脊髓受伤后,运动皮层的活动能帮上什么忙?
大鼠研究发现,增强M1兴奋性相关细胞活动后,运动表现与运动诱发响应部分改善,损伤区域的空腔和生长相关标记也呈现差别。
脊髓受伤,影响的是大脑与身体之间的信息往来。损伤局部的变化之外,发出运动指令的大脑能为恢复贡献什么?2021年4月9日发表于 Frontiers in Neuroscience 的研究,在大鼠中提高初级运动皮层(M1)兴奋性相关细胞的活动,随后观察到后肢运动表现和运动诱发响应改善,损伤区域的组织及分子标记也出现差别。研究将恢复的视角从脊髓局部延伸到脑—脊髓联系,同时留下了这些变化如何相互连接的问题。
提高M1相关细胞活动后,大鼠后肢功能和运动诱发电位部分恢复,脊髓空腔面积较小,BDNF、NGF及生长相关标记较高;这些伴随变化尚未确定完整的修复因果链。
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从大脑这一端,寻找恢复的参与者
M1参与把运动计划变成向下传递的指令。损伤之后,大脑的活动与连接也会重新组织。既往观察把运动皮层兴奋性与后续功能恢复联系起来,但一个脑区包含多类细胞,区域整体更活跃,并不能直接指出是哪一类细胞作出了贡献。
这项研究以M1兴奋性细胞为主要靶向,观察提高其活动后的变化。记录显示,相关刺激能够增加被记录细胞的放电,并伴随后肢运动。随后关注的重点,是损伤大鼠在后续随访中能否获得更好的功能表现。
来源:Deng WW et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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运动评分上升,但恢复仍有距离
随访过程中,各损伤组的后肢表现都逐渐改善,而目标激活组改善更明显。到第六周,该组后肢运动评分高于单纯损伤组和相应荧光对照,斜面上维持稳定的能力也更好。两种测试从不同角度呈现了运动能力的差别。
两组损伤对照之间没有显著差别,目标激活组却仍未达到未损伤对照的水平。改善发生在损伤后的功能范围内:站立、支撑和协调相关表现更好,并不等于运动系统已经完全恢复到原来的状态。
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从动作再看信号,运动诱发响应更好
运动表现的改变之外,研究还记录了运动诱发电位。损伤早期,相关响应几乎消失;后续比较中,目标激活组的电位幅度更大,出现响应所需的潜伏期更短,均优于两组损伤对照。
运动诱发电位把较长运动通路的整体状态,汇成一个可以比较的响应:幅度反映综合活动的强弱,潜伏期反映响应出现的快慢。这里更强、更快的响应,与后肢表现相呼应,但仍未追上未损伤组。
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损伤区域的组织,也呈现差别
第六周观察脊髓组织时,目标激活组损伤区域的空腔面积小于两组损伤对照。这把变化从行为和电信号延伸到了组织层面:脑端活动的提高,伴随着远端损伤组织的不同状态。
这些比较来自随访终点的组织切片,因此呈现的是各组最终组织状态的差别。空腔较小与功能较好相伴,但损伤过程中的组织保留、后续重塑和其他修复环节各占多少,仍有待连续追踪。
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生长相关蛋白,为组织变化提供线索
在较早的损伤组织蛋白检测中,目标激活组的BDNF和NGF高于两组损伤对照。这两类神经营养相关蛋白与细胞生存、可塑性等过程有关,为脑端活动如何关联脊髓组织状态提供了候选线索。
组织修复不仅需要信号能够向下传递,也涉及损伤周围细胞所处的生长环境。BDNF和NGF的增加,为这两端之间提供了一个可能的联系。不过,它们在这里与恢复共同出现,尚未确定是否构成必需的中间环节。
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神经纤维标记增强,重建的细节仍待追踪
GAP-43与轴突生长、突触可塑性相关,目标激活组的该蛋白水平也更高。到第六周,损伤区域的神经丝NF荧光信号强于两组损伤对照,却仍低于未损伤组。分子和结构标记共同表明,神经纤维相关组织状态发生了变化。
神经纤维可以经历保留、轴突萌芽或新的生长,多种变化都可能让相关标记增强。更强的荧光因此像一张组织状态的快照,把纤维相关结构的差别呈现出来;要看清哪些纤维真正跨越损伤、接回运动通路,还需要逐步追踪这些连接。
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把脑与脊髓放回同一幅恢复图景
这项大鼠研究把M1相关细胞活动、运动表现、传导响应与损伤组织变化联系起来,让恢复过程具有了脑—脊髓协同的视角。不同层次的证据朝着相近方向变化,其中完整的因果接力仍待进一步厘清。
研究也未直接比较这种干预与电刺激、磁刺激的效果,或分别检验抑制性细胞的贡献。它提供的是一个细胞群层面的动物研究结果,为理解运动皮层怎样影响脊髓损伤后恢复增加了依据。