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周围神经受伤后,小脑也影响动作恢复

NPJ Regenerative medicine · 2022-09-05

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NPJ Regenerative medicine · 研究前沿

周围神经受伤后,小脑也影响动作恢复

小鼠研究发现,小脑回路异常可拖慢周围神经损伤后的运动恢复。调整深部核团活动或提高Gria1表达,能改善受测功能;人体小样本提供了关联线索。

AI概念插画:行走的小鼠与象征运动协调的抽象神经网络,不是实验图像或治疗效果展示

一条周围神经受伤后,恢复能否只靠断开的通信重新接通?肌肉重新获得神经支配很重要,脑内怎样组织动作也可能影响结果。2022年9月5日发表于 npj Regenerative Medicine 的研究,把小鼠坐骨神经损伤与小脑功能放在一起观察。团队发现,即使受测感觉恢复相近,小脑回路异常的小鼠仍有较差的握力与肌电恢复。沿着小脑深部核团(DCN)的活动与谷氨酸受体继续追踪,研究将外周损伤后的动作恢复,连接到中枢网络的调节。

关键发现

小脑异常影响损伤后的运动恢复;DCN刺激、巴氯芬相关调节及损伤前提高Gria1表达,分别改善受测恢复。人体病例和表达数据支持关联,尚未检验这些干预的人体效果。

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受伤相似,恢复轨迹却不同

研究使用浦肯野细胞Lhx1和Lhx5条件性双敲除的共济失调小鼠。损伤前,它们协调能力较差,但受测握力、足趾伸展与肌电基线和对照相近。坐骨神经损伤后,对照逐步恢复,这些小鼠的握力和肌肉复合动作电位却仍低于原有水平。

针刺感觉恢复及受测感觉轴突生长没有相应差别。延长肌肉失神经支配的时间后,运动恢复差距进一步扩大。外周损伤相似,并不意味着后续动作一定沿着同样的轨迹回来。

原论文图 1受伤相似,恢复轨迹却不同
受伤相似,恢复轨迹却不同
原论文Figure 1:共济失调小鼠损伤后运动恢复较差,受测感觉恢复相近;较长失神经支配进一步扩大运动差距。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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差别并非任何脑区受损都会带来

损伤DCN也带来较差的足趾、握力和肌电恢复,感觉恢复只有短暂延迟。另一组损伤海马的小鼠,空间任务表现下降,周围神经损伤后的受测运动与感觉功能却仍能恢复。

这组比较把问题集中到运动相关回路。小脑通过浦肯野细胞对深部核团的抑制性输入,参与精细调节动作输出;当这套关系异常,损伤后的功能重建也会受到影响。海马对照说明的是本次条件下的差别,并非其他脑区都与恢复无关。

原论文图 2差别并非任何脑区受损都会带来
差别并非任何脑区受损都会带来
原论文Figure 2:DCN损伤影响运动恢复,海马损伤虽影响空间任务,却未出现对应的恢复缺陷。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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从中枢到肌肉,响应变慢变弱

刺激DCN、运动皮层或脊髓时,共济失调小鼠的肌电响应出现更晚,幅度也较低。直接刺激坐骨神经,受测肌电响应幅度及传导时间却与对照相近。问题因而不只是外周神经本身是否能够传递信号。

通过光遗传方式激活DCN,团队也观察到较慢、较弱的肌肉响应。不同刺激结果相呼应,提示异常的小脑输出与下行运动系统的功能变化有关,而肌肉活动提供了观察这条联系的终点。

原论文图 3从中枢到肌肉,响应变慢变弱
从中枢到肌肉,响应变慢变弱
原论文Figure 3:多处中枢刺激诱发的肌电响应延迟、减弱;直接坐骨神经刺激的对应比较未显著。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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调整异常放电,恢复随之改善

DCN记录显示,共济失调小鼠平均放电较高,爆发更多。针对核团的电刺激降低了这些异常活动。神经元并不是越兴奋,动作就恢复得越好;放电的组织方式同样重要。

在较长肌肉失神经支配的模型中,接受刺激的小鼠足趾伸展、握力和肌电逐步恢复至与对照较为接近的水平,未刺激组仍有明显缺陷。受测感觉恢复没有相应组间差异。这些结果将活动调节与运动功能改善联系起来。

原论文图 4调整异常放电,恢复随之改善
调整异常放电,恢复随之改善
原论文Figure 4:DCN刺激降低异常放电并改善较长失神经支配后的运动恢复,感觉比较未显著。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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代谢信号变化,提示谷氨酸系统参与

磁共振波谱在共济失调小鼠小脑中检测到较高的谷氨酸与谷氨酰胺合并信号Glx。它反映局部代谢物的整体水平,与突触瞬间释放的谷氨酸并不是同一种测量。

给予GABA受体相关药物巴氯芬后,Glx回到接近对照的水平。研究在确认这一变化后再进行神经损伤,随后观察到较好的功能与肌电恢复,另组记录也显示异常放电改善。这条线索促使团队继续寻找受体层面的变化。

原论文图 5代谢信号变化,提示谷氨酸系统参与
代谢信号变化,提示谷氨酸系统参与
原论文Figure 5:巴氯芬预处理后Glx异常改善,随后神经损伤的受测功能恢复较好。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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Gria1表达,为恢复提供另一条证据

损伤后,对照小鼠DCN的Gria1转录本增加,共济失调小鼠却没有同样上调。这个基因编码AMPA型谷氨酸受体的GluA1亚基。多种受体表达都在变化,Gria1的不同反应因此受到关注。

用DNQX阻断AMPA相关传递,会拖慢正常小鼠的运动恢复,而基础转棒及受测感觉恢复未显著改变。相反,在损伤前提高DCN的Gria1表达,共济失调小鼠的足趾、握力和肌电恢复得到改善。药理阻断与基因增强相互补充,但DNQX本身并不只针对GluA1。

原论文图 6Gria1表达,为恢复提供另一条证据
Gria1表达,为恢复提供另一条证据
原论文Figure 6:AMPA相关药理阻断影响恢复;损伤前提高Gria1表达改善共济失调小鼠的受测运动功能。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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人体资料提供关联,研究重心仍在小鼠

公开表达数据中,部分共济失调相关组织或细胞的GRIA1较低,也有多组比较未达显著。临床回顾最终纳入十二名患者,共济失调组在腕管手术后或胫神经病变随访中的肌电幅度较低;腕部运动传导速度则未显著不同。

小样本病例的关联与小鼠干预证据共同提出一个问题:周围神经恢复时,中枢运动网络能否提供合适的配合?主要在成年雄鼠中获得的机制结果,让恢复研究从受伤的神经延伸到小脑回路;人体部分尚未测试刺激、药物或基因干预。

原论文图 8人体资料提供关联,研究重心仍在小鼠
人体资料提供关联,研究重心仍在小鼠
原论文Figure 8:十二名入选病例的回顾性神经传导资料;共济失调与较低肌电幅度相关,并非人体干预试验。
来源:Asthana P et al. · NPJ Regenerative medicine · CC BY
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论文信息

Asthana P, Kumar G, Milanowski LM, Au NPB, Chan SC, Huang J, Feng H, Kwan KM, He J, Chan KWY, Wszolek ZK, Ma CHE.
Cerebellar glutamatergic system impacts spontaneous motor recovery by regulating Gria1 expression
NPJ Regenerative medicine · 2022-09-05
DOI: 10.1038/s41536-022-00243-6