脊髓损伤后呼吸功能障碍的呼吸神经可塑性、病理机制及康复

郝世杰，刘柯彤，马婷，邱振刚，邹建鹏

1 山东中医药大学康复医学院，济南 250355；2 青岛大学附属青岛市海慈医院针推康复科；3 山东中医药大学附属医院康复理疗科

脊髓损伤（SCI）会导致运动、感觉及自主神经功能障碍，并伴随一系列并发症，其中呼吸功能障碍备受关注，这可能成为患者死亡的危险因素［1］。SCI后呼吸功能障碍程度取决于损伤节段水平，当颈段或上胸段受损时，患者会出现明显的呼吸功能受限，表现为肺通气功能和肺容量下降，气道分泌物不能有效清除，从而增加肺部感染的风险。据统计，SCI 后呼吸系统并发症导致的病死率高达91.66%［2］。当前，康复治疗逐渐成为改善SCI 后呼吸功能障碍的重要手段。有研究发现，SCI 后呼吸功能障碍可自发性恢复，即呼吸神经可塑性，但该自发性恢复程度非常有限，残存的呼吸功能障碍仍给患者造成严重影响［3］。因此，增强SCI后呼吸神经可塑性可能会促进呼吸功能的恢复。本文重点探讨了增强SCI 后呼吸神经可塑性的康复治疗方法及其研究进展，最终提出建立基于“呼吸神经网络”康复治疗体系的设想，以期为临床工作提供参考。

1 SCI后呼吸神经可塑性改变

中枢神经系统具有可塑性，SCI 后会出现多种形式的神经可塑性，包括轴突再生、侧枝出芽以及突触结构重塑等，是神经元应对各种外界环境刺激而发生的自身功能、结构及电化学信号的改变［4］。SCI后神经可塑性对呼吸功能的影响表现为患者呼吸功能障碍在损伤后几周内出现自发性恢复，即呼吸神经可塑性。该理论最早由PORTER［5］于20 世纪提出，PORTER 通过制备C2 横向半切（C2Hx）SCI 呼吸功能障碍模型观察呼吸神经可塑性，此模型反映了从延髓腹侧呼吸柱到同侧膈肌运动神经元的突触传递损伤进而诱导同侧膈肌瘫痪，将C2Hx 模型的对侧膈神经切断，发现同侧瘫痪的膈肌出现了部分自发性运动恢复，这种由损伤诱导的呼吸神经可塑性又被称为“膈神经交叉现象”（CPP），CPP 为SCI后呼吸功能障碍提供了新的治疗思路。

越来越多的证据表明，SCI 后呼吸神经可塑性可能与本体脊髓神经回路相关。SCI 后固有脊髓回路内的功能改变可能对损伤后呼吸功能恢复至关重要，可以增加失神经支配神经元的兴奋性传入［6］。有研究显示，C2 半切损伤的大鼠2 周后损伤部位下方脊髓内V2a中间神经元和膈运动神经元之间的连通性增加，膈肌活动增强。V2a中间神经元是SCI后本体脊髓神经回路中间神经元的一个有吸引力的候选群体，它们投射的谷氨酸能神经元突触可塑性对SCI修复发挥重要作用，成为SCI后呼吸神经可塑性的潜在靶点［7-8］。最近的研究还表明，SCI 后本体脊髓神经回路的功能改变也可以通过激活辅助呼吸肌来诱导呼吸神经可塑性，辅助呼吸肌包括胸锁乳突肌、斜方肌、斜角肌等，主要接收来自延髓腹侧呼吸组的驱动，通过上提胸廓，扩大胸廓上下径，增加吸气容量［9］。此外，有研究发现，本体脊髓神经回路中不同脊髓节段之间相互作用、相互影响。有研究对颈段水平完全横断的狗和大鼠在胸椎水平进行高频脊髓刺激干预，结果发现实验动物由颈段脊髓支配的膈肌被激活，吸气容积增加［10-11］。因此，本体脊髓神经元可能是SCI 后呼吸神经可塑性的重要介质，SCI 后呼吸神经可塑性与本体脊髓神经回路密切相关。由于SCI 后呼吸神经可塑性程度非常有限，显著的呼吸功能障碍仍持续存在，因此，需要寻求安全有效的康复治疗方法增强SCI 后呼吸神经可塑性，以长久改善患者的呼吸功能障碍。

2 SCI后发生呼吸功能障碍的病理机制

2.1 呼吸神经网络中断 呼吸中枢神经纤维束支配人体呼吸肌运动，同时受大脑皮层调控。人体主要的呼吸肌由脑干呼吸中枢的下行球状脊髓轴突来支配，SCI 会导致脊髓内神经传导束中断。损伤的脊髓节段不同导致的呼吸功能障碍也各异，当损伤节段在颈段或上胸段时，脊髓的下行传导通路被中断，损伤平面以下支配人体呼吸肌的脊神经由于失去上位呼吸中枢兴奋性输入，呼吸神经传导通路会不同程度受损或中断，对呼吸肌运动神经元的支配减弱或消失，患者出现一系列呼吸功能障碍。当人体长期对呼吸运动的调控能力降低时，其所对应的大脑皮层呼吸运动区域功能也会下降，最终大脑皮层对呼吸中枢的调控也会减弱，导致支配呼吸肌的神经纤维束的各向异性分数、纤维束数量、路径长度、密度和厚度都会下降，以此形成恶性循环［12］。因此，呼吸神经网络中断是导致SCI 后呼吸功能障碍的重要机制。

2.2 神经胶质瘢痕形成 SCI 后呼吸功能障碍及有限的自发性恢复与轴突蛋白表达受阻有关，而轴突蛋白表达受阻受到神经胶质瘢痕的影响。SCI 后3～14 d 形成神经胶质瘢痕，其主要成分为小胶质细胞及其分泌的细胞外基质。由于SCI 后在病灶周围出现少突胶质前体细胞、反应性星形胶质细胞等聚集，同时这些胶质细胞持续分泌硫酸软骨素糖蛋白（CSPG）等抑制性细胞外基质分子，导致突触周围的细胞外基质增加，神经元胞外基质网络（PNNs）高度聚集［13］，在神经元和细胞外之间形成了一道物理屏障，阻碍神经再生。同时，CSPG 可以与蛋白质酪氨酸磷酸酶σ（PTPσ）或Nogo 受体复合物结合，激活RhoA/ROCK 信号通路，导致轴突回缩，轴突顶端的生长锥塌陷，又形成了一道抑制性化学屏障，抑制神经可塑性［14］。因此，当呼吸神经纤维受损时，损伤处神经胶质瘢痕的形成阻碍了轴突再生和神经重塑，支配呼吸肌的神经通路无法重建，从而形成永久性的呼吸功能障碍。

2.3 炎症反应增强 SCI 会导致脊髓组织发生炎症反应和氧化应激，促进炎性因子聚集，加快神经元细胞凋亡［15］。脊髓受损后的炎症反应不仅仅局限于损伤处局部，还会累及全身。SCI 后的炎症反应与损伤导致的血-脊髓屏障（BSCB）破坏密切相关。BSCB 是SCI 后避免二次损伤和促进功能恢复的关键因素，当脊髓受损后BSCB 的渗透性增加，引发内质网应激在内的一系列继发性损伤［16］，从最初的损伤局部出血、坏死到炎性物质沿着脊髓纵轴扩散，形成更严重的继发病理反应，导致脊髓细胞微环境紊乱。有研究发现，在胸段SCI 患者中，即使主要的呼吸肌群功能完好仍存在明显的呼吸功能减退，这可能与脊髓受损后全身炎症反应累及肺部组织有关［17］。由于SCI 后将导致全身的巨噬细胞和中性粒细胞急剧增加，同时促进炎症反应的介质表达上调，激活炎性级联反应，炎性细胞在肺组织中的活性导致肺组织出现炎症反应和受损，进而影响呼吸功能。有研究观察了T10 SCI大鼠模型肺组织的变化，发现术后6 h 的大鼠肺组织出现了出血、水肿、巨噬细胞和中性粒细胞浸润等病理变化，术后72 h 肺组织损伤程度达到高峰，出现了弥漫性出血、肺泡塌陷［18］。唐丹等［19］研究发现，胸段SCI 大鼠肺组织中IL-6、IL-1β、TNF-α 等炎性因子水平显著升高，高迁移率族蛋白B1（HMGB1）、Toll-样受体4（TLR4）、核转录因子κB（NF-κB）及信使RNA（mRNA）表达显著上调。炎性环境会破坏少突胶质细胞和神经纤维，阻碍受损处呼吸神经纤维的轴突再生和神经生长。因此，可以认为SCI 后炎症反应增强与呼吸功能障碍密切相关。

3 基于呼吸神经可塑性的康复治疗

3.1 呼吸训练 SCI 后呼吸功能障碍是由脊髓受损所致的呼吸神经传导通路中断导致的，呼吸训练逐渐成为SCI 后的常规康复治疗手段，对改善呼吸功能障碍发挥了积极疗效［20-21］。呼吸训练过程中患者有意识的调节呼吸肌运动，通过上行通路激活了自主神经系统，大脑皮层呼吸运动区表现出了明显的功能激活，高位功能激活促进了与呼吸相关的额颞叶和皮层下核神经纤维束重塑，又通过下行通路加强了对延髓呼吸中枢神经纤维的调控［12］，呼吸中枢神经纤维功能的强化可以促进受损呼吸神经纤维再生，重建呼吸神经通路，加强呼吸调控。因此，呼吸训练可以通过调控呼吸神经通路增强SCI 后呼吸神经可塑性，促进呼吸功能恢复。

呼吸训练被公认为改善SCI 后呼吸功能障碍安全且有效的康复治疗手段，其常用的训练方法包括发声呼吸训练（VRT）、呼吸肌训练、腹式呼吸训练等。VRT 可持续调节呼吸肌、唇舌肌及发声肌群，ZHANG等［12］观察了VRT对SCI后3个月患者呼吸功能障碍的效果，干预12周后患者的肺功能指标均改善；此外，弥散张量成像显示患者延髓呼吸中枢的神经纤维束的各向异性分数出现多样化增加的趋势，神经纤维束数量、路径长度、密度和厚度有明显增加，并且均具有相同的神经纤维束分布特征。因此，证实VRT 可增强SCI 后呼吸神经可塑性。此外，蒋孝翠等［22］研究显示，使用POWER-breathe K5 呼吸肌训练仪对颈SCI 患者行渐进抗阻呼吸肌训练可明显改善患者的膈肌功能。阈值压力负荷呼吸肌训练通过改善创伤性颈部SCI 气管切开患者肺功能，提高拔管率，缩短拔除气管套管时间［23］。因此，呼吸训练促进SCI 后呼吸功能恢复的作用机制可能在于通过调控呼吸神经网络增强呼吸神经可塑性。

3.2 运动训练

3.2.1 减缓神经胶质瘢痕形成 有研究发现，分解PNNs 有利于减缓神经胶质瘢痕形成，促进轴突再生［24］。WARREN 等［25］研究发现，硫酸软骨素酶ABC（ChABC）具有分解PNNs 的作用，可以降解CSPGs。为了验证细胞外基质水平下降对呼吸神经可塑性的影响，研究将ChABC 注射于颈髓半切术后大鼠的膈肌运动神经元池，发现大鼠的呼吸功能出现了长期恢复，恢复的时间可持续17 个月以上。LANG 等［26］也证实，使用PTPσ 拮抗剂阻断CSPGs 可以增强SCI后5-羟色胺能轴突再生，促进呼吸功能恢复。因此，去除SCI 后抑制性细胞外基质分子，减缓神经胶质瘢痕可以促进轴突再生，增强呼吸神经可塑性。张强等［27］研究发现，患肢被动爬行训练可使脊髓半切损伤的比格犬SCI组织处CSPG 水平降低，有利于促进轴突和神经纤维向损伤节段下方生长。此外，YANG 等［28］发现，运用腺病毒传递联合跑轮康复运动训练可以减缓SCI 后星形胶质瘢痕的形成，其机制在于腺病毒传递可以将强转录激活因子传送到瘢痕组织处，使星形胶质细胞重新编程为功能性神经元。因此，运动训练可能通过减缓SCI 后神经胶质瘢痕形成促进轴突再生，增强呼吸神经可塑性。

3.2.2 上调脑源性神经生长因子（BDNF）表达 BDNF作为神经营养因子重要的家族成员，可以促进神经元再生，抑制神经元凋亡，调控神经系统功能［29］。有研究发现，对上颈段C2 单侧横向半切SCI 大鼠进行鞘内BDNF 治疗，可有效促进膈肌运动神经元的神经可塑性，表现为膈神经长时程易化增强，与通气相关的节律性膈肌肌电图（DIAm EMG）活动部分恢复，呼吸功能改善。证实BDNF在SCI后膈肌运动神经元兴奋性突触传递中的调节作用，为呼吸神经可塑性提供重要的营养支持［30-31］。并且HERNANDEZTORRES等［32］发现，BDNF作用机制为与其受体酪氨酸蛋白激酶B（TrkB）结合，启动信号通路，促进神经元存活、增殖以及轴突再生，帮助受损神经修复和重塑［33］。所以，BDNF-TrkB 信号通路可能是促进呼吸神经可塑性，增强SCI 后DIAm EMG 活动的重要机制。

当前，BDNF 治疗损伤脊髓主要通过直接注射、借助病毒载体递送或生物材料等方式，应用的疗效和安全性仍需进一步验证。然而，有研究发现，运动训练具有上调BDNF 表达的作用。安力彬等［34］研究观察了不同强度的减重步行训练（BWSTT）对SCI大鼠的影响，发现中等强度训练组和高强度训练组大鼠脊髓组织中BDNF、TrkB 蛋白表达升高。此外，CHEN 等［35］研究证实，跑步机康复运动训练可通过BDNF/TrkB 上调雷帕霉素靶蛋白（mTOR）表达，mTOR 通过激活核糖体激酶启动mRNA 蛋白质合成及翻译，促进轴突髓鞘形成，成为中枢神经系统损伤后神经生长和再生的关键因子，进而促进轴突再生和神经重塑。因此，运动训练可以通过上调BDNF表达为SCI 后呼吸神经可塑性提供重要的营养支持，改善呼吸功能障碍。

3.2.3 抑制炎症反应 SCI 产生的炎症反应不仅会导致肺组织受损，还会影响轴突再生和神经重塑，阻碍呼吸神经可塑性。运动训练具有减缓SCI 后炎症反应的作用，唐丹等［36］研究了运动对改善胸段SCI 后大鼠呼吸功能的机制，发现经过7 d 运动跑台训练后胸段SCI后大鼠肺组织中炎症反应降低，表现为HMGB1、TLR4、NF-κB 及mRNA 表达下降，IL-6、IL-1β、TNF-α 等水平降低，其机制可能在于运动训练通过调控HMGB1/TLR-4/NF-κB 信号通路保护了SCI 后大鼠肺组织。HMGB1 作为一种炎症介质，当其被激活后会与其受体晚期糖基化终产物的受体（RAGE）和Toll 样受体 结 合，进 而促 进NF-κB、IL-1β、TNF-α、IL-6 等促炎因子合成和释放，导致炎症反应［37-38］。研究显示，跑台运动训练抑制了HMGB1/TLR-4/NF-κB 信号通路的激活，因此，抑制了下游肺组织的炎症反应，通过保护肺组织促进了呼吸功能的改善。同时，李萌等［39］研究显示，T10 SCI 2 d 后的大鼠跑台训练后，训练组髓过氧化物酶（MPO）表达明显降低。MPO 为中性粒细胞的活化标记物，其表达水平代表中性粒细胞的炎性浸润水平，因此说明早期跑台运动训练可以抑制SCI 后的炎症反应。此外，由于SCI 后炎症反应与损伤导致的血-脊髓屏障破坏密切相关，而运动训练可以减轻SCI 后血-脊髓屏障的破坏程度，减轻炎症反应。YING 等［40］通过对SCI 大鼠进行水下跑步机训练发现，该训练方式可以通过调节BDNF/TrkB-CREB 信号通路抑制基质金属蛋白酶-2/9 表达，并且促进血管生成，达到减轻SCI后大鼠血-脊髓屏障破坏的作用，抑制炎症反应。因此，运动训练可以通过抑制SCI 后炎症反应保护肺组织，同时还可以促进呼吸神经纤维轴突再生，达到改善呼吸功能的作用。

SCI 后呼吸功能障碍与呼吸神经网络密切相关，包括呼吸神经传导通路的完整性和轴突生长微环境的稳定性。此外，由于中枢神经系统具有可塑性，脊髓受损后在呼吸功能方面会伴随着呼吸神经可塑性的改变，使SCI 后患者的呼吸功能得到一定程度的自发性恢复，但值得注意的是该自发性恢复能力十分有限，显著的呼吸功能障碍仍然存在。SCI后呼吸功能障碍给患者带来的影响是严重的，甚至是致命的，因此改善SCI 后呼吸功能障碍成为功能恢复的首要任务。呼吸神经可塑性为SCI 后呼吸功能恢复提供了一种新的治疗思路，增强呼吸神经可塑性可以促进SCI 后的呼吸功能的长期恢复。探讨发现呼吸训练和运动训练等康复治疗方法具有增强SCI 后呼吸神经可塑性的效果，为建立基于“呼吸神经网络”的SCI 后呼吸功能障碍临床康复治疗体系提供科学证据。然而，值得注意的是神经可塑性分为适应性的可塑性（有益的）和适应不良的可塑性（有害的）［3］，前者发挥了积极疗效，后者却给患者带来了潜在的风险和危害。当神经可塑性诱导方法不当可能会出现疼痛、痉挛［41-42］、认知功能障碍、代谢综合征及系统性高血压等［43］不良症状。因此，在寻求呼吸神经可塑性诱导方法时应通过大样本、大量研究探讨合适的治疗方式、时机、剂量和操作的规范性，保证呼吸神经可塑性应用的安全性和有效性。