koryak, Eur. J. Appl. Physiol. 70, 344 (1995).

98. V. J. Caiozzo, M. J. Baker, R. E. Herrick, et al., J. Appl.

80. M. V. Narici, Int. J. Sports Med. 8 (4), 290 (1997).

Physiol. 76, 1764 (1994).

81. Л. С. Григорьева и И. Б. Козловская, Космич.

99. V. J. Caiozzo, F. Haddad, M. J. Baker, et al., J. Appl.

биология и aвиакосмич. медицина 4, 21 (1983).

Physiol. 81, 123 (1996).

82. Т. Н. Гевлич, Космич. биология и aвиакосмич.

100.D. Lambertz, C. Perot, R. Kaspranski, and F. Goubel,

медицина 5, 86 (1983).

J. Appl. Physiol. 90, 179 (2000).

83. Г. А. Морозов, Р. С. Сафиуллин, А. А. Еремеев и

101.М. М. Глашев, И. А. Разговорова, Е. В. Михайлова

др., Изв. Самарского научного центра РАН 12 (3-

и др., Вестн. СПбГУ. Сер. 3. Биология 3 (4), 73

4), 717 (2010).

(2011).

84. Р. А. Эшпай, С. Н. Гришин, А. Ю. Теплов и др.,

Изв. Самарского научного центра РАН 16 (5), 1812

102.R. H. Fitts, R. R. Danny, and J. J. Widrick, J. Appl.

(2014).

Physiol. 89, 823 (2000).

85. R. A. Eshpay, A. E. Khairullin, R. G. Karimova, et al.,

103.S. Pierno, J. F. Desaphy, A. Liantonio, et al., Brain

Genes and Cells 10 (4), 123 (2015).

125, 1510 (2002).

86. D. Desplanches, M. H. Mayet, B. Sempore, and

104.R. H. Fitts, D. R. Riley, and J. J. Widrick, J. Exp. Biol.

R. Flandrois, J. Appl. Physiol. 63 (2), 558 (1987).

204, 3201 (2011).

87. V. J. Caiozzo, J. Appl. Physiol. 76 (4), 1764 (1994).

105.A. U. Ziganshin, A. E. Khairullin, V. V. Zobov, et al.,

Muscle & Nerve 55 (3), 417 (2017).

88. A. E. Khairullin, A. U. Ziganshin, and S. N. Grishin,

Biochemistry (Moscow), Suppl. Ser. A: Membrane and

106.A. U. Ziganshin, A. E. Khairullin, A. Y. Teplov, et al.,

Cell Biology 11 (1), 1 (2017).

Muscle & Nerve 59 (4), 509 (2019).

Synaptic Aspects of Hypogravity Motor Syndrome

A.E. Khairullin*, A.А. Eremeev**, and S.N. Grishin*

*Kazan State Medical University, ul. Butlerova 49, Kazan, 420012 Russia

**Kazan (Volga region) Federal University, ul. Kremlevskaya 18, Kazan, 420008 Russia

This paper provides a review of studies of the effects of hypogravity on neuromuscular system function. It is

known that exposure to microgravity causes a series of events that occur in the neuromuscular system, leading

to the development of the so-called “hypogravity motor syndrome”. Despite a large number of publications

appeared relative to pathogenesis of the hypogravity motor syndrome, decrement in motor function is largely

attributed to changes in the morphofunctional characteristics of skeletal muscles. However, based on the in-

formation presented in this paper that provides insight into processes occurring in motor units under condi-

tion of near weightlessness, a synaptic appears to be also essential.

Keywords: motor units, hypogravity, neuromuscular synapse, motor control, muscle contraction, weightlessness,

hindlimb unloading

БИОФИЗИКА том 64

№ 5

2019