神经连接与功能恢复

朱镛连

神经连接与功能恢复

朱镛连

神经连接;功能;恢复

1 连接的意义

单个神经细胞不能起作用,它必须有连接,连接后才能发挥它的作用,特别是在损伤后。新的,也就是在改变后的连接在临床上的作用,即神经的可塑性。因而,它是脑自身的功能重组和形成新连接的能力。许多这样的改变是适当的,使我们足以应付环境中的各种变化,这就是连接的重要性。

神经细胞必须互相连接,包括细胞体存活,长出的新突起,而形成的轴突和树突。轴突的远端扩大成为生长圆锥(growth cone)。受一些引导信号的吸引,使生长圆锥到达靶器官,分化成成熟的突触。目标细胞再从不适当连接中去识别适当的连接,保留适当的,排斥不适当的。

一旦解剖上连接完成,细胞就选择性地成为具有生理作用的有效部分即“活化的突触”。如生理上不活化的则称为“静止性突触”。后者在解剖上连接,但存在突触前抑制,是潜在性的。脑中有1014个连接。

成熟的神经系统(NS)有防止不恰当的新连接形成的功能,这种抑制性机制同样也可抑制损伤后的修复。一般说,成年的抑制机制主要见于白质,以至在长束损伤后,再生如不干预是很困难的。这种干预当今已成为科学家研究的热点。灰质与这种干预无关。灰质具有更多的可塑,且可能是终生的,甚至在老年时。

在NS通常能完成所需要的连接,更多的连接就造成异常的不适应,扰乱了精密的通路作用,而出现如癫痫发作、肌张力增高等病态。

2 连接性抑制

生长圆锥在神经发育或损伤后,在连接上都是一个重要的结构。细胞外的信号蛋白、神经营养因子等导致生长圆锥的生长,如NGF和BDNF等。携带神经营养因子的基因细胞移植于损伤处,使损伤的神经得到修复。实验业已在几条通路中成功地引出神经突起后形成轴束和树突。然而,问题是再生的轴束只进入移植区而不是通过它,不能与损伤远端的细胞连接。在哺乳类动物的中枢神经系统(CNS)中,成熟NS有认定生长的轴束到达通路以防止异常连接进入。这是由少突胶质细胞所形成的髓鞘完成的。

众所周知,只要细胞体不死,轴束损伤后是可以发芽的,特别见于早期发育期。这是连接初期发生的机理。使损伤的神经元在新的方法下连接,使未损伤的、好的神经元形成新的连接,增加功能。然而,在CNS,成熟的轴束一旦损伤,就不一样,已如上述,它是不能完全连接的。

3 Nogo与再生连接

上段已述及,当CNS中长束损坏近端再生长时,其生长圆锥受到抑制,只能稍许生长,起不到与损伤远端相连,功能无法恢复。Schwab等(1988)从大鼠的脊髓髓磷脂中获得两种轴突抑制性的活性成份IN-35和IN-250,这两种蛋白对轴束生长都有很强的抑制作用。随后,Schnell和Schwab(1990)又将鼠脊髓背侧半切,发现脊髓中的皮质脊髓长束在病损周围生长不过1 mm。这种抑制分子被命名为“髓鞘相关生长锥体崩解蛋白(myelin-associated growth cone collapsing protein)”。随后,他们在鼠脑皮质中种植一种能够分泌抗体IN-1的杂交瘤(hybridoma),再半切脊髓后部,2～3周后再由对侧运动皮质注射辣根过氧化酶,追踪观察皮质脊髓束,发现其再生长度可达11 mm。说明IN-1的确能对抗上述的“崩解蛋白”。这个实验引起科学家莫大的兴趣和希望。

在成年鼠CNS的轴束髓鞘中含有不同的抑制分子髓鞘相关糖蛋白(myelin-associated glycoprotein):Nogo A到C、IN-35,当生长圆锥遇到这些抑制因子时即崩溃不再前进。瘢痕组织中的大分子硫酸软骨素蛋白多糖(chondrotin sulplate proteoglycans)也可抑制生长圆锥。

轴束端的生长圆锥当与最强烈的Nogo-A抑制因子,Nogo-A髓鞘相关糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)、少突胶质细胞-髓鞘糖蛋白(oliodendrocyte-myelin glycoprotein,OMGP)与Nogo受体(Nogo receptor,NgR)结合后,即有抑制成熟CNS中轴束再生和诱发生长圆锥崩解作用,NgR因而是CNS中3种相关轴束生长抑制蛋白Nogo-A、MAG和OMGP的共同作用靶点。NgR在CNS中分布甚广。干预NgR可以同时影响Nogo-A、MAG和OMGP对轴束生长的抑制作用。采用Nogo蛋白及其实体NgR抗体或者拮抗体能促进CNS轴束生长。

Nogo在CNS中广泛表达。在CNS损伤与修复过程中,Nogo不仅抑制神经纤维再生,而且Nogo表达上调可促进神经元凋亡和死亡。Nogo的蛋白碳端和氮端在细胞膜内,而膜外由66个氨基酸残基形成的拓朴结构——Nogo-66,它通过细胞表面受体NgR配体-受体式结合,介导了在CNS中的抑制活动。Nogo-66为损伤后大量表达的内源性损伤因子。Nogo-A只存在于分化的少突胶质细胞表面和存在于神经元核周体、质膜和细胞核中。在脊髓损伤后,少突胶质细胞和髓磷脂释放出Nogo-A到细胞外基质,抑制轴束再生。它与NgR结合后就改变了生长锥体的形态,失去稳定性最后导致生长萎缩。Nogo-A在CNS损伤和缺血后,在抑制轴束再生上也起作用。在多发性硬化慢性活化性脱髓鞘病变的存活少树突细胞显示,Nogo-A表达显著性提高,NgR表达在病变反应性显形细胞等中与对照组相比也明显增强。因而,NogoA/NgR通路上调证明可抑制CNS病变的恢复。例如视神经萎缩至今无特殊治疗,可能与NgR介导的抑制途径伤后难以再生有关。

如上所述,IN-1是对抗Nogo-A的抗体,使生长锥体不再崩解和萎缩,能稳定生长锥体生长。是不是还有比IN-1更好的物质?

直到目前为止,认为针对Nogo-66氨基酸序列设计的NgR竞争性拮抗剂NEPI-40蛋白不仅可以阻断Nogo-66与NgR结合,而且还可以阻断他们介导的生长圆锥崩解作用,能明显促进受损的CNS轴束生长及功能恢复。但这种恢复还受到其他因素影响,不能起大作用。另外,改善NgR的髓磷脂相关抑制作用也可通过细胞内途径增加cAM P、灭活Rho等实现。通过cAMP活化信号途径可以将髓磷脂相关抑制因子对生长圆锥的排斥和抑制作用转化为吸引及促其生长作用。

对NgR的基因干预也在研究中。基因治疗的RNA干扰(RNA interference,RNAi)技术发展迅速。通过对RNAi下调髓磷脂相关抑制物受体NgR的基因表达,可以较少损害后神经元轴束的崩解,促使神经轴束再生。

实验证实,损伤处胶质瘢疤组织可以抑制生长圆锥生长,可用周围神经移植加软骨素酶(Chondroitinase)来冶疗。Nogo-A抑制脊神经后根神经节神经元轴束生长,单克隆Nogo抗体能阻断它,能促进后根压断后感觉轴束的再生。

综上所述,各种方法为脊髓损伤后阻断轴束生长的抑制因子提供了新思路,在动物轴束再生上取得了一些成果。但在人类,脊髓损伤后仍不能得到修复,功能恢复也不能如原。Nogo、Nogo-A、NgR等的发现和克隆以及它们在临床上的相互关系无疑对生长圆锥抑制和抗拒这种抑制的研究有重要意义,但要取得真正的成果短时不易达到,仍任重道远。

设想如脊髓损伤长束得到满意接通,且能恢复其功能,则中枢性损伤和瘫痪就有可能得到治疗和取得功能上恢复。当今在骨骼、血管、肌肉等均能移植成功,如神经等再能接通和有功能,则幻想中的“换头术”将由假想变成可能。

4 不是连接,胜似连接

脊髓损伤虽然由于长束不能完成接通,功能无法完全恢复。但是在动物猫或猴脊髓损伤,在保持其节端性输入功能,借助平板车或外力训练或其他外界刺激后可产生行走动作,且可负重。这是由于中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPGs)的作用。

CPGs工作基础由Griller(1975)等倡导。它是一种神经元网络,一种特殊的中间神经元环路,能够发出节律性输出,如运动、步行、呼吸、咀嚼等自激持续行为,是节律性运动的中心控制单元。这种运动一旦开始,就能自动重复进行,不再需要更多意识参加。脊髓型发生器指位于脊髓内自动产生稳定振荡,有序激活伸屈肌群进行交替收缩,激发肢体节律运动和自我维持的神经活动持续性。这些中间神经元与特殊感觉和信息(主要来自周围的本体感觉)相互作用,激活运动神经元,并可接受脊髓上输入控制和反射调节,产生运动输出。

CPGs的节律性活动,一种模式设想即一半的振荡器控制屈肌的协同肌群,而另一半是负责协调伸肌肌群的,如此即控制了整个肢体的肌肉活动。更多的散在的振荡器设想是调节个别成双的拮抗肌。单个肢体的一些连接性振荡器使肢体内多个关节活动得到协调。两个肢体间的连接振荡器使肢体间活动得到协调并使之产生许多运动模式,如松散的肢体间连接振荡器可以产生同侧、同向和交叉对角线运动模式。

单一的刺激活化CPG,可以产生一串反应,由振荡器产生的节律性模式(自然的特性)可以没有附加的感觉输入而保持着活动。一个脊髓水平反射的节律活动发生仅有外加的感觉刺激即可。

节律活动的紊乱能影响协同反应的振幅和时间。此点在人类使用刺激性CPG时是有用的。例如当路径上有障碍,活动时即发生干扰。CPG能够改变反应时的振幅而不需要改变节律。脊髓水平神经元为Renshaw细胞或再抑制性中间神经元曾经被认为是这种有力调整者。

猫和猴虽有中胸段脊髓损伤,但在借助平板车外力训练可以产生行走功能,说明猫和猴在脊髓病损下存在CPGs。CPGs在人类不能明显呈现,这可能系个体和系统发育中受到抑制所致。然而,在人不完全颈和胸髓损伤进行减重平板车步行训练(BWSTT)时,在无自主活动的下肢可见有肌电活动。它们不是由机械性牵拉肌肉肌腱引起。人经过这种训练后,行走功能上也取得了改进,说明人在腰骶段脊髓内可能存在类似CPG结构。这对脊髓损伤后功能重建极有意义。基于CPGs,BWSTT已应用于临床;当今机器人的节律活动也成为科学家关注和研究热点。

5 突触调整与神经连接

一旦生长圆锥到达适合靶点细胞,即停止生长而分化成突触小结。许多在开始生长时的细胞机制就变成调节成熟突触生长、连接而发挥其作用。

神经系统的运作和功能有赖于由突触连接的神经元链环路中的信息流。突触是一种独特的连接,介导从一个神经元到第二个神经元或从一个神经元到效应细胞的信息转送。大多数突触存在于一个神经元的轴突末端与另一个神经元的树突或细胞间。它分为突触前和突触后神经元。大多数神经元包括中间神经元,其功能犹如突触前和突触后神经元,由某些神经元接受信息和分配信息去其他神经元。一个典型的神经元不论在何处都有1000～10000轴突终末使成突触而被同等数的其他神经元刺激。在大脑皮质中,每1 mm3可含有10亿突触。

Kleim等从经过8 d训练的实验鼠的腕与手的皮质代表区电镜检查发现,较未经训练鼠的每个神经元突触数多20%。我国黄如训教授的博士研究生在人造偏瘫鼠以穴位针灸刺激疗法后,脑中突触数和突触素增多,运动功能改进。利用Golgi染色观察树突分支数或使用电镜观察突触数量、大小来研究,现已可确定树突分支的复杂性是由脑区完成的任务性质决定的。在脑的皮质代表区,选择躯干、手和顶叶缘上回3个区域的神经结构作比较,发现缘上回区最为复杂,手次之,躯干最次。这是因手的活动虽多,但不如缘上回伴有较高的认知过程。经验也参与脑区树突分支的复杂性:一个有高水平、手指灵活性强的职业打字员,他的脑皮质中手与躯体代表区的神经元结构可有很大的差别。由此设想世界上伟大的科学家、革命家、发明家和艺术家等,他们脑的神经元结构如以现代科学设备检查,肯定要比那些从事平淡、一般职业者要复杂得多。可惜,这还缺少直接证明。当然,还有那些残疾者,失去双手,以脚来书写,代替手的活动,在脑的代表区的神经元状况都值得研究。因而可知,脑是一个使用-依赖性、技巧-依赖性和经验-依赖性的组织器官,连接愈多,突触活动愈多,功能愈多。

突触调整表现在功能上是所含神经递质的合成和释放;在结构上则是突触受体的增加和减少。脑损伤后可能由于去输入、抑制消失、使用-依赖性使突触功能改变。膜的兴奋性变化,新连接的形成和生长或先前存在的、功能上不起作用或起作用甚小的连接重现。事实上,在脑发育过程中产生过多的神经元和随后的过多的神经元连接是被抑制着而不是被消除。一旦脑损伤,一个不同寻常的可能是,以往在正常NS生理上不起作用或相对作用甚小的突触强度也发生了调整。这种调整在损伤后数分钟到数日即可见到。故突触重塑是很快的,使脑损伤后先前存在的环路潜在突触活化(重现)或增加环路内突触强度使功能重组。

研究发现,突触重塑效能取决于长时程增强(LTP)。它是由代偿行为、某些通路过度使用发生的生化改变而产生的生理改变。LTP的增强、持续就对功能质量起作用,它是谷氨酸与NM DA受体结合,配合突触后膜去极化引起。在依赖于钙离子和NMDA受体下,LTP可诱导使树突上的棘突(spine)改变。在使用-依赖性LTP后,突触分裂并形成多孔突触(perforated synapses)。在被激活的棘突附近也形成新的棘突,这种结构重塑显示突触传递增加。

一个值得关注的假设是:脑缺血不仅能诱导产生导致迟发性神经元死亡的病理类型的突触重组,也能使生理性突触发生改变而促使卒中后功能的恢复。因此,脑卒中后功能的恢复部分是因皮质结构如上所述的功能水平上重塑结果。

6 功能恢复

脑卒中后运动功能障得是一个普遍、严重存在的问题。脑既然是一个使用-依赖性、技术-依赖性和经验-依赖性单位,那么康复措施理应有效。在动物证实了优良丰富的环境能增加NTF,在年老动物优良环境能使萎缩脑中突触增多而能改善局部缺血预后。但这还不能提高手和上肢的精细、灵巧活动,因此还应加上康复的技术疗法。在动物研究,积极的锻炼,引入复杂的运动任务(包括运动康复)曾证实有利于运动功能的改进和NS可塑改变。运动康复显示发挥修补机制,可防止神经元突触变性,使神经元重新反应连接,使适合性的功能发生。功能康复因而应尽早开始。在人类过早、过量的运动康复将有扩大半暗带的危险。反之,温和、技巧性的运动康复,虽在早期也将有利于消除远隔功能抑制(diaschisis)。在由中国康复研究中心带头的“九五”攻关项目“脑卒中早期康复治疗”的全国多中心、大样本、设有对照组的1027例患者中,对脑缺血性卒中康复开始时间是:患者神志清楚,生命体征稳定和体征48 h内稳定不再发展时即可开始,是安全的,可行的。当然出血性卒中开始的时间应向后稍顺延。缺血性卒中1周后或2周内开始康复的功效无大差别。康复3周时间可使神经功能缺失分减少,肩关节并发症等减少。如延长到45 d,其功效预后将更好。运动康复如能与特殊任务(task-specific)或导向-作业康复(task-oriented)结合,如强制性运动疗法(CIMT)、减重平板车步行训练(BWSTT)、功能性电刺激(FES)等将取得较好的功能预后。当代先进仪器检查并证明脑病灶对侧锥体细胞树突分支和突触数等均有所增加,参与了功能恢复。偏瘫康复如能同时应用如多巴胺前身左旋多巴,证实是提高患者功能的有效途径。脑损伤后多巴胺对促进突触重塑作用可能是取得功效的原因。氟西汀能促进人的偏瘫功能恢复,且能使海马中神经元增多。

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R741

C

1006-9771(2011)01-0089-03

[本文著录格式]朱镛连.神经连接与功能恢复[J].中国康复理论与实践,2011,17(1):89—91.

中国康复研究中心北京博爱医院神经内科,北京市100068。作者简介:朱镛连(1925-),男,江苏丹阳市人,教授,主任医师,长期从事神经系统疾病的临床康复。

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