Mechanizm powstawania spastyczności: rola górnego neuronu ruchowego i łuku odruchowego

Spastyczność to zaburzenie kontroli mięśniowej polegające na wzmożonym napięciu mięśniowym o charakterze zależnym od szybkości ruchu, które pojawia się w wyniku uszkodzenia górnego neuronu ruchowego w mózgu lub rdzeniu kręgowym.

Wynika ono z zaburzenia równowagi między hamowaniem a pobudzeniem w rdzeniowych łukach odruchowych, gdzie normalne impulsy hamujące z mózgu zostały przerwane, powodując nadmierną reaktywność refleksów mięśniowych.

Czym jest spastyczność i jak powstaje w systemie nerwowym?

Spastyczność to zaburzenie napięcia mięśniowego, które pojawia się jako konsekwencja uszkodzenia górnego neuronu ruchowego. Ponadto, w zdrowiu system nerwowy utrzymuje dokładną równowagę między bodźcami pobudzającymi mięśnie do skurczów a bodźcami hamującymi, które uniemożliwiają nadmierne napięcie. Gdy dochodzi do uszkodzenia mózgu lub szlaków prowadzących z mózgu do rdzenia kręgowego, ta równowaga zostaje zachwiana. Uszkodzenie nie powoduje bezpośrednio spastyczności – raczej powoduje utratę hamowania, które normalnie kontroluje refleksy mięśniowe. W wyniku tego refleksy stają się nadmiernie wrażliwe i reagują zbyt silnie na bodźce, co objawia się charakterystycznym wzmożonym napięciem mięśniowym.

Definicja spastyczności jako zaburzenia napięcia mięśniowego

Spastyczność jest zaburzeniem napięcia mięśniowego o specyficznej charakterystyce klinicznej i neurobiologicznej. Dlatego, normalne napięcie mięśniowe – muscle tone – to stan gotowości mięśni do działania – pewien poziom napięcia podstawowego, który pozwala na szybkie i sprawne wykonywanie ruchów. Spastyczność różni się fundamentalnie: opór mięśni na rozciągnięcie wzrasta wraz ze wzrostem szybkości tego rozciągnięcia – jest to cecha medycznie określana mianem oporu zależnego od szybkości (velocity-dependent resistance). Ta właściwość jest patognomiczna – charakterystyczna – dla spastyczności i pozwala na jej rozróżnienie od innych zaburzeń napięcia mięśniowego. Dodatkowo, spastyczność wiąże się ze wzmożonymi odruchami ścięgnistownikowymi i możliwością pojawienia się klonusa – rytmicznych, powtarzających się skurczów mięśni. Wszystkie te cechy są przejawem zaburzenia górnego neuronu ruchowego (UMNL – upper motor neuron lesion), nie zaś uszkodzenia samych mięśni czy periferyjnych nerwów.

Czym się spastyczność różni od normalnego napięcia mięśniowego?

Różnica między normalnym napięciem a spastycznością jest zasadnicza. Co więcej, w normalnym mięśniu opór na rozciągnięcie wynika głównie z właściwości elastycznych samego mięśnia i ścięgna – zwiększa się stopniowo i równomiernie, gdy mięsień jest rozciągany szybciej. W spastyczności opór jest minimalny przy wolnych, delikatnych rozciągnięciach, ale w miarę przyspieszania ruchu nagle, dramatycznie wzrasta. Jeśli lekarz powoli robi gimnastykę bierną pacjenta ze spastyczną nogą, czuje minimalny opór. Natomiast jeśli szybko rozciąga tę samą nogę, czuje nagły, silny opór – jest to charakterystyczne dla spastyczności i rzadko widoczne w normalnych mięśniach.

Ta zależność od szybkości wynika z podłoża neurobiologicznego spastyczności: szybkie rozciągnięcie mięśnia silnie aktywuje rdzeniowe łuki odruchowe – reflex arcs -, które w wyniku utraty hamowania z mózgu reagują zbyt intensywnie. W rezultacie, wolne rozciągnięcie nie aktywuje wystarczająco tych refleksów, stąd opór jest słaby. Warto nadmienić, że inna postać wzmożonego napięcia mięśniowego – rigidity – sztywność – obserwowana w chorobie Parkinsona – charakteryzuje się jednorodnym oporem na wszystkich szybkościach ruchu; to nie jest spastyczność, choć oba stany powodują wzmożone napięcie. Zrozumienie tej różnicy jest istotne dla prawidłowego rozpoznania i planowania leczenia.

Rola górnego neuronu ruchowego w kontroli napięcia mięśniowego?

Górny neuron ruchowy to system nerwowy odpowiedzialny za inicjowanie i kontrolowanie dobrowolnych ruchów. Jednak, w zdrowiu górny neuron ruchowy pełni rolę „kierownika" – wydaje polecenia i, co równie ważne, utrzymuje stały „hamulec" na refleksach odruchowych, które mogłyby zakłócać zamierzone ruchy. Kiedy górny neuron ruchowy jest uszkodzony – na przykład w wyniku udaru mózgu, urazu czaszkowo-mózgowego lub uszkodzenia rdzenia kręgowego – ten hamulec przestaje działać. Bez hamowania z mózgu, rdzeniowe łuki odruchowe stają się nadmiernie wrażliwe. To właśnie powoduje spastyczność. Najważniejsze jest zrozumienie, że spastyczność nie wynika z tego, że refleksy są uszkodzone – wciąż działają prawidłowo. Problem polega na tym, że działają zbyt intensywnie, ponieważ brakuje normalnego hamowania z mózgu.

Struktura i funkcja górnego neuronu ruchowego

Górny neuron ruchowy to długa komórka nerwowa, której ciało komórkowe – soma – znajduje się w korze ruchowej mózgu, konkretnie w pierwotnym polu ruchowym – Brodmann area 4 – i przedwstępnym polu ruchowym. Bowiem, charakterystyczną cechą górnego neuronu ruchowego jest bardzo długi akson – wyrostek – biegnący z mózgu aż do rdzenia kręgowego – może on mieć nawet jeden metr długości u wysokich osób. Ten akson zstępuje przez struktury mózgu (włączając w to torebkę wewnętrzną), przechodzi przez pień mózgu i dalej przez rdzień kręgowy, gdzie ostatecznie łączy się z dolnymi neuronami ruchowymi – tymi komórkami, które bezpośrednio unerwają mięśnie.

Funkcja górnego neuronu ruchowego jest wieloraka. Z kolei, po pierwsze, przesyła sygnały initiujące ruch: impulsy elektryczne biegnące w dół aksonu decydują, który mięsień powinien się skurczyć. Po drugie, górny neuron ruchowy wysyła sygnały hamujące – to jest krytyczne. Mózg nie tylko mówi „ścięgnij ten mięsień", ale także mówi „nie pozwól innemu mięśniowi się skurczyć". Trzecia, ważna funkcja to regulacja napięcia podstawowego mięśni. W zdrowiu mózg ciągle wysyła sygnały, które utrzymują mięśnie w stanie wysokiej czujności, ale zarazem hamują refleksy. To gwarantuje, że ruchy są precyzyjne, kontrolowane i niezakłócone przez samoistne refleksy.

Neurotransmiteryami, którymi górny neuron ruchowy komunikuje się w rdzeniu kręgowym, są głównie substancje hamujące: kwas gamma-aminomasłowy – GABA – i glicyna. Przede wszystkim, te substancje chemiczne hiperpolaryzują – zmniejszają wrażliwość – dolne neurony ruchowe, sprawiając, że są mniej skłonne do zapalenia się w odpowiedzi na bodźce. Kiedy górny neuron ruchowy jest uszkodzony – na przykład w wyniku niedotlenienia mózgu podczas udaru lub fizycznego urazu – ten przepływ hamujących sygnałów zostaje przerwany. W rezultacie dolne neurony ruchowe pozostają bez swoich normalnych hamujących sygnałów z mózgu i stają się nadmiernie reaktywne.

Szlaki mózgowe kontrolujące napięcie mięśniowe

Kontrola ruchu i napięcia mięśniowego nie pochodzi z jednego miejsca w mózgu, lecz z wielu wzajemnie połączonych struktur, które wysyłają impulsy w dół rdzenia kręgowego poprzez różne szlaki nerwowe. Natomiast, główne szlaki odpowiadające za hamowanie refleksów i kontrolę napięcia to:

1. Szlak kortykopiramidowy – corticospinal tract – – biegnie od motorycznej kory mózgu przez pień mózgu, gdzie większość włókien (75-90%) przekrzyżowuje się w piramidach przedłużonego mózgu, i schodzi w rdzeniu kręgowym. Ponieważ, jest to głównie szlak hamujący dla refleksów; uszkodzenie tego szlaku (na przykład podczas udaru na jedną stronę mózgu) powoduje spastyczność na przeciwnej stronie ciała.

2. Szlak rubrospinalny – rubrospinal tract – – pochodzi z jądra czerwonego w śródmózgowiu i również niesie głównie sygnały hamujące. W konsekwencji, ten szlak wspólnie z szlakiem kortykopiramidowym stanowi znaczną część hamujących wpływów z mózgu na rdzień kręgowy.

3. Szlak retikulospinalny – reticulospinal tract – – pochodzi z formacji siatkowatej w pniu mózgu i jest bardziej zróżnicowany; zawiera zarówno włókna pobudzające, jak i hamujące. Ponadto, w zdrowiu funkcjonuje głównie w funkcjach hamujących, utrzymując kontrolę nad refleksami.

4. Szlak wieściowo-rdzeniowy – vestibulosspinal tract – – pochodzi z jądra wieściowego i ma większościowo charakter pobudzający, wspierając napięcie mięśni wyprężaczy (agonistów przeciw grawitacji).

Kluczowe jest zrozumienie, że szlaki hamujące zdecydowanie dominują w zdrowiu. Dlatego, mózg spędza więcej „wysiłku" na hamowaniu refleksów niż na ich pobudzaniu. W wyniku tego rdzień kręgowy pozostaje w „czuwającym, ale spokojnym" stanie. Kiedy szlaki hamujące są uszkodzone – niezależnie od tego, czy uszkodzenie dotyczy motorycznej kory mózgu, pnia mózgu czy samego rdzenia kręgowego – hamowanie ulega redukcji. Rdzień kręgowy, pozostawiony bez tych hamujących sygnałów, zaczyna reagować na każdy bodziec zbyt intensywnie. Stąd obserwujemy spastyczność.

Co się dzieje z napięciem mięśniowym po uszkodzeniu górnego neuronu?

Po uszkodzeniu górnego neuronu ruchowego napięcie mięśniowe przechodzi charakterystyczną ewolucję czasową. Bezpośrednio po uszkodzeniu – pierwsze godziny do dni – obserwujemy wzmożoną podatność na ruchy biernie, którą określamy flacidity – wiotość – lub „szok rdzeniowy". Co więcej, paradoksalnie, chory w tym okresie nie ma spastyczności – mięśnie są raczej wiotkie, poruszają się łatwo, a refleksy są słabe lub nieobecne. Wynika to z faktu, że rdzień kręgowy, tak jak cała система nerwowa, zostaje „zszokowany" uszkodzeniem. Refleksy odruchowe zostają tymczasowo wyłączone jako mechanizm obronny. Etap ten trwa zwykle od kilku godzin do dwóch tygodni, w zależności od rozmiaru i lokalizacji uszkodzenia.

Po około tygodniu do dwóch tygodni – faza podskórna – zaczynają pojawiać się pierwsze oznak powrotu refleksów. Rdzień kręgowy powoli „budzi się" ze stanu szoku. Refleksy zaczynają wracać do funkcjonalności, ale bez hamowania z mózgu, które zostało utracone, są hiperwrażliwe. W tym okresie obserwujemy zwykle stopniowy wzrost napięcia mięśniowego, coraz bardziej widoczne wzmożone refleksy, i początek charakterystycznych oznak spastyczności.

W fazie przewlekłej – tygodnie do miesięcy – spastyczność osiąga pełny rozwój. W ciągu pierwszych trzech do sześciu miesięcy po udarze, uszkodzeniu rdzenia kręgowego lub innym urazie górnego neuronu ruchowego, spastyczność zazwyczaj osiąga swoją maksymalną intensywność. Staje się coraz trudniej pracować z pacjentem; pasywne ruchy spotkają się z silnym oporem. Refleksy są dramatycznie wzmożone. Jeśli spastyczność nie zostaje leczony, może szybko postępować i prowadzić do zaciśnięcia – contracture – – trwałego skrócenia mięśni i więzadeł.

Biologiczny mechanizm stojący za tą ewolucją jest złożony. W rezultacie, w fazie bezpośrednio ponadarżeniowej rdzień kręgowy pozostaje w „szoku" – wszystkie neurony motoryczne są niedostatecznie wrażliwe. W miarę upływu czasu, bez hamujących sygnałów z mózgu, dolne neurony ruchowe przechodzą proces zwany denerwacyjną hiperwrażliwością (denervation hypersensitivity). Oznacza to, że neurony motoryczne, które straciły swoją normalną wejściową informacje z mózgu, stają się niezwykle wrażliwe na wszelkie pozostałe bodźce. Rozwijają się nowe receptory dla neurotransmiterów. Ich membrana staje się bardziej ekscytowalna – łatwiej przesyłają potencjały czynnościowe. Jednocześnie, mechanizmy hamujące wewnątrz samego rdzenia kręgowego – te, które normalnie byłyby wspierane i wzmacniane sygnałami z mózgu – ulegają zanikowi. Powoli, ale systematycznie, rdzień kręgowy reorganizuje się w maladaptacyjny wzór, w którym refleksy odruchowe są hiperwrażliwe i niedostatecznie hamowane.

Łuk odruchowy rdzeniowy i jego znaczenie w spastyczności?

Łuk odruchowy – reflex arc – to neuronowy obwód znajdujący się w rdzeniu kręgowym, który umożliwia szybkie, automatyczne odpowiedzi mięśniowe na bodźce – wszystko bez udziału mózgu. Jednak, w zdrowiu łuk odruchowy funkcjonuje jako część bardziej złożonego systemu kontroli ruchu, gdzie mózg wyrażnie „weto" jego aktywność poprzez stałe hamowanie. W spastyczności, gdy to hamowanie zostaje utracone, łuk odruchowy działa bez hamulców, co powoduje wzmożone i niewłaściwe skurcze mięśni.

Jak funkcjonuje normalny łuk odruchowy rozciągnięcia?

Łuk odruchowy rozciągnięcia – stretch reflex arc – to jeden z najszybszych i najprostszych systemów nerwowych w ludzkim ciele. Bowiem, proces przebiega w następujących etapach:

** – 1 – Bodźiec stretch – rozciągnięcie -**: Mięsień jest nagle rozciągnięty – na przykład, gdy lekarz szybko robi gimnastykę bierną kolana pacjenta, rozcią­gając mięśnie czworogłowe uda – quadriceps -.

** – 2 – Aktywacja receptora**: Wewnątrz mięśnia znajdują się czujniki zwane wrzecionami mięśniowymi – muscle spindles -, które są specjalizowane w detekcji zmian długości mięśnia. Kiedy mięsień jest rozciągany, wrzeciona mięśniowe zostają poddane naciągowi i natychmiast wysyłają sygnał.

** – 3 – Transmisja czuciowa**: Czujnik wysyła sygnał poprzez bardzo szybkie włókno nerwowe – włókna Ia afferent – bezpośrednio do rdzenia kręgowego. Ten sygnał biegnie z prędkością do 120 metrów na sekundę.

** – 4 – Synaptyczne połączenie w rdzeniu**: Włókno czuciowe trafia do rdzenia kręgowego i tworzy bezpośrednie połączenie (monosynaptyczne – tylko jedna synapsa) z dolnym neuronem ruchowym – motor neuron – tego samego mięśnia. To jest absolutnie krytyczne: brak pośrednich neuronów, żaden „translator" – czucie łączy się bezpośrednio z ruchem.

** – 5 – Odpowiedź ruchowa**: Pobudzony dolny neuron ruchowy natychmiast wysyła impuls do mięśnia, powodując jego skurcz w odpowiedzi na rozciągnięcie.

** – 6 – Recykling**: Skurcz mięśnia powoduje jego skrócenie, usuwając naciąg na wrzeciono mięśniowe. Czujnik przestaje wysyłać sygnał, reflek się kończy.

Cały ten proces trwa zaledwie 20-30 milisekund – szybciej niż czas potrzebny mózgowi na zarejestowanie i odpowiedź na bodźce. Z kolei, to jest ewolucyjnie sprytne: refleks ochronny zapobiega przeciągnięciu mięśnia zanim mózg zdąży zareagować.

Ważne jest wprowadzenie pojęcia reciprocal inhibition – wzajemnego hamowania –. Przede wszystkim, kiedy mięsień kurczy się w odpowiedzi na rozciągnięcie, jego mięsień antagonista – przeciwny – powinien się rozluźnić. Nie dzieje się to automatycznie – rdzień kręgowy aktywnie hamuje antagonistę poprzez włókna hamujące – inhibitory interneurons -. W wyniku tego, gdy uda rozciągnięte mięśnie czworogłowe – extensor – się kurczą, hamstring – flexor – jest jednocześnie hamowany. To zapewnia płynne, skoordynowane ruchy.

W zdrowiu ten reflek jest zarazem szybki (chronić przed uszkodzeniami) i kontrolowany (nie zakłócać zamierzone ruchy). Natomiast, mózg można sobie wyobrazić jako stanie powyżej rdzenia i nieustannie mówiącego: „Reflek, działaj, ale nie za mocno, i tylko wtedy gdy chcę." W spastyczności mózg przestaje to mówić – reflek działalność jest niepohamowana.

Receptory mięśniowe: wrzeciona mięśniowe i receptory Golgiego

Mięśnie posiadają dwa główne rodzaje czujników, które komunikują się z rdzeniem kręgowym. Ponieważ, te dwa systemy sensoryczne pracują razem, tworząc złożoną pętlę sprzężenia zwrotnego, która pomaga regulować zarówno długość, jak i siłę mięśnia.

Wrzeciona mięśniowe – muscle spindles – to czujniki długości. Znajdują się wewnątrz mięśnia, równolegle do włókien kurczliwych – contractile fibers -, co pozwala im czuć każde rozciągnięcie mięśnia. Wrzeciono mięśniowe składa się z kilku części: włókien intrafuzalnych (modyfikowanych włókien mięśniowych wewnątrz wrzeciona) i włókien receptorowych otaczających je. Kiedy mięsień jest rozciągany, włókna afferentne Ia (od słowa „different" – niosące informacje od mięśnia) wysyłają silny sygnał do rdzenia kręgowego, mówiąc: „Mięsień jest zbyt długi! Skórcz się!" To jest sygnał pobudzający – aktywuje dolne neurony ruchowe tego mięśnia, powodując jego skurcz. W zdrowiu wrażliwość wrzeciona mięśniowego jest dokładnie wykaliwana, aby refleks był ani zbyt czuły, ani zbyt tępy.

Receptory Golgiego – Golgi tendon organs, GTO – to czujniki siły/napięcia. Znajdują się między mięśniem a ścięgnem, w idealnej pozycji do pomiaru napięcia wytwarzanego przez mięśnie. Kiedy mięsień kurczy się i generuje siłę, receptory Golgiego to czują. Ich włókna afferentne – typu Ib – wysyłają informacje do rdzenia kręgowego, ale – i to jest kluczowe – wysyłają sygnały hamujące. Innymi słowy, aktywują one interneurony hamujące, które tłumią aktywność tego samego mięśnia. System ten działa jak „bezpiecznik": jeśli mięsień generuje zbyt dużo napięcia, receptory Golgiego mówią: „Zatrzymaj się, zanim się skrzywdzisz!"

Te dwa systemy pracują w harmonii: wrzeciona mięśniowe mówią „rozciągnęli nas – kurczymy się", receptory Golgiego mówią „zbyt dużo siły – hamujemy się". W konsekwencji, razem tworzą równowagę, która gwarantuje kontrolę ruchu i ochronę przed uszkodzeniem.

W spastyczności ta równowaga jest tragicznie zachwiana. Ponadto, wrażliwość wrzeciona mięśniowego wzrasta dramatycznie – stają się nadzwyczaj reaktywne na najmniejsze rozciągnięcia. Jednocześnie, hamujące sygnały z receptorów Golgiego są osłabione, ponieważ hamujące interneurony, które powinny być wspierane sygnałami hamującymi z mózgu, ulegają dezorganizacji. Rezultat: system staje się całkowicie niezrównoważony. Wrzeciona mówią „rozciągnięcie! Rozciągnięcie!" zbyt głośno, a receptory Golgiego odpowiadają zbyt cicho.

Zaburzenie równowagi między hamowaniem a pobudzeniem odruchowym

W zdrowym rdzeniu kręgowym istnieje precyzyjna, dynamiczna równowaga między sygnałami pobudzającymi a hamującymi. Dlatego, wyobraź sobie hipotędy obwód, w którym 100 sygnałów pobudzających wpada z jednej strony, ale jednocześnie 70 sygnałów hamujących wpada z drugiej strony. Saldo netto wynosi: 30 jednostek pobudzenia – wystarczająco, aby mięsień odpowiedział, ale nie tyle, aby wybuchnął w niekontrolowany spazm.

Ta proporcja – gdzie hamowanie stanowi około 70% i pobudzenie około 30% – nie jest przypadkowa. Co więcej, ewolucja wyprodukowała mózg, który więcej energii spędza na hamowaniu refleksów niż na ich pobudzaniu. Dlaczego? Ponieważ rdzień kręgowy sam w sobie ma tendencję do automatycznego działania – refleksy „chcą" się włączać. Mózg musi stale naciskać hamulec, aby zapobiec chaosowi.

W spastyczności ta równowaga zostaje fundamentalnie zachwiana. W rezultacie, kiedy górny neuron ruchowy jest uszkodzony, hamujące sygnały z mózgu zostają przerwane lub znacznie zmniejszone. Nagle, w naszej hipotędy analogii: zamiast 30 jednostek pobudzenia względem 70 hamowania – równowaga -, mamy 30 jednostek pobudzenia względem 10 hamowania. Nasze saldo zmienia się z +30 do +90 – wzrost pobudzenia netto o 200-300%. Niedźwiękownie, ale to dokładnie pokazuje, co się dzieje w rdzeniu kręgowym pacjenta ze spastycznością.

Ta utrata hamowania to nie pojedyncze zdarzenie – zachodzi na wielu poziomach. Jednak, tracą się:hamowanie recydywne (Renshaw cells hamują własne neurony, aby zapobiec przegrzaniu), hamowanie wzajemne między antagonistami, hamowanie pochodzące z receptorów Golgiego – autogenic inhibition -, i zwłaszcza hamowanie pochodzące z mózgu (descending inhibition z korty motorycznej, pnia mózgu, rdzenia).

Skoro rozumiemy ten podstawowy mechanizm – utratę hamowania prowadzącą do hiperreaktywności – możemy zacząć wyobrażać sobie, jak leki i rehabilitacja mogą pomóc. Bowiem, leki mogą próbować „przywrócić hamowanie" do rdzenia poprzez wzmocnienie działania pozostałych hamujących systemów. Rehabilitacja może „przeszkolić" rdzień kręgowy w bezpieczniejszych, bardziej funkcjonalnych wzorach aktywności.

Mechanizmy patofizjologiczne: utrata hamowania mózgowego?

Spastyczność nie pojawia się z dnia na dzień w pełnej klinicznej manifestacji. Z kolei, jest to proces, w którym zaburzenia neurologiczne i biochemiczne rozwijają się etapami w wyniku utraty kontroli mózgowej nad rdzeniem kręgowym. Zrozumienie tych mechanizmów patofizjologicznych pomaga wyjaśnić, dlaczego spastyczność pojawia się z opóźnieniem, dlaczego postępuje z czasem i dlaczego pewne leczenia działają poprzez regulację tych konkretnych systemów.

Neurotransmitery hamujące spastyczność – GABA, glicyna –

Neurotransmiteryami, czyli „molekułami komunikacyjnymi" rdzenia kręgowego, które odpowiadają za hamowanie refleksów, są przede wszystkim dwie substancje: kwas gamma-aminomasłowy – GABA – i glicyna. Przede wszystki