Боль в спине. За кулисами лечения и реабилитации. Часть III. Механизмы «неспецифической» боли

Значительное изменение произошло в форме позвоночного канала на нижнепоясничном уровне. Из формы круга или овала он трансформировался в треугольник. Компенсаторное увеличение опорной площади позвонков сверху вниз привел к сужению позвоночного канала на протяжении всего поясничного отдела позвоночника, резко сузив резервные пространства, тем самым ограничив, а у некоторых индивидуумов сведя к минимуму компенсаторные возможности организма при дегенеративных процессах в ПДС.

Формы позвоночного канала

Необходимость компенсирующей противоротации грудной клетки относительно таза во время ходьбы привела к уменьшению нижних ребер и изменению формы и функции позвонков, лежащих на границе перехода грудной клетки и поясничного отдела. Форма грудной клетки из конусовидной стала бочкообразной.

Необходимость слежения за угрозой сверху и фиксации взгляда в горизонтальной плоскости привела к формированию шейного прогиба вперед – лордоза. Такое новшество произошло за счет значительного укорочения длины остистых отростков, их наклону вниз и расщеплению.

Также произошла значительная потеря мышечной массы шеи аналогично поясничному отделу. Это значительно увеличило подвижность и возможность смотреть вверх разгибая шею, при этом стоя на выпрямленных ногах.

В сумме имеем выраженное тройное переразгибание в звеньях скелета: бедро переразогнуто относительно таза, поясничный отдел – относительно таза, шейный отдел – относительно грудной клетки.

Большое затылочное отверстие сместилось в центр основания черепа, увеличив длину плеча рычага затылочной кости, что увеличило эффективность подзатылочных мышц и мышц надплечья. Череп относительно шейных позвонков отбалансирован формой за счет выраженного увеличения затылочной части черепа. Таким образом, голова в сагиттальной плоскости стала более сбалансированной по отношению к шее и тазу, но в плане фиксации механически «проиграв» в прочности и надежности конструкции из-за потери объема мышечной и связочной ткани.

Эволюция человека шла в два основных этапа. На первом промежуточном этапе древние гоминиды могли передвигаться как привычным для нас способом – вертикально, так и успешно лазить по деревьям в случае необходимости. Ископаемые останки промежуточных типов гоминидов указывают, что Австралопитек равноценно использовал оба типа передвижения: на двух ногах, если приходилось пересекать открытые местности, и использовать четыре конечности во время укрытия на деревьях от нападения хищников или при сборе пропитания. Резкая смена климата и переход к кочевому способу жизнедеятельности на открытой местности окончательно привела к полной адаптации к прямохождению как основному способу передвижения. Необходимость мигрировать в места обитания с малым количеством лесов и протяженными равнинами привела к выработке дополнительных эволюционных изменений – выраженному изменению формы стопы, что облегчило ходьбу.

При переходе с частичного на полное вертикальное передвижение произошла значительная выраженная редукция двух мышечных групп, ответственных за лазанье по деревьям и ходьбы на четвереньках: широчайшей мышцы спины и больших ягодичных мышц. Широчайшая мышца спины в локомоции не используется и у современного человека выражена только у лиц, занимающихся определенными видами спорта. С большой ягодичной та же ситуация: данная мышца работает только как мощный разгибатель бедра (фаза толчка), одновременно препятствуя падению корпуса вперед при быстром беге и как стабилизатор/корректор положения противоположного бедра при сгибании (фаза выноса ноги). Это мышца быстрого бега: догнать жертву или уйти от преследования. Или при толчке при крутом подъеме вверх. Аналог взбирания по дереву. Другими словами, данная мышца может быть достаточно развита только у спортсменов с определенными двигательными специализациями [легкоатлеты – спринтеры]. К слову, наличие больших жировых подушек на ягодицах не заменяет сильные выносливые мышцы.

Редукция или выраженное снижение силы двух упомянутых мышечных групп в определенной мере является критичной для функции поясничного отдела позвоночника. Современный человек функционально утратил силу как раз именно тех мышц, которые вносят существенный вклад в стабилизацию поясничного отдела. Чисто анатомиически данные мышцы еще сохранились, но функционально они уже мало к чему пригодны без специальной тренировки (попробуйте подтянуться 50 раз на перекладине). Крестообразно пересекаясь, волокна этих мышц формируют надосную связку позвоночника и натягивают пояснично-грудную фасцию, которая является основным стабилизатором поясничного отдела позвоночника. Значительная потеря мышечной массы позвоночника при переходе от Бонобо к Австралопитеку, затем потеря двух стабилизирующих мышечных групп при переходе от Австралопитека к Человеку прямоходящему значительно ослабили всю конструкцию позвоночного столба и поясничного отдела в частности.

Переход от Австралопитека к Человеку прямоходящему ознаменовался еще одним значительным изменением – увеличением длины нижней конечности за счет увеличения длины бедренной и берцовых костей.

Вместе с тем, для снижения инерции верхнего сегмента произошло значительное укорочение верхних конечностей, которые теперь стали выполнять функцию балансира и ротационного стабилизатора корпуса, компенсируя тем самым крутящий момент при ходьбе и беге. Для снижения инерционной составляющей пришлось пожертвовать не только мышечной массой передних конечностей, но и мышечной массой всего туловища, включая мышцы спины. Также значительно снизилась минерализация костей, тем самым максимально облегчив скелет туловища. Общий центр масс сместился максимально вниз к головкам бедренных костей. Такое смещение ОЦМ уравновесило инерционные моменты сил верхней части – корпуса и нижних конечностей, обеспечив возможность балансировки тела с минимальными мышечными затратами и при минимальной площади опоры. Смещение ОЦМ в таз «замкнуло» позвоночник на бедре, убрав необходимость мышечного удержания равновесия большими мышечными группами.

Снятие нагрузки с рук привело к двойной нагрузке на нижние конечности. Сустав бедра начал работать не только как консольная балка, но и как несущая опора. Межпозвонковые диски, до этого работавшие только в режиме буфера с чередованием фаз растяжение – компрессия с элементами ротации, теперь стали выполнять не свойственную им функцию: функция буфера (работа в горизонтальной плоскости) сменилась на функцию амортизации (работа в вертикальной плоскости). Но самым важным изменением в данной конструкции явилось то, что в вертикальном положении диск начал выполнять функцию точки опоры рычага первого рода вышележащего сегмента.

Если грубо сравнивать биомеханические модели предка предков человека и современного человека, то двигательные системы, не имея кардинального анатомического различия, имеют существенные биомеханические различия и особенности.

Модель «Условный общий Предок» – модель «стол» на 4 ногах. Общий центр масс (ОЦМ) располагается непосредственно между 4 опорными конечностями. Для противодействия силе гравитации конечности должны быть разогнуты хотя бы частично. Мышцы-разгибатели конечностей в тонусе, поэтому животное не падает на живот под действием силы тяжести. Нагрузка равномерно распределена между 4 конечностями. В такой модели для 4 конечностей разгибающий [отталкивающий] контур конечностей преобладает над сгибающим. Для туловища наоборот – сгибательный контур доминирует над разгибательным. Туловище не провисает животом вниз по направлению к земле под действием силы тяжести.

Модель «Условный Человек» – обратный вертикальный маятник, точнее – инерционный многозвенный рычажно-маятниковый механизм с осью вращения ведущих маятников, проходящую через тазобедренные суставы. Верхняя маятниковая система (руки) с осью, проходящую через плечевые суставы, несет вспомогательную стабилизирующую функцию.

При спокойном положении вертикаль общего центра масс (тяжести) проходит сзади поперечных осей тазобедренных суставов. Голова сбалансирована относительно головок бедренных костей. В расслабленном положении поддержание осанки происходит при минимальном мышечном напряжении. Поддержание вертикальной позы происходит за счет натяжения подвздошно—бедренной связки, подколенных связок и поясничной порции передней продольной связки.

Таз слегка подан вперед, голеностопный сустав замкнут формой таранной кости при легком наклоне вперед.

Вертикально стоящий человек благодаря такой форме позвоночника буквально «висит» на натянутых связках позвоночника и бедра вдоль вектора силы гравитации. Гравитация через натяжение связок «замкнула» позвоночник в положении, для которого не требуется значительная мышечная работа для поддержания вертикального положения.

Коррекция вертикального положения при данной конфигурации осуществляется фоновой тонической работой постуральных мышц, главная из которых камбаловидная мышца голени.

Само по себе поддержание вертикального положения с минимальными затратами не является самоцелью и в чистом виде особой ценности не имеет. Но поддержание оптимального вертикального положения (ортоградного) как части целых двигательный актов имеет решающее значение для локомоции в целом. Качество и экономичность движений зависят от работы постуральной системы, поскольку стабилизация тела считается критическим фактором при выполнении любых задач, особенно динамических.

Любое движение может быть рассмотрено как перемещение из одной равновесной точки (то есть точки, в которой мышечная активность минимальна) в другую.

Выделяют три основных группы двигательных задач:

– задачи, связанные с перемещением базы опоры (ходьба или бег)

– задачи, связанные с неподвижной базой опоры – сидение или стояние

– манипуляционные задачи, требующие выполнения движений верхними конечностями.

Любое перемещение (ходьба или бег) представляет собой переход из нейтрального устойчивого положения в цикл остановленных падений с чередованием фаз опоры и отталкивания с последующим переносом ОЦМ над опорной ногой. Таким образом, ходьба или бег – череда рефлекторно контролируемых «управляемых падений». В начале ходьбы или бега, мышечное сокращение импульсным сокращением смещает ОЦМ в сторону направления движения и выводит тело из равновесного положения – вынуждает тело «падать» в заданную сторону. При каждом шаге человек наклоняется вперед и начинает падение, которому препятствует выдвинутая вперёд нога. После того как она касается земли, на неё переносится вес тела, колено подгибается, амортизируя падение, и выпрямляется, возвращая тело на исходную высоту.

При таком типе локомоции кинетическая энергия движения при постановке ноги рассеивается не полностью, а частично переходит в потенциальную энергию упруго деформирующихся звеньев, которая, в свою очередь, при смене опорной ноги частично преобразуется в кинетическую энергию при отталкивании. Скелет и составляющие его звенья работают как рекуператор энергии, преобразующий часть кинетической энергии движения в потенциальную энергию упругого деформирования скелета и обратно.

(Рекуперация (от лат. Recuperatio) – обратное получение, возвращение энергии, расходуемой при выполнении того или иного технологического процесса, движения, для повторного использования в том же процессе, движении).

При работе в режиме рекуперации, при решении текущей двигательной задачи с целью выйти на заданную величину напряжения включение сократительного аппарата мышцы происходит в режиме сопряжения (наложение фаз во времени) и суммации энергии растянутой соединительной ткани. Мышечное (концентрическое) сокращение синхронизировано с периодом обратного укорочения (возврата к исходной длине) упругих структур мышцы и начинается с началом первой функциональной реакции мышечного аппарата на активацию рефлекса растяжения.

Ортоградное положение и значительный эффект рекуперации энергии определяет механическую эффективность движений человека и выделяет его среди других видов млекопитающих. (К слову, именно эффективность механизма рекуперации энергии препятствует возможности быстро похудеть. Люди потребляют с пищей слишком много калорий, которые просто невозможно израсходовать при низкой двигательной активности).

Сохранение и повторное использование механической энергии происходит за счет действия трех механизмов:

1. Перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно. Экономия энергии в диапазоне 10—25%. Зависит от типа таза и позвоночника, формы и длины костей.

2. Перехода (или передачи) механической энергии от одного звена к другому (напр. от бедра к голени) составляет от 30 до 40% от полной энергии. Зависит от соотношения длины маятников – конечности, длина туловища, масс – инерционные свойства отдельных сегментов.

3. Перехода кинетической энергии движения в потенциальную энергию деформации мышц и сухожилий и обратно. Составляет от 5 до 35%. Зависит от индивидуальной мышечной и связочной композиции. Чем выше процентное соотношение медленно сокращающихся мышечных волокон в составе мышцы, тем выше эффект рекуперации для данной мышцы. Для сухожилий и мышечной оболочки имеет процентное соотношение типов коллагена и эластина.

При вертикальном типе передвижения (с оптимальным мышечным балансом) мышечные затраты сведены к минимуму. Скелет человека «запружинен» эластической тягой/натяжением связок, фасций и мышечными соединительно-тканными структурами. Часто такую организацию называют мышечно-фасциальные поезда.

В такой системе происходит передача тягового усилия упруго-эластических компонентов с одних мышечно-фасциальных групп на другие. Такая система построена по типу хиральной системы, в которой все элементы закручены по спирали относительно центральной оси. При движении происходит чередование фаз скручивания-раскручивания с накоплением и отдачей энергии.

Во время бега спортсмен может сохранять около 80% полной механической энергии.

Таким образом, наиболее важным фундаментальным отличием локомоции человека от его эволюционных предшественников является тип передвижения, при котором сила гравитации и реакция опоры (отталкивание от поверхности) преобразуются непосредственно в движение. Система локомоции человека устроена таким образом, что антигравитационная система человека напрямую использует силу гравитации в двигательном акте, преобразуя и контролируя инерцию сегментов тела для осуществления движения с одновременной стабилизацией человека в гравитационном поле.

Эволюционный скачок/рывок представляет собой переход от преимущественно использования мышечной работы с малым КПД в качестве основной движущей силы к использованию условно «бесплатной» силы гравитации с минимальными мышечными затратами на передвижение. Условная «бесплатность» требует пояснения. В этой жизни приходиться платить за все, даже за «бесплатные» вещи.

Чем сложней система, тем более она уязвима к «поломкам» при отсутствии дублирующих механизмов, поддерживающих работоспособность в критических ситуациях. Срабатывает правило: прочность цепи зависит от прочности самого слабого звена. В случае с биокинематической системой человека, самым уязвимым звеном выступает соединительная ткань – связочная и хрящевая. Данный тип ткани относится к брадитрофным, т.е. слабо питающимся и имеющим низкую репаративную способность при повреждении.

Выраженный дисбаланс в регионах скелета, нарушение сопряженности работы в смежных биокинематических звеньях могут привести к мгновенному нарушению в работе отдельных звеньев и выраженному патологическому влиянию на систему в целом.

Те «огрехи», которые «прощаются» гравитацией для локомоторных систем на 4-х конечностях (тип «стол»), не «прощаются» человеку в модели «маятник».

Общепринятая модель перевернутого маятника – сильное упрощение. В такой модели звенья маятника рассматриваются как тонкие твердые тела, вращающиеся вокруг трех идеальных цилиндрических (!) шарниров, моделирующих голеностопный, коленный и тазобедренный суставы. Для математических расчетов вполне подойдет, но в реальности все куда более сложно.

Скелет человека также «сконструирован» с учетом хиральности всех биологических систем – естественной асимметрии, свойства всего живого закручиваться по спирали.

Одно дело, если эта хиральность физиологическая и идет на повышение биокинематичесого энергетического потенциала, другое дело, если «хиральность» искусственного происхождения – «школьные» сколиозы, сколиозирование при отсутствии коррекции выраженной разницы длинны ног и другие механизмы «кручения».

Весь скелет, в той или иной мере, имеет признаки структурной асимметрии. Длинные трубчатые кости у человека тоже имеют винтообразную форму. Это увеличивает прочность и способствует рекуперации. Мышцы вокруг костей закручены по спирали. Позвоночник закручен по часовой или против часовой стрелки. Таз также имеет вид слегка скрученной чаши. Вся система при движении скручивается и раскручивается, накапливая и освобождая энергию. При этом такой механизм препятствует точечному (локальному) износу отдельных структур. Это достигнуто благодаря возможности комбинированных движений. Тазобедренные и плечевые суставы по конструкции – шаровые и обеспечивают три степени свободы. Лучезапястный и голеностопный две степени. Коленный позволяет кручение и скольжение. Подвздошные кости также смещаются относительно крестца во время ходьбы и бега.

Для описания нашей темы подходит другая, более расширенная маятниковая модель. В математических расчетах она не используется, но для раскрытия нашей темы она наиболее уместна.

В силу конструкции позвоночника и суставов, свободно стоящий человек не может остановиться в неподвижном состоянии (нет костного замыкания суставов). Удержание вертикальной позы сопровождается колебательным покачиванием из стороны в сторону относительно вектора гравитации в пределах малых амплитуд. Происходят достаточно сложные взаимовлияющие колебания как общего центра масс (ОЦМ), так и центра давления (ЦД) стоп на плоскость опоры, которые не совпадают по амплитуде и фазности. Это своеобразное равновесное самостабилизирующее раскачивание общего центра масс над площадью опоры. Описывается как «устойчивый конус».

Центр давления (ЦД) – это та интегральная точка на плоскости опоры, в которую объёмное геометрическое тело – человек, имеющий различную плотность тканей организма и постоянно меняющуюся конфигурацию сегментов туловища, как бы «усредняется» в реальном режиме времени в ходе поддержания вертикальной стойки.