李雅靜,李建軍,高峰,郭韻,劉俊,徐珮珮
1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院,北京市 100068;2.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院脊柱脊髓神經(jīng)功能重建科,北京市 100068;3.中國康復(fù)科學(xué)所,北京市 100068;4.北京腦重大疾病研究院神經(jīng)損傷與修復(fù)研究所,北京市 100068;5.北京市神經(jīng)損傷與康復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市 100068;6.北京清華長庚醫(yī)院,北京市 102218
脊髓損傷是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)疾病,可導(dǎo)致?lián)p傷水平以下感覺、運(yùn)動(dòng)和自主神經(jīng)功能障礙,具有高致死率、高致殘率、高花費(fèi)的特點(diǎn)。理解并掌握發(fā)病機(jī)制對于疾病的治療具有重要意義[1]。脊髓損傷發(fā)生后,大腦也繼發(fā)生物化學(xué)和病理改變[2],如萎縮、神經(jīng)元凋亡、灰質(zhì)體積減小、白質(zhì)脫髓鞘、皮質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能重塑等[3-7]。Freund等[8]發(fā)現(xiàn),頸段脊髓損傷患者皮質(zhì)脊髓束發(fā)生脫髓鞘和萎縮;磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRⅠ)顯示,脊髓損傷患者在損傷后1個(gè)月內(nèi),皮質(zhì)脊髓束和感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)發(fā)生萎縮和微結(jié)構(gòu)改變[9]。進(jìn)一步研究顯示,創(chuàng)傷后軸索退變和脫髓鞘與大腦皮質(zhì)重組有關(guān),軸索完整性可以預(yù)測皮質(zhì)重組[10]。Hou等[11]發(fā)現(xiàn),脊髓損傷患者早期初級運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(primary motor cortex,M1)和初級感覺皮質(zhì)(primary sensor cortex,S1)萎縮,萎縮程度與脊髓損傷嚴(yán)重程度正相關(guān)。腦MRⅠ顯示[12],脊髓損傷患者軀體感覺皮質(zhì)萎縮。Hains等[13]發(fā)現(xiàn),脊髓損傷患者M(jìn)1神經(jīng)元凋亡。Lee等[14]認(rèn)為,脊髓損傷后的功能障礙不僅源于直接的機(jī)械傷害,還有繼發(fā)脊髓和大腦的生物化學(xué)和病理改變,皮質(zhì)細(xì)胞凋亡可能與急性脊髓損傷后大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的病理生理改變有關(guān),并促進(jìn)患者功能惡化。Choe等[15]對1例頸段脊髓損傷患者進(jìn)行17年隨訪,患者從最初的臥床狀態(tài)恢復(fù)到獨(dú)立行走,靜息態(tài)功能磁共振成 像(functional magnetic resonance imaging,fMRⅠ)顯示,患者枕葉皮質(zhì)代償性增大,患者行走更多依靠視覺反饋,反映脊髓損傷患者大腦皮質(zhì)重塑。Crawley等[16]觀察M1的形態(tài)學(xué)改變,但并無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,可能脊髓損傷后皮質(zhì)重組主要是功能性重組,結(jié)構(gòu)重組不明顯。Henderson等[17]發(fā)現(xiàn),脊髓損傷患者大腦皮質(zhì)功能重組包括腦中休眠突觸重新活躍和新突觸形成。Kim等[18]發(fā)現(xiàn),脊髓損傷后皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)突觸結(jié)構(gòu)重塑。腦的功能重組既可能促進(jìn)運(yùn)動(dòng)感覺功能恢復(fù),也會產(chǎn)生神經(jīng)痛、幻覺、痙攣等并發(fā)癥[19-20]。Peng等[21]發(fā)現(xiàn),脊髓型頸椎病患者右側(cè)丘腦和中央前回的功能連接下降。Matsubayashi等[22]對慢性完全性脊髓損傷小鼠行fMRⅠ,發(fā)現(xiàn)M1與S1的功能連接降低,M1和S1體積減少。
少量研究表明,脊髓損傷后大腦發(fā)生代償性修復(fù)。Xu等[23]認(rèn)為,脊髓損傷后皮質(zhì)脊髓束運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)皮質(zhì)有代償性改變,如突觸重組、腦纖維束數(shù)量增加等。神經(jīng)元軸突損傷后,修復(fù)能力取決于神經(jīng)元胞體的活性和功能完整性。大腦中央前回M1的大錐體細(xì)胞發(fā)出軸突,下行形成皮質(zhì)脊髓束;促進(jìn)皮質(zhì)脊髓束再生和修復(fù)的重要前提是防止大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)神經(jīng)元損傷。本研究利用磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS)技術(shù)探索脊髓損傷后大腦M1的改變,并分析其臨床意義。
MRS是目前唯一可以無創(chuàng)性檢測活體組織代謝物濃度、生化改變的定量分析方法,能反映能量代謝、髓鞘形成、神經(jīng)元密度和功能、神經(jīng)膠質(zhì)損傷或細(xì)胞膜改變,可提供神經(jīng)組織生化過程信息,具有早期發(fā)現(xiàn)、無創(chuàng)、可重復(fù)等特點(diǎn)[24-25]。目前使用MRS可以檢測18種代謝物濃度,包括氮-乙酰天門冬氨酸(N-acetylaspartate,NAA)、膽堿(choline,Cho)、肌酸(creatine,Cr)、肌 醇(myo-Ⅰnositol,MⅠ)、乳 酸(Lactate,Lac)等。NAA是神經(jīng)元活性和完整性的標(biāo)志物;Cho是髓鞘代謝產(chǎn)物,是髓鞘完整性的標(biāo)志;Cr是能量代謝的標(biāo)志;MⅠ是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的標(biāo)志物,與其增殖、損傷等有關(guān),還參與調(diào)節(jié)滲透壓、抗氧化等過程;Lac的出現(xiàn)代表細(xì)胞出現(xiàn)無氧呼吸,是組織細(xì)胞缺氧的表現(xiàn)[26]。MRS已用于腦卒中、多發(fā)性硬化、帕金森病、腫瘤、肌萎縮脊髓側(cè)索硬化癥、遺傳性共濟(jì)失調(diào)等疾病的診斷、治療、病情評估和預(yù)后評估中[27]。Bellenberg等[28]對彌漫性和局灶性頸髓多發(fā)性硬化患者行脊髓MRS,發(fā)現(xiàn)彌漫性病變患者頸髓萎縮更明顯,NAA水平更低,Cr水平更高。Ellingson等[29]對脊髓型頸椎病患者行脊髓MRS,發(fā)現(xiàn)Cho/NAA與改良日本骨科學(xué)會評分相關(guān),可作為神經(jīng)損傷的預(yù)測指標(biāo)。Hock等[30]發(fā)現(xiàn),室管膜瘤NAA/Cr降低,Cho/Cr和MⅠ/Cr輕微增高;2例高級別腫瘤中,NAA/Cr降低,Cho/Cr輕度增加;1例髓外腫瘤代謝物濃度無明顯變化;這些脊髓腫瘤代謝物濃度的變化與腦腫瘤代謝物濃度的變化一致,提示MRS有可能鑒別惡性腫瘤。Ⅰltis等[31]發(fā)現(xiàn),遺傳性共濟(jì)失調(diào)患者小腦蚓部和小腦半球NAA濃度降低,MⅠ、谷氨酸濃度升高,提示神經(jīng)元丟失,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生,谷氨酸能神經(jīng)傳遞系統(tǒng)改變。
選取北京博愛醫(yī)院脊柱脊髓神經(jīng)功能重建科2018年12月至2019年10月期間住院患者。
納入標(biāo)準(zhǔn):①年齡18~65歲;②右利手;③認(rèn)知功能正常,未服用影響認(rèn)知功能的藥物;④自愿配合完成MRS檢查。
排除標(biāo)準(zhǔn):①并發(fā)其他神經(jīng)系統(tǒng)疾??;②患有焦慮、抑郁等精神疾??;③MRS檢查禁忌癥;④幽閉恐懼癥、不能依從或不能配合完成測試;⑤特殊職業(yè),如運(yùn)動(dòng)員、音樂家等。
共納入患者20例,其中男性17例,女性3例;年齡19~60歲,平均(34.2±11.1)歲;病程1~17個(gè)月,平均(7.7±4.4)個(gè)月;創(chuàng)傷性脊髓損傷17例,非創(chuàng)傷性脊髓損傷3例;頸髓損傷7例,胸髓損傷12例,腰髓損傷1例;根據(jù)美國脊髓損傷協(xié)會脊髓損傷分級,A級9例,B級4例,C級2例,D級5例。選取年齡、教 育背景匹配,右利手的健康人15例,均既往體健,無基礎(chǔ)疾病或慢性病史,其中男性9例,女性6例;年齡24~51歲,平均(38.7±11.9)歲。兩組性別(χ2=1.648,P=0.199)和年齡(t=1.147,P=0.260)無顯著性差異。
本研究由中國康復(fù)研究中心醫(yī)學(xué)倫理委員會審核通過(No.2018-085-1)。所有受試者均知情同意,并在入組前簽署知情同意書。
采用飛利浦(荷蘭PHⅠLⅠPS公司)3.0 T多源發(fā)射磁共振機(jī),感興趣區(qū)10×10×10 mm,置于左側(cè)大腦M1區(qū)(圖1);單體素氫質(zhì)子波譜點(diǎn)分辨自旋回波波譜序列(SV-PRESS-144),掃描參數(shù):TR/TE 2000/144 ms,掃描時(shí)間836 s,激勵(lì)水抑制法采集信號。自帶軟件分析NAA、Cho、MⅠ、Cr波譜峰值,波譜線下面積分析NAA/Cr、Cho/Cr、Cho/NAA比。
圖1 大腦M1區(qū)矢狀面、橫斷面、冠狀面定位
患者組MⅠ濃度較對照組明顯升高(P<0.01),兩組間NAA、Cho、Cr、NAA/Cr、Cho/Cr、Cho/NAA無顯著性差異(P>0.05)。見表1。
表1 兩組左側(cè)M1區(qū)代謝物比較
脊髓損傷常見的創(chuàng)傷性病因有高處墜落、車禍、重物砸傷等,非創(chuàng)傷性病因包括椎間盤突出、脊柱轉(zhuǎn)移性疾病和椎管狹窄[32]。在世界范圍內(nèi),脊髓損傷發(fā)病率約(3.6~195)/100萬[33]。目前治療主要是手術(shù)減壓預(yù)防繼發(fā)性損傷;藥物緩解神經(jīng)痛、痙攣等并發(fā)癥;康復(fù)訓(xùn)練促進(jìn)功能恢復(fù);彈力襪、氣壓泵等的預(yù)防并發(fā)癥。
脊髓損傷不僅造成脊髓局部神經(jīng)元壞死/凋亡、脊髓萎縮,以及纖維傳導(dǎo)束破壞,大腦也發(fā)生一系列改變。以往的研究多忽視脊髓損傷與大腦之間的影響。脊髓損傷后,感覺運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)束恢復(fù)和再生緩慢,而軸突的修復(fù)主要取決于神經(jīng)元胞體活性和完整性。由于感覺運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)束的神經(jīng)元胞體位于大腦皮質(zhì),推測脊髓損傷后大腦皮質(zhì)也受損,導(dǎo)致軸突再生和修復(fù)無法完成。靜息態(tài)fMRⅠ研究發(fā)現(xiàn),完全性頸脊髓損傷患者中央前回和中央后回功能連接下降[34];慢性完全性頸脊髓損傷患者腦網(wǎng)絡(luò)連通性降低[35]。脊髓損傷后,感覺運(yùn)動(dòng)和自主神經(jīng)通路傳入和傳出分離,導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能改變,包括腦網(wǎng)絡(luò)重組[36]。脊髓損傷患者脊髓面積減少,前扣帶皮質(zhì)灰質(zhì)體積減少,左側(cè)島葉、左側(cè)次級體感皮質(zhì)、雙側(cè)丘腦、皮質(zhì)脊髓束白質(zhì)減少,左側(cè)內(nèi)囊白質(zhì)體積減少[37];導(dǎo)致腦白質(zhì)跨神經(jīng)元變性[5];M1發(fā)生神經(jīng)元和纖維束凋亡、皮質(zhì)萎縮和皮質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能重組[18,38-39]。同時(shí),脊髓發(fā)生白質(zhì)脫髓鞘、萎縮等一系列改變,以及代償性膠質(zhì)增生,甚至形成膠質(zhì)瘢痕[40]。
對于損傷后膠質(zhì)增生的作用,部分研究認(rèn)為可促進(jìn)神經(jīng)軸突再生,部分研究認(rèn)為阻礙軸突再生。Haggerty等[41]認(rèn)為,脊髓損傷后,膠質(zhì)瘢痕含有反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞,它們是細(xì)胞外基質(zhì)的主要來源;而細(xì)胞外基質(zhì)在神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞的生存和功能中起信號調(diào)節(jié)作用,能促進(jìn)內(nèi)在修復(fù)。Okada等[42]發(fā)現(xiàn),脊髓損傷后,周圍星形膠質(zhì)細(xì)胞肥大,向中心遷移,幫助組織修復(fù);但它們最終會變成瘢痕狀星形膠質(zhì)細(xì)胞,產(chǎn)生軸突生長抑制劑,阻止軸突再生。Orr等[43]認(rèn)為,星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、周細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、施萬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、腦膜細(xì)胞等膠質(zhì)細(xì)胞可以促進(jìn)內(nèi)源性修復(fù);在膠質(zhì)瘢痕內(nèi)和周圍,存在影響軸突生長的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白,如硫酸軟骨素蛋白多糖、層黏連蛋白、膠原蛋白和纖維連接蛋白;纖維性瘢痕是內(nèi)源性修復(fù)障礙,激活的膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間的聯(lián)系是內(nèi)源性修復(fù)的基礎(chǔ)。Wang等[44]發(fā)現(xiàn),血小板活化因子信號參與小鼠脊髓損傷后反應(yīng)性膠質(zhì)增生,阻斷這種信號可以增強(qiáng)功能恢復(fù),促進(jìn)軸突再生。
本研究顯示,脊髓損傷后M1區(qū)發(fā)生代償性膠質(zhì)增生。MRS可以在MRⅠ產(chǎn)生變化之前,觀察到代謝物的異常變化[45]。NAA在正常人腦MRS中是最高峰,位于2.0×10-6,全部存在于神經(jīng)元胞體和突觸中,由神經(jīng)元線粒體產(chǎn)生,是神經(jīng)元的標(biāo)志物,與神經(jīng)元的完整性、功能、損傷、活性、生存能力有關(guān),是最重要的代謝物[46]。Cho在正常人腦MRS中是第二高峰,位于3.2×10-6,是乙酰膽堿和磷脂酰膽堿的前體物質(zhì),前者是重要的神經(jīng)遞質(zhì),后者參與細(xì)胞膜構(gòu)成;Cho作為髓鞘的降解產(chǎn)物,是髓鞘完整性的標(biāo)志。Cr在正常人腦MRS中是第三高峰,位于3.0×10-6,是高能磷酸鹽的儲備形式,被認(rèn)為是能量代謝的標(biāo)志。同一個(gè)體不同代謝狀態(tài)下,Cr總量不變,因此可作為內(nèi)標(biāo)物,與其他代謝物進(jìn)行比較分析。MⅠ為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的標(biāo)志物,與其增殖、損傷等有關(guān),還參與調(diào)節(jié)滲透壓、抗氧化等過程。正常人腦中測不到Lac峰,只有在組織缺氧時(shí)才能測到,是腦卒中、新生兒缺氧缺血病的敏感檢測指標(biāo)[27]。
本研究顯示,脊髓損傷患者左側(cè)M1區(qū)MⅠ濃度升高,提示脊髓損傷后M1區(qū)發(fā)生代償性增生,主要是膠質(zhì)細(xì)胞增生,可能反映損傷后大腦重塑。CNS中,90%的細(xì)胞為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,包括小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、施萬細(xì)胞和衛(wèi)星細(xì)胞等。Pfrieger等[47]發(fā)現(xiàn),膠質(zhì)細(xì)胞可促進(jìn)神經(jīng)元間的突觸交流。目前認(rèn)識到,膠質(zhì)細(xì)胞可支持修復(fù)再生,促進(jìn)突觸形成,調(diào)節(jié)突觸傳遞、物質(zhì)代謝和營養(yǎng)作用,調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞離子濃度和傳遞第二信使,參與神經(jīng)元間信息交流,抗氧化作用,促進(jìn)神經(jīng)元分化和神經(jīng)生長,參與中樞免疫調(diào)節(jié)和炎癥反應(yīng),絕緣和屏蔽作用等[48]。參與多種疾病的病理生理過程。CNS損傷后常見反應(yīng)性膠質(zhì)增生,表現(xiàn)為星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)增加,細(xì)胞出現(xiàn)更多膠質(zhì)絲和突起,代謝增強(qiáng)。星形膠質(zhì)細(xì)胞及其突起能夠纏繞損傷的神經(jīng)元,最終導(dǎo)致膠質(zhì)瘢痕形成[49]。膠質(zhì)細(xì)胞過度增生形成微血管套,壓迫微血管,影響血液供應(yīng);活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞突起增多、變粗、變長,緊密交織形成致密結(jié)構(gòu),構(gòu)成物理屏障,使再生的神經(jīng)軸突很難穿越;同時(shí)膠質(zhì)細(xì)胞分泌多種蛋白多糖,形成化學(xué)屏障;阻礙神經(jīng)軸突再生[50-53]。膠質(zhì)細(xì)胞還參與脊髓損傷后并發(fā)癥的發(fā)生,如神經(jīng)痛[54]。Anderson等[55]發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)哪z質(zhì)增生和膠質(zhì)瘢痕形成可促進(jìn)軸突再生。星形膠質(zhì)細(xì)胞可以產(chǎn)生和分泌多種神經(jīng)因子,維持神經(jīng)元的生長、發(fā)育和分化。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞上調(diào)一些促進(jìn)突觸形成的基因,幫助修復(fù)大腦[56]。本研究只發(fā)現(xiàn)MⅠ濃度兩組間有顯著性差異,NAA濃度無顯著性差異,與以往脊髓損傷導(dǎo)致大腦皮質(zhì)萎縮、神經(jīng)元凋亡、結(jié)構(gòu)和功能重組的研究結(jié)論不符,可能由于選定的感興趣區(qū)過小或樣本量過小。與其他研究相比[57],本研究選定的感興趣區(qū)嚴(yán)格控制在M1,不受周圍腦組織、腦積液、顱骨等結(jié)構(gòu)的干擾。未來可擴(kuò)大探測范圍,增加樣本量,關(guān)注膠質(zhì)增生的程度與功能恢復(fù)的關(guān)系。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。