УСИЛЕНИЕ ТАКТИЛЬНЫХ ОЩУЩЕНИЙ У ПОЖИЛЫХ ЛЮДЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОШУМОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ

Neel T. Dhruv, James B. Niemi, Jason D. Harry, Lewis A. Lipsitz, James J. Collins

Центр биодинамики и кафедра биомедицинской инженерии Бостонского университета (США), Еврейский реабилитационный центр для пожилых людей, Научно-исследовательский институт и геронтологическое отделение медицинского центра Бет Исраэль Диаконесс (США), Отделение по проблемам старения Гарвардской медицинской школы (США)

Резюме

Пожилые люди часто страдают от снижения соматосенсорики, вызванного возрастной нейропатией. В недавних исследованиях было показано, что локальная стимуляция электрическим шумом низкого уровня повышает тактильную чувствительность у здоровых молодых людей.  В данном исследовании мы предположили, что чувствительность к мелким прикосновениям у пожилых людей можно улучшить аналогичным образом. Монофиламенты (мононити) Semmes-Weinstein использовались для оценки тонкой сенсорной чувствительности в I плюснефаланговом суставе при 4 условиях электрического раздражения и нулевом (отсутствие шума) состоянии у 9 здоровых пожилых людей. Стимуляция электрическим шумом привела к статистически значимому увеличению числа обнаружений относительно порога обнаружения для нулевого состояния у 5 из 9 субъектов. Данная работа предполагает, что методы, основанные на электрическом шуме, могут позволить людям преодолеть функциональные трудности, связанные с возрастной потерей чувствительности.

Ключевые слова: соматосенсорный; стохастический резонанс

Введение

Утрата соматосенсорной информации существенно меняет эффективность и безопасность взаимодействия человека с окружающей средой. Такой дефицит может привести к снижению двигательной активности, а у пожилых людей — к большей вероятности падения [1, 2]. У пожилых наблюдается заметное снижение восприятия кожных и проприоцептивных раздражителей в результате нормального процесса старения. Это подвергает их большему риску развития изъязвлений кожи на стопах и дисфункции суставов [3–5]. Такая сенсорная деградация связана с возрастным увеличением порогов обнаружения стимулов механорецепторами. Следовательно, терапевтическое вмешательство, предназначенное для повышения чувствительности рецепторных окончаний, может быть полезным для улучшения соматосенсорного восприятия и, в более широком смысле, для предотвращения травм у лиц с возрастными сенсорными нейропатиями.

Один из потенциальных методов терапии включает применение механического или электрического шума к рецепторным окончаниям сенсорных афферентов. В задачах передачи информации обычно считается, что наличие шума мешает точному обнаружению сигнала. Однако было показано, что шум может улучшить обнаружение и передачу слабых сигналов в определенных нелинейных системах посредством механизма, известного как стохастический резонанс (СР) [6, 7]. В многочисленных исследованиях задокументированы эффекты типа СР в нейрофизиологических [8–13], перцептивных [14–20] и поведенческих системах [21–23]. Ранее мы показали, что низкоуровневый механический шум может снижать пороги вибротактильного обнаружения у здоровых молодых людей [14, 15], а также у здоровых пожилых людей, пациентов с инсультом и пациентов с диабетической нейропатией [20]. Кроме того, мы показали, что электрический шум может быть использован для снижения порога вибротактильного обнаружения у здоровых молодых людей, доказав, что СР может быть кросс-модальным механизмом [17].

В этой статье мы продолжаем исследование электрических шумовых эффектов на здоровых пожилых людей. В частности, изучаем влияние электрического шума на чувствительность к тонким прикосновениям, измеренное с помощью широко используемого клинического теста с использованием монофиламентов Semmes-Weinstein. Мы предположили, что чувствительность к тонким прикосновениям у пожилых людей может быть значительно улучшена путем применения низкоуровневого электрического шума вблизи области кожной стимуляции.

Материалы и методы

В исследовании приняли участие 9 здоровых пожилых людей (5 мужчин и 4 женщины; возраст 69-82 года, средний возраст 75 лет). У субъектов не было неврологических заболеваний и состояний, потенциально влияющих на кожную чувствительность, включая диабет, защемление нервов, плохое состояние стоп, онемение конечностей и инсульт. Этот эксперимент был одобрен наблюдательным советом Бостонского университета Чарльз-Ривер. От каждого испытуемого было получено информированное согласие перед участием.

Во время теста испытуемый сидел на стуле босиком, вытянув правую ногу и положив ее на поролоновую подушку. Поверхностные электроды (самоклеящиеся электроды Dura-Stick II, модель 42041, США, обрезанные до 19 х 50,8 мм) накладывали медиально и латерально на I плюснефаланговый сустав правой стопы (рис. 1). Через эти электроды на стопу подавался сигнал электрического шумового тока (нулевое среднее значение, белый шум, полоса пропускания 1 кГц). Шумовой сигнал был получен с использованием специальной программы LabVIEW (версия 5.1, National Instruments, США) и коммерческого цифроаналогового преобразователя (модель AT-A0-10, National Instruments, США). Этот сигнал передавался через делитель напряжения (потенциометр) на изолятор стимулов AM Systems (модель 2200, США), работающий под управлением тока с преобразованием входного напряжения в выходной ток 1 мА/В.

Субъекты определяли свой собственный порог обнаружения электрического шума, сначала увеличивая амплитуду шумового сигнала, пока он не становился едва заметным, а затем медленно уменьшая амплитуду сигнала до тех пор, пока не исчезали все электрические ощущения. Установку электрического порога проверяли предъявлением электрического сигнала на уровне 80% и 120% от предполагаемого порогового уровня. Если испытуемый достигал предела напряжения экспериментального оборудования во время процедуры определения порога без обнаружения электрического шума, то этот предел использовался в качестве пороговой установки.

Чувствительность к тонким прикосновениям оценивали путем зондирования кожи над I плюснефаланговым суставом монофиламентами Semmes-Weinstein [24, 25]. Каждое моноволокно имеет известную силу изгиба, определяемую его диаметром. Тестовый набор Semmes-Weinstein (Touch-Test Kit, North Coast Medical, Inc., США), использованный в этом исследовании, состоял из 20 монофиламентов различного диаметра (20 различных сил в диапазоне от 0,008 до 300 г).

Монофиламенты использовали в 5 условиях шумового стимула: нулевом (отсутствие шума) и 4 условиях подпорогового шумового стимула: при 20%, 40%, 60% и 80% от порога электрического шума. Порядок представления этих уровней был рандомизирован среди испытуемых. Для каждого уровня шума тактильные испытания всегда начинались с мононити одного размера (размер 2,83; 0,07 г). Субъектам сообщали о начале и завершении периода использования мононити, они были проинструктированы указывать всякий раз, когда ощущается углубление. За этот период зондирование с помощью мононити проводили трижды с переменными интервалами между стимуляциями. Тестирование в пределах уровня электрического шума продолжалось таким же образом с мононитями все большего размера до тех пор, пока испытуемый не мог с уверенностью обнаружить все три стимуляции. Такая процедура повторялась для каждого условия шумового стимула.

Мы определили скорость обнаружения как отношение количества правильных обнаружений к количеству зондирований монофиламентом. Для каждого испытуемого рассчитывалась частота обнаружения в выбранном диапазоне, начиная с наименьшего монофиламента, обнаруженного хотя бы один раз, и заканчивая, но не включая, наименьшим монофиламентом, который воспринимался для всех трех зондированиях в нулевом состоянии (рис. 2). Поскольку было только два возможных ответа на каждое зондирование монофиламентом, этот эксперимент представлял собой биномиальный процесс. Для каждого испытуемого мы объединили 4 условия стимуляции электрическим шумом и сравнили скорость обнаружения монофиламента в каждом из них с частотой обнаружения при нулевом условии. Таким образом, мы рассчитали две скорости обнаружения для каждого испытуемого: 1) частоту обнаружения нулевых условий и 2) частоту обнаружения условий электрического шума по 4 объединенным условиям подпороговой шумовой стимуляции.

Несмотря на то, что у всех монофиламентов вероятность обнаружения была неодинаковая, так как более крупные мононити имеют больше шансов быть обнаруженными, каждый размер мононити предъявлялся одинаковое количество раз для каждого субъекта и условия стимула. Следовательно, для анализа этих данных допустимо использовать биномиальное распределение. Мы использовали биномиальное распределение для оценки вероятности наблюдения частоты обнаружения по условиям электрического шума для каждого субъекта, при этом вероятностью обнаружения служил нулевой уровень обнаружения. Для оценки различий в частоте выявления этих двух состояний в популяции использовался парный t-критерий.

Результаты

Когда мы использовали биномиальное распределение для оценки индивидуальных показателей, было выявлено, что у 7 из 9 испытуемых частота обнаружения электрического шума была выше, чем в нулевом состоянии, в то время как у восьмого испытуемого практически не было изменений, а у девятого чувствительность снизилась (рис. 3). Улучшение при применении электрического шума было статистически значимым у 5 из 9 испытуемых. Мы провели двусторонний парный t-тест на частоту обнаружения при нулевом условии и при электрическом шуме и обнаружили, что увеличение чувствительности при электрическом шуме было статистически значимым (p < 0,01) для популяции.

Обсуждение

В этом исследовании показано, что низкоуровневый электрический шум может значительно улучшить чувствительность к прикосновениям на подошвенной поверхности стопы у пожилых людей. Более раннее исследование продемонстрировало, что сниженная вибротактильная чувствительность у пожилых людей может быть значительно улучшена с помощью входного механического шума [20]. Авторы описали два возможных механизма для объяснения этого эффекта: 1) вибрационный шум добавлял механическую энергию к вибротактильному раздражителю, усиливая передачу вибрации через ткани кожи, 2) вибрационный шум непосредственно воздействовал на рецепторные окончания. В этом исследовании механический шумовой стимул был заменен электрическим, а место шумовой стимуляции было пространственно отделено от места применения тестового стимула. Результаты нашего исследования показывают, что электрический шум повышает чувствительность механорецепторов в целевой области кожи, позволяя обнаруживать подпороговые раздражители. Мы подозреваем, что это происходит потому, что сигнал электрического шума влияет на локальный потенциал поля вокруг механорецепторов и повышается вероятность того, что потенциал будет активирован в случае повышенной чувствительности.

Дезориентирующим фактором для настоящего исследования является то, что электрический шум, возможно, не был оптимальным для каждого человека. Возможно, оптимальный уровень электрического шума для некоторых испытуемых был выше уровня,  определяемого через кожу. Сверхпороговые электрические стимулы в этом исследовании не использовались, чтобы гарантировать, что испытуемые слепы относительно условий стимула. Кожные электрические ощущения, электрический импеданс тканей кожи и ограничения по изоляции стимула могут способствовать различным условиям электрической стимуляции для каждого субъекта. Таким образом, мы решили объединить 4 подпороговых условия шумового воздействия вместе и использовать биномиальное распределение, чтобы определить вероятность наблюдения по крайней мере такого же высокого уровня обнаружения при применении электрического шума с учетом уровня обнаружения нулевого условия. При этом обнаружилось значительное увеличение чувствительности к тонким прикосновениям в условиях электрического шума, когда данные от всех испытуемых были объединены. Кроме того, мы обнаружили, что электрический шум значительно повышал чувствительность у 5 из 9 испытуемых. Возможно, если бы были применены другие уровни электрического шума, еще больше субъектов проявили бы повышенную чувствительность.

Эта работа предполагает, что методы и устройства, основанные на электрическом шуме, такие как носки или перчатки с подкладкой из электродов, могут позволить людям преодолеть возрастную потерю чувствительности. Также возможно, что такие методы и устройства могли бы обеспечить некоторый уровень защитных ощущений лицам с потерей чувствительности, связанной с заболеванием, например, при диабетической нейропатии. Будущие исследования могут определить способ оптимальной стимуляции электрическим шумом, чтобы максимально улучшить чувствительность человека.

Заключение

В этом исследовании мы показали, что чувствительность к тонким прикосновениям у пожилых людей может быть значительно улучшена с помощью входного электрического шума. В частности, мы продемонстрировали на выборке здоровых пожилых людей, что применение подпорогового электрического шума повышает вероятность обнаружения монофиламентов Semmes-Weinstein на подошвенной поверхности стопы при нормальных подпороговых уровнях силы. Эта работа предполагает, что методы и устройства, основанные на электрическом шуме, могут позволить людям преодолеть функциональные трудности, вызванные возрастной потерей чувствительности.

Литература

1. Lord SR, Clark RD and Webster IW. J Gerontol 46, M69–M76 (1991).

2. Tanaka T, Hashimoto N, Noriyasu S et al. Phys Occup Ther Geriatr 13, 1–16 (1995).

3. Kusoffsky A, Wadell I and Nilsson BY. Scand J Rehab Med 14, 27–32 (1982).

4. Leo KC and Soderberg GC. Phys Ther 61, 1433–1437 (1982).

5. Geischeder GA, Bolanowski SJ, Verillo RT et al. Somatosens Mot Res 11, 345–357 (1994).

6. Moss F, Pierson D and O’Gorman D. Int J Bifurc Chaos 4, 1383–1397 (1994).

7. Wiesenfeld K and Moss F. Nature 373, 33–36 (1995).

8. Douglass JK, Wilkens L, Pantazelou E et al. Nature 365, 337–340 (1993).

9. Collins JJ, Imhoff TT and Grigg P. J Neurophysiol 76, 642–645 (1996).

10. Cordo P, Inglis JT, Verschueren S et al. Nature 383, 769–770 (1996).

11. Levin JE and Miller JP. Nature 380, 165–168 (1996).

12. Gluckman BJ, Netoff TI, Neel EJ et al. Phys Rev Lett 77, 4098–4101 (1999).

13. Stacey WC and Durand DM. J Neurophysiol 83, 1394–1402 (2000).

14. Collins JJ, Imhoff TT and Grigg P. Nature 383, 770 (1996).

15. Collins JJ, Imhoff TT and Grigg P. Phys Rev E 56, 923–926 (1997).

16. Simonotto E, Rani M, Seife C et al. Phys Rev Lett 78, 1186–1189 (1997).

17. Richardson KA, Imhoff TT, Grigg P et al. Chaos 8, 599–603 (1998).

18. Piana M, Canfora M and Riani M. Phys Rev E 62, 1104–1109 (2000).

19. Zeng FG, Fu QJ and Morse R. Brain Res 869, 251–255 (2000).

20. Liu W, Lipsitz LA, Montero-Odasso M et al. Arch Phys Med Rehab, in press.

21. Russell DF, Wilkens LA and Moss F. Nature 402, 291–294 (1999).

22. Hidaka I, Nozaki D and Yamamoto Y. Phys Rev Lett 85, 3740–3743 (2000).

23. Hidaka I, Ando S, Shigematsu H et al. J Neurophysiol 86, 559–564 (2001).

24. Bell-Krotoski J and Tomancik E. J Hand Surg (Am) 12, 155–161 (1987).

25. Bell-Krotoski JA, Fess EE, Figarola JH et al. J Hand Ther 8, 155–162 (1995).