脊髓損傷后神經功能可塑性機制及影響因素的研究進展

劉 健，楊小玉，夏威威，董 健，楊茂光，矯健航

(吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院骨科，吉林 長春 130033)

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)通常會導致患者損傷部位支配的感覺及運動功能完全或部分喪失，進而給社會帶來沉重負擔。然而，由于中樞神經系統(tǒng)損傷后其損傷的軸突自發(fā)性再生能力十分有限，同時中樞神經系統(tǒng)內、外環(huán)境中存在很多抑制軸突再生的因素，因此脊髓損傷后功能恢復一直是神經科學研究的難點之一。多年來，中樞神經系統(tǒng)一直被認為是缺乏自身調整和適應能力的結構系統(tǒng)。在過去的近30年里[1]，人們逐漸轉變對中樞神經系統(tǒng)的傳統(tǒng)看法，并提出中樞神經系統(tǒng)是一種具有可塑性的器官，在遇到環(huán)境變遷或損傷時具有調節(jié)和適應的能力，通過未損傷的健存神經元及軸突側支發(fā)芽并長入已失神經支配的區(qū)域重新建立神經環(huán)路等方式代償機體本已損傷的感覺及運動功能，中樞神經系統(tǒng)的這種性能被稱為神經可塑性。這種神經可塑性因遠離損傷部位形成軸突側支連接，故可以更好地免受損傷局部抑制性環(huán)境所導致的軸突生長及延長受限等影響，但成年人和動物中樞神經系統(tǒng)的軸突再生和延長能力有限，所以如何提高這種神經可塑性的能力成為治療中樞神經系統(tǒng)損傷的關鍵。大量研究由此展開，經過不斷的探索發(fā)現：針對失神經支配區(qū)效應器的功能鍛煉、神經營養(yǎng)因子以及細胞或組織移植等方法可以有效提高機體的神經可塑性能力。

1 神經可塑性調節(jié)功能恢復和神經環(huán)路重構的形成條件

由于成年中樞神經系統(tǒng)損傷的軸突再生能力十分有限，故任何脊髓損傷后自發(fā)性感覺運動功能的恢復均可視為軸突或樹突延長連接導致神經環(huán)路重構的結果[2]。這些神經環(huán)路的重構發(fā)生于從脊髓到腦干再到丘腦以及感覺運動皮層的多個水平[3]。主要包括突觸重構、軸突發(fā)芽和神經發(fā)生幾個重要的部分，在神經環(huán)路重構的過程中這三方面缺一不可。

1.1 突觸重構脊髓灰質神經元細胞的樹突被認為是突觸的目標區(qū)域，所以脊髓神經環(huán)路結構的改變一部分來自于突觸的重塑。大量研究證據表明：中樞神經系統(tǒng)樹突可塑性改變是對周圍環(huán)境異常、感覺運動學習、皮質或周圍神經損傷[4]以及脊髓損傷后做出的反應。Kim等[5]通過大鼠脊髓半切模型發(fā)現：未損傷側的脊髓灰質內錐體神經細胞的形態(tài)學發(fā)生了改變，而且通過于半切部位移植大鼠胚胎組織以及給予神經營養(yǎng)蛋白NT-3等方法可以促進這種形態(tài)學變化的發(fā)生[6]。

1.2 軸突發(fā)芽盡管文獻中涉及脊髓損傷后自發(fā)性軸突再生的證據很少，但大量研究證實軸突出芽是損傷后突觸適應和代償的主要方式。值得注意的是，再生和出芽是有區(qū)別的兩種過程。軸突再生是指損傷離斷的軸突在其斷端重新生長的過程，而軸突出芽是指未損傷的軸突通過側支發(fā)芽生長延伸的過程[2]。脊髓損傷后會導致星形膠質瘢痕的形成，而這種膠質瘢痕會形成強大的物理和化學障礙作用從而阻礙軸突再生。但是軸突發(fā)芽可以發(fā)生于遠離膠質瘢痕的部位，這被認為是強化健存的神經進行代償性連接從而重構神經環(huán)路的關鍵所在[7-8]。Bareyre等[9]通過實驗證實：損傷成年大鼠胸段脊髓后，未損傷側大鼠頸段脊髓皮質脊髓束出現軸突發(fā)芽并長入對側與脊髓固有束神經元形成連接，同時這些連接形成了支配大鼠下肢運動功能的新的神經環(huán)路，而且伴有大鼠行為學上的恢復。Ballerman等[7]進行大鼠胸髓半切術后發(fā)現：網狀脊髓束內出現了軸突發(fā)芽，同時也伴有行為學恢復。大多數有關損傷誘導的軸突發(fā)芽均來自于大鼠方面的研究，但還未見出版物或實驗的直接證據表明這種損傷誘導的軸突發(fā)芽具有種屬特異性。

1.3 神經發(fā)生正常情況下成年哺乳動物神經發(fā)生主要位于大腦區(qū)域，主要包括室下區(qū)、海馬區(qū)、嗅球等。中樞神經系統(tǒng)的邊緣區(qū)域通過特定類型的損傷或疾病誘導也出現神經發(fā)生[10-11]。盡管具體神經發(fā)生的機制還不清楚，但卻說明中樞神經系統(tǒng)可以對特定的病理改變產生反應并引起神經形成。最近的研究[12]發(fā)現:在缺血性紋狀體動物模型中可以明顯發(fā)現神經形成，而且這些新形成的神經具有良好的生理作用、神經元形態(tài)和突觸表型。在對很多種屬動物的實驗研究[13-14]中發(fā)現：在正常情況下成年動物脊髓不能有新的神經形成；但最近的研究顯示：通過特殊類型的脊髓損傷或相關疾病的誘導可以誘導脊髓內神經發(fā)生。當直接暴力作用于脊髓時，大量的神經膠質產生于損傷區(qū)域，結果導致膠質瘢痕形成[15]，瘢痕中的星形膠質細胞可以釋放相關因子阻止軸突發(fā)芽以及其他再生相關的過程[16]。因此，在一些對脊髓半切或后角損傷的動物模型研究時，由于大量膠質瘢痕出現所以未能發(fā)現神經發(fā)生，但Vessal等[14]通過實驗發(fā)現：當損傷發(fā)生于脊髓外或瘢痕形成很小或缺失時，由于脊髓后角損傷所引起的拇、示、中指的感覺障礙得到很好的恢復，并且存在明顯的神經形成；研究還發(fā)現：脊髓后根損傷不僅可以誘導脊髓神經發(fā)生，還可以誘導相應感覺運動皮層神經發(fā)生。這說明脊髓后根損傷可以誘導其投射路徑多個部位的神經發(fā)生。

2 促進神經可塑性改變的方法

成年中樞神經系統(tǒng)缺乏軸突再生和出芽的能力，很大程度上是由于損傷后機體釋放或上調大量抑制性因子所致。盡管對這些因子具體完整的作用機制仍不完全清楚，但是通過不斷研究發(fā)現：很多方法可以很好地放大這種神經可塑性改變，更大程度上促進軸突發(fā)芽和神經環(huán)路重構。

2.1 功能練習很多研究記錄了中樞神經系統(tǒng)損傷后通過功能練習提高神經可塑性進而促進功能恢復方面的內容。將嚙齒類動物飼養(yǎng)于一些特定的容器中，這些容器可以增強動物的運動功能或者促進感覺和認知能力的提高，結果發(fā)現：動物的大腦皮層大小、樹狀分支數量以及海馬區(qū)的神經發(fā)生均有明顯提高[17-18]，這些強化的環(huán)境可以促進脊髓損傷[19]以及腦中風后[20]運動功能的恢復，加之給予感覺功能的刺激以及特殊的鍛煉方式，可以有效地恢復腦損傷后運動功能的缺失[21]。但是，這些干預更偏向于一些機體移動或自主機械運動方面，對于脊髓損傷后一些精細的技巧性的運動恢復仍存在爭議。一些研究報告[22]指出：中樞神經系統(tǒng)損傷后功能的恢復主要需要一些特殊的傷后功能訓練，頸脊髓損傷后取物功能的恢復需要通過強化抓取訓練來實現，而并非通常進行的階梯爬行實驗。同樣，腦中風后先于抓取訓練進行機械轉輪的跑步練習對恢復前肢的類似于爬樓梯的功能有積極意義，但對于姿勢性支持或階梯爬行等功能卻沒有任何實際作用[23]。有些學者[24]認為：單純的跑步練習對于恢復大鼠前肢的運動功能貢獻很小。

這些功能訓練的潛在機制可能包括上調神經生長因子的表達、重組脊髓內有關運動功能的神經網絡等[25]。盡管脊髓損傷后通過跑步訓練促進功能恢復的成功率十分顯著，但針對頸脊髓損傷后手和上肢功能恢復的康復治療方案還未見系統(tǒng)的研究。對于中樞神經系統(tǒng)損傷后手和上肢功能恢復的有效治療結果大部分來自于腦中風和腦外傷，近來約束性功能訓練(CIMT)誘導功能恢復的治療方法成為一種有效促進皮質脊髓束投射路徑功能重組的重要方法[26]。由于頸脊髓損傷后即使是手部很小的功能恢復也可以導致患者明顯的生活質量的改善，Girgis等[22]探索了動物模型脊髓損傷后前爪功能訓練的治療效果，實驗中損傷大鼠脊髓后索中的皮質脊髓束以及紅核脊髓束，并利用實物小球抓取實驗對大鼠前爪進行功能練習，6周后發(fā)現這種功能練習可以上調大腦皮質內的生長相關蛋白-43(GAP-43)的表達水平，促進損傷部位近端的皮質脊髓束軸突發(fā)芽，修復大腦皮質的管理區(qū)域，更重要的是使運動功能得以有效的恢復。Maier等[27]通過對大鼠行椎體切斷術建立單側皮質脊髓束損傷模型，同時術后利用管型石膏固定健側前肢來觀察傷側前爪和上肢的功能恢復，并采用基因芯片技術分析術后功能訓練誘導的大鼠脊髓組織基因表達改變情況，實驗發(fā)現:約束性功能訓練3周大鼠傷側前爪和上肢的功能得到明顯恢復，同時基因芯片技術發(fā)現大鼠生長因子、黏附和導向分子以及與突觸形成有關的分子均有明顯變化，功能訓練對脊髓損傷后調控軸突生長和延長以及軸突導向方面有重要影響。

2.2 神經營養(yǎng)因子神經營養(yǎng)因子家族主要包括神經生長因子(NGF)、腦源性生長因子(BDNF)、以及神經營養(yǎng)因子-3、-4、-5，這些神經營養(yǎng)因子可以通過結合神經元表面的受體(trk tyrosine 激酶、p75NGF-R)來增強神經元的存活。近來針對神經營養(yǎng)因子對脊髓神經元可塑性作用的研究顯示：中樞神經和周圍神經損傷后可以上調運動神經元內神經營養(yǎng)因子的表達水平。大量研究結果顯示：運動神經元生長因子可以調節(jié)脊髓神經的發(fā)育和存活。

脊髓損傷后軸突發(fā)芽能力十分有限，這種能力的喪失可能與缺乏生長因子、抑制性分子的存在以及物理障礙阻擋軸突生長和延伸有關[28]。近年來，很多研究在脊髓損傷動物模型中應用生長因子或抗抑制性分子來提高代償性軸突發(fā)芽的能力。Bareyre等[29]應用髓磷脂相關神經抑制蛋白Nogo的單克隆抗體IN-1進行實驗,發(fā)現在錐體束損傷模型中皮質脊髓束的軸突發(fā)芽能力得到明顯提高，同時大鼠的運動功能也明顯恢復。在同樣的動物模型中，Benowitz等[30]在大腦感覺運動皮層處輸注肌苷，發(fā)現失神經支配的的脊髓內部出現了大量的皮質脊髓束軸突發(fā)芽。Zhou等[31]在大鼠錐體束水平單側損傷皮質脊髓束的模型中利用腺病毒轉染NT-3基因并使其在脊髓損傷部位神經元高表達，3周后發(fā)現未損傷側的皮質脊髓束開始出現軸突發(fā)芽并延伸穿越脊髓中線到達損傷側的運動神經元。Jeffery等[32]指出：中樞神經系統(tǒng)軸突可以對局部環(huán)境的改變產生發(fā)芽等反應，而損傷則是對這一反應的最好刺激。Jeffery等應用NT-3在紅核脊髓束切除的動物模型中誘導同側未損傷皮質脊髓束軸突側支發(fā)芽并長入損傷側失神經支配區(qū)域。還有一些研究顯示：神經生長因子可以對神經元細胞產生作用，可以增強中樞神經系統(tǒng)軸突的生長能力。Kwon等[33]報道:直接于紅核局部應用BDNF可以刺激紅核脊髓束神經元內GAP-43的表達,在急性或慢性脊髓損傷處移植周圍神經并且上調生長相關蛋白基因的表達,可以明顯促進紅核脊髓束軸突的再生和發(fā)芽。研究[34]顯示：將重組BDNF蛋白或分泌BDNF的纖維母細胞植入皮質，可以很好地挽救由于軸突切斷術所誘導的皮質脊髓束神經元。而且，將重組BDNF蛋白注入損傷的紅核脊髓束神經元局部可以刺激紅核脊髓束神經元內GAP-43和Tα1-tubulin 2種與再生相關基因的表達，同時還可以阻止由于軸突損傷導致的神經萎縮。與BDNF相似，細胞源性生長因子(GDNF)可以防止由于軸突損傷而導致的皮質脊髓束神經元細胞死亡，同時促進損傷的運動神經元軸突生長[35]。Lu等[36]實驗發(fā)現：將陽離子脂質體調節(jié)的轉染GDNF基因植入脊髓損傷部位，可以導致?lián)p傷的皮質脊髓束明顯再生，并可以穿越損傷部位至遠端5～9 mm。

3 其 他

科學實驗和臨床研究均證明了神經源性和非神經源性組織以及細胞組織移植對改善脊髓損傷后功能障礙和提高生活質量是十分可行的方法。而且，這些包括組織和細胞移植的方法在脊髓損傷后的病理生理、可塑性、軸突出芽再生和功能恢復方面都已有顯著的突破。通常應用的移植組織類型包括周圍神經、脊髓或大腦的胚胎組織；細胞類型包括：施萬細胞、嗅鞘神經細胞、神經干細胞、胚胎干細胞及骨髓基質細胞等。近年來，通過對腦中風患者的大腦影像學研究發(fā)現：提高腦組織特定區(qū)域的活性有助于患者相應皮質支配的功能活動明顯恢復[37]，這些方法主要是指對大腦皮層特定區(qū)域電刺激和經顱磁刺激[38]等。

4 小 結

脊髓損傷后的神經可塑性改變一直是科研人員不斷探討和摸索有關神經功能修復的熱點之一，目前的治療方法主要圍繞改善和提高軸突發(fā)芽和神經環(huán)路重構中的一個或幾個關鍵點，但由于參與這一過程的因素繁多，所以未來探索神經可塑性改變的完整機制以及制定綜合有效的治療方案才是解決脊髓損傷后功能修復的關鍵所在。

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