朱鏞連

神經(jīng)連接與功能恢復(fù)

朱鏞連

神經(jīng)連接;功能;恢復(fù)

1 連接的意義

單個神經(jīng)細胞不能起作用,它必須有連接,連接后才能發(fā)揮它的作用,特別是在損傷后。新的,也就是在改變后的連接在臨床上的作用,即神經(jīng)的可塑性。因而,它是腦自身的功能重組和形成新連接的能力。許多這樣的改變是適當?shù)?使我們足以應(yīng)付環(huán)境中的各種變化,這就是連接的重要性。

神經(jīng)細胞必須互相連接,包括細胞體存活,長出的新突起,而形成的軸突和樹突。軸突的遠端擴大成為生長圓錐(growth cone)。受一些引導(dǎo)信號的吸引,使生長圓錐到達靶器官,分化成成熟的突觸。目標細胞再從不適當連接中去識別適當?shù)倪B接,保留適當?shù)?排斥不適當?shù)摹?/p>

一旦解剖上連接完成,細胞就選擇性地成為具有生理作用的有效部分即“活化的突觸”。如生理上不活化的則稱為“靜止性突觸”。后者在解剖上連接,但存在突觸前抑制,是潛在性的。腦中有1014個連接。

成熟的神經(jīng)系統(tǒng)(NS)有防止不恰當?shù)男逻B接形成的功能,這種抑制性機制同樣也可抑制損傷后的修復(fù)。一般說,成年的抑制機制主要見于白質(zhì),以至在長束損傷后,再生如不干預(yù)是很困難的。這種干預(yù)當今已成為科學(xué)家研究的熱點?；屹|(zhì)與這種干預(yù)無關(guān)。灰質(zhì)具有更多的可塑,且可能是終生的,甚至在老年時。

在NS通常能完成所需要的連接,更多的連接就造成異常的不適應(yīng),擾亂了精密的通路作用,而出現(xiàn)如癲癇發(fā)作、肌張力增高等病態(tài)。

2 連接性抑制

生長圓錐在神經(jīng)發(fā)育或損傷后,在連接上都是一個重要的結(jié)構(gòu)。細胞外的信號蛋白、神經(jīng)營養(yǎng)因子等導(dǎo)致生長圓錐的生長,如NGF和BDNF等。攜帶神經(jīng)營養(yǎng)因子的基因細胞移植于損傷處,使損傷的神經(jīng)得到修復(fù)。實驗業(yè)已在幾條通路中成功地引出神經(jīng)突起后形成軸束和樹突。然而,問題是再生的軸束只進入移植區(qū)而不是通過它,不能與損傷遠端的細胞連接。在哺乳類動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中,成熟NS有認定生長的軸束到達通路以防止異常連接進入。這是由少突膠質(zhì)細胞所形成的髓鞘完成的。

眾所周知,只要細胞體不死,軸束損傷后是可以發(fā)芽的,特別見于早期發(fā)育期。這是連接初期發(fā)生的機理。使損傷的神經(jīng)元在新的方法下連接,使未損傷的、好的神經(jīng)元形成新的連接,增加功能。然而,在CNS,成熟的軸束一旦損傷,就不一樣,已如上述,它是不能完全連接的。

3 Nogo與再生連接

上段已述及,當CNS中長束損壞近端再生長時,其生長圓錐受到抑制,只能稍許生長,起不到與損傷遠端相連,功能無法恢復(fù)。Schwab等(1988)從大鼠的脊髓髓磷脂中獲得兩種軸突抑制性的活性成份IN-35和IN-250,這兩種蛋白對軸束生長都有很強的抑制作用。隨后,Schnell和Schwab(1990)又將鼠脊髓背側(cè)半切,發(fā)現(xiàn)脊髓中的皮質(zhì)脊髓長束在病損周圍生長不過1 mm。這種抑制分子被命名為“髓鞘相關(guān)生長錐體崩解蛋白(myelin-associated growth cone collapsing protein)”。隨后,他們在鼠腦皮質(zhì)中種植一種能夠分泌抗體IN-1的雜交瘤(hybridoma),再半切脊髓后部,2～3周后再由對側(cè)運動皮質(zhì)注射辣根過氧化酶,追蹤觀察皮質(zhì)脊髓束,發(fā)現(xiàn)其再生長度可達11 mm。說明IN-1的確能對抗上述的“崩解蛋白”。這個實驗引起科學(xué)家莫大的興趣和希望。

在成年鼠CNS的軸束髓鞘中含有不同的抑制分子髓鞘相關(guān)糖蛋白(myelin-associated glycoprotein):Nogo A到C、IN-35,當生長圓錐遇到這些抑制因子時即崩潰不再前進。瘢痕組織中的大分子硫酸軟骨素蛋白多糖(chondrotin sulplate proteoglycans)也可抑制生長圓錐。

軸束端的生長圓錐當與最強烈的Nogo-A抑制因子,Nogo-A髓鞘相關(guān)糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)、少突膠質(zhì)細胞-髓鞘糖蛋白(oliodendrocyte-myelin glycoprotein,OMGP)與Nogo受體(Nogo receptor,NgR)結(jié)合后,即有抑制成熟CNS中軸束再生和誘發(fā)生長圓錐崩解作用,NgR因而是CNS中3種相關(guān)軸束生長抑制蛋白Nogo-A、MAG和OMGP的共同作用靶點。NgR在CNS中分布甚廣。干預(yù)NgR可以同時影響Nogo-A、MAG和OMGP對軸束生長的抑制作用。采用Nogo蛋白及其實體NgR抗體或者拮抗體能促進CNS軸束生長。

Nogo在CNS中廣泛表達。在CNS損傷與修復(fù)過程中,Nogo不僅抑制神經(jīng)纖維再生,而且Nogo表達上調(diào)可促進神經(jīng)元凋亡和死亡。Nogo的蛋白碳端和氮端在細胞膜內(nèi),而膜外由66個氨基酸殘基形成的拓樸結(jié)構(gòu)——Nogo-66,它通過細胞表面受體NgR配體-受體式結(jié)合,介導(dǎo)了在CNS中的抑制活動。Nogo-66為損傷后大量表達的內(nèi)源性損傷因子。Nogo-A只存在于分化的少突膠質(zhì)細胞表面和存在于神經(jīng)元核周體、質(zhì)膜和細胞核中。在脊髓損傷后,少突膠質(zhì)細胞和髓磷脂釋放出Nogo-A到細胞外基質(zhì),抑制軸束再生。它與NgR結(jié)合后就改變了生長錐體的形態(tài),失去穩(wěn)定性最后導(dǎo)致生長萎縮。Nogo-A在CNS損傷和缺血后,在抑制軸束再生上也起作用。在多發(fā)性硬化慢性活化性脫髓鞘病變的存活少樹突細胞顯示,Nogo-A表達顯著性提高,NgR表達在病變反應(yīng)性顯形細胞等中與對照組相比也明顯增強。因而,NogoA/NgR通路上調(diào)證明可抑制CNS病變的恢復(fù)。例如視神經(jīng)萎縮至今無特殊治療,可能與NgR介導(dǎo)的抑制途徑傷后難以再生有關(guān)。

如上所述,IN-1是對抗Nogo-A的抗體,使生長錐體不再崩解和萎縮,能穩(wěn)定生長錐體生長。是不是還有比IN-1更好的物質(zhì)?

直到目前為止,認為針對Nogo-66氨基酸序列設(shè)計的NgR競爭性拮抗劑NEPI-40蛋白不僅可以阻斷Nogo-66與NgR結(jié)合,而且還可以阻斷他們介導(dǎo)的生長圓錐崩解作用,能明顯促進受損的CNS軸束生長及功能恢復(fù)。但這種恢復(fù)還受到其他因素影響,不能起大作用。另外,改善NgR的髓磷脂相關(guān)抑制作用也可通過細胞內(nèi)途徑增加cAM P、滅活Rho等實現(xiàn)。通過cAMP活化信號途徑可以將髓磷脂相關(guān)抑制因子對生長圓錐的排斥和抑制作用轉(zhuǎn)化為吸引及促其生長作用。

對NgR的基因干預(yù)也在研究中。基因治療的RNA干擾(RNA interference,RNAi)技術(shù)發(fā)展迅速。通過對RNAi下調(diào)髓磷脂相關(guān)抑制物受體NgR的基因表達,可以較少損害后神經(jīng)元軸束的崩解,促使神經(jīng)軸束再生。

實驗證實,損傷處膠質(zhì)瘢疤組織可以抑制生長圓錐生長,可用周圍神經(jīng)移植加軟骨素酶(Chondroitinase)來冶療。Nogo-A抑制脊神經(jīng)后根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸束生長,單克隆Nogo抗體能阻斷它,能促進后根壓斷后感覺軸束的再生。

綜上所述,各種方法為脊髓損傷后阻斷軸束生長的抑制因子提供了新思路,在動物軸束再生上取得了一些成果。但在人類,脊髓損傷后仍不能得到修復(fù),功能恢復(fù)也不能如原。Nogo、Nogo-A、NgR等的發(fā)現(xiàn)和克隆以及它們在臨床上的相互關(guān)系無疑對生長圓錐抑制和抗拒這種抑制的研究有重要意義,但要取得真正的成果短時不易達到,仍任重道遠。

設(shè)想如脊髓損傷長束得到滿意接通,且能恢復(fù)其功能,則中樞性損傷和癱瘓就有可能得到治療和取得功能上恢復(fù)。當今在骨骼、血管、肌肉等均能移植成功,如神經(jīng)等再能接通和有功能,則幻想中的“換頭術(shù)”將由假想變成可能。

4 不是連接,勝似連接

脊髓損傷雖然由于長束不能完成接通,功能無法完全恢復(fù)。但是在動物貓或猴脊髓損傷,在保持其節(jié)端性輸入功能,借助平板車或外力訓(xùn)練或其他外界刺激后可產(chǎn)生行走動作,且可負重。這是由于中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator,CPGs)的作用。

CPGs工作基礎(chǔ)由Griller(1975)等倡導(dǎo)。它是一種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),一種特殊的中間神經(jīng)元環(huán)路,能夠發(fā)出節(jié)律性輸出,如運動、步行、呼吸、咀嚼等自激持續(xù)行為,是節(jié)律性運動的中心控制單元。這種運動一旦開始,就能自動重復(fù)進行,不再需要更多意識參加。脊髓型發(fā)生器指位于脊髓內(nèi)自動產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩,有序激活伸屈肌群進行交替收縮,激發(fā)肢體節(jié)律運動和自我維持的神經(jīng)活動持續(xù)性。這些中間神經(jīng)元與特殊感覺和信息(主要來自周圍的本體感覺)相互作用,激活運動神經(jīng)元,并可接受脊髓上輸入控制和反射調(diào)節(jié),產(chǎn)生運動輸出。

CPGs的節(jié)律性活動,一種模式設(shè)想即一半的振蕩器控制屈肌的協(xié)同肌群,而另一半是負責(zé)協(xié)調(diào)伸肌肌群的,如此即控制了整個肢體的肌肉活動。更多的散在的振蕩器設(shè)想是調(diào)節(jié)個別成雙的拮抗肌。單個肢體的一些連接性振蕩器使肢體內(nèi)多個關(guān)節(jié)活動得到協(xié)調(diào)。兩個肢體間的連接振蕩器使肢體間活動得到協(xié)調(diào)并使之產(chǎn)生許多運動模式,如松散的肢體間連接振蕩器可以產(chǎn)生同側(cè)、同向和交叉對角線運動模式。

單一的刺激活化CPG,可以產(chǎn)生一串反應(yīng),由振蕩器產(chǎn)生的節(jié)律性模式(自然的特性)可以沒有附加的感覺輸入而保持著活動。一個脊髓水平反射的節(jié)律活動發(fā)生僅有外加的感覺刺激即可。

節(jié)律活動的紊亂能影響協(xié)同反應(yīng)的振幅和時間。此點在人類使用刺激性CPG時是有用的。例如當路徑上有障礙,活動時即發(fā)生干擾。CPG能夠改變反應(yīng)時的振幅而不需要改變節(jié)律。脊髓水平神經(jīng)元為Renshaw細胞或再抑制性中間神經(jīng)元曾經(jīng)被認為是這種有力調(diào)整者。

貓和猴雖有中胸段脊髓損傷,但在借助平板車外力訓(xùn)練可以產(chǎn)生行走功能,說明貓和猴在脊髓病損下存在CPGs。CPGs在人類不能明顯呈現(xiàn),這可能系個體和系統(tǒng)發(fā)育中受到抑制所致。然而,在人不完全頸和胸髓損傷進行減重平板車步行訓(xùn)練(BWSTT)時,在無自主活動的下肢可見有肌電活動。它們不是由機械性牽拉肌肉肌腱引起。人經(jīng)過這種訓(xùn)練后,行走功能上也取得了改進,說明人在腰骶段脊髓內(nèi)可能存在類似CPG結(jié)構(gòu)。這對脊髓損傷后功能重建極有意義。基于CPGs,BWSTT已應(yīng)用于臨床;當今機器人的節(jié)律活動也成為科學(xué)家關(guān)注和研究熱點。

5 突觸調(diào)整與神經(jīng)連接

一旦生長圓錐到達適合靶點細胞,即停止生長而分化成突觸小結(jié)。許多在開始生長時的細胞機制就變成調(diào)節(jié)成熟突觸生長、連接而發(fā)揮其作用。

神經(jīng)系統(tǒng)的運作和功能有賴于由突觸連接的神經(jīng)元鏈環(huán)路中的信息流。突觸是一種獨特的連接,介導(dǎo)從一個神經(jīng)元到第二個神經(jīng)元或從一個神經(jīng)元到效應(yīng)細胞的信息轉(zhuǎn)送。大多數(shù)突觸存在于一個神經(jīng)元的軸突末端與另一個神經(jīng)元的樹突或細胞間。它分為突觸前和突觸后神經(jīng)元。大多數(shù)神經(jīng)元包括中間神經(jīng)元,其功能猶如突觸前和突觸后神經(jīng)元,由某些神經(jīng)元接受信息和分配信息去其他神經(jīng)元。一個典型的神經(jīng)元不論在何處都有1000～10000軸突終末使成突觸而被同等數(shù)的其他神經(jīng)元刺激。在大腦皮質(zhì)中,每1 mm3可含有10億突觸。

Kleim等從經(jīng)過8 d訓(xùn)練的實驗鼠的腕與手的皮質(zhì)代表區(qū)電鏡檢查發(fā)現(xiàn),較未經(jīng)訓(xùn)練鼠的每個神經(jīng)元突觸數(shù)多20%。我國黃如訓(xùn)教授的博士研究生在人造偏癱鼠以穴位針灸刺激療法后,腦中突觸數(shù)和突觸素增多,運動功能改進。利用Golgi染色觀察樹突分支數(shù)或使用電鏡觀察突觸數(shù)量、大小來研究,現(xiàn)已可確定樹突分支的復(fù)雜性是由腦區(qū)完成的任務(wù)性質(zhì)決定的。在腦的皮質(zhì)代表區(qū),選擇軀干、手和頂葉緣上回3個區(qū)域的神經(jīng)結(jié)構(gòu)作比較,發(fā)現(xiàn)緣上回區(qū)最為復(fù)雜,手次之,軀干最次。這是因手的活動雖多,但不如緣上回伴有較高的認知過程。經(jīng)驗也參與腦區(qū)樹突分支的復(fù)雜性:一個有高水平、手指靈活性強的職業(yè)打字員,他的腦皮質(zhì)中手與軀體代表區(qū)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)可有很大的差別。由此設(shè)想世界上偉大的科學(xué)家、革命家、發(fā)明家和藝術(shù)家等,他們腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)如以現(xiàn)代科學(xué)設(shè)備檢查,肯定要比那些從事平淡、一般職業(yè)者要復(fù)雜得多?？上?這還缺少直接證明。當然,還有那些殘疾者,失去雙手,以腳來書寫,代替手的活動,在腦的代表區(qū)的神經(jīng)元狀況都值得研究。因而可知,腦是一個使用-依賴性、技巧-依賴性和經(jīng)驗-依賴性的組織器官,連接愈多,突觸活動愈多,功能愈多。

突觸調(diào)整表現(xiàn)在功能上是所含神經(jīng)遞質(zhì)的合成和釋放;在結(jié)構(gòu)上則是突觸受體的增加和減少。腦損傷后可能由于去輸入、抑制消失、使用-依賴性使突觸功能改變。膜的興奮性變化,新連接的形成和生長或先前存在的、功能上不起作用或起作用甚小的連接重現(xiàn)。事實上,在腦發(fā)育過程中產(chǎn)生過多的神經(jīng)元和隨后的過多的神經(jīng)元連接是被抑制著而不是被消除。一旦腦損傷,一個不同尋常的可能是,以往在正常NS生理上不起作用或相對作用甚小的突觸強度也發(fā)生了調(diào)整。這種調(diào)整在損傷后數(shù)分鐘到數(shù)日即可見到。故突觸重塑是很快的,使腦損傷后先前存在的環(huán)路潛在突觸活化(重現(xiàn))或增加環(huán)路內(nèi)突觸強度使功能重組。

研究發(fā)現(xiàn),突觸重塑效能取決于長時程增強(LTP)。它是由代償行為、某些通路過度使用發(fā)生的生化改變而產(chǎn)生的生理改變。LTP的增強、持續(xù)就對功能質(zhì)量起作用,它是谷氨酸與NM DA受體結(jié)合,配合突觸后膜去極化引起。在依賴于鈣離子和NMDA受體下,LTP可誘導(dǎo)使樹突上的棘突(spine)改變。在使用-依賴性LTP后,突觸分裂并形成多孔突觸(perforated synapses)。在被激活的棘突附近也形成新的棘突,這種結(jié)構(gòu)重塑顯示突觸傳遞增加。

一個值得關(guān)注的假設(shè)是:腦缺血不僅能誘導(dǎo)產(chǎn)生導(dǎo)致遲發(fā)性神經(jīng)元死亡的病理類型的突觸重組,也能使生理性突觸發(fā)生改變而促使卒中后功能的恢復(fù)。因此,腦卒中后功能的恢復(fù)部分是因皮質(zhì)結(jié)構(gòu)如上所述的功能水平上重塑結(jié)果。

6 功能恢復(fù)

腦卒中后運動功能障得是一個普遍、嚴重存在的問題。腦既然是一個使用-依賴性、技術(shù)-依賴性和經(jīng)驗-依賴性單位,那么康復(fù)措施理應(yīng)有效。在動物證實了優(yōu)良豐富的環(huán)境能增加NTF,在年老動物優(yōu)良環(huán)境能使萎縮腦中突觸增多而能改善局部缺血預(yù)后。但這還不能提高手和上肢的精細、靈巧活動,因此還應(yīng)加上康復(fù)的技術(shù)療法。在動物研究,積極的鍛煉,引入復(fù)雜的運動任務(wù)(包括運動康復(fù))曾證實有利于運動功能的改進和NS可塑改變。運動康復(fù)顯示發(fā)揮修補機制,可防止神經(jīng)元突觸變性,使神經(jīng)元重新反應(yīng)連接,使適合性的功能發(fā)生。功能康復(fù)因而應(yīng)盡早開始。在人類過早、過量的運動康復(fù)將有擴大半暗帶的危險。反之,溫和、技巧性的運動康復(fù),雖在早期也將有利于消除遠隔功能抑制(diaschisis)。在由中國康復(fù)研究中心帶頭的“九五”攻關(guān)項目“腦卒中早期康復(fù)治療”的全國多中心、大樣本、設(shè)有對照組的1027例患者中,對腦缺血性卒中康復(fù)開始時間是:患者神志清楚,生命體征穩(wěn)定和體征48 h內(nèi)穩(wěn)定不再發(fā)展時即可開始,是安全的,可行的。當然出血性卒中開始的時間應(yīng)向后稍順延。缺血性卒中1周后或2周內(nèi)開始康復(fù)的功效無大差別?？祻?fù)3周時間可使神經(jīng)功能缺失分減少,肩關(guān)節(jié)并發(fā)癥等減少。如延長到45 d,其功效預(yù)后將更好。運動康復(fù)如能與特殊任務(wù)(task-specific)或?qū)?作業(yè)康復(fù)(task-oriented)結(jié)合,如強制性運動療法(CIMT)、減重平板車步行訓(xùn)練(BWSTT)、功能性電刺激(FES)等將取得較好的功能預(yù)后。當代先進儀器檢查并證明腦病灶對側(cè)錐體細胞樹突分支和突觸數(shù)等均有所增加,參與了功能恢復(fù)。偏癱康復(fù)如能同時應(yīng)用如多巴胺前身左旋多巴,證實是提高患者功能的有效途徑。腦損傷后多巴胺對促進突觸重塑作用可能是取得功效的原因。氟西汀能促進人的偏癱功能恢復(fù),且能使海馬中神經(jīng)元增多。

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C

1006-9771(2011)01-0089-03

[本文著錄格式]朱鏞連.神經(jīng)連接與功能恢復(fù)[J].中國康復(fù)理論與實踐,2011,17(1):89—91.

中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,北京市100068。作者簡介:朱鏞連(1925-),男,江蘇丹陽市人,教授,主任醫(yī)師,長期從事神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床康復(fù)。

2010-12-28)