脊髓損傷患者大腦中央前回的代謝改變

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。

1 資料與方法

1.1 一般資料

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。

1.2 MRS數(shù)據(jù)采集

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。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

圖1 大腦M1區(qū)矢狀面、橫斷面、冠狀面定位

2 結(jié)果

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

3 討論

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。