神經連接與功能恢復

朱鏞連

神經連接與功能恢復

朱鏞連

神經連接;功能;恢復

1 連接的意義

單個神經細胞不能起作用,它必須有連接,連接后才能發揮它的作用,特別是在損傷后。新的,也就是在改變后的連接在臨床上的作用,即神經的可塑性。因而,它是腦自身的功能重組和形成新連接的能力。許多這樣的改變是適當的,使我們足以應付環境中的各種變化,這就是連接的重要性。

神經細胞必須互相連接,包括細胞體存活,長出的新突起,而形成的軸突和樹突。軸突的遠端擴大成為生長圓錐(growth cone)。受一些引導信號的吸引,使生長圓錐到達靶器官,分化成成熟的突觸。目標細胞再從不適當連接中去識別適當的連接,保留適當的,排斥不適當的。

一旦解剖上連接完成,細胞就選擇性地成為具有生理作用的有效部分即“活化的突觸”。如生理上不活化的則稱為“靜止性突觸”。后者在解剖上連接,但存在突觸前抑制,是潛在性的。腦中有1014個連接。

成熟的神經系統(NS)有防止不恰當的新連接形成的功能,這種抑制性機制同樣也可抑制損傷后的修復。一般說,成年的抑制機制主要見于白質,以至在長束損傷后,再生如不干預是很困難的。這種干預當今已成為科學家研究的熱點。灰質與這種干預無關。灰質具有更多的可塑,且可能是終生的,甚至在老年時。

在NS通常能完成所需要的連接,更多的連接就造成異常的不適應,擾亂了精密的通路作用,而出現如癲癇發作、肌張力增高等病態。

2 連接性抑制

生長圓錐在神經發育或損傷后,在連接上都是一個重要的結構。細胞外的信號蛋白、神經營養因子等導致生長圓錐的生長,如NGF和BDNF等。攜帶神經營養因子的基因細胞移植于損傷處,使損傷的神經得到修復。實驗業已在幾條通路中成功地引出神經突起后形成軸束和樹突。然而,問題是再生的軸束只進入移植區而不是通過它,不能與損傷遠端的細胞連接。在哺乳類動物的中樞神經系統(CNS)中,成熟NS有認定生長的軸束到達通路以防止異常連接進入。這是由少突膠質細胞所形成的髓鞘完成的。

眾所周知,只要細胞體不死,軸束損傷后是可以發芽的,特別見于早期發育期。這是連接初期發生的機理。使損傷的神經元在新的方法下連接,使未損傷的、好的神經元形成新的連接,增加功能。然而,在CNS,成熟的軸束一旦損傷,就不一樣,已如上述,它是不能完全連接的。

3 Nogo與再生連接

上段已述及,當CNS中長束損壞近端再生長時,其生長圓錐受到抑制,只能稍許生長,起不到與損傷遠端相連,功能無法恢復。Schwab等(1988)從大鼠的脊髓髓磷脂中獲得兩種軸突抑制性的活性成份IN-35和IN-250,這兩種蛋白對軸束生長都有很強的抑制作用。隨后,Schnell和Schwab(1990)又將鼠脊髓背側半切,發現脊髓中的皮質脊髓長束在病損周圍生長不過1 mm。這種抑制分子被命名為“髓鞘相關生長錐體崩解蛋白(myelin-associated growth cone collapsing protein)”。隨后,他們在鼠腦皮質中種植一種能夠分泌抗體IN-1的雜交瘤(hybridoma),再半切脊髓后部,2～3周后再由對側運動皮質注射辣根過氧化酶,追蹤觀察皮質脊髓束,發現其再生長度可達11 mm。說明IN-1的確能對抗上述的“崩解蛋白”。這個實驗引起科學家莫大的興趣和希望。

在成年鼠CNS的軸束髓鞘中含有不同的抑制分子髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein):Nogo A到C、IN-35,當生長圓錐遇到這些抑制因子時即崩潰不再前進。瘢痕組織中的大分子硫酸軟骨素蛋白多糖(chondrotin sulplate proteoglycans)也可抑制生長圓錐。

軸束端的生長圓錐當與最強烈的Nogo-A抑制因子,Nogo-A髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)、少突膠質細胞-髓鞘糖蛋白(oliodendrocyte-myelin glycoprotein,OMGP)與Nogo受體(Nogo receptor,NgR)結合后,即有抑制成熟CNS中軸束再生和誘發生長圓錐崩解作用,NgR因而是CNS中3種相關軸束生長抑制蛋白Nogo-A、MAG和OMGP的共同作用靶點。NgR在CNS中分布甚廣。干預NgR可以同時影響Nogo-A、MAG和OMGP對軸束生長的抑制作用。采用Nogo蛋白及其實體NgR抗體或者拮抗體能促進CNS軸束生長。

Nogo在CNS中廣泛表達。在CNS損傷與修復過程中,Nogo不僅抑制神經纖維再生,而且Nogo表達上調可促進神經元凋亡和死亡。Nogo的蛋白碳端和氮端在細胞膜內,而膜外由66個氨基酸殘基形成的拓樸結構——Nogo-66,它通過細胞表面受體NgR配體-受體式結合,介導了在CNS中的抑制活動。Nogo-66為損傷后大量表達的內源性損傷因子。Nogo-A只存在于分化的少突膠質細胞表面和存在于神經元核周體、質膜和細胞核中。在脊髓損傷后,少突膠質細胞和髓磷脂釋放出Nogo-A到細胞外基質,抑制軸束再生。它與NgR結合后就改變了生長錐體的形態,失去穩定性最后導致生長萎縮。Nogo-A在CNS損傷和缺血后,在抑制軸束再生上也起作用。在多發性硬化慢性活化性脫髓鞘病變的存活少樹突細胞顯示,Nogo-A表達顯著性提高,NgR表達在病變反應性顯形細胞等中與對照組相比也明顯增強。因而,NogoA/NgR通路上調證明可抑制CNS病變的恢復。例如視神經萎縮至今無特殊治療,可能與NgR介導的抑制途徑傷后難以再生有關。

如上所述,IN-1是對抗Nogo-A的抗體,使生長錐體不再崩解和萎縮,能穩定生長錐體生長。是不是還有比IN-1更好的物質?

直到目前為止,認為針對Nogo-66氨基酸序列設計的NgR競爭性拮抗劑NEPI-40蛋白不僅可以阻斷Nogo-66與NgR結合,而且還可以阻斷他們介導的生長圓錐崩解作用,能明顯促進受損的CNS軸束生長及功能恢復。但這種恢復還受到其他因素影響,不能起大作用。另外,改善NgR的髓磷脂相關抑制作用也可通過細胞內途徑增加cAM P、滅活Rho等實現。通過cAMP活化信號途徑可以將髓磷脂相關抑制因子對生長圓錐的排斥和抑制作用轉化為吸引及促其生長作用。

對NgR的基因干預也在研究中。基因治療的RNA干擾(RNA interference,RNAi)技術發展迅速。通過對RNAi下調髓磷脂相關抑制物受體NgR的基因表達,可以較少損害后神經元軸束的崩解,促使神經軸束再生。

實驗證實,損傷處膠質瘢疤組織可以抑制生長圓錐生長,可用周圍神經移植加軟骨素酶(Chondroitinase)來冶療。Nogo-A抑制脊神經后根神經節神經元軸束生長,單克隆Nogo抗體能阻斷它,能促進后根壓斷后感覺軸束的再生。

綜上所述,各種方法為脊髓損傷后阻斷軸束生長的抑制因子提供了新思路,在動物軸束再生上取得了一些成果。但在人類,脊髓損傷后仍不能得到修復,功能恢復也不能如原。Nogo、Nogo-A、NgR等的發現和克隆以及它們在臨床上的相互關系無疑對生長圓錐抑制和抗拒這種抑制的研究有重要意義,但要取得真正的成果短時不易達到,仍任重道遠。

設想如脊髓損傷長束得到滿意接通,且能恢復其功能,則中樞性損傷和癱瘓就有可能得到治療和取得功能上恢復。當今在骨骼、血管、肌肉等均能移植成功,如神經等再能接通和有功能,則幻想中的“換頭術”將由假想變成可能。

4 不是連接,勝似連接

脊髓損傷雖然由于長束不能完成接通,功能無法完全恢復。但是在動物貓或猴脊髓損傷,在保持其節端性輸入功能,借助平板車或外力訓練或其他外界刺激后可產生行走動作,且可負重。這是由于中樞模式發生器(Central Pattern Generator,CPGs)的作用。

CPGs工作基礎由Griller(1975)等倡導。它是一種神經元網絡,一種特殊的中間神經元環路,能夠發出節律性輸出,如運動、步行、呼吸、咀嚼等自激持續行為,是節律性運動的中心控制單元。這種運動一旦開始,就能自動重復進行,不再需要更多意識參加。脊髓型發生器指位于脊髓內自動產生穩定振蕩,有序激活伸屈肌群進行交替收縮,激發肢體節律運動和自我維持的神經活動持續性。這些中間神經元與特殊感覺和信息(主要來自周圍的本體感覺)相互作用,激活運動神經元,并可接受脊髓上輸入控制和反射調節,產生運動輸出。

CPGs的節律性活動,一種模式設想即一半的振蕩器控制屈肌的協同肌群,而另一半是負責協調伸肌肌群的,如此即控制了整個肢體的肌肉活動。更多的散在的振蕩器設想是調節個別成雙的拮抗肌。單個肢體的一些連接性振蕩器使肢體內多個關節活動得到協調。兩個肢體間的連接振蕩器使肢體間活動得到協調并使之產生許多運動模式,如松散的肢體間連接振蕩器可以產生同側、同向和交叉對角線運動模式。

單一的刺激活化CPG,可以產生一串反應,由振蕩器產生的節律性模式(自然的特性)可以沒有附加的感覺輸入而保持著活動。一個脊髓水平反射的節律活動發生僅有外加的感覺刺激即可。

節律活動的紊亂能影響協同反應的振幅和時間。此點在人類使用刺激性CPG時是有用的。例如當路徑上有障礙,活動時即發生干擾。CPG能夠改變反應時的振幅而不需要改變節律。脊髓水平神經元為Renshaw細胞或再抑制性中間神經元曾經被認為是這種有力調整者。

貓和猴雖有中胸段脊髓損傷,但在借助平板車外力訓練可以產生行走功能,說明貓和猴在脊髓病損下存在CPGs。CPGs在人類不能明顯呈現,這可能系個體和系統發育中受到抑制所致。然而,在人不完全頸和胸髓損傷進行減重平板車步行訓練(BWSTT)時,在無自主活動的下肢可見有肌電活動。它們不是由機械性牽拉肌肉肌腱引起。人經過這種訓練后,行走功能上也取得了改進,說明人在腰骶段脊髓內可能存在類似CPG結構。這對脊髓損傷后功能重建極有意義。基于CPGs,BWSTT已應用于臨床;當今機器人的節律活動也成為科學家關注和研究熱點。

5 突觸調整與神經連接

一旦生長圓錐到達適合靶點細胞,即停止生長而分化成突觸小結。許多在開始生長時的細胞機制就變成調節成熟突觸生長、連接而發揮其作用。

神經系統的運作和功能有賴于由突觸連接的神經元鏈環路中的信息流。突觸是一種獨特的連接,介導從一個神經元到第二個神經元或從一個神經元到效應細胞的信息轉送。大多數突觸存在于一個神經元的軸突末端與另一個神經元的樹突或細胞間。它分為突觸前和突觸后神經元。大多數神經元包括中間神經元,其功能猶如突觸前和突觸后神經元,由某些神經元接受信息和分配信息去其他神經元。一個典型的神經元不論在何處都有1000～10000軸突終末使成突觸而被同等數的其他神經元刺激。在大腦皮質中,每1 mm3可含有10億突觸。

Kleim等從經過8 d訓練的實驗鼠的腕與手的皮質代表區電鏡檢查發現,較未經訓練鼠的每個神經元突觸數多20%。我國黃如訓教授的博士研究生在人造偏癱鼠以穴位針灸刺激療法后,腦中突觸數和突觸素增多,運動功能改進。利用Golgi染色觀察樹突分支數或使用電鏡觀察突觸數量、大小來研究,現已可確定樹突分支的復雜性是由腦區完成的任務性質決定的。在腦的皮質代表區,選擇軀干、手和頂葉緣上回3個區域的神經結構作比較,發現緣上回區最為復雜,手次之,軀干最次。這是因手的活動雖多,但不如緣上回伴有較高的認知過程。經驗也參與腦區樹突分支的復雜性:一個有高水平、手指靈活性強的職業打字員,他的腦皮質中手與軀體代表區的神經元結構可有很大的差別。由此設想世界上偉大的科學家、革命家、發明家和藝術家等,他們腦的神經元結構如以現代科學設備檢查,肯定要比那些從事平淡、一般職業者要復雜得多。可惜,這還缺少直接證明。當然,還有那些殘疾者,失去雙手,以腳來書寫,代替手的活動,在腦的代表區的神經元狀況都值得研究。因而可知,腦是一個使用-依賴性、技巧-依賴性和經驗-依賴性的組織器官,連接愈多,突觸活動愈多,功能愈多。

突觸調整表現在功能上是所含神經遞質的合成和釋放;在結構上則是突觸受體的增加和減少。腦損傷后可能由于去輸入、抑制消失、使用-依賴性使突觸功能改變。膜的興奮性變化,新連接的形成和生長或先前存在的、功能上不起作用或起作用甚小的連接重現。事實上,在腦發育過程中產生過多的神經元和隨后的過多的神經元連接是被抑制著而不是被消除。一旦腦損傷,一個不同尋常的可能是,以往在正常NS生理上不起作用或相對作用甚小的突觸強度也發生了調整。這種調整在損傷后數分鐘到數日即可見到。故突觸重塑是很快的,使腦損傷后先前存在的環路潛在突觸活化(重現)或增加環路內突觸強度使功能重組。

研究發現,突觸重塑效能取決于長時程增強(LTP)。它是由代償行為、某些通路過度使用發生的生化改變而產生的生理改變。LTP的增強、持續就對功能質量起作用,它是谷氨酸與NM DA受體結合,配合突觸后膜去極化引起。在依賴于鈣離子和NMDA受體下,LTP可誘導使樹突上的棘突(spine)改變。在使用-依賴性LTP后,突觸分裂并形成多孔突觸(perforated synapses)。在被激活的棘突附近也形成新的棘突,這種結構重塑顯示突觸傳遞增加。

一個值得關注的假設是:腦缺血不僅能誘導產生導致遲發性神經元死亡的病理類型的突觸重組,也能使生理性突觸發生改變而促使卒中后功能的恢復。因此,腦卒中后功能的恢復部分是因皮質結構如上所述的功能水平上重塑結果。

6 功能恢復

腦卒中后運動功能障得是一個普遍、嚴重存在的問題。腦既然是一個使用-依賴性、技術-依賴性和經驗-依賴性單位,那么康復措施理應有效。在動物證實了優良豐富的環境能增加NTF,在年老動物優良環境能使萎縮腦中突觸增多而能改善局部缺血預后。但這還不能提高手和上肢的精細、靈巧活動,因此還應加上康復的技術療法。在動物研究,積極的鍛煉,引入復雜的運動任務(包括運動康復)曾證實有利于運動功能的改進和NS可塑改變。運動康復顯示發揮修補機制,可防止神經元突觸變性,使神經元重新反應連接,使適合性的功能發生。功能康復因而應盡早開始。在人類過早、過量的運動康復將有擴大半暗帶的危險。反之,溫和、技巧性的運動康復,雖在早期也將有利于消除遠隔功能抑制(diaschisis)。在由中國康復研究中心帶頭的“九五”攻關項目“腦卒中早期康復治療”的全國多中心、大樣本、設有對照組的1027例患者中,對腦缺血性卒中康復開始時間是:患者神志清楚,生命體征穩定和體征48 h內穩定不再發展時即可開始,是安全的,可行的。當然出血性卒中開始的時間應向后稍順延。缺血性卒中1周后或2周內開始康復的功效無大差別。康復3周時間可使神經功能缺失分減少,肩關節并發癥等減少。如延長到45 d,其功效預后將更好。運動康復如能與特殊任務(task-specific)或導向-作業康復(task-oriented)結合,如強制性運動療法(CIMT)、減重平板車步行訓練(BWSTT)、功能性電刺激(FES)等將取得較好的功能預后。當代先進儀器檢查并證明腦病灶對側錐體細胞樹突分支和突觸數等均有所增加,參與了功能恢復。偏癱康復如能同時應用如多巴胺前身左旋多巴,證實是提高患者功能的有效途徑。腦損傷后多巴胺對促進突觸重塑作用可能是取得功效的原因。氟西汀能促進人的偏癱功能恢復,且能使海馬中神經元增多。

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[本文著錄格式]朱鏞連.神經連接與功能恢復[J].中國康復理論與實踐,2011,17(1):89—91.

中國康復研究中心北京博愛醫院神經內科,北京市100068。作者簡介:朱鏞連(1925-),男,江蘇丹陽市人,教授,主任醫師,長期從事神經系統疾病的臨床康復。

2010-12-28)