本篇圍繞2017年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)——“臂叢神經(jīng)損傷及修復(fù)過(guò)程中的大腦功能重塑規(guī)律及新技術(shù)的轉(zhuǎn)化研發(fā)和應(yīng)用”和2019年上海市科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)——“基于腦可塑理論新發(fā)展修復(fù)殘障上肢功能的新方案”項(xiàng)目,該獎(jiǎng)項(xiàng)由復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院徐文東教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。
我們通常認(rèn)為,一側(cè)肢體是由對(duì)側(cè)大腦半球控制的,并且左右半球之間功能連接緊密,還各司其職。在人們印象中,左腦和右腦缺一不可。然而,大腦這個(gè)謎團(tuán)在讓研究人員困惑的同時(shí),也在不斷帶來(lái)驚喜。
埃琳娜·佩拉爾(Elena Peral)從外表看來(lái)與普通人并無(wú)兩樣,談吐非常自然。她有著正常的社交,甚至還在兒童腫瘤中心找到了一份工作。但當(dāng)埃琳娜進(jìn)行核磁共振掃描時(shí),你會(huì)發(fā)現(xiàn)她明顯少了半個(gè)大腦。這種腦半球缺失并不是天生的,而是醫(yī)生為了規(guī)避埃琳娜日后可能發(fā)生的一些腦疾病風(fēng)險(xiǎn)不得已采取的切除術(shù)所致。
有人也曾懷疑,她帶著半個(gè)大腦是無(wú)法長(zhǎng)大的。但埃琳娜現(xiàn)在不僅已經(jīng)成年,并且活得與正常人一樣。
無(wú)獨(dú)有偶,坦納·柯林斯(Tanner Collins)因?yàn)槟X部良性腫瘤導(dǎo)致癲癇發(fā)作。在7歲的時(shí)候,外科醫(yī)生為他做了開(kāi)顱手術(shù),切除了他大腦右半球1/3的組織。手術(shù)切除了坦納大腦中整個(gè)右側(cè)枕葉,以及一半顳葉。這些腦葉決定我們能否看到事物,以及把人或事物的名字逐一對(duì)上號(hào)。
手術(shù)前,醫(yī)生不知道他還能不能認(rèn)識(shí)他的父母,或者還能不能正常地成長(zhǎng)發(fā)育。但神奇的事情發(fā)生了,盡管失去了超過(guò)15%的腦組織,柯林斯似乎并無(wú)大礙。
2019年《細(xì)胞-報(bào)告》(Cell Reports)發(fā)表的一項(xiàng)針對(duì)6名切除半腦兒童的研究使我們對(duì)于兒童大腦的可塑性從驚嘆變成確信。6名兒童因?yàn)榛疾《坏靡亚谐税雮€(gè)大腦,其中2名兒童切除了左半球,4名兒童切除了右半球,但發(fā)現(xiàn)這6名兒童長(zhǎng)大成年后(20~29歲之間)可以像正常人一樣生活。
研究人員發(fā)現(xiàn)主要是剩余的一半大腦得到了加強(qiáng),也就是大腦各模塊的連接緊密性得到了顯著提高,彌補(bǔ)了缺失部分大腦帶來(lái)的影響。
這些案例和研究提示,兒童大腦的可塑性非常強(qiáng),在適當(dāng)情況下,能夠自發(fā)性適應(yīng)腦損傷。那么,我們不禁要問(wèn):成人的大腦可塑性又如何?
什么叫大腦的可塑性?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),大腦可塑性是指大腦的結(jié)構(gòu)與功能因?yàn)椴粩嗍褂枚l(fā)生相應(yīng)的改變。
對(duì)于一般成人而言,隨著年齡的增加,我們都有保持大腦健康且功能不退化的需求,比如不患老年癡呆癥,年老之后記憶力仍不賴……那么有沒(méi)有這種可能呢?
目前,研究人員已找到了一些有用的線索。2019年,《自然-醫(yī)學(xué)》(Nature Medicine)上的研究指出,機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一種名為鳶尾素(irisin)的激素,這種激素可促進(jìn)大腦海馬區(qū)的神經(jīng)生長(zhǎng)。這項(xiàng)研究揭示了成人大腦可塑性的一種分子機(jī)制。
實(shí)際上這一研究結(jié)論與我們?nèi)粘I罱?jīng)驗(yàn)十分一致,但我們可能更想知道成人大腦的可塑性到底可塑到什么程度。這其實(shí)不僅只是你我好奇關(guān)心的生活問(wèn)題,更是研究人員正孜孜不倦探索的科學(xué)問(wèn)題。
目前,研究人員對(duì)大腦可塑性的探索主要分為兩方面:一方面從健康大腦入手,分析腦結(jié)構(gòu),探索腦功能,研究神經(jīng)細(xì)胞及它們之間的聯(lián)絡(luò)。近些年也有一些顛覆性發(fā)現(xiàn),比如,2019年刊載在《自然-醫(yī)學(xué)》雜志上的研究證實(shí)人類(lèi)神經(jīng)細(xì)胞的新生可以一直持續(xù)到90多歲,這顛覆了“神經(jīng)細(xì)胞不可再生”的理論。這一發(fā)現(xiàn)為證實(shí)成人大腦的可塑性奠定了細(xì)胞層面的基礎(chǔ)。另一方面從病態(tài)大腦入手,比如,結(jié)合腦中風(fēng)、腦癱、腦損傷等中樞神經(jīng)疾病探索大腦可塑性。復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院手外科徐文東教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在這方面獲得理論突破并成功實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。相關(guān)研究成果于2018年刊載在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》(NEJM)雜志上。
當(dāng)年,NEJM雜志社配發(fā)了一篇社論指出:“中國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造性通過(guò)切斷外周神經(jīng),并左右互換治療中樞神經(jīng)疾病,這是全新途徑!”
在以“顛覆性的、在推進(jìn)醫(yī)療實(shí)踐具有最重要意義”為標(biāo)準(zhǔn)而遴選的2018年NEJM年度文章榜單中,該文位列第一??梢?jiàn)國(guó)際同行對(duì)這一突破性進(jìn)展的肯定。
用一根上天賜予作為“功能儲(chǔ)備”的神經(jīng)把原本連接受損大腦半球的癱瘓肢體連接到健康半球上,便可使癱瘓肢體恢復(fù)功能,這個(gè)天方夜譚般的故事卻被外科醫(yī)生們實(shí)現(xiàn)了,順帶還證明了“人類(lèi)可以完成一側(cè)半腦對(duì)雙側(cè)肢體的控制”的科學(xué)猜想。
20世紀(jì)50年代末,美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、加州理工大學(xué)的羅杰·斯佩里(Roger Sperry)教授通過(guò)割裂腦實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“左右腦分工理論”,他也因?yàn)樵诖朔矫孀龀龅耐怀鲐暙I(xiàn)于1981年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng):左腦接受身體右側(cè)的感官知覺(jué)和支配右半身的活動(dòng);右腦接受身體左側(cè)的感官知覺(jué)和支配左半身的活動(dòng)。
這一理論也早已被學(xué)界和社會(huì)接受。成人無(wú)論哪側(cè)半球損傷都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的功能喪失,如左腦損傷就會(huì)導(dǎo)致右側(cè)肢體偏癱,右腦損傷會(huì)導(dǎo)致左側(cè)肢體偏癱。與兒童不同,這種功能喪失往往是嚴(yán)重的,終身遺留的。
在1872年《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》(當(dāng)時(shí)刊名《波士頓外科與醫(yī)學(xué)雜志》)發(fā)表了美國(guó)科學(xué)院院士、神經(jīng)科學(xué)家布朗·塞卡爾(Brown Sequard)的“Sequard腦科學(xué)猜想”:人可以完成一側(cè)半腦對(duì)雙側(cè)肢體的控制,能產(chǎn)生雙側(cè)的運(yùn)動(dòng)并接受雙側(cè)的感覺(jué)。但150年來(lái),這個(gè)著名猜想困擾著全世界的學(xué)者而沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。我國(guó)的研究人員通過(guò)十幾年的臨床實(shí)踐對(duì)“Sequard腦科學(xué)猜想”做出重大推動(dòng)。
值得一提的是,該研究團(tuán)隊(duì)并不是從“腦”著手研究,而是從“手”著手。
事情得從20世紀(jì)80年代說(shuō)起。華山醫(yī)院手外科顧玉東院士當(dāng)時(shí)正在致力于“臂叢神經(jīng)損傷”的治療和研究。這種損傷多由工傷、交通事故等原因引起,患者上肢功能部分或完全喪失,甚至導(dǎo)致終身殘疾。
顧玉東基于1 000多例臨床案例的診治經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了這種周?chē)窠?jīng)損傷類(lèi)疾病的規(guī)律和“竅門(mén)”。支配手及上肢和肩背、胸部的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)的臂叢神經(jīng)一共有5根,最中間那根稱(chēng)之為“頸7神經(jīng)”,他發(fā)現(xiàn)單純這根神經(jīng)的損傷或缺失,整個(gè)上肢的功能并未造成實(shí)質(zhì)性影響。
那么這根似乎“冗余”的神經(jīng)是否可以另作他用?基于這個(gè)思路,他成功創(chuàng)建了“健側(cè)頸7神經(jīng)移位治療臂叢神經(jīng)損傷”的手術(shù)方案,即將健側(cè)頸7神經(jīng)束作為供體去連接病側(cè)肢體的靶神經(jīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)患肢功能改善。此術(shù)式在全世界得到了推廣。
成功的方案激勵(lì)團(tuán)隊(duì)深入探尋背后的機(jī)理。從2001年起,在顧玉東院士指導(dǎo)下,徐文東團(tuán)隊(duì)結(jié)合臨床實(shí)踐對(duì)該療法進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn):健側(cè)頸7神經(jīng)切斷再接入病側(cè)神經(jīng)之后,健康腦半球中支配對(duì)側(cè)上肢的功能區(qū)會(huì)分離出一個(gè)“新功能區(qū)”,這個(gè)新功能區(qū)連接同側(cè)上肢,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了患肢功能的獨(dú)立支配。
這一發(fā)現(xiàn)不僅打破了我們通常理解的“左右腦分工理論”,還推動(dòng)了對(duì)150年前“Sequard腦科學(xué)猜想”的研究,即“人可以完成一側(cè)半腦對(duì)雙側(cè)肢體的控制,能產(chǎn)生雙側(cè)的運(yùn)動(dòng)并接受雙側(cè)的感覺(jué)”。
此外,研究團(tuán)隊(duì)更深刻地理解了手是腦指揮下的手,即外周神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一體性。
那么,腦部損傷和疾病導(dǎo)致的上肢癱瘓問(wèn)題是否也可以借用頸7神經(jīng)移位的思路進(jìn)行治療?
要知道腦中風(fēng)、腦損傷等導(dǎo)致的中樞損傷造成的上肢殘障,僅我國(guó)因此造成終身殘疾者就達(dá)3 000余萬(wàn),這些患者的肢體功能重建一直都是世界級(jí)醫(yī)學(xué)難題,亟需突破性療法。
徐文東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)大膽實(shí)踐了自己的理念:他們通過(guò)手術(shù)將外周神經(jīng)進(jìn)行左右交叉移位,巧用頸7根神經(jīng)搭建了一條連接癱瘓肢體和同側(cè)健康大腦半球的“直接通道”。
截至目前,他們已成功治療了400多位患者,從不到10歲的小朋友,到超過(guò)70歲的老年人,從國(guó)內(nèi)到國(guó)外,使那些曾經(jīng)生活不能自理的腦中風(fēng)、腦外傷以及腦癱后肢體功能障礙的患者重新?lián)碛辛艘浑p靈巧的手,逐漸實(shí)現(xiàn)了生活自理。
該團(tuán)隊(duì)用一個(gè)又一個(gè)成功的臨床案例驗(yàn)證了一側(cè)大腦半球可控制雙側(cè)上肢的理論,并成功將手外科的研究和治療手段拓展到中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病所致肢體癱瘓的治療中,造福了廣大患者,啟發(fā)了眾多同行,驚訝了我們:原來(lái)成人大腦也如此可塑!
正因?yàn)槿绱耍煳臇|教授領(lǐng)銜的項(xiàng)目:《臂叢神經(jīng)損傷及修復(fù)過(guò)程中的大腦功能重塑規(guī)律及新技術(shù)的轉(zhuǎn)化研發(fā)和應(yīng)用》獲得2017年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng);《基于腦可塑理論新發(fā)展修復(fù)殘障上肢功能的新方案》獲2019年上海市科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)等殊榮。
復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院 徐文東教授
在接受《世界科學(xué)》采訪時(shí),徐文東表示:“以前認(rèn)為成年人大腦的可塑性在下降,到了老年,腦可塑性更差,以致我們常認(rèn)為一個(gè)人超過(guò)50歲后再學(xué)一門(mén)技藝是很難的。但我們臨床上系列的研究工作發(fā)現(xiàn),即使老人,他們的腦可塑性也可以誘導(dǎo)激發(fā)出來(lái),這將給未來(lái)帶來(lái)無(wú)限可能?!?/p>