脊髓损伤后神经功能可塑性机制及影响因素的研究进展

刘 健，杨小玉，夏威威，董 健，杨茂光，矫健航

(吉林大学中日联谊医院骨科，吉林 长春 130033)

脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)通常会导致患者损伤部位支配的感觉及运动功能完全或部分丧失，进而给社会带来沉重负担。然而，由于中枢神经系统损伤后其损伤的轴突自发性再生能力十分有限，同时中枢神经系统内、外环境中存在很多抑制轴突再生的因素，因此脊髓损伤后功能恢复一直是神经科学研究的难点之一。多年来，中枢神经系统一直被认为是缺乏自身调整和适应能力的结构系统。在过去的近30年里[1]，人们逐渐转变对中枢神经系统的传统看法，并提出中枢神经系统是一种具有可塑性的器官，在遇到环境变迁或损伤时具有调节和适应的能力，通过未损伤的健存神经元及轴突侧支发芽并长入已失神经支配的区域重新建立神经环路等方式代偿机体本已损伤的感觉及运动功能，中枢神经系统的这种性能被称为神经可塑性。这种神经可塑性因远离损伤部位形成轴突侧支连接，故可以更好地免受损伤局部抑制性环境所导致的轴突生长及延长受限等影响，但成年人和动物中枢神经系统的轴突再生和延长能力有限，所以如何提高这种神经可塑性的能力成为治疗中枢神经系统损伤的关键。大量研究由此展开，经过不断的探索发现：针对失神经支配区效应器的功能锻炼、神经营养因子以及细胞或组织移植等方法可以有效提高机体的神经可塑性能力。

1 神经可塑性调节功能恢复和神经环路重构的形成条件

由于成年中枢神经系统损伤的轴突再生能力十分有限，故任何脊髓损伤后自发性感觉运动功能的恢复均可视为轴突或树突延长连接导致神经环路重构的结果[2]。这些神经环路的重构发生于从脊髓到脑干再到丘脑以及感觉运动皮层的多个水平[3]。主要包括突触重构、轴突发芽和神经发生几个重要的部分，在神经环路重构的过程中这三方面缺一不可。

1.1 突触重构脊髓灰质神经元细胞的树突被认为是突触的目标区域，所以脊髓神经环路结构的改变一部分来自于突触的重塑。大量研究证据表明：中枢神经系统树突可塑性改变是对周围环境异常、感觉运动学习、皮质或周围神经损伤[4]以及脊髓损伤后做出的反应。Kim等[5]通过大鼠脊髓半切模型发现：未损伤侧的脊髓灰质内锥体神经细胞的形态学发生了改变，而且通过于半切部位移植大鼠胚胎组织以及给予神经营养蛋白NT-3等方法可以促进这种形态学变化的发生[6]。

1.2 轴突发芽尽管文献中涉及脊髓损伤后自发性轴突再生的证据很少，但大量研究证实轴突出芽是损伤后突触适应和代偿的主要方式。值得注意的是，再生和出芽是有区别的两种过程。轴突再生是指损伤离断的轴突在其断端重新生长的过程，而轴突出芽是指未损伤的轴突通过侧支发芽生长延伸的过程[2]。脊髓损伤后会导致星形胶质瘢痕的形成，而这种胶质瘢痕会形成强大的物理和化学障碍作用从而阻碍轴突再生。但是轴突发芽可以发生于远离胶质瘢痕的部位，这被认为是强化健存的神经进行代偿性连接从而重构神经环路的关键所在[7-8]。Bareyre等[9]通过实验证实：损伤成年大鼠胸段脊髓后，未损伤侧大鼠颈段脊髓皮质脊髓束出现轴突发芽并长入对侧与脊髓固有束神经元形成连接，同时这些连接形成了支配大鼠下肢运动功能的新的神经环路，而且伴有大鼠行为学上的恢复。Ballerman等[7]进行大鼠胸髓半切术后发现：网状脊髓束内出现了轴突发芽，同时也伴有行为学恢复。大多数有关损伤诱导的轴突发芽均来自于大鼠方面的研究，但还未见出版物或实验的直接证据表明这种损伤诱导的轴突发芽具有种属特异性。

1.3 神经发生正常情况下成年哺乳动物神经发生主要位于大脑区域，主要包括室下区、海马区、嗅球等。中枢神经系统的边缘区域通过特定类型的损伤或疾病诱导也出现神经发生[10-11]。尽管具体神经发生的机制还不清楚，但却说明中枢神经系统可以对特定的病理改变产生反应并引起神经形成。最近的研究[12]发现:在缺血性纹状体动物模型中可以明显发现神经形成，而且这些新形成的神经具有良好的生理作用、神经元形态和突触表型。在对很多种属动物的实验研究[13-14]中发现：在正常情况下成年动物脊髓不能有新的神经形成；但最近的研究显示：通过特殊类型的脊髓损伤或相关疾病的诱导可以诱导脊髓内神经发生。当直接暴力作用于脊髓时，大量的神经胶质产生于损伤区域，结果导致胶质瘢痕形成[15]，瘢痕中的星形胶质细胞可以释放相关因子阻止轴突发芽以及其他再生相关的过程[16]。因此，在一些对脊髓半切或后角损伤的动物模型研究时，由于大量胶质瘢痕出现所以未能发现神经发生，但Vessal等[14]通过实验发现：当损伤发生于脊髓外或瘢痕形成很小或缺失时，由于脊髓后角损伤所引起的拇、示、中指的感觉障碍得到很好的恢复，并且存在明显的神经形成；研究还发现：脊髓后根损伤不仅可以诱导脊髓神经发生，还可以诱导相应感觉运动皮层神经发生。这说明脊髓后根损伤可以诱导其投射路径多个部位的神经发生。

2 促进神经可塑性改变的方法

成年中枢神经系统缺乏轴突再生和出芽的能力，很大程度上是由于损伤后机体释放或上调大量抑制性因子所致。尽管对这些因子具体完整的作用机制仍不完全清楚，但是通过不断研究发现：很多方法可以很好地放大这种神经可塑性改变，更大程度上促进轴突发芽和神经环路重构。

2.1 功能练习很多研究记录了中枢神经系统损伤后通过功能练习提高神经可塑性进而促进功能恢复方面的内容。将啮齿类动物饲养于一些特定的容器中，这些容器可以增强动物的运动功能或者促进感觉和认知能力的提高，结果发现：动物的大脑皮层大小、树状分支数量以及海马区的神经发生均有明显提高[17-18]，这些强化的环境可以促进脊髓损伤[19]以及脑中风后[20]运动功能的恢复，加之给予感觉功能的刺激以及特殊的锻炼方式，可以有效地恢复脑损伤后运动功能的缺失[21]。但是，这些干预更偏向于一些机体移动或自主机械运动方面，对于脊髓损伤后一些精细的技巧性的运动恢复仍存在争议。一些研究报告[22]指出：中枢神经系统损伤后功能的恢复主要需要一些特殊的伤后功能训练，颈脊髓损伤后取物功能的恢复需要通过强化抓取训练来实现，而并非通常进行的阶梯爬行实验。同样，脑中风后先于抓取训练进行机械转轮的跑步练习对恢复前肢的类似于爬楼梯的功能有积极意义，但对于姿势性支持或阶梯爬行等功能却没有任何实际作用[23]。有些学者[24]认为：单纯的跑步练习对于恢复大鼠前肢的运动功能贡献很小。

这些功能训练的潜在机制可能包括上调神经生长因子的表达、重组脊髓内有关运动功能的神经网络等[25]。尽管脊髓损伤后通过跑步训练促进功能恢复的成功率十分显著，但针对颈脊髓损伤后手和上肢功能恢复的康复治疗方案还未见系统的研究。对于中枢神经系统损伤后手和上肢功能恢复的有效治疗结果大部分来自于脑中风和脑外伤，近来约束性功能训练(CIMT)诱导功能恢复的治疗方法成为一种有效促进皮质脊髓束投射路径功能重组的重要方法[26]。由于颈脊髓损伤后即使是手部很小的功能恢复也可以导致患者明显的生活质量的改善，Girgis等[22]探索了动物模型脊髓损伤后前爪功能训练的治疗效果，实验中损伤大鼠脊髓后索中的皮质脊髓束以及红核脊髓束，并利用实物小球抓取实验对大鼠前爪进行功能练习，6周后发现这种功能练习可以上调大脑皮质内的生长相关蛋白-43(GAP-43)的表达水平，促进损伤部位近端的皮质脊髓束轴突发芽，修复大脑皮质的管理区域，更重要的是使运动功能得以有效的恢复。Maier等[27]通过对大鼠行椎体切断术建立单侧皮质脊髓束损伤模型，同时术后利用管型石膏固定健侧前肢来观察伤侧前爪和上肢的功能恢复，并采用基因芯片技术分析术后功能训练诱导的大鼠脊髓组织基因表达改变情况，实验发现:约束性功能训练3周大鼠伤侧前爪和上肢的功能得到明显恢复，同时基因芯片技术发现大鼠生长因子、黏附和导向分子以及与突触形成有关的分子均有明显变化，功能训练对脊髓损伤后调控轴突生长和延长以及轴突导向方面有重要影响。

2.2 神经营养因子神经营养因子家族主要包括神经生长因子(NGF)、脑源性生长因子(BDNF)、以及神经营养因子-3、-4、-5，这些神经营养因子可以通过结合神经元表面的受体(trk tyrosine 激酶、p75NGF-R)来增强神经元的存活。近来针对神经营养因子对脊髓神经元可塑性作用的研究显示：中枢神经和周围神经损伤后可以上调运动神经元内神经营养因子的表达水平。大量研究结果显示：运动神经元生长因子可以调节脊髓神经的发育和存活。

脊髓损伤后轴突发芽能力十分有限，这种能力的丧失可能与缺乏生长因子、抑制性分子的存在以及物理障碍阻挡轴突生长和延伸有关[28]。近年来，很多研究在脊髓损伤动物模型中应用生长因子或抗抑制性分子来提高代偿性轴突发芽的能力。Bareyre等[29]应用髓磷脂相关神经抑制蛋白Nogo的单克隆抗体IN-1进行实验,发现在锥体束损伤模型中皮质脊髓束的轴突发芽能力得到明显提高，同时大鼠的运动功能也明显恢复。在同样的动物模型中，Benowitz等[30]在大脑感觉运动皮层处输注肌苷，发现失神经支配的的脊髓内部出现了大量的皮质脊髓束轴突发芽。Zhou等[31]在大鼠锥体束水平单侧损伤皮质脊髓束的模型中利用腺病毒转染NT-3基因并使其在脊髓损伤部位神经元高表达，3周后发现未损伤侧的皮质脊髓束开始出现轴突发芽并延伸穿越脊髓中线到达损伤侧的运动神经元。Jeffery等[32]指出：中枢神经系统轴突可以对局部环境的改变产生发芽等反应，而损伤则是对这一反应的最好刺激。Jeffery等应用NT-3在红核脊髓束切除的动物模型中诱导同侧未损伤皮质脊髓束轴突侧支发芽并长入损伤侧失神经支配区域。还有一些研究显示：神经生长因子可以对神经元细胞产生作用，可以增强中枢神经系统轴突的生长能力。Kwon等[33]报道:直接于红核局部应用BDNF可以刺激红核脊髓束神经元内GAP-43的表达,在急性或慢性脊髓损伤处移植周围神经并且上调生长相关蛋白基因的表达,可以明显促进红核脊髓束轴突的再生和发芽。研究[34]显示：将重组BDNF蛋白或分泌BDNF的纤维母细胞植入皮质，可以很好地挽救由于轴突切断术所诱导的皮质脊髓束神经元。而且，将重组BDNF蛋白注入损伤的红核脊髓束神经元局部可以刺激红核脊髓束神经元内GAP-43和Tα1-tubulin 2种与再生相关基因的表达，同时还可以阻止由于轴突损伤导致的神经萎缩。与BDNF相似，细胞源性生长因子(GDNF)可以防止由于轴突损伤而导致的皮质脊髓束神经元细胞死亡，同时促进损伤的运动神经元轴突生长[35]。Lu等[36]实验发现：将阳离子脂质体调节的转染GDNF基因植入脊髓损伤部位，可以导致损伤的皮质脊髓束明显再生，并可以穿越损伤部位至远端5～9 mm。

3 其 他

科学实验和临床研究均证明了神经源性和非神经源性组织以及细胞组织移植对改善脊髓损伤后功能障碍和提高生活质量是十分可行的方法。而且，这些包括组织和细胞移植的方法在脊髓损伤后的病理生理、可塑性、轴突出芽再生和功能恢复方面都已有显著的突破。通常应用的移植组织类型包括周围神经、脊髓或大脑的胚胎组织；细胞类型包括：施万细胞、嗅鞘神经细胞、神经干细胞、胚胎干细胞及骨髓基质细胞等。近年来，通过对脑中风患者的大脑影像学研究发现：提高脑组织特定区域的活性有助于患者相应皮质支配的功能活动明显恢复[37]，这些方法主要是指对大脑皮层特定区域电刺激和经颅磁刺激[38]等。

4 小 结

脊髓损伤后的神经可塑性改变一直是科研人员不断探讨和摸索有关神经功能修复的热点之一，目前的治疗方法主要围绕改善和提高轴突发芽和神经环路重构中的一个或几个关键点，但由于参与这一过程的因素繁多，所以未来探索神经可塑性改变的完整机制以及制定综合有效的治疗方案才是解决脊髓损伤后功能修复的关键所在。

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