Rezonans stochastyczny w fizjoterapii

Pojęcie rezonansu stochastycznego (stochastic resonance – SR) wywodzi się z prac dotyczących obliczeń czasu trwania epok lodowcowych i wykorzystywane jest obecnie w wielu dyscyplinach naukowych [1]. Zjawisko to polega na nałożeniu na określony sygnał zewnętrzny dodatkowych szumów o różnym natężeniu, np. w postaci drgań [2]. 

W literaturze opisywane są charakterystyczne cechy SR dotyczące szumu i obecności sygnałów podprogowych. Badania dotyczące fizjoterapii opierają się głównie na ocenie działania platformy generującej drgania o określonej częstotliwości. Z fizjologicznego punktu widzenia podstawą funkcjonalną SR jest wykryty naturalny szum obecny zarówno w układzie nerwowym, jak i w tkance kostnej zwierząt i ludzi [3–8].

Zastosowanie drgań w terapii

W doniesieniach naukowych można jednak spotkać przeciwstawne opinie dotyczące efektów terapii z wykorzystaniem SR. Wskazuje się także na różne możliwe aspekty i skutki oddziaływania w odniesieniu zarówno do narządu ruchu, jak i układu nerwowego. Opisywany jest wpływ na reakcje biochemiczne, a także możliwa stymulacja przyrostu masy kostnej jako odpowiedź organizmu na działanie wibracji. 

Dotychczas opisano wpływ drgań wywołujących odruchowy skurcz mięśni. Próbowano także ocenić wpływ określonych wibracji na aktywację mózgu i stężenie hormonów lub uwalnianie neuroprzekaźników [9–12]. Wykazano różnice reakcji organizmu zależne zarówno od cech zastosowanych drgań, miejsca przyłożenia, jak i ich parametrów (częstotliwość, amplituda) [13, 14]. Odnotowano zmiany kontroli motorycznej wywołane określonymi drganiami stosowanymi lokalnie oraz globalnie [15–17]. Wykazano, że drgania stosowane u badanych przyjmujących pozycję pionową mogą prowadzić do przednio-tylnych wychwiań ciała [18–21]. Stwierdzono, że reakcje te mogą zachodzić w trakcie stosowania bodźca, ale również po jego zakończeniu [22]. Wykazano, że bodźce w postaci drgań stosowane na określone mięśnie w trakcie chodu mogą wpływać na zmianę jego prędkości i kierunku [15, 17, 23, 24].

Ciekawe wydają się badania dotyczące opisu drgań w ciele człowieka traktowanego jako złożonego układu biomechanicznego, w którym określone elementy sprężynujące są w ciągłych reakcjach względem siebie. Dotyczą one np. opisu efektu końcowego i następujących zmian stosowanego impulsu wibracyjnego o określonej częstotliwości. 

Dotychczas badano za pomocą elektromiografii (EMG) m.in. wpływ wibracji całego ciała na czas reakcji mięśni tułowia, nie wykazując zmian napięcia mięśni i zakłóceń ich pracy wywołanych przez wibrację [25, 26]. Dowiedziono, że losowo stosowane wibracje są skutecznym sposobem poprawy parametrów chodu i koordynacji u pacjentów cierpiących na chorobę Parkinsona [27].

Wykazana u tych chorych poprawa kontroli chodu i postawy, jak również czynności manualnych osiągnięta została za pomocą wielowymiarowych wibracji całego ciała, zastosowanych w pięciu seriach trwających po 1 minucie, z 1-minutowymi przerwami. Stwierdzono, że korzystny efekt widoczny był po ok. 10 minutach i utrzymywał się nawet do 48 godzin od zabiegu [28]. Oceniono także wpływ nieharmonicznych, wielowymiarowych drgań na postawę i równowagę ciała u chorych na stwardnienie rozsiane. Wykazano, że losowe wibracje całego ciała mogą pozytywnie wpływać na kontrolę postawy jak i mobilność tych chorych [29].

Kompleksowe wyjaśnienie mechanizmu działania wibracji oraz związanych z nim reakcji fizjologicznych jest o tyle trudne, że nawet minimalne zmiany parametrów drgań mogą wywołać odmienne reakcje organizmu. Opisane dotychczas negatywne skutki oddziaływania wibracji wynikają zazwyczaj z przewlekłego charakteru ich stosowania, np. u pracowników budowlanych. Badania kliniczne wskazują natomiast często na pozytywne rezultaty terapeutycznego wpływu stosowania wibracji, w tym na znaczne przyspieszenie procesów przemiany materii w tkance kostnej [30]. 

Wpływ terapii z wykorzystaniem drgań na organizm człowieka

W wielu badaniach przeprowadzonych u chorych po przebytym udarze mózgu, chorych z neuropatią cukrzycową oraz osób w starszym wieku wykazano, że sygnał SR wykrywany i przetwarzany jest znacznie szybciej niż harmoniczny sygnał sinusoidalny, a stosowane sygnały stochastyczne umożliwiają nadprogową aktywację nerwowo-mięśniową także przy niskoenergetycznej stymulacji [31]. 

Drgania (wibracje) towarzyszą człowiekowi w życiu codziennym – zarówno w czasie zwykłego marszu, jazdy na rowerze czy na nartach, jak i w trakcie podróży środkami lokomocji. Wykazano, że im więcej odmiennych impulsów pochodzących ze środowiska zewnętrznego, tym szerszy zakres możliwej kontroli motorycznej oraz adaptacji poznawczej. Wydaje się więc, że uprawniona może być hipoteza wskazująca, że zjawisko SR może się wiązać z neuroplastycznością mózgu [32]. 

Wykazano, że receptory skórne i mięśniowe są wysoce podatne na zaszumione, nałożone bodźce stymulujące, a ich pobudzenie jest ściśle związane z uwalnianiem neuroprzekaźników [33]. Mechanizm stymulacji z nałożonymi przypadkowymi wibracjami może obniżać nasilenie objawów oraz optymalizować kontrolę motoryki u pacjentów z chorobami neurodegeneracyjnymi i zaburzeniami ruchu [29, 34, 35]. Wykazano, że sesje terapeutyczne wykonywane przez 3 dni z wykorzystaniem zjawiska SR i wibracji całego ciała (SR-WBV) wpływają na zmniejszenie objawów choroby Parkinsona i istotną statystycznie poprawę kontroli postawy [35]. Oceniano również wpływ treningu SR-WBV u chorych po przebytym udarze. Stwierdzono, że trening nie powoduje niepożądanego w tej grupie chorych wzrostu tętna oraz ciśnienia tętniczego krwi. Potwierdzono hipotezę, że trening SR-WBV jest bezpiecznym sposobem mogącym wpływać na poprawę koordynacji oraz równowagi chorych po przebytym udarze [36].

Prowadzone są także obiecujące badania z wykorzystaniem SR-WBV u sportowców, u których zastosowany trening stabilizacyjny wpływa na czas reakcji na bodziec zewnętrzny. Istotnym wyzwaniem wydaje się zarówno dostosowanie odruchów do warunków zewnętrznych, co wiąże się z płynnością i pewnością ruchu, jak i skrócenie czasu reakcji. Wydaje się, że poprzez zróżnicowanie treningowe określonych bodźców SR można zoptymalizować zachowanie odruchowe. Takie treningi prowadzone są w Instytucie Kultury Fizycznej we Frankfurcie, gdzie typowa jednostka treningowa składa się z 5 serii po 1 minucie każda, a stosowano je m.in. z piłkarską drużyną narodową Brazylii, z siedmiokrotną medalistką olimpijską, medalistką mistrzostw świata, zdobywczynią Pucharu Świata, gwiazdą biathlonu Kati Wilhelm oraz mistrzem świata w narciarstwie alpejskim Hermannem Maierem [37].

Doniesienia naukowe wskazują także na pozytywne aspekty treningu z wykorzystaniem SR u pracowników cierpiących z powodu choroby wibracyjnej. Prowadzono 4-tygodniowe badania z randomizacją u pracowników przemysłu metalowego w Szwajcarii, badając symptomy bólów mięśniowo-szkieletowych oraz oceniając równowagę. Stwierdzono znaczącą redukcję występujących bólów u badanych, nie odnotowując wpływu na równowagę [38]. Nie odnotowano także istotnej klinicznej poprawy po zastosowaniu treningu SR-WBV u kobiet cierpiących na nietrzymanie moczu, u których badano aktywność mięśni dna miednicy za pomocą EMG [39].

Przyjmuje się, że z możliwości prowadzenia treningów SR-WBV korzysta w Europie ok. 300 placówek rehabilitacyjnych. Mimo stwierdzonych licznych pozytywnych efektów działania SR niektóre mechanizmy czynnościowe pozostają niewyjaśnione i stanowią przedmiot licznych badań. Trzeba zaznaczyć, że brak dotychczas określonych standardów postępowania SR w poszczególnych jednostkach chorobowych. Wydaje się jednak, że terapia z użyciem zjawiska SR i wibracji całego ciała może być przydatna w kompleksowym postępowaniu zarówno w zakresie treningu sportowego, jak i szeroko rozumianej fizjoterapii i fizjoprofilaktyki. 

mgr SEBASTIAN RUTKOWSKI
dr hab. JAN SZCZEGIELNIAK
Katedra Fizjoterapii Klinicznej, Politechnika Opolska

BIBLIOGRAFIA:

1. Benzi R., Suter A., Vulpiani A. The mechanizm of stochastic resonace. I Phys. A14, L453.457
2. Haggi P. Stochastiche Rezonanz: Rauschenmacht sensibel. Physikalische Blatter 2001; 57 (1), s. 15–6.
3. Douglass K., Wilkens L., Pantazelou E., Moss F. Noise enhancement of information transfer in crayfish mechanoreceptors by stochastic resonance. Nature 1993; 365, s. 337–40.
4. Braun A., Wissing H., Schafer K., Hirsch C. Oscillation and noise determine signal transduction in shark multimodal s...