بخشی از مقاله
چکیده - تحریک میکروالکتریکی نخاع به دلیل شباهت با تحریک طبیعی فیبرهاي عضلانی از روشهاي مطرح در بازیابی حرکت در بیماران ضایعه نخاعی است. در مدارات نورونی نرونی نخاع، نرونهاي داخلی وجود دارد که کنترل هماهنگ دستهاي از عضلات را براي ایجاد یک بلوك حرکتی عملکردي به عهد دارند. بیشک شناخت کامل بلوکهاي اولیه حرکتی میتواند افقهاي جدیدي در بازیابی حرکت با استفاده از تحریک عملکردي میکروالکتریکی نخاعی بگشاید. در این مقاله امکان فعال سازي بلوکهاي اولیه حرکتی درون نخاع با استفاده از تحریک الکتریکی بررسی شده است.
نتایج به دست آمده نشان میدهد که امکان فعال سازي بلوکهاي شامل "جمع کردن پا" ، "جلو آوردن پا" و "جلو انداختن پا" وجود دارد. پاسخ بلوکهاي حرکتی نسبت به تحریک الکتریکی بسیار وابسته به مکان قرارگیري الکترود ها در درون نخاع و شدت تحریک می باشد. آزمایشهاي این تحقیق بر روي 3 رت مختلف انجام گرفته است. همچنین منحنی بکارگیري هریک از بلوکهاي اولیه حرکتی نسبت به مقدار عرض پالس محاسبه شده است. منحنی هاي بدست آمده نشان میدهد که با افزایش شدت عرض پالس میتوان دامنه حرکتی هریک از بلوکهاي اولیه را افزایش داد.
-1 مقدمه
ایجاد ضایعه نخاعی در سیستم عصبی، انتقال پیامهاي عصبی از مغز به اندامهاي مختلف را دچار اختلال میکند و باعث از فلج شدن فرد می شود. از کارافتادن اندام ها نه تنها بر سلامت عمومی و کیفیت زندگی فرد ضایعه نخاعی تاثیر می گذارد بلکه فرد بیمار را در معرض عوارض جانبی زیادي قرار می دهد. مهمترین عوارض ایجاد شده پس از ایجاد ضایعه عصبی عبارتند از آتروفی عضلانی، خشکی مفاصل، اسپاسم عضلانی، پوکی استخوان و زخم بستر. تاکنون روش هاي موثر براي کاهش عوارض پس از ضایعه نخاعی و همینطور بازیابی توانایی حرکت اندام هاي از کار افتاده، ارائه شده است.
ازجمله میتوان به بازتولید سلولهاي عصبی ، روشهاي تحریک الکتریکی عملکردي - functional electrical stimulation - شامل سطحی و درون ماهیچه اي و تحریک میکرونی نخاع اشاره نمود. تحریک الکتریکی عملکردي روشی است که در آن عضلات اندام فلج از طریق جریان الکتریکی منقبض می شوند. این روش تاکنون به صورت وسیع مورد استفاده قرار گرفته است.[2]-[1]
در این روش منحنی بکارگیري - Recruitment curve - ماهیچه ها شیب زیادي دارد که این امر منجر به خستگی سریع عضلات می شود و توازن حرکت را مختل می کند .[3] همچنین در این روش نیاز به مقدار جریان زیاد در محدوده میلی آمپر است که با توجه به محدودیت باطري هاي موجود، استفاده از سیستمهاي قابل حمل را محدود می کند. مشکل دیگر این روش قدرت تفکیک کم آن است در این روش به راحتی به تک تک ماهیچهها به صورت مجزا دسترسی وجود ندارد لذا قابلیت کنترل محدود می شود.
در تحریک الکتریکی عملکردي درون ماهیچه اي هرچند مشکل تفکیک پذیري و دسترسی به ماهیچه ها تاحدودي مرتفع شده است اما همچنان دامنه سیگنال تحریکی نسبت به روش هاي تحریک نخاع بسیار بیشتر است. همچنین مشکل خستگی و تحریک نا متناسب فیبر هاي عضلانی همچنان در این روش حل نشده است. با توجه به مشکلات فوق در دهه اخیر روشهاي جدیدي براي غلبه بر این مشکل ها ارائه شده اند. از جمله این روشها تحریک مستقیم رشته هاي عصبی یا نخاع میباشد.
یافته هاي جدید در دهه اخیر نشان می دهد که با تحریک الکتریکی نخاع می توان مدارات نخاعی درون نخاع را فعال کرد. بعد از ضایعه معمولا تنها تار هاي آوران از سطوح فوقانی ازبین می روند و بیشتر هسته هاي موتوري درون نخاع سالم باقی می مانند [4] همچنین مسیر هاي حسی فیدبکی که از ماهیچه ها، تاندون ها و سنسور هاي وضعیتی پیکري به نخاع وارد می شوند نوعی فیدبک داخلی ایجاد می کنند و امکان استفاده غیر مستقیم از این فیدبکها با تحریک نخاع میسر است.
سیستم عصبی انسان براي کنترل حرکت و وضعیت بدن یک سیستم سلسله مراتبی، غیر خطی و پیچیده است. در بالاترین سطح، فرمانهاي ارادي مستقیما از قشر حرکتی مغز از طریق مسیرهاي هرمی - - corticospinal tract بعد از یک تقاطع در بصل النخاع به نخاع وارد می شوند. قشر حسی حرکتی مغز وظیفه تصمیمگیري راهبردي در حین حرکت را بر عهده دارد.[5]
نخاع سطح میانی سیستم عصبی حرکتی را تشکیل می دهد. نخاع در حقیقت همانند پلی است که بخش هاي هوشمند سیستم کنترلی را به عملگر هاي نهایی حرکت - ماهیچه ها - متصل می کند. برخلاف نظریه هاي قدیمی که براي نخاع نقشی ساده در حد ایجاد رفلکس هاي اولیه در نظر میگرفتند، یافته هاي جدید نشان می دهد که سطح میانی کنترل حرکت در نخاع انجام می شود و این کار بر عهده مدارات نرونی داخل نخاع به نام CPG است.[6]
منظور از CPG یک شبکه عملکردي متشکل از مجموعه اي از نرونهاي نخاع است. این شبکه حتی در حالتی که ورودي هاي سطوح فوقانی وجود ندارد، می تواند الگو هاي فعال سازي منظم و متناوب براي عضلات، همانند حرکت واقعی، تولید کند. تحریک الکتریکی نخاع ممکن است منجر به فعالسازي نرونهاي حرکتی یک ماهیچه خاص شود که به آنها اصطلاحا مخزنهاي حرکتی - motoneuron pools - گفته میشود.[7]
مخزنهاي حرکتی موجود در نخاع توسط نرونهاي واسطه اي به یکدیگر متصل شده اند که امکان فعالیت هماهنگ مفاصل مختلف را میسر میکند. تحریک الکتریکی نخاع ممکن است دسته اي از ماهیچه ها را تحریک کند که مجموعه نیروي تولید شده یک بلوك ابتدایی حرکت - movement primitive blocks - را میسازد. سیستم اعصاب مرکزي با کنار هم قراردادن این بلوکهاي ابتدایی حرکات پیچیده و متناوب را تولید میکند.[8]
بنابراین یکی از مزایاي اصلی تحریک الکتریکی نخاع امکان فعال سازي و استفاده از بلوکهاي حرکتی است. به این طریق با استفاده از یک الکترود میتوان دسته اي از ماهیچه هاي مختلف را به صورت هماهنگ فعال کرد. براي ایجاد حرکت گام برداشتن میتوان چندین بلوك حرکتی را با هم ترکیب و از ترکیب آنها حرکت گام برداشتن را ایجاد نمود.
شناخت بلوك هاي حرکتی و نحوه فعالسازي آنها یکی از دغدغه هاي اولیه در استفاده از این بلوکها براي ایجاد حرکت کنترل شده است. در تحقیقات گذشته در این زمینه معمولا بردار نیروي ایزومتریک تولید شده در انتهاي پا به عنوان خروجی سنجیده شده است .[9] اما در این تحقیق حرکت ایجاد شده به ازاي تحریک الکتریکی اندازه گرفته میشود. بی شک این روش به آنچه در واقعیت حرکت وجود دارد نزدیکتر است و شناخت مناسبی از بلوکهاي اولیه حرکت ایجاد میکند.
-2 نحوه انجام آزمایش
-1-2 آماده سازي حیوان
آزمایشها بر روي 3 رت با وزن 300-350 - گرم - انجام گرفته است. بیهوشی حیوان توسط داروي اورتان - 1.5 g/kg - انجام گرفته و میزان بیهوشی به طور مرتب مورد بررسی قرار گرفته و با تزریق داروي کتامین در سطح مطلوب نگه داشته شده است. تمامی مراحل آزمایش توسط کمیته اخلاق محلی تایید شده است. به منظور جابجایی آزاد پا، حیوان بر روي استریوتکس SR- - - 6R, Narishige group product قرار گرفته است. این دستگاه داراي گیره هاي مناسب براي ثابت نگه داشتن نخاع میباشد.
در تحقیقات قبلی نشان داده شده است که در رت مهره هاي T13 تا L6 محل قرار گیري مدارات نرونی مربوط به ماهیچه هاي پشتی میباشد. به صورت کلی نشان داده شده است که تحریک مدارات نخاعی در مهره هاي نزدیکتر به سر - - T13-L1 بیشتر منجر به جمع کردن پا به درون شکم و بسته شدن مفاصل میشود اما تحریک مدارات نخاعی در مهره هاي بعدي بیشتر منجر به باز شدن پا و اعمال نیرو به سمت بیرون میشود.[10]
لذا در این تحقیق پوست و ماهیچه هاي اطراف نخاع از مهره T12 تا L5 برداشته شده ولایه استخوانی پشتی مهره هاي T13تا L4 برداشته میشود. نخاع توسط دوگیره که مهره ابتدایی - T12 - و انتهایی - L5 - را گرفته اند کاملا مهار میشود و حرکت حیوان به هیچ عنوان موجب حرکت نخاع نمیگردد. براي جلوگیري از خشک شدن نخاع و ماهیچه هاي اطراف از روغن معدنی - mineral oil - استفاده شده است.
-2-2 اندازه گیري زاویه ها
به منظور اندازهگیري زوایاي مفاصل، نشانگرهاي رنگی بر روي هر مفصل قرار گرفته است. شکل 1 بلوك کلی برپایش آزمایش را نشان میدهد. به منظور ثبت موقعیت مفاصل در طول تحریک از یک دوربین دیجیتال استفاده شده است. این دوربین به صورت عمود بر صفحه اي که پاي راست رت در آن قرار گرفته است ، نصب میشود. دراین تحقیق هدف اندازه گیري زاویه هاي ران، زانو و مچ میباشد. تصاویر به صورت بی درنگ با سرعت 60 قاب بر ثانیه وارد کامپیوتر شده و موقعیت مارکرها و به دنبال آن زوایاي مفاصل استخراج میشود. این کار توسط یک برنامه بیدرنگ در زبان labview انجام میشود.
-3-2 نحوه تحریک و یافتن بلوکهاي ابتدایی حرکتی
به منظور تحریک نخاع از یک محرك هشت کاناله - طراحی شده در مرکز فنĤوري عصبی ایران - استفاده شده است. میزان دامنه، پهناي پالس و فرکانس سیگنال تحریک توسط نرمافزار نوشته شده در labview به صورت بی درنگ قابل کنترل میباشد. پالسهاي تحریک از نوع جریانی هستند. شکل موج پالسهاي تحریک مستطیلی، دو فازه و متقارن هستند.
فرکانس پالسهاي تحریک برابر با 50 هرتز بوده است. به منظور تحریک از الکترود- هاي تحریکی ساخته شده از تنگستن و عایق پوشیده شده از تفلون استفاده گردید. قطر این الکترود با عایق 101میکرو متر و بدون عایق 51 میکرومتر میباشد . - A-M systems, WA, USA - این الکترودها درون یک هدایتگر - - micromanipulator بسیار دقیق - SM15, Narishige group product - ثابت میشوند که امکان جابجایی الکترود با دقت 50میکرومتر را فراهم مینماید.
باتوجه به تحقیقات قبلی مخزنهاي حرکتی براي ماهیچه هاي پا در شاخ خلفی نخاع قرار دارند لذا در گام اول الکترود توسط هدایتگر به این ناحیه از نخاع هدایت میشود. براي این کار نوك الکترود از آغاز مهره T13 در محور سري- دمی به اندازه0,7 میلیمتر از خط وسط نخاع به سمت راست در محور جانبی هدایت میشود و به اندازه 1 میلیمتر ازسطح نخاع به داخل بافت آن درمحور پشتی- شکمی وارد میشود، این عمق محل وجود مخزنهاي حرکتی است.
در این محل یک تحریک با دامنه 80میکرو آمپر و عرض پالس 200 میکرو ثانیه به مدت 5 ثانیه اعمال میشود و پاسخ بدست آمده ذخیره میشود. این عمل براي عمقهاي 1,5 و 2 میلیمتر نیز تکرار میشود. در صورتی که یک بلوك حرکتی مشاهده نشود، الکترود بیرون آورده شده و یک میلیمتر در راستاي دمی جابجا شده و فرایند تکرار میشود تا به این شل کل محدوده نخاع اسکن شود.
منظور از بلوك ابتدایی حرکتی مکانی از نخاع است که تحریک آن منجر به حرکت هماهنگ حداقل دو ماهیچه شود لذا باتحریک بلوك ابتدایی در نخاع باید حداقل در زاویه دو مفصل تغییر عمده اي رخ دهد. طبق تحقیقات انجام شده در حرکت گام برداشتن معمولی براي رت رنج تغییرات براي زاویه ران 25 درجه ، زانو50 درجه و براي پاشنه 60 درجه است.[10] در این تحقیق مکانهایی از نخاع که تحریک آنها جابجایی در حداقل دو مفصل ایجاد کند به عنوان بلوك ابتدایی حرکت در نظر گرفته میشود. حداقل دامنه جابجایی قابل قبول 40 درصد محدوده طبیعی براي هر مفصل میباشد.
بعد از پیدا کردن مکان تحریک یک بلوك ابتدایی حرکتی درون نخاع مکان الکترود ثابت نگه داشته شده و منحنی نسبت زاویه ها به ازاي شدت عرض پالس محاسبه میشود. به این منحنی "منحنی بکارگیري" زاویه نسبت به شدت تحریک نیز گفته میشود. این منحنی در حقیقت ماهیت عملکردي بلوك ابتدایی حرکتی را نشان میدهد و میتوان از آن براي ایجاد و کنترل حرکت استفاده کرد. براي کمک به تشخیص بلوکهاي ابتدایی حرکت باید به صورت دقیقتري به حرکت گام برداشتن نگریسته شود. حرکت گام برداشتن خود از دو بخش اصلی swing و stance تشکیل شده اشت . اما به صورت جزئی تر میتوان یک گام را به شش مرحله مختلف تقسیم کرد[10] که در شکل2 نشان داده شده اند.
