PRACA POGLĄDOWA

REVIEW ARTICLE

METODA REZONANSU STOCHASTYCZNEGO W FIZJOTERAPII – PRZEGLĄD PIŚMIENNICTWA

STOCHASTIC RESONANCE METHOD IN PHYSIOTHERAPY − A REVIEW OF THE LITERATURE

Mateusz Bartczyk1, Andrzej Suchanowski2, Marta Woldańska-Okońska1

1KLINIKA REHABILITACJI I MEDYCYNY FIZYKALNEJ UM, ŁÓDŹ, POLSKA

2WYDZIAŁ FIZJOTERAPII OLSZTYŃSKIEJ SZKOŁY WYŻSZEJ IM. J. RUSIECKIEGO, OLSZTYN, POLSKA

Streszczenie

Nieliniowość jest istotną cechą wielu struktur organizmu człowieka, która może wynikać z deterministycznych właściwości organizmu i szumu. Szum definiuje się jako przypadkowe lub nieregularne fluktuacje lub zakłócenia, które nie są częścią sygnału. Rezonans stochastyczny (SR) termin pierwotnie używany w bardzo specyficznym kontekście, jest obecnie szeroko stosowany do opisu dowolnego zjawiska, w którym obecność szumu w systemie nieliniowym jest lepsza dla jakości sygnału wyjściowego niż jego brak. Prowadzone badania na potrzeby fizjoterapii polegają na ocenie odziaływania platformy generującej wymuszone drgania mechaniczne o określonych parametrach w wybranych jednostkach chorobowych, dyscyplinach sportowych, a także profilaktyce. Celem pracy jest omówienie metody rezonansu stochastycznego i analiza wyników najistotniejszych prac omawiających stosowanie oraz efektywność oddziaływania terapeutycznego na organizm człowieka. Stosowanie metody rezonansu stochastycznego wymusza mechaniczne wibracje, które charakteryzują się zmiennością rytmu, amplitudy i kierunku wibracji, co wymusza adaptację posturalną regulowaną przez OUN i odpowiedzi na bodźce zakłócające równowagę ciała. Przeprowadzono analizę efektywności oddziaływania terapeutycznego w zakresie zaburzeń równowagi ciała, reedukacji lokomocji u osób z częściowym uszkodzeniem rdzenia kręgowego, zmienności motoryki oraz zmian stężeń hormonalnych. Terapia rezonansem stochastycznym może powodować zmniejszenie lub usunięcie dysfunkcji w wielu jednostkach chorobowych, jednakże wymagane są kolejne badania oceniające skuteczność stosowanej terapii.

Słowa kluczowe: fizjoterapia, rezonans stochastyczny, efekty terapeutyczne

Abstract

Non-linearity is an important feature of many human body structures that may result from deterministic properties of the body and noise. Noise is defined as accidental or irregular fluctuations or disturbances that are not part of the signal. Stochastic resonance (SR), the term originally used in a very specific context, is now widely used to describe any phenomenon in which the presence of noise in a nonlinear system is better for the quality of the output signal than its absence. The conducted research for the needs of physiotherapy consists in assessing the impact of the platform generating forced mechanical vibrations with specific parameters in selected disease entities, sports disciplines, as well as prevention. The aim of the work is to discuss the stochastic resonance method and to analyze the results of the most important works discussing the use and effectiveness of therapeutic impact on the human body. The use of the stochastic resonance method enforces mechanical vibrations, which are characterized by the variability of rhythm, amplitude and direction of vibrations, which enforces postural adjustment regulated by the CNS and response to stimuli that disturb the body’s balance. The analysis of the effectiveness of therapeutic impact in the field of body balance disorders, reeducation of locomotion in people with partial spinal cord injury, motor motility and changes in hormonal concentrations was carried out. Stochastic resonance therapy can reduce or eliminate dysfunction in many disease entities, however, further studies are needed to assess the effectiveness of the therapy.

KEY WORDS: physiotherapy, stochastic resonanse, therapeutic effects

Wiad Lek 2019, 72, 7, 1364-1370

WSTĘP

Nieliniowość jest istotną cechą wielu struktur organizmu człowieka, która może wynikać z dwóch różnych źródeł. Pierwszym źródłem są deterministyczne właściwości organizmu, natomiast drugim źródłem jest szum. Szum definiuje się jako przypadkowe lub nieregularne fluktuacje lub zakłócenia, które nie są częścią sygnału [1]. Obserwacje losowych fluktuacji mogą świadczyć o źródłowej losowości biologicznej, która mogłaby zostać wykorzystana ze względu na korzyść funkcjonalną, m.in. zjawisko rezonansu stochastycznego. Alternatywnie, pomiary sygnału zawierającego informacje o nieprzewidywalnej zmienności mogą świadczyć o tym, że przypadkowość została już wykorzystana do wspomagania reprezentacji informacji. Rezonans stochastyczny (SR) termin pierwotnie używany w bardzo specyficznym kontekście, jest obecnie szeroko stosowany do opisu dowolnego zjawiska, w którym obecność szumu w systemie nieliniowym jest lepsza dla jakości sygnału wyjściowego niż jego brak. Zjawisko rezonansu stochastycznego występuje, gdy losowość ma pozytywną rolę w kontekście przetwarzania sygnału [2]. Zaobserwowano losowe fluktuacje na poziomie transmisji sygnałów: bodźców wzrokowych (fotoreceptor i kaskada wzmacniająca sygnał) [3], bramkowania kanałów jonowych [1], transmisji synaptycznej [1], ekspresji genów [4], funkcji serca [5], sieci neuronalnych mózgu [1] i każdego etapu pętli sensomotorycznej, począwszy od postrzegania sygnałów czuciowych po generowanie reakcji motorycznych [6, 7]. Szum ma bezpośrednie konsekwencje behawioralne, od nastawiania progów percepcyjnych po wpływ na precyzję ruchów [1].

Określone dysfunkcje w narządach zmysłów odpowiedzialne za słyszenie, dotyk lub wrażenia wizualne czy układ kontroli równowagi mogą być rezultatem wyższej percepcji sensorycznej w porównaniu do zdrowych osób. Szczególnie godne uwagi są badania, które wykazały, że niski poziom szumu wejściowego dodany do sygnału nośnego (mechaniczny lub elektryczny) może być wykorzystany do wzmocnienia somatosensji i poprawy wydajności kontroli procesów równoważnych. Wyniki uzyskane w badaniu sugerują, że zjawisko rezonansu stochastycznego może mieć wpływ na mechanoreceptory [8, 9]. Zaobserwowano, że szum mechaniczny zastosowany na podeszwową powierzchnię stóp za pomocą wibrujących wkładek do butów mogą poprawić postawę i równowagę u osób po udarze mózgu, z neuropatią cukrzycową lub w podeszłym wieku w wyniku zmniejszenia chwiejności postawy i zachowania równowagi ciała w porównaniu do osób zdrowych w podeszłym wieku lub młodych [10, 11]. Następnym przykładem jest generowanie losowego szumu w implantach ślimakowych, który może prowadzić do poprawy słuchu u osób głęboko niesłyszących przez bezpośrednią elektroniczną stymulację nerwu słuchowego, używając chirurgicznie zaimplementowanego układu elektrod [12, 13]. Kolejnym przykładem jest zastosowanie SR w respiratorach wspomagania życia. W celu dokładniejszego odtworzenia naturalnego oddychania wprowadzono losowy szum do działania wentylatora mechanicznego i stwierdzono, że poprawiał on wydajność struktur organizmu na kilka sposobów [14] . Obecnie są prowadzone badania w zakresie inżynierii biomedycznej w obszarach: interfejsów mózg-maszyna, implanty ślimakowe, implanty z pniem mózgu, implanty siatkówki oka w celu przywrócenia widzenia, co oznacza, że istnieje rosnąca potrzeba zrozumienia, jak nieprzewidywalne fluktuacje mogą być wykorzystywane w medycynie [2].

Celem pracy jest omówienie metody rezonansu stochastycznego i analiza wyników najistotniejszych prac omawiających stosowanie oraz efektywność oddziaływania terapeutycznego na organizm człowieka.

Prowadzone badania na potrzeby fizjoterapii polegają na ocenie odziaływania platformy generującej wymuszone drgania mechaniczne o określonych parametrach w wybranych jednostkach chorobowych, dyscyplinach sportowych, a także profilaktyce [15]. Stosowanie metody rezonansu stochastycznego powoduje mechaniczne wibracje, które charakteryzują się zmiennością rytmu, amplitudy i kierunku wibracji, co wymusza adaptację posturalną regulowaną przez OUN i odpowiedzi na bodźce zakłócające równowagę ciała [16].

W urządzeniu SR-WBV można rozróżnić zakresy częstotliwości theta i alfa. Zakres częstotliwości theta (3.5-7.5 Hz) jest odwzorowaniem ruchów cyklicznych (np. bieganie). Statyczne i dynamiczne skurcze mięśni wykazują wzór działania w zakresie częstotliwości alfa (7,5-12,5 Hz) [16]. Podczas stochastycznej wibracji całego ciała (SR-WBV) pacjent stoi na dwóch płytkach, które poruszają się w sposób niejednorodny i wielopłaszczyznowo (przód/tył, prawo/lewo, w górę/w dół), powodując destabilizację równowagi [17]. Regulacja wibracji odbywa się poprzez wzajemne skurcze koncentryczne i ekscentryczne, co dodatkowo prowadzi do stosunkowo rytmicznych wzorców aktywacji mięśni. Natomiast oscylacje stochastyczne są nieprzewidywalne. W ten sposób stale pojawiają się nowe stany podrażnienia i wymagają ciągłych zmian napięcia w celu wytworzenia aktywacji mięśni dostosowanych do określonego schematu bodźca, aczkolwiek jest to możliwe tylko w ograniczonym zakresie, pomimo korekcji balistycznych [18]. Sytuacje wymagające kontroli motorycznej zawsze zawierają pewną ilość wariancji i niepewności. W związku z tym tylko część wymagań może zostać spełniona przez już istniejące lub wyuczone mechanizmy kontrolne [19]. Pozostały składnik zmienny wymaga oszacowania maksymalnej wiarygodności. Odbywa się to poprzez interpolację i ekstrapolację między znanymi odniesieniami. Podczas gdy stymulacja sinusoidalna zawiera zbędne fragmenty informacji, stymulacja stochastyczna generuje wiele odniesień, które pozwalają na bardziej odpowiednią ocenę sytuacji i związaną z tym kalibrację receptorów wielu narządów [19].

W procesie stymulacji bodźcami wibracyjnymi w sztucznej sieci komórek nerwowych, bodźce drgań stochastycznych wywołują potencjały aktywacji komórek nerwowych w porównaniu do drgań sinusoidalnych, które są podprogowe [19]. Co więcej, badania wykazały, że utrata czucia związana z wiekiem i chorobą może być odwracalna poprzez stosowanie zjawiska rezonansu stochastycznego. W grupie pacjentów w podeszłym wieku, po udarze mózgu oraz z neuropatią cukrzycową zdolność wykrywania sygnałów stochastycznych jest lepsza o 16 do 34% w porównaniu do sygnałów sinusoidalnych [18]. Haas i wsp. w przeprowadzonym badaniu nie wykazali zmian w właściwościach proprioceptywnych po terapii rezonansem stochastycznym u osób z chorobą Parkinsona, która redukuje objawy, a zwłaszcza zaburzenia kontroli postawy. W odniesieniu do ogólnych trudności w ocenie propriocepcji nie można całkowicie wykluczyć zmian proprioceptywnych. Jednak nie pojawiły się żadne dowody ani nawet tendencje do zmian w propriocepcji [20].

Uwalnianie czynników neurotroficznych jest możliwe poprzez stymulację wrzecion nerwowo-mięśniowych, które mają wysoką wrażliwość na bodźce stochastyczne (arytmiczne). Substancje te „odżywiają” komórki nerwowe, odpowiadają za nowe powiązania nerwowe i chronią nerwy przed zanikiem, tworząc potencjał do lepszej kontroli i leczenia chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona, stwardnienie rozsiane lub zanikowe stwardnienie boczne (ALS) [19]. Stochastyczne drgania mechaniczne wchodzą w interakcję z równie stochastycznymi parametrami czynnościowymi układu nerwowego [15]. Powodują wyższą aktywność dodatkowej kory ruchowej (SMA − supplementary motor area) ważnej dla generowania skomplikowanych wzorców ruchowych, która stanowi ścisłe połączenie z systemem działania dopaminergicznego. Prowadzą do stosunkowo mocnych aktywacji obszarów przedczołowej kory, które są ważne dla nabywania wiedzy (pozyskiwania informacji) [21]. Ponadto, zwiększona aktywność w ciele prążkowym (striatum), ułatwia wykonanie ruchów dobrowolnych w sposób płynny i pewny, wybierając odpowiednie dla niego wykonanie i inicjując ruch, jednocześnie zapewniając zahamowanie ruchów opozycyjnych [22]. Zaobserwowano zwiększoną aktywność móżdżku, która zapewnia większą neuroplastyczności i lepsze wyniki rehabilitacji u pacjentów z SM i po udarze mózgu [21].

Następstwem unieruchomienia jest zmniejszenie syntezy białek, przy czym pierwsza zmiana może zostać wykryta już po 5 godzinach, natomiast w okresie bezczynności 7−14 dni zmniejsza się o 50−60%. Zmiany strukturalne i morfologiczne są związane z modyfikacjami biochemicznymi. Przy dostatecznie długim braku aktywności, centralne i obwodowe sieci neuronalne ulegają degeneracji, zmniejszając w sposób zrównoważony możliwości aktywacji mięśniowej. Związana relatywnie duża część szybkich jednostek o wysokim progu aktywacji prowadzi do stanu, w którym mięsień nie jest aktywowany wcale lub aktywowany wyłącznie maksymalnie, a tym samym nie powstaje bodziec do skutecznej reedukacji funkcji mięśni, co wiąże się ze stresem oksydacyjnym i zmniejszoną odpornością na zmęczenie [18]. Bodźce o właściwościach stochastycznych, w porównaniu do sygnałów harmonicznych, mają tę zaletę, generowania niskich natężeń bodźców mechanicznych (niska amplituda względem niskiej częstotliwości) w celu uzyskania odpowiednich efektów czuciowych i nerwowo-mięśniowych bez ryzyka uszkodzenia struktur organizmu pacjenta czy zablokowania aktywności mięśni. W rezultacie, drgania stochastyczne stanowią optymalny bodziec dla osób w podeszłym wieku, pacjentów z wyraźnymi zaburzeniami ruchowymi, a nawet po dłuższym okresie bezczynności motorycznej [23].

Wskazania do stosowania metody rezonansu stochastycznego są opracowane przez producentów urządzeń oraz fizjoterapeutów i obejmują: udar mózgu lub uraz czaszkowo-mózgowy (niedowład), chorobę Parkinsona, stwardnienie rozsiane i zanikowym stwardnieniu bocznym, uraz rdzenia kręgowego, urazy ortopedyczne, alloplastyka stawów biodrowych lub kolanowych, neuropatia/cukrzyca, osteoporoza, zaburzenia równowagi (ataksja), nietrzymanie moczu, depresja, nadpobudliwość psychoruchowa, autyzm, mózgowe porażenie dziecięce. Natomiast do przeciwwskazań należą: rana pooperacyjna, ostre stany zapalne (zależy od objętej struktury względem lokalizacji stanu zapalnego), wypuklina krążka międzykręgowego (zależy od stopnia wypukliny, wystąpienia deficytów neurologicznych, względne przeciwwskazanie), spondyloza, kamica nerkowa lub żółciowa, zaawansowana osteoporoza z ostrym ryzykiem złamań, schizofrenia, padaczka, drgawki, zaburzenia spostrzegania i zawroty głowy, implant (elektroniczny serca, rogówki oka, ślimakowy), głęboka stymulacja mózgu w chorobie Parkinsona (zalecane badanie lekarskie, względne przeciwwskazanie), znaczne nadciśnienie lub hipotonia, zaburzenia rytmu serca, tętniaki, zakrzepica kończyn dolnych, nudności, złe samopoczucie, migrena, nowotwory, ciąża [24]. Zaleca się ostrożną ocenę historii medycznej pacjenta przed stymulacją wibracjami całego ciała w celu oceny przeciwwskazań lub potencjalnego ryzyka. Stosowanie wibracji całego ciała może powodować działania niepożądane, tj.: mrowienie lub miejscowe zaczerwienienie skóry kończyn dolnych, bolesność mięśni, zmęczenie oraz łagodne zawroty głowy, aczkolwiek występowanie objawów jest rzadkie [25].

ZABURZENIA RÓWNOWAGI CIAŁA

Suchanowski i Bartczyk zastosowali 15 zabiegów drgań stochastycznych (3 i 6 Hz, poziom szumu 3, 5 serii po 60 s., oddzielone przerwami po 60 s., 3x/tydzień w ciągu 5 tyg.) u 3 osób po udarze mózgu w stadium przewlekłym choroby. Nie dokonano analizy statystycznej ze względu na małą liczebność grupy. Zaobserwowali poprawę w teście „Wstań i Idź” o 17 do 21%, w teście „Sięgania” o 33 do 100% oraz w teście „30 second Stand Chair” o 16 do 37%, aczkolwiek uzyskany rezultat świadczy o wysokim ryzyku upadków. Na potrzeby kontroli postępowania fizjoterapeutycznego przeprowadzono pomiar ciśnienia tętniczego krwi (BP) i częstości skurczów serca (HR). Odnotowano obniżone wartości BP i HR w ciągu kolejnych serii w porównaniu do wartości spoczynkowych [26].

Bartczyk i wsp. ocenili efekty drgań stochastycznych w zakresie równowagi statycznej u osób ze stwardnieniem rozsianym. 27 osób o umiarkowanej niepełnosprawności (skala EDSS 2,5-5) zostały podzielone losowo na grupę eksperymentalną i kontrolną. W grupie eksperymentalnej zastosowano indywidualne postępowanie usprawniające o czasie 770,4±76,2 min (wartość średnia w ciągu tyg.) w uzupełnieniu z 10 zabiegami rezonansu stochastycznego (3 i 6 Hz, poziom szumu 3) w 5 seriach po 1 min, oddzielone przerwami o tym samym czasie. W grupie kontrolnej zastosowano indywidualne postępowanie usprawniające o czasie 715,1±95,3 min (wartość średnia w ciągu tyg.). Ocena stabilności postawy ciała została przeprowadzona na stabilnym podłożu za pomocą platformy Biodex Balance System SD w zakresie ogólnego wskaźnika stabilności, wskaźnika stabilności A/P, wskaźnika stabilności M/L, odsetka [%] czasu wychyleń w strefie A, B, C, D oraz odsetka [%] czasu wychyleń w kwadrantach I, II, III, IV. W grupie eksperymentalnej ogólny wskaźnik stabilności zmniejszył się z 1,2o do 0,7o (p=0,095), co więcej średnia wartość wskaźnika stabilności A/P uległa poprawie z 0,9o do 0,5o (p=0,051). Średnia wartość procentowa czasu wychyleń w strefie B uległa zmniejszeniu z 2,7 do 0,2% (p=0,053) po zastosowaniu 10 zabiegów rezonansem stochastycznym. W grupie kontrolnej odnotowano zmniejszenie średniej wartości wskaźnika stabilności A/P z 0,9o do 0,5o (p=0,080) między pierwszym a drugim tygodniem stosowanej terapii [27].

Rogan i wsp. przeprowadzili badanie skrzyżowane u osób starszych nieuprawiających aktywności fizycznej w zakresie równowagi statycznej i dynamicznej oraz czasu reakcji psychomotorycznej. Dokonano oceny za pomocą testu: Semi-Tandem Stand, Sięgania, Wstań i Idź, czasu reakcji psychomotorycznej dłoni i stóp oraz oceny prędkości lokomocji podczas pojedynczego lub podwójnego zadania. 20 osób podzielono na grupę A (5 Hz, poziom szumu 4 / 1 Hz, poziom szumu 1) i grupę B (1 Hz, poziom szumu 1 / 5 Hz, poziom szumu 4). Zastosowano 5 serii po 60 s, oddzielone przerwami o tym samym czasie 3 razy w tygodniu w ciągu 4 tygodni. Po 12 dniach zabiegowych zastosowano 16 dni odpoczynku, a następnie uczestnicy byli poddani 12 zabiegom o przeciwnych parametrach stymulacji. Zaobserwowano zmniejszenie czasu przejścia dystansu 20 m w teście Wstań i Idź, aczkolwiek uzyskany rezultat nie był statystycznie istotny (p=0,097) [28].

Srokowski i wsp. ocenili skuteczność 10 zabiegów rezonansem stochastycznym (8 serii po 60 s, oddzielone przerwami o tym samym czasie, 5x/tydzień) u dzieci z mózgowym porażeniem dziecięcym w zakresie równowagi statycznej i dynamicznej. Dokonano oceny za pomocą testu Wstań i Idź, próby Romberga (otwarte i zamknięte oczy) oraz skali Tinetti. Zaobserwowano zmniejszenie czasu przebytego dystansu w teście Wstań i Idź o 22%, na podstawie skali Tinetii odnotowano poprawę o 2,3±2,0 pkt (ok. 30%), w próbie Romberga uzyskano lepszy rezultat przy otwartych i zamkniętych oczach odpowiednio o 6±6,8 s i 6,4± 5,8 s Uzyskana poprawa wyników była statystycznie istotna (p<0,001) [29].

Rogan i wsp. opracowali metaanalizę dotyczącą wpływu stochastycznej wibracji całego ciała u osób z zaburzeniami równowagi i historii upadków. W celu poprawy równowagi statycznej i dynamicznej u osób z schorzeniami neurodegeneracyjnymi należy stosować 3x w tygodniu z częstotliwością 3−6 Hz w 5 seriach po 60 s., oddzielonymi przerwami o tym samym czasie, natomiast stosowanie terapii w ciągu 4 tygodni powoduje poprawę mobilności u osób w podeszłym wieku [30].

Elfering i wsp. zastosowali drgania stochastyczne (4−8 Hz, 3 serie po 60 s, oddzielone przerwami o tym samym czasie, 3x/tydzień w ciągu 4 tyg.) u inżynierów branży produkcji systemów lotniczych. Zaobserwowano zwiększoną kontrolę zachowania balansu ciała (p<0,05) oraz znaczą redukcję bólu w odcinku lędźwiowym kręgosłupa o charakterze mięśniowo-szkieletowym (p<0,05) u osób zgłaszających dolegliwości bólowe dolnej części tułowia w ciągu 4 tygodni przed rozpoczęciem badania [31].

USZKODZENIE RDZENIA KRĘGOWEGO

Haas i wsp. ocenili skuteczność drgań stochastycznych u osób z paraplegią i tetraplegią w następstwie częściowego uszkodzeniem rdzenia kręgowego (URK). W grupie kontrolnej i eksperymentalnej zastosowano środki fizjoterapeutyczne uwzględniając reedukację lokomocji, ponadto, w grupie eksperymentalnej uzupełniono postępowanie usprawniające o zastosowanie drgań stochastycznych (4−6 Hz, 5 serii po 60 s, oddzielone przerwami o tym samym czasie). Dokonano oceny w zakresie przebytego dystansu w ciągu 2 min oraz utrzymania pozycji stojącej przez jak najdłuższy czas (bez pomocy pacjentowi) co 18-21 dni. Czas trwania terapii wyniósł około 60 dni. Odnotowano poprawę parametrów docelowych w obu grupach, jednakże zaobserwowano statystycznie istotne różnice w grupie eksperymentalnej odpowiednio o 47% i 31% w porównaniu do grupy kontrolnej [32]

Jednym z celów fizjoterapii u pacjentów z paraplegią jest reedukacja lokomocji. Zaburzenia lokomocji z jednej strony są skompensowane zmniejszeniem masy ciała, a z drugiej strony, wymaganą interwencji fizjoterapeutów lub dedykowanych urządzeń, takich jak bieżnia ruchoma lub Lokomat. Chociaż mechanizmy neuronalne są słabo poznane, główne znaczenie ma aktywacja zespołu komórek CPG (central pattern generator) powodując rytmiczną i naprzemienną aktywację mięśni nóg, a tym samym wspomaga lokomocję. Aktywacja CPG w stanie fizjologicznym odbywa się przez stymulowanie ośrodków nadrdzeniowych w następstwie aplikacji drgań mechanicznych, co może być stosowane w urazie rdzenia kręgowego (URK). W szczególności centralną rolę odgrywa powtarzająca się reakcja odruchowa. Ta funkcjonalność opiera się na różnych założeniach. Tak więc istnieje silna korelacja pomiędzy zdolnością ruchową a funkcją odruchu wyzwalaną przez stymulację proprioceptywną lub eksteroceptywną. Inne prace dowodzą, że reedukacja lokomocji wiąże się ze wzrostem zdolności przetwarzania sygnału aferentnego. Uważa się również, że receptory, a szczególności włókna dośrodkowe typu Ia i II, sprzyja wzrostowi komórek nerwowych i pojawieniu się nowych połączeń neuronalnych [23]

ZMIENNOŚĆ MOTORYKI CZŁOWIEKA

Rogan i wsp. wyjaśniają, że stosowanie drgań stochastycznych jest korzystne na początkowym etapie usprawniania u osób nieaktywnych fizycznie lub osób w podeszłym wieku ze względu na układ nerwowo-mięśniowy, który może nie być wstanie zrealizować wyższych obciążeń treningowych. Wzrost zdolności wytrzymałości siłowej po stymulacji bodźcami wibracyjnymi w krótkim czasie wiąże się ze skuteczniejszą koordynacją nerwowo-mięśniową w postaci bardziej zsynchronizowanej aktywności mięśniowej i większej liczby rekrutowanych jednostek ruchowych. Co więcej, stosowanie stochastycznej wibracji u osób poruszających się samodzielnie lub z pomocą lokomocyjną stanowi uzupełnienie programu usprawniania wśród wielu środków terapeutycznych [33].

Rogan i wsp. przeprowadzili randomizowane badanie stosując drgania stochastyczne uzupełnione taneczną grą wideo u osób w podeszłym wieku. Dokonano oceny w zakresie sprawności fizycznej za pomocą testu Short Physical Performance Battery (SPPB), maksymalnego dowolnego skurczu izometrycznego (IMVC) i siły eksplozywnej (wskaźnik IRFD: isometric rate of force development, N/ms) zginaczy i prostowników stawu kolanowego. Osobom w grupie eksperymentalnej zastosowano częstotliwość 3−6 Hz z poziomem szumu 4 w 5 seriach po 60 s, oddzielone przerwami o tym samym czasie (3x/tydzień przez 8 tygodni), w 5-8 tygodniu drgania stochastyczne zostały uzupełnione taneczną grą wideo (3x/tydzień). W grupie kontrolnej zastosowano częstotliwość 1 Hz z poziomem szumu 1 w 5 seriach po 60 s., oddzielone przerwami o tym samym czasie (3x/tydzień przez 8 tygodni), w 5−8 tygodniu drgania stochastyczne zostały uzupełnione ćwiczeniami dynamicznymi kończyn dolnych na trampolinie (3x/tydzień). W grupie eksperymentalnej na podstawie SPPB zaobserwowano statystycznie istotne różniące po 4 (p=0,01) i 8 (p=0,004) tygodniach terapii. Po 8 tygodniach zaobserwowano znacznie istotny wzrost IMVC zginaczy lewej kończyny (p=0,03). Statystycznie istotne różnice wskaźnika IRFD zginaczy i prostowników stawów kolanowych między grupami zaobserwowano po 4 tygodniach (p<0,05) i 8 tygodniach (p<0,05) w poszczególnych przedziałach czasowych 0−30, 0−50, 0−100, 100−200 ms w porównaniu do grupy kontrolnej [34].

W kolejnym badaniu Elfering i wsp. oceniali wpływ drgań stochastycznych u 23 studentek w celu zidentyfikowania możliwych wyjaśnień dotyczących działań profilaktyki na zaburzenia mięśniowo-szkieletowe. Dokonano oceny aktywności mięśnia czworobocznego, zmienności częstości skurczów serca, właściwości tkanki skórnej (temperatura, zaczerwienienie, przepływ krwi) oraz kwestionariuszy samoopisowych oceny bólu przewlekłego i stanu mięśni (samopoczucie i relaks). W grupie eksperymentalnej zastosowano częstotliwość 6 Hz (poziom szumu 4), natomiast w grupie kontrolnej 2 Hz (poziom szumu 0). W grupie eksperymentalnej wzrosła aktywność mięśnia czworobocznego średnio o 3,47% (p=0,006) w porównaniu do grupy kontrolnej [18]. Na podstawie wielkości przepływu krwi − perfuzji (PU − perfusion unit), tylko w rejonie odcinka środkowego tułowia wykazano statystycznie istotne zmiany (p<0,0005). W grupie kontrolnej odnotowano różnicę na poziomie 7,33 ± 1,58 PU, natomiast w grupie eksperymentalnej o 11,41 ± 2,12 PU (p<0,0005) w porównaniu do wartości przed rozpoczęciem badania. W pozostałych parametrach docelowych nie odnotowano statystycznie istotnych różnic między grupami [35].

W podobnym badaniu Washif i wsp. ocenili skuteczność postępowania usprawniającego w uzupełnieniu z drganiami stochastycznymi w leczeniu lumbago u mężczyzny (powyżej 30 r.ż.) realizującego trening siłowy 3x w tygodniu przez 45−90 min. Dokonano oceny niepełnosprawności spowodowanej dolegliwościami bólowymi kręgosłupa piersiowo-lędźwiowego za pomocą kwestionariusza Oswestry oraz natężenia bólu za pomocą skali numerycznej NRS. Pierwszy etap postępowania fizjoterapeutycznego zawierał stochastyczną wibrację całego ciała (4−5 serii po 90 s, oddzielone przerwami o czasie 30 s, pozycja leżąca), ćwiczenia relaksacyjne, stabilizacji, rozciągające mięśni grzbietu oraz terapię ciepłem w ciągu 3 tygodni. Drugi etap zawierał ćwiczenia zwiększające siłę mięśni grzbietu w ciągu 16 tygodni. Na podstawie kwestionariusza Oswestry odnotowano zmniejszenie bólu i stopnia niepełnosprawności po zastosowaniu 4 i 7 dni zabiegowych odpowiednio o 51% i 8% osiągając poprawę sprawności ruchowej i jakości życia o około 60%. Podobny trend zmian zaobserwowano na podstawie skali NRS z 6 pkt (przed zastosowaniem terapii) do 0−1 pkt po zastosowaniu 11 dni zabiegowych w ciągu pierwszego etapu usprawniania. W drugim etapie usprawniania pacjent nie zgłaszał żadnych skarg dotyczących bólu lub dyskomfortu podczas wykonania ćwiczeń. Autorzy sugerują, że postępowanie fizjoterapeutyczne zastosowane w badaniu własnym ma klinicznie znaczący wpływ na intensywność bólu i zmniejszenie niepełnosprawności, przywracając jednocześnie funkcjonalną mobilność [36].

Blasimann i wsp. przeprowadzili analizę aktywności mięśni prostownika grzbietu i czworobocznego grzbietu (włókna górne i dolne). U 19 kobiet zastosowano częstotliwość 2, 4, 6, 8, 10, 12 Hz bez/z dodatkiem szumu w przedziale 0−5 (zakres zmienności bodźców) w 12 seriach po 10 sekund. Zaobserwowano wzrost wartości maksymalnego skurczu dowolnego (MVC) mięśni prostownika grzbietu o 14,5%, mięśni czworobocznego włókien górnych i dolnych odpowiednio o 7,4% (10 Hz bez szumu) i 4,6% (12 Hz z szumem). Ponadto, różnice aktywności mięśni były istotne w zakresie częstotliwości 6−12 Hz (p≤0,047) w porównaniu do wartości spoczynkowych. Nie odnotowano znaczących różnic w częstotliwości z/bez szumu. Autorzy podkreślają, że aktywność mięśni podczas drgań stochastycznych jest dość niska i porównywalna do ćwiczeń wytrzymałościowych, sensomotorycznych, izolowanych skurczów mięśnia poprzecznego brzucha i stanowi kolejny środek terapeutyczny w profilaktyce zaburzeń mięśniowo-szkieletowych [37]

Lauper M i wsp. porównali wpływ drgań stochastycznych i sinusoidalnie naprzemiennych na aktywność mięśni dna miednicy za pomocą EMG w spoczynku i maksymalnym skurczu dowolnym (MVC). Zaobserwowano znacznie zwiększoną aktywność mięśni dna miednicy wraz ze zwiększonym MVC u kobiet po porodzie stosując drgania stochastyczne o częstotliwości 6-12 Hz w porównaniu do drgań sinusoidalnie naprzemiennych (5−26 Hz, 2−4 mm) odnotowując nieznaczne zmiany aktywności mięśni w stosunku wartości początkowych. Autorzy podkreślają, że ze względu na brak inwazyjności wibracja całego ciała może stanowić kolejny środek terapeutyczny u kobiet, które nie preferują zastosowania elektrostymulacji dopochwowej [38].

Dittrich i wsp. zastosowali drgania stochastyczne (4 ćwiczenia podczas 3 serii po 45−60 s, oddzielonymi przerwami o czasie 30 s, 3x/tydzień w ciągu 12 tyg.) u osób powyżej 60. r.ż. Dokonano oceny w zakresie zawartości tkanki kostnej (BMC), gęstości mineralnej kośćca (BMD), siły skurczów izometrycznych mięśni tułowia, równowagi statycznej i dynamicznej oraz subiektywnego stanu zdrowia. W grupie eksperymentalnej u mężczyzn zaobserwowano wzrost siły mięśni odpowiedzialnych (wykonujących dyspozycje ruchowe) za ruch zgięcia (wartość średnia: o 90,04 N, p=0,002) i w ruchu wyprostu (wartość średnia: o 82,1 N, p=0,002), natomiast u kobiet odnotowano wzrost siły w ruchu zgięcia (wartość średnia: o 34,5 N, p<0,001) i w ruchu wyprostu (wartość średnia: o 55,9 N, p<0,001) w porównaniu do grupy kontrolnej. Co więcej, w grupie eksperymentalnej u kobiet na podstawie testu Wstań i Idź zaobserwowano poprawę o 0,4 s (p<0,001) w porównaniu do stanu przed rozpoczęciem terapii, jak również uzyskany rezultat był lepszy o 0,9 s. (p=0,003) w porównaniu do grupy kontrolnej [39].

ZMIANY HORMONALNE

Zmiany w metabolizmie tryptofanu wzdłuż szlaku kynureninowego zaobserowano w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym u pacjentów z chorobami neurozapalnymi, neurodegeneracyjnymi oraz w procesie starzenia organizmu. Kepplinger i wsp. zastosowali drgania stochastyczne (10 Hz, 5 serii po 120 s, oddzielone przerwami o 30 s) u 10 zdrowych osób w wieku średnio 33,2±4,1 roku. Dokonano oceny stężeń w surowicy krwi L-tryptofanu, L-kinureniny, kwasu kynureninowego i kwasu antranilowego 1 min przed aplikacją wibracji oraz w 1, 5, 15, 30 i 60 min po zastosowaniu drgań stochastycznych. Zaobserwowano umiarkowane, ale znaczące obniżenie poziomów L-tryptofanu, L-kinureniny i kwasu kinureninowego w surowicy do 60 minut. Poziomy kwasu antraniliowego charakteryzowały się umiarkowanym, nieistotnym statystycznie krótkotrwałym obniżeniem wartości przez okres do 15 min, a następnie normalizacją po 60 min. Współczynniki metabolitów tryptofanu były umiarkowanie zmienne, co sugeruje aktywację metabolizmu po zastosowaniu drgań stochastycznych. Zmiany w metabolizmie L-tryptofanu sugerowałyby większe włączenie aminokwasów w trwającą syntezę białek i tworzenie kości, ponieważ dostępność L-tryptofanu podczas wzrostu kości jest niezbędna. Obniżenie poziomu kwasu kynureninowego w następstwie drgań stochastycznych może być istotne dla redukcji objawów u pacjentów z zaburzeniami neuropsychiatrycznymi, takimi jak choroba Parkinsona, choroba Alzheimera, schizofrenia i depresja [40].

PODSUMOWANIE

Pierwsze doniesienia wstępne dotyczące treningu rezonansem stochastycznym pochodzą z dyscyplin sportowych, w których istnieją duże wymagania w odniesieniu do zachowania balansu ciała i sterowania refleksami. Sportowcy, tacy jak Kati Wilhelm (biathlonistka, siedmiokrotna medalistka olimpijska, medalistka mistrzostw świata, zdobywczyni Pucharu Świata), Hermann Maier (narciarz alpejski, czterokrotny medalista olimpijski, sześciokrotny medalista mistrzostw świata, czterokrotny zdobywca Pucharu Świata), Ronny Eckermann (narciarz uprawiający kombinację norweską, trzykrotny medalista olimpijski, dziesięciokrotny medalista mistrzostw świata, trzykrotny zdobywca Pucharu Świata) oraz piłkarska drużyna narodowa Brazylii stosowali stochastyczną wibracje całego ciała w treningu koordynacji ruchowej [17]. Istotnym wyzwaniem jest z jednej strony to, żeby określone, dostosowane do warunków zewnętrznych odruchy, przebiegały płynnie i pewnie, z drugiej strony procesy te muszą odbywać się w wyjątkowo krótkich ramach czasowych około 100 do 200 milisekund. Zwykle funkcjonuje to na bazie wartości doświadczenia, które wskutek urazu lub schorzenia zostały zaburzone [15]. Inaczej mówiąc, nie jest leczony specyficzny objaw, lecz procesy aktywacji i optymalizacji mechanizmów sterowania ruchem. Zasada treningu rezonansem stochastycznym stanowi przeciwieństwo dla tradycyjnego rozumienia mechanizmów sterowania ruchem. Z reguły próbuje się nie dopuszczać żadnych zakłóceń i w miarę możliwości ograniczać nieprzewidywalne wpływy. Ponad 250 placówek rehabilitacyjnych w Europie korzysta ze stochastycznej wibracji całego ciała. Zarówno w treningu sportowym, jak i w terapii efektywne postępowanie fizjoterapeutyczne charakteryzuje się zasadniczo zróżnicowanymi, dostosowanymi do siebie nawzajem zabiegami [17].

Na podstawie analizy piśmiennictwa oceniającego efektywność stosowania stochastycznej wibracji całego ciała w fizjoterapii sformułowano następujące wnioski:

1. Metoda rezonansu stochastycznego może powodować zmniejszenie lub usunięcie dysfunkcji w wielu jednostkach chorobowych.

2. Ze względu na znaczną heterogeniczność dotyczącą zarówno osób badanych, projektu, metodologii badań oraz braku wyjaśnień niektórych mechanizmów czynnościowych trudno jest sformułować ogólny pozytywny lub negatywny wniosek końcowy.

3. Wymagane są dalsze badania oceniające efektywność stochastycznej wibracji całego ciała w wielu jednostkach chorobowych, w działaniu profilaktycznym oraz treningu sportowym z uwzględnieniem większej liczby uczestników, obiektywnych metod pomiarowych, oddziaływania terapeutycznego w dłuższym okresie czasu oraz systematycznych przeglądów literatury.

Piśmiennictwo

1. Faisal AA, Selen LP, Wolpert DM. Noise in the nervous system. Nat Rev Neurosci. 2008;9(4):292-303.

2. McDonnell MD, Abbott D. What is stochastic resonance? Definitions, misconceptions, debates, and its relevance to biology. PLoS Comput Biol. 2009;5(5):e1000348. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000348.

3. Sun Q, Liu H, Huang N et al. Nonlinear restoration of pulse and high noisy images via stochastic resonance. Sci Rep. 2015;5:16183. doi:10.1038/srep16183.

4. Paulsson J. Summing up the noise in gene networks. Nature. 2004;427:415–418.

5. Wang SQ, Song LS, Lakatta EG et al. Ca2+ signalling between single L-type Ca2+ channels and ryanodine receptors in heart cells. Nature. 2001;410:592-596.

6. Shannon CE. A mathematical theory of communication. Bell Syst Tech J. 1948;27:379-423, 623-656.

7. von Neumann J. Probabilistic logics and the synthesis of reliable organisms from unreliable components. Automata Studies. 1956;34:43-99.

8. Collins JJ, Imhoff TT, Grigg P. Noise-enhanced tactile sensation. Nature. 1996;383:769–770.

9. Collins JJ, Priplata AA, Gravelle DC et al. Noise-enhanced human sensorimotor function. IEEE Eng Med Biol Mag. 2003; 22(2):76-83

10. Priplata AA, Niemi JB, Harry JD et al. Vibrating insoles and balance control in elderly people. Lancet. 2003;362(9390):1123-1124.

11. Priplata A, Niemi J, Salen M et al. Noise-enhanced human balance control. Phys Rev Lett. 2002;89(23):238101.

12. Stocks NG, Allingham D, Morse RP. The application of suprathreshold stochastic resonance to cochlear implant coding. Fluct Noise Lett. 2002;2:169–181

13. Morse RP, Morse PF, Nunn TB et al. The effect of Gaussian noise on the threshold, dynamic range, and loudness of analogue cochlear implant stimuli. J Assoc Res Otolaryngol. 2007;8:42-53.

14. Brewster JF, Graham MR, Mutch WAC. Convexity, Jensen’s inequality and benefits of noisy mechanical ventilation. J Royal Society Interface. 2005;2:393-396.

15. Rutkowski S, Szczegielniak J. Rezonans stochastyczny w fizjoterapii. Prakt Fizjoter Rehabil. 2013;42:26-29.

16. Lamprecht S, Lamprecht H. Neuroreha bei Multipler Sklerose: Therapie – Sport – Selbsthilf. Georg Thieme Verlag. Stuttgart 2008.

17. Haas CT, Turbanski S, Schmidtbleicher D. Wie gezielte Unordnung im Training für Ordnung in der Bewegung sorgt: zufällige Schwingungen wirken auf Muskel- und Nervenzellen ein. Forschung Frankfurt. 2006;4:19-25.

18. Haas CT. Vibrationstraining, Biomechanische Stimulation und Stochastische Resonanz Therapie. pt_Zeitschrift für Physiotherapeuten. 2008;60:728-789.

19. Haas CT, Turbanski S, Markitz S et al. Stochastische Resonanzin der Therapie von Bewegungsstörungen. Bewegungstherapie und Gesundheitssport 2006;22:58-61.

20. Haas CT, Buhlmann A, Turbanski S et al. Proprioceptive and sensorimotor performance in Parkinson’s disease. Res Sports Med. 2006;14(4):273-287.

21. Schmidtbleicher D, Haas CT, Turbanski S. Vibration Training in Rehabilitation. Proceedings of the 23th ISBS Congress. Beijing. 2005:71-79.

22. Kaut O, Becker B, Schneider Ch et al. Stochastic resonance therapy induces increased movementrelated caudate nucleus activity. J Rehabil Med. 2016;48(9):815–818.

23. Haas CT. Neuronale Korrelate apparativ gestützter Trainingsformen. In: Witte K, Edelmann-Nusser J, Sabo A et al. Sporttechnologie zwischen Theorie und Praxis IV. Aachen: Shaker, 2005, 37-48.

24. Kasturi GC, Adler RA. Osteoporosis: nonpharmacologic management. PM R. 2011;3(6):562-572.

25. Herren K, Schmid S, Rogan S et al. Effects of Stochastic Resonance Whole-Body Vibration in Individuals with Unilateral Brain Lesion: A Single-Blind Randomized Controlled Trial: Whole-Body Vibration and Neuromuscular Function. Rehabil Res Pract. 2018;9319258. doi: 10.1155/2018/9319258

26. Suchanowski A, Bartczyk M. Zmiany wybranych zdolności motorycznych na tle funkcji hemodynamicznych osób po udarze mózgu poddanych zabiegom rezonansu stochastycznego. Prom Zdr Ekol. 2017;2:28-35.

27. Bartczyk M, Suchanowski A, Świderski J et al. Skuteczność rezonansu stochastycznego w usprawnianiu równowagi u osób ze stwardnieniem rozsianym. In: XIV Konferencja Polskiego Towarzystwa Fizjoterapii. Pabianice;2018:37-28.

28. Rogan S, Radlinger L, Hilfiker R et al. Feasibility and effects of applying stochastic resonance whole-body vibration on untrained elderly: a randomized crossover pilot study. BMC Geriatr. 2015;15:25. doi: 10.1186/s12877-015-0021-4.

29. Srokowski G, Radzimińska A, Weber-Rajek M et al. Wpływ rezonansu stochastycznego na równowagę dziecka z Mózgowym Porażeniem Dziecięcym = Influence of stochastic resonance on body balance of children with Cerebral Palsy. J Edu Health Sport. 2015;5(12):521-534.

30. Rogan S, Hilfiker R, Schenk A et al. Effects of whole-body vibration with stochastic resonance on balance in persons with balance disability and falls history – a systematic review. Res Sports Med. 2014;22(3):294-313.

31. Elfering A, Arnold S, Schade V et al. Stochastic Resonance Whole-Body Vibration, Musculoskeletal Symptoms, and Body Balance: A Worksite Training Study. Safety and Health at Work. 2013;4:149-155.

32. Haas CT, Hochsprung A, Turbanski S et al. Zu den Effekten mechanischer Schwingungen in der Rehabilitation von spinalen Läsionen. Neuroplasticity Congress. Zürich. 2004:(digital publication,8 Seiten).

33. Rogan S, de Bruin ED, Radlinger L et al. Effects of whole-body vibration on proxies of muscle strength in old adults: a systematic review and meta-analysis on the role of physical capacity level. Eur Rev Aging Phys Act. 2015;12:12. doi: 10.1186/s11556-015-0158-3.

34. Rogan S, Radlinger L, Baur H et al. Sensory-motor training targeting motor dysfunction and muscle weakness in long-term care elderly combined with motivational strategies: a single blind randomized controlled study. Eur Rev Aging Phys Act. 2016;13:4. doi: 10.1186/s11556-016-0164-0.

35. Elfering A, Zahno J, Taeymans J et al. Acute effects of stochastic resonance whole body vibration. World J Orthop. 2013;4(4):291-298.

36. Washif JA, Teichmann J, Kok LY et al. Using stochastic resonance and strength training as part of a rehabilitation programme for recurrent low back pain treatment: a case study. J Exerc Rehabil. 2019;15(1):139-147.

37. Blasimann A, Fleuti U, Rufener M et al. Electromyographic activity of back muscles during stochastic whole body vibration. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2014;14(3):311-317.

38. Lauper M, Kuhn A, Gerber R et al. Pelvic floor stimulation: what are the good vibrations? Neurourol Urodyn. 2009;28(5):405-410.

39. Dittrich M, Eichner G, Schmidtbleicher D et al. Eine Untersuchung zur Wirkung der Stochastischen Resonanztherapie (SRT-Zeptoring) auf die Knochendichte, Rumpfkraft und Koordination bei Senioren. OUP : Zeitschrift für die orthopädische und unfallchirurgische Praxis. 2012;1(2):60-65.

40. Kepplinger B, Baran H, Sedlnitzky-Semler B et al. Stochastic resonance activity influences serum tryptophan metabolism in healthy human subjects. Int J Tryptophan Res. 2011;4:49-60.

Konflikt interesów:

Wszyscy autorzy deklarują brak konfliktu interesów

Autor korespondujący

Mateusz Bartczyk

Klinika Rehabilitacji i Medycyny Fizykalnej UM,

Pl. Hallera 1, 90-647 Łódź,

tel./fax: 42 6393064

e-mail: mateusz.bartczyk@o2.pl

Nadesłano: 29.03.2019

Zaakceptowano: 04.06.2019