豐富康復(fù)訓(xùn)練與神經(jīng)可塑性

孫詠虹,吳冰潔

神經(jīng)可塑性改變是神經(jīng)損傷后功能恢復(fù)的基礎(chǔ),是近20年來神經(jīng)生物學(xué)研究發(fā)展的重要領(lǐng)域。近來的研究表明,成年大腦終生都具有重塑和功能重組的能力。實驗證明,經(jīng)過訓(xùn)練和改變外界環(huán)境,神經(jīng)元通過鄰近代償、失神經(jīng)過敏、軸突側(cè)支長芽、潛伏通路和突觸的啟用等可使功能得到恢復(fù)。

1 豐富環(huán)境與神經(jīng)可塑性

1947年,美國人Hebb提出豐富環(huán)境(enriched environment)的概念[1-2],將大鼠暴露于豐富環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)大鼠的水迷宮試驗成績提高。目前為止,仍沒有“豐富環(huán)境”的確切定義?；\統(tǒng)地說,豐富環(huán)境有社會交往和生存環(huán)境兩方面因素。相對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境而言,豐富環(huán)境通常包括更大的活動空間、新鮮多變的環(huán)境,以及動物間更多的交往。豐富的籠舍環(huán)境包括有諸如梯子、滾輪、繩子、平臺、隧洞、盒子、球、積木、秋千等,每周甚至每天更換1次環(huán)境布置。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境籠舍里不設(shè)任何物體。在后來的研究中,盡管對豐富環(huán)境的具體設(shè)置各有差異,但總的原則是要增加動物自愿物理運動、社會性刺激及相互交往的機(jī)會[3-6]。這一模式被廣泛用來研究環(huán)境對腦功能的影響,包括對正常動物模型以及各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷模型的研究。

豐富環(huán)境對腦發(fā)育和腦損傷修復(fù)具有顯著的促進(jìn)作用,而腦發(fā)育與腦損傷修復(fù)的基礎(chǔ)是神經(jīng)可塑性。豐富環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境飼養(yǎng)大鼠相比,體質(zhì)量增加10%,腦質(zhì)量增加7%,視皮質(zhì)增厚,腦的總長度不受影響,腦半球的寬度和長度增加5%;腦血管生成也有增加[7]。豐富環(huán)境刺激還可使神經(jīng)元胞體增大,細(xì)胞凋亡減少[8]。最重要的形態(tài)學(xué)改變是樹突、軸突及突觸的變化,包括神經(jīng)元樹突變長,樹突狀分枝增加,密度增大,樹突棘數(shù)目增多;軸突增多;突觸及突觸小結(jié)變大,新突觸連接形成增加,突觸囊泡聚集密度增強(qiáng)[9]。對動物進(jìn)行反復(fù)多次的環(huán)境刺激和功能訓(xùn)練與樹突和樹突突觸的數(shù)目以及突觸效能的增加呈正相關(guān)[10]。Nilsson等發(fā)現(xiàn),與在孤獨環(huán)境中的大鼠比較,優(yōu)良環(huán)境中的大鼠呈現(xiàn)出更厚的腦皮質(zhì)、更大的細(xì)胞體和更多的樹突分支和突觸[11]?？赡芘c環(huán)境刺激腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)、纖維細(xì)胞生長因子2(FGF-2)和表皮生長因子(EGF)水平升高有關(guān)[12-13]。

豐富環(huán)境還涉及社交因素[3]。在研究年輕大鼠雙側(cè)海馬損傷的實驗中,社交組和純豐富環(huán)境組顯示出相似的行為結(jié)果[13],所以通常是數(shù)只大鼠共處一個籠子中。在實驗性腦梗死后,飼養(yǎng)在豐富多彩環(huán)境中的大鼠,有機(jī)會參與各種活動并與其他大鼠相接觸,其活動能力明顯強(qiáng)于關(guān)在標(biāo)準(zhǔn)實驗環(huán)境中的大鼠。即使耽擱15 d后再轉(zhuǎn)移到豐富多彩的環(huán)境中去,效果也很明顯。這種環(huán)境的良好效果可能是神經(jīng)營養(yǎng)因子合成增加所致[14]。神經(jīng)營養(yǎng)因子是一些能促進(jìn)神經(jīng)元存活的多肽,局部的神經(jīng)營養(yǎng)作用可以促進(jìn)突觸的重塑和受體表達(dá)的改變。最近有報道,腦缺血大鼠術(shù)后5 d就置于豐富環(huán)境與14 d后才干預(yù)相比,行為表現(xiàn)和腦組織改變都有明顯改善,而30 d才干預(yù)的大鼠幾乎與單純?nèi)壕邮鬅o區(qū)別,提示康復(fù)治療的效果會隨著時間而減弱[15]。但是,也有人提出,局灶性腦缺血大鼠在術(shù)前或術(shù)后僅處于豐富環(huán)境下并不能改善受累前肢及指(趾)的表現(xiàn)[16]。因此,豐富環(huán)境雖可產(chǎn)生有利影響,但是單純給予此因素的作用還很有限[17]。

越來越多的證據(jù)表明,星形細(xì)胞在突觸可塑性中起積極作用。飼養(yǎng)在復(fù)雜環(huán)境的大鼠皮質(zhì)星形細(xì)胞的快速改變和星形細(xì)胞與突觸間聯(lián)系增多的超微結(jié)構(gòu)證據(jù)都表明,星形細(xì)胞的可塑性和訓(xùn)練誘導(dǎo)的突觸的可塑性密切相關(guān)[18]。非突觸性傳遞可能也在可塑性過程中起一定的作用?？伤苄愿淖儾粌H發(fā)生在皮質(zhì),而且在皮質(zhì)下區(qū)包括丘腦和腦干也有發(fā)現(xiàn)。

大多數(shù)的研究認(rèn)可豐富環(huán)境飼養(yǎng)之后的大腦變化是有益的,但是在行為學(xué)改變上的研究卻有不同的觀點。到目前為止,還不能確定大腦的變化是實驗所記錄的行為變化的原因。因此盡管研究表明生命早期“豐富多彩”的環(huán)境對大腦有好處,但Bruer認(rèn)為,對于大部分兒童,超出正常環(huán)境的“額外豐富”能提供很多好處是沒有科學(xué)證據(jù)的[19]。Greenough認(rèn)為,在所謂“復(fù)雜環(huán)境”下飼養(yǎng)的老鼠,大腦里形成更多的突觸連接(與標(biāo)準(zhǔn)實驗室籠子里單獨長大的老鼠比較),是剝奪實驗多于豐富實驗[20]。因為所謂的復(fù)雜環(huán)境其實是接近老鼠的正常生長環(huán)境。他的發(fā)現(xiàn)暗示了極端的剝奪是決定性的,但他沒有強(qiáng)調(diào)在正常環(huán)境中的額外刺激是否更好。

2 豐富康復(fù)訓(xùn)練與神經(jīng)可塑性

不同的康復(fù)手段可以產(chǎn)生不同程度的效果[21],廣泛的皮質(zhì)損傷在很大程度上使結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變,對損傷區(qū)域的刺激可促進(jìn)功能恢復(fù),只增加力量訓(xùn)練并不能誘導(dǎo)腦組織重塑,必須配合技巧訓(xùn)練。研究顯示,簡單運動方式如跑籠僅可促進(jìn)腦血管生成[22],而復(fù)雜技巧訓(xùn)練如轉(zhuǎn)棒和雜技(acrobatic task)可增加腦皮層突觸數(shù)量[23]。將腦組織經(jīng)Golgi氏染色后觀察樹突分枝,或使用電鏡觀察突觸的數(shù)目和大小的研究顯示,鼠經(jīng)過8 d熟練技巧訓(xùn)練后,每一個神經(jīng)元的突觸數(shù)與非技巧狀態(tài)時相比增加了20%,因而發(fā)生皮質(zhì)圖的改變[24]?，F(xiàn)己確認(rèn),腦的樹突分支的復(fù)雜性是由腦區(qū)完成的任務(wù)數(shù)和性質(zhì)決定的。軀體在腦的相應(yīng)代表區(qū)的神經(jīng)結(jié)構(gòu)與手指代表區(qū)相比,細(xì)胞要簡單得多。這是因為由軀體來的感覺輸入對皮質(zhì)神經(jīng)元提供的信息比手指要少得多。但皮質(zhì)手指區(qū)的細(xì)胞如與頂葉緣上回相比,則后者又要復(fù)雜得多,因為后者擔(dān)負(fù)著較多的認(rèn)知功能。Kleim等檢測雜技訓(xùn)練后皮質(zhì)的Fos表達(dá),發(fā)現(xiàn)突觸數(shù)目有明顯的增加[25]。給大鼠先做技巧性訓(xùn)練,使之能達(dá)到修正皮質(zhì)運動區(qū)時,從擴(kuò)伸的腦的(相當(dāng)于人類)腕與手指代表區(qū)取一塊腦組織在電鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練有素的動物皮質(zhì)的變化涉及腦和(相當(dāng)于人類)手指的皮質(zhì)活動區(qū),其每個神經(jīng)元的突觸數(shù)較未訓(xùn)練鼠多[26]。皮質(zhì)水平聯(lián)接的突觸重塑可能是以皮質(zhì)圖重建為基礎(chǔ),從機(jī)制上則認(rèn)為與長時程增強(qiáng)和長時程抑制有關(guān)[27]。比較轉(zhuǎn)棒和單純踏車對腦缺血大鼠突觸發(fā)生的不同影響時,發(fā)現(xiàn)突觸小泡蛋白均有表達(dá),表達(dá)強(qiáng)度無明顯區(qū)別,但前者丘腦核團(tuán)的表達(dá)明顯早于后者,提示不同運動方式對腦缺血后丘腦突觸發(fā)生會有不同影響。大量初級和次級神經(jīng)元的死亡產(chǎn)生去神經(jīng)支配的區(qū)域,刺激未受損神經(jīng)元在相鄰或遠(yuǎn)離梗死區(qū)的皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域萌發(fā)、建立新的突觸聯(lián)系[28]。這反映了突觸的可塑性,即在大腦受到損傷后,突觸可在數(shù)量、形態(tài)和效能上發(fā)生適應(yīng)性改變,重新恢復(fù)聯(lián)系及功能。

將豐富環(huán)境和一般康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合進(jìn)行豐富的康復(fù)訓(xùn)練,可以使大腦達(dá)到最佳的功能恢復(fù)。腦缺血損傷后,未受損運動皮質(zhì)有樹突分支的輕微增加,若給予豐富康復(fù)訓(xùn)練(豐富環(huán)境和技巧性取食訓(xùn)練),其損傷對側(cè)半球的神經(jīng)元基底部的樹突分支生長明顯增加,包括樹突全長、分支節(jié)段(branch segm ents)的平均數(shù)和樹突分支的復(fù)雜性[28]。在研究豐富環(huán)境、社交以及物理運動對腦缺血大鼠的共同效果時,單純?nèi)壕咏M比獨居跑籠綜合組的行為改善好,豐富康復(fù)訓(xùn)練組(包括豐富環(huán)境、社交和運動訓(xùn)練)的行為改善最顯著,提示社交因素的影響大于簡單運動,而當(dāng)環(huán)境、社交和運動因素相結(jié)合時,行為改善最明顯[3]。豐富的康復(fù)訓(xùn)練可以誘導(dǎo)腦缺血周邊區(qū)NGF、BDNF、TGF、bFGF等神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)[5,23,28],神經(jīng)營養(yǎng)因子不僅在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中對神經(jīng)元的生存、分化、生長起作用,而且在腦損傷時對神經(jīng)細(xì)胞具有重要的保護(hù)作用和促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞功能恢復(fù)的作用。

3 臨床意義和展望

多項研究顯示,豐富環(huán)境[5-9,29-30]、運動訓(xùn)練[28]、適當(dāng)?shù)目祻?fù)治療時機(jī)都是促進(jìn)恢復(fù)的積極因素[31]。豐富康復(fù)訓(xùn)練正是將以上幾種積極因素結(jié)合起來?？傊?熟知不同康復(fù)治療方式的作用,并綜合搭配,以豐富的康復(fù)訓(xùn)練手段運用于各種神經(jīng)損傷的治療,同時掌握好作用時機(jī)和持續(xù)時間,將能更好地指導(dǎo)臨床實踐。

[1]Passineau MJ,Green EJ,Dietrich WD,et al.Therapeutic effects of environmental enrichment on cognitive function and tissue integrity following severe traumatic brain injury in rats[J].Exp Neurol,2001,168:373-384.

[2]Ruten A,van Albada M,Silveira DC,et al.Memory impairment following status epilepticus in immature rats:time-course and environmental effects[J].Eur JNeurosci,2002,16:501-513.

[3]Johansson BB,Ohlsson AL.Environment,social interaction,and phy sical activity as determinants of functional outcome after cerebral infarction in the rats[J].Ex p Neurol,1996,139:322-327.

[4]Puurunen K,Jolkkonen J,Sirvio J,et al.Selegilinecom bined with enriched-environment housing attenuates spatial learning deficits following focal cerebral is chemia in rats[J].JExp Neurol,2001,167:348-355.

[5]Biernaskie J,Corbett D.Enriched rehabilitative training promotesim proved forelimb moto r function and enhanced dendritic growth after focal ischemic injury[J].JNeurosci,2001,21:5272-5280.

[6]Will B,Galani R,Kelche C,et al.Recovery from brain injury in animals:relative efficacy of environmental enrichment,physical exercise or formal training[J].Prog Neurobiol,2004,72:167-182.

[7]Schrijver NC,Pallier PN,Brownb VJ,et al.Double dissociation of social and environmental stimulation on spatial learning and reversal learning in rats[J].Behav Brain Res,2004,152:307-314.

[8]Li H,Dokas LA,Godfrey DA,et al.Remodeling of synaptic connections in the deafferented vestibular nuclear complex[J].JVestib Res,2002,12:167-183.

[9]Sing h P,Heera PK,Kaur G.Expression of neuronal plasticity markers in hypoglycemia induced brain injury[J].Mol Cell Biochem,2003,247:69-74.

[10]Butefisch CM,Davis BC,Wise SP,et al.Mechanisms of use-dependent plasticity in the human motor cortex[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97:3661-3665.

[11]Nilsson M,Perfilieva E,Johansson U.Enriched environment increases neurogenesis in the adult rat dentate gy rus and improves spatial memory[J].JNeurobiol,1999,39:569-578.

[12]Pham TM,Winblad B,Granholm AC,et al.Environmental influences on brain neurotrophins in rats[J].Pharmacol Biochem Behav,2002,73:167-172.

[13]Will B,Deluzarche F,Kelche C.Does postoperative environment attenuate o r exacerbate symptoms with follow hippocampal lesions in rats?[J].Behav Brain Res,1983,7:125-132.

[14]Johansson BB.Functional outcome in rats transferred to an enriched environment 15 days after focal brain ischemia[J].Stroke,1996,27:324-326.

[15]Biernaskie J,Chernenko G,Corbett D.Efficacy of rehabilitative experience declines with time after focal ischemic brain injury[J].JNeurosci,2004,24:1245-1254.

[16]Biernaskie J,Corbett D.Enriched rehabilitative training promotesim proved fo relimb motor function and enhanced dendritic growth after focal ischemic injury[J].JNeurosci,2001,21:5272-5280.

[17]Farrell R,Evans S,Corbett D.Environmental enrichment enhances recovery of function but exacerbates ischemic cell death[J].Neuroscience,2001,107:585-592.

[18]Nakamura H,Kobayashi S,Ohashi Y.Age-changes of brain synapses and synaptic plasticity in response to an enriched environment[J].JNeurosci Res,1999,56:307-315.

[19]Bruer JT.Points of view:on the implications of neuroscience research for science teaching and learning:are there any?A skeptical theme and variations:the primacy of psychology in the science of learning[J].CBE Life Sci Educ,2006,5:104-110.

[20]Greenough WT,Klintsova AY,Irwin SA.Synaptic regulation of protein synthesis and the fragile X protein[J].Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:7101-7106.

[21]Studenski S,Carlson MC,Fillit H,et al.From bedside to bench:does mental and physical activity promote cognitive vitality in late life?[J].Sci Aging Knowledge Environ,2006,28:21-23.

[22]Adlard PA,Perreau VM,Pop V,et al.Voluntary exercise decreases amyloid load in a transgenic model of Alzheimer's disease[J].JNeurosci,2005,25:4217-4221.

[23]Kleim JA,Jones TA,Schallert T.Motor enrichment and the induction of plasticity befo re or after brain injury[J].Neurochem Res,2003,28:1757-1769.

[24]Nudo RJ,Plautz EJ,Frost SB.Role of adaptive plasticity in recovery of function after damage to motor cortex[J].Muscle Nerve,2001,24:1000-1019.

[25]Kleim JA,Lussnig E,Schwarz ER,et al.Synaptogenesis and Fos expression in the motor cortex of adult rat after motor skill learning[J].JNeurosci,1996,16:4529-4535.

[26]Kleim JA,Barbay S,Cooper N R,et al.Motor learning-dependent synaptogenesis is localized to functionally reorganized moto r cortex[J].Neurobiol Learn Mem,2002,77:63-77.

[27]Pedotti MS,Friedman D,Hess G,et al.Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning[J].Nat Neurosci,1998,1:230-234.

[28]Ding Y,Li J,Clark J,et al.Synaptic plasticity in thalamic nuclei enhanced by moto r skill training in rat with transient middle cerebral artery occlusion[J].Neurol Res,2003,25:189-194.

[29]Dienel GA,Cruz NF,Ball K,et al.Behavioral training increases local astrocytic metablic activity but does not alter outcome of mild transient ischemia[J].Brain Res,2003,961:201-212.

[30]Dahlqvist P,Ronnback A,Risedal A,et al.Effects of postischemic environment on transcription factor and serotonin receptor expression after permanent focal cortical ischemica in rats[J].Neurosci,2003,119:643-652.

[31]Briones TL,Suh E,Jozsa L,et al.Behaviorally-induced ultrastructural plasticity in the hippocampal region after cerebral ischemia[J].Brain Res,2004,997:137-146.