研究发现协同效应性电刺激可以增强类脊髓组织修复脊髓损伤

下胸段脊髓全横断可以导致损伤处下方脊髓神经环路丧失脑源性神经支配，致使兴奋性运动神经环路功能性沉默。根据Donald Hebb的理论(1949年)—“那些被激活的神经元终归会连接在一起”，对于不完全性脊髓损伤采取脊髓硬膜外电刺激，能够让损伤处下方发生功能性沉默的兴奋性运动神经环路被激活，有助于改善截瘫病人的肢体运动功能。然而，要想肢体运动功能得到更持久地恢复，需要依赖脊髓损伤处的内、外源性神经元中继脊髓断端的上、下行神经信息，尤其是来自大脑的下行神经信息，这是激活脊髓损伤处下方兴奋性运动神经环路的结构基础。如果此时再给予脊髓适宜的神经电刺激，通过电信号与中继上、下行神经信息的神经元之间的协同效应机制就有可能更有效地激活功能性沉默的兴奋性运动神经环路。

中山大学中山医学院曾园山教授团队前期研究表明，在全横断脊髓损伤处移植类脊髓组织或组织工程神经网络组织能够作为神经元中继器传递下行的脑源性神经信息到达损伤/移植区以下的脊髓神经环路，可以改善瘫痪后肢的自主运动功能，不过这种运动功能仍有较大的改善空间。这可能与调控后肢自主运动功能的腰段兴奋性运动神经环路没有得到更有效激活有关。此外，曾园山教授团队另一项研究也揭示，应用神经调控技术——尾神经电刺激或电针刺激可以激活全横断脊髓损伤处以下的腰段脊髓神经环路；例如促使腰段神经元合成神经营养素-3(NT-3)，增加腰段前角运动神经元的存活和维持其胆碱能神经递质的合成，缓解瘫痪后肢的肌肉萎缩。然而，该研究没有观察到瘫痪后肢的运动功能显著恢复，这可能是与脊髓损伤处没有移植组织工程神经元中继器传递下行的脑源性神经信息到达腰骶段的兴奋性运动神经环路有关。

为了解决上述科学问题，曾园山教授团队联合广东省人民医院郑秋坚教授团队在全横断脊髓损伤处移植类脊髓组织作为神经元中继器，联合应用尾神经电刺激作为协同效应性电刺激(synergistic electrical stimulation)，设想这种联合策略能更有效地激活功能性沉默的兴奋性运动神经环路，增强瘫痪后肢的自主运动功能。该项研究成果“Tail nerve electrical stimulation promoted the efficiency of transplanted spinal cord-like tissue as a neuronal relay to repair the motor function of rats with transected spinal cord injury”近日在线发表在国际著名期刊Biomaterials上。

研究结果显示，再生的脑源性神经纤维可以在全横断脊髓损伤处与移植的类脊髓组织神经元形成突触连接。与此同时，尾神经电刺激能够激活功能性沉默的兴奋性运动神经环路，提高了类脊髓组织将脑源性神经信息中继给EPHA4+/VGluT2+中间神经元以及调控后肢肌肉的运动神经元的传递效率，致使大鼠瘫痪后肢呈现支撑体重和重新站立行走。

该项研究揭示了一种神经电刺激联合类脊髓组织移植的协同效应性机制—电刺激大鼠尾部的感觉传入神经纤维并通过其将电信号传递到腰骶段脊髓神经环路，激活中枢模式发生器(CPG, EPHA4+/VGluT2+)中间神经元。这些神经元一方面分泌NT-3引导类脊髓组织过表达NT-3受体酪氨酸蛋白激酶C(TrkC)的移植神经元轴突支配它们，从而接收下行的脑源性神经信息；另一方面它们的轴突分别支配分泌NT-3的前角运动神经元。这些被激活的运动神经元促使其轴突支配靶肌肉并维护运动终板的结构和功能，提升靶肌肉代谢活动，减轻靶肌肉的萎缩，增强瘫痪后肢的自主运动功能(见图1)。

图1: 将类脊髓组织(SCLT)移植入大鼠全横断脊髓损伤处后实施尾神经电刺激(TNES)，随后通过逆行假狂犬病毒(PRV)和荧光金(FG)示踪以及跨背根节(DRG)霍乱毒素亚型B(CTB)示踪脊髓神经环路解析协同效应性电刺激的作用机制（蓝色三角形示意注射部位）。

该项研究亦提示在中枢神经环路功能重建方面，应用在结构和功能上可替换病伤神经组织的类脊髓组织、组织工程神经网络组织或类脑组织与相关神经电刺激或人工智能脑–脊髓接口技术相结合，可以作为设计治疗难治性中枢神经病伤的多模态方案，应得到进一步的探索。