丰富康复训练与神经可塑性

孙咏虹,吴冰洁

神经可塑性改变是神经损伤后功能恢复的基础,是近20年来神经生物学研究发展的重要领域。近来的研究表明,成年大脑终生都具有重塑和功能重组的能力。实验证明,经过训练和改变外界环境,神经元通过邻近代偿、失神经过敏、轴突侧支长芽、潜伏通路和突触的启用等可使功能得到恢复。

1 丰富环境与神经可塑性

1947年,美国人Hebb提出丰富环境(enriched environment)的概念[1-2],将大鼠暴露于丰富环境中,发现大鼠的水迷宫试验成绩提高。目前为止,仍没有“丰富环境”的确切定义。笼统地说,丰富环境有社会交往和生存环境两方面因素。相对于标准环境而言,丰富环境通常包括更大的活动空间、新鲜多变的环境,以及动物间更多的交往。丰富的笼舍环境包括有诸如梯子、滚轮、绳子、平台、隧洞、盒子、球、积木、秋千等,每周甚至每天更换1次环境布置。标准环境笼舍里不设任何物体。在后来的研究中,尽管对丰富环境的具体设置各有差异,但总的原则是要增加动物自愿物理运动、社会性刺激及相互交往的机会[3-6]。这一模式被广泛用来研究环境对脑功能的影响,包括对正常动物模型以及各种中枢神经系统损伤模型的研究。

丰富环境对脑发育和脑损伤修复具有显著的促进作用,而脑发育与脑损伤修复的基础是神经可塑性。丰富环境与标准环境饲养大鼠相比,体质量增加10%,脑质量增加7%,视皮质增厚,脑的总长度不受影响,脑半球的宽度和长度增加5%;脑血管生成也有增加[7]。丰富环境刺激还可使神经元胞体增大,细胞凋亡减少[8]。最重要的形态学改变是树突、轴突及突触的变化,包括神经元树突变长,树突状分枝增加,密度增大,树突棘数目增多;轴突增多;突触及突触小结变大,新突触连接形成增加,突触囊泡聚集密度增强[9]。对动物进行反复多次的环境刺激和功能训练与树突和树突突触的数目以及突触效能的增加呈正相关[10]。Nilsson等发现,与在孤独环境中的大鼠比较,优良环境中的大鼠呈现出更厚的脑皮质、更大的细胞体和更多的树突分支和突触[11]。可能与环境刺激脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神经生长因子(nerve growth factor,NGF)、纤维细胞生长因子2(FGF-2)和表皮生长因子(EGF)水平升高有关[12-13]。

丰富环境还涉及社交因素[3]。在研究年轻大鼠双侧海马损伤的实验中,社交组和纯丰富环境组显示出相似的行为结果[13],所以通常是数只大鼠共处一个笼子中。在实验性脑梗死后,饲养在丰富多彩环境中的大鼠,有机会参与各种活动并与其他大鼠相接触,其活动能力明显强于关在标准实验环境中的大鼠。即使耽搁15 d后再转移到丰富多彩的环境中去,效果也很明显。这种环境的良好效果可能是神经营养因子合成增加所致[14]。神经营养因子是一些能促进神经元存活的多肽,局部的神经营养作用可以促进突触的重塑和受体表达的改变。最近有报道,脑缺血大鼠术后5 d就置于丰富环境与14 d后才干预相比,行为表现和脑组织改变都有明显改善,而30 d才干预的大鼠几乎与单纯群居鼠无区别,提示康复治疗的效果会随着时间而减弱[15]。但是,也有人提出,局灶性脑缺血大鼠在术前或术后仅处于丰富环境下并不能改善受累前肢及指(趾)的表现[16]。因此,丰富环境虽可产生有利影响,但是单纯给予此因素的作用还很有限[17]。

越来越多的证据表明,星形细胞在突触可塑性中起积极作用。饲养在复杂环境的大鼠皮质星形细胞的快速改变和星形细胞与突触间联系增多的超微结构证据都表明,星形细胞的可塑性和训练诱导的突触的可塑性密切相关[18]。非突触性传递可能也在可塑性过程中起一定的作用。可塑性改变不仅发生在皮质,而且在皮质下区包括丘脑和脑干也有发现。

大多数的研究认可丰富环境饲养之后的大脑变化是有益的,但是在行为学改变上的研究却有不同的观点。到目前为止,还不能确定大脑的变化是实验所记录的行为变化的原因。因此尽管研究表明生命早期“丰富多彩”的环境对大脑有好处,但Bruer认为,对于大部分儿童,超出正常环境的“额外丰富”能提供很多好处是没有科学证据的[19]。Greenough认为,在所谓“复杂环境”下饲养的老鼠,大脑里形成更多的突触连接(与标准实验室笼子里单独长大的老鼠比较),是剥夺实验多于丰富实验[20]。因为所谓的复杂环境其实是接近老鼠的正常生长环境。他的发现暗示了极端的剥夺是决定性的,但他没有强调在正常环境中的额外刺激是否更好。

2 丰富康复训练与神经可塑性

不同的康复手段可以产生不同程度的效果[21],广泛的皮质损伤在很大程度上使结构和功能发生改变,对损伤区域的刺激可促进功能恢复,只增加力量训练并不能诱导脑组织重塑,必须配合技巧训练。研究显示,简单运动方式如跑笼仅可促进脑血管生成[22],而复杂技巧训练如转棒和杂技(acrobatic task)可增加脑皮层突触数量[23]。将脑组织经Golgi氏染色后观察树突分枝,或使用电镜观察突触的数目和大小的研究显示,鼠经过8 d熟练技巧训练后,每一个神经元的突触数与非技巧状态时相比增加了20%,因而发生皮质图的改变[24]。现己确认,脑的树突分支的复杂性是由脑区完成的任务数和性质决定的。躯体在脑的相应代表区的神经结构与手指代表区相比,细胞要简单得多。这是因为由躯体来的感觉输入对皮质神经元提供的信息比手指要少得多。但皮质手指区的细胞如与顶叶缘上回相比,则后者又要复杂得多,因为后者担负着较多的认知功能。Kleim等检测杂技训练后皮质的Fos表达,发现突触数目有明显的增加[25]。给大鼠先做技巧性训练,使之能达到修正皮质运动区时,从扩伸的脑的(相当于人类)腕与手指代表区取一块脑组织在电镜下观察,发现训练有素的动物皮质的变化涉及脑和(相当于人类)手指的皮质活动区,其每个神经元的突触数较未训练鼠多[26]。皮质水平联接的突触重塑可能是以皮质图重建为基础,从机制上则认为与长时程增强和长时程抑制有关[27]。比较转棒和单纯踏车对脑缺血大鼠突触发生的不同影响时,发现突触小泡蛋白均有表达,表达强度无明显区别,但前者丘脑核团的表达明显早于后者,提示不同运动方式对脑缺血后丘脑突触发生会有不同影响。大量初级和次级神经元的死亡产生去神经支配的区域,刺激未受损神经元在相邻或远离梗死区的皮质和皮质下区域萌发、建立新的突触联系[28]。这反映了突触的可塑性,即在大脑受到损伤后,突触可在数量、形态和效能上发生适应性改变,重新恢复联系及功能。

将丰富环境和一般康复训练相结合进行丰富的康复训练,可以使大脑达到最佳的功能恢复。脑缺血损伤后,未受损运动皮质有树突分支的轻微增加,若给予丰富康复训练(丰富环境和技巧性取食训练),其损伤对侧半球的神经元基底部的树突分支生长明显增加,包括树突全长、分支节段(branch segm ents)的平均数和树突分支的复杂性[28]。在研究丰富环境、社交以及物理运动对脑缺血大鼠的共同效果时,单纯群居组比独居跑笼综合组的行为改善好,丰富康复训练组(包括丰富环境、社交和运动训练)的行为改善最显著,提示社交因素的影响大于简单运动,而当环境、社交和运动因素相结合时,行为改善最明显[3]。丰富的康复训练可以诱导脑缺血周边区NGF、BDNF、TGF、bFGF等神经营养因子的表达[5,23,28],神经营养因子不仅在中枢神经系统发育过程中对神经元的生存、分化、生长起作用,而且在脑损伤时对神经细胞具有重要的保护作用和促进神经细胞功能恢复的作用。

3 临床意义和展望

多项研究显示,丰富环境[5-9,29-30]、运动训练[28]、适当的康复治疗时机都是促进恢复的积极因素[31]。丰富康复训练正是将以上几种积极因素结合起来。总之,熟知不同康复治疗方式的作用,并综合搭配,以丰富的康复训练手段运用于各种神经损伤的治疗,同时掌握好作用时机和持续时间,将能更好地指导临床实践。

[1]Passineau MJ,Green EJ,Dietrich WD,et al.Therapeutic effects of environmental enrichment on cognitive function and tissue integrity following severe traumatic brain injury in rats[J].Exp Neurol,2001,168:373-384.

[2]Ruten A,van Albada M,Silveira DC,et al.Memory impairment following status epilepticus in immature rats:time-course and environmental effects[J].Eur JNeurosci,2002,16:501-513.

[3]Johansson BB,Ohlsson AL.Environment,social interaction,and phy sical activity as determinants of functional outcome after cerebral infarction in the rats[J].Ex p Neurol,1996,139:322-327.

[4]Puurunen K,Jolkkonen J,Sirvio J,et al.Selegilinecom bined with enriched-environment housing attenuates spatial learning deficits following focal cerebral is chemia in rats[J].JExp Neurol,2001,167:348-355.

[5]Biernaskie J,Corbett D.Enriched rehabilitative training promotesim proved forelimb moto r function and enhanced dendritic growth after focal ischemic injury[J].JNeurosci,2001,21:5272-5280.

[6]Will B,Galani R,Kelche C,et al.Recovery from brain injury in animals:relative efficacy of environmental enrichment,physical exercise or formal training[J].Prog Neurobiol,2004,72:167-182.

[7]Schrijver NC,Pallier PN,Brownb VJ,et al.Double dissociation of social and environmental stimulation on spatial learning and reversal learning in rats[J].Behav Brain Res,2004,152:307-314.

[8]Li H,Dokas LA,Godfrey DA,et al.Remodeling of synaptic connections in the deafferented vestibular nuclear complex[J].JVestib Res,2002,12:167-183.

[9]Sing h P,Heera PK,Kaur G.Expression of neuronal plasticity markers in hypoglycemia induced brain injury[J].Mol Cell Biochem,2003,247:69-74.

[10]Butefisch CM,Davis BC,Wise SP,et al.Mechanisms of use-dependent plasticity in the human motor cortex[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97:3661-3665.

[11]Nilsson M,Perfilieva E,Johansson U.Enriched environment increases neurogenesis in the adult rat dentate gy rus and improves spatial memory[J].JNeurobiol,1999,39:569-578.

[12]Pham TM,Winblad B,Granholm AC,et al.Environmental influences on brain neurotrophins in rats[J].Pharmacol Biochem Behav,2002,73:167-172.

[13]Will B,Deluzarche F,Kelche C.Does postoperative environment attenuate o r exacerbate symptoms with follow hippocampal lesions in rats?[J].Behav Brain Res,1983,7:125-132.

[14]Johansson BB.Functional outcome in rats transferred to an enriched environment 15 days after focal brain ischemia[J].Stroke,1996,27:324-326.

[15]Biernaskie J,Chernenko G,Corbett D.Efficacy of rehabilitative experience declines with time after focal ischemic brain injury[J].JNeurosci,2004,24:1245-1254.

[16]Biernaskie J,Corbett D.Enriched rehabilitative training promotesim proved fo relimb motor function and enhanced dendritic growth after focal ischemic injury[J].JNeurosci,2001,21:5272-5280.

[17]Farrell R,Evans S,Corbett D.Environmental enrichment enhances recovery of function but exacerbates ischemic cell death[J].Neuroscience,2001,107:585-592.

[18]Nakamura H,Kobayashi S,Ohashi Y.Age-changes of brain synapses and synaptic plasticity in response to an enriched environment[J].JNeurosci Res,1999,56:307-315.

[19]Bruer JT.Points of view:on the implications of neuroscience research for science teaching and learning:are there any?A skeptical theme and variations:the primacy of psychology in the science of learning[J].CBE Life Sci Educ,2006,5:104-110.

[20]Greenough WT,Klintsova AY,Irwin SA.Synaptic regulation of protein synthesis and the fragile X protein[J].Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:7101-7106.

[21]Studenski S,Carlson MC,Fillit H,et al.From bedside to bench:does mental and physical activity promote cognitive vitality in late life?[J].Sci Aging Knowledge Environ,2006,28:21-23.

[22]Adlard PA,Perreau VM,Pop V,et al.Voluntary exercise decreases amyloid load in a transgenic model of Alzheimer's disease[J].JNeurosci,2005,25:4217-4221.

[23]Kleim JA,Jones TA,Schallert T.Motor enrichment and the induction of plasticity befo re or after brain injury[J].Neurochem Res,2003,28:1757-1769.

[24]Nudo RJ,Plautz EJ,Frost SB.Role of adaptive plasticity in recovery of function after damage to motor cortex[J].Muscle Nerve,2001,24:1000-1019.

[25]Kleim JA,Lussnig E,Schwarz ER,et al.Synaptogenesis and Fos expression in the motor cortex of adult rat after motor skill learning[J].JNeurosci,1996,16:4529-4535.

[26]Kleim JA,Barbay S,Cooper N R,et al.Motor learning-dependent synaptogenesis is localized to functionally reorganized moto r cortex[J].Neurobiol Learn Mem,2002,77:63-77.

[27]Pedotti MS,Friedman D,Hess G,et al.Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning[J].Nat Neurosci,1998,1:230-234.

[28]Ding Y,Li J,Clark J,et al.Synaptic plasticity in thalamic nuclei enhanced by moto r skill training in rat with transient middle cerebral artery occlusion[J].Neurol Res,2003,25:189-194.

[29]Dienel GA,Cruz NF,Ball K,et al.Behavioral training increases local astrocytic metablic activity but does not alter outcome of mild transient ischemia[J].Brain Res,2003,961:201-212.

[30]Dahlqvist P,Ronnback A,Risedal A,et al.Effects of postischemic environment on transcription factor and serotonin receptor expression after permanent focal cortical ischemica in rats[J].Neurosci,2003,119:643-652.

[31]Briones TL,Suh E,Jozsa L,et al.Behaviorally-induced ultrastructural plasticity in the hippocampal region after cerebral ischemia[J].Brain Res,2004,997:137-146.