2024年1月19日，蘇州大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所劉耀波教授團(tuán)隊(duì)的最新成果以“Dual electrical stimulation at spinal-muscular interface reconstructs spinal sensorimotor circuits after spinal cord injury”為題在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際知名期刊Nature Communications（一區(qū)，Top 期刊，Nature Index 收錄，2023 IF：16.6），論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44898-9。

脊髓損傷（Spinal Cord Injury，SCI）是一種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，它導(dǎo)致患者的運(yùn)動(dòng)功能受到嚴(yán)重?fù)p傷。盡管醫(yī)學(xué)界一直在努力尋找有效的治療方法，但目前還沒(méi)有完全治愈的方法。然而，隨著神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的不斷發(fā)展，我們看到了治療脊髓損傷的新希望。

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是一種利用電信號(hào)或化學(xué)物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的治療方法。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)對(duì)治療脊髓損傷具有巨大的潛力。例如，深部腦刺激和脊髓刺激等神經(jīng)調(diào)控方法已經(jīng)在一些臨床試驗(yàn)中顯示出顯著的效果。這些技術(shù)通過(guò)發(fā)送微弱的電流到大腦或脊髓，刺激神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，幫助恢復(fù)失去的功能。然而，目前仍不清楚電刺激是否可用于精確地重組神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)并恢復(fù)其相應(yīng)的功能。此外，利用電刺激重建脊髓神經(jīng)環(huán)路的確切機(jī)制仍不清楚。

為了解決這一科學(xué)問(wèn)題，研究人員選擇了T9脊髓全橫斷模型，利用支配后肢屈肌-脛骨前?。═A）收縮的脊髓感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路作為研究重點(diǎn)。通過(guò)模擬正常生理狀態(tài)時(shí)，感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路的閉環(huán)運(yùn)行規(guī)律，建立了一種結(jié)合脊髓-肌肉的雙重電刺激系統(tǒng)（EEMS）。脊髓硬膜外電刺激（EES）用于模擬脊髓運(yùn)動(dòng)指令的發(fā)放，肌肉電刺激（MS）用于模擬外周的感覺(jué)反饋指令。

在此項(xiàng)研究中，研究人員比較了EEMS，EES和MS對(duì)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和功能的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)僅有在10-20 Hz刺激頻率條件下的EEMS可以有效恢復(fù)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路的多突觸電傳導(dǎo)功能，以及后肢的運(yùn)動(dòng)功能。

此外，通過(guò)神經(jīng)環(huán)路示蹤，在體電生理記錄和光纖記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)10-20 Hz的EEMS重塑了脊髓感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路（運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元-肌肉間的連接，感覺(jué)神經(jīng)元-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元間的連接，中間神經(jīng)元-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元間的連接），增強(qiáng)了谷氨酸能神經(jīng)元對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的支配。

此外，通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)和神經(jīng)遞質(zhì)探針檢測(cè)，研究人員發(fā)現(xiàn)10-20 Hz的EEMS通過(guò)激活運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的內(nèi)在軸突生長(zhǎng)信號(hào)增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的可塑性，同時(shí)提高了脊髓谷氨酸能神經(jīng)元的爆發(fā)頻率，抑制了脊髓GABA能神經(jīng)元的爆發(fā)頻率，這有助于脊髓感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路的激活，進(jìn)而促進(jìn)SCI后的功能恢復(fù)。

該研究建立了一種脊髓-肌肉界面的雙重電刺激系統(tǒng)，模擬脊髓感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路的閉環(huán)運(yùn)行規(guī)律，發(fā)現(xiàn)僅有10-20 Hz的特定刺激頻率才能激活大量與神經(jīng)元軸突發(fā)育相關(guān)的基因，通過(guò)激活A(yù)kt通路增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元可塑性，從而在結(jié)構(gòu)和功能水平重建脊髓感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路。簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)研究使人們對(duì)神經(jīng)調(diào)控在神經(jīng)環(huán)路重組中的作用有了更深入的了解，并為中樞神經(jīng)損傷后的臨床治療提出了一個(gè)潛在的框架。

圖1 10-20 Hz EEMS在結(jié)構(gòu)和功能水平重建脊髓感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路

蘇州大學(xué)劉耀波教授團(tuán)隊(duì)博士研究生周凱，博士研究生魏位，博士研究生楊丹（現(xiàn)為貴州醫(yī)科大學(xué)副教授）是本文的共同第一作者。蘇州大學(xué)劉耀波教授為通訊作者。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省高等學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程等科研項(xiàng)目的資助。

劉耀波教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事中樞神經(jīng)環(huán)路構(gòu)建以及損傷修復(fù)的研究工作，致力于中樞神經(jīng)再生的分子細(xì)胞調(diào)控機(jī)制和干預(yù)靶點(diǎn)、以及神經(jīng)信號(hào)調(diào)控中樞神經(jīng)環(huán)路重建的機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)研究。在Nat Neurosci、J Neurosci、Cell Res、Cell Discov、EMBO J、Adv Funct Mater、Nat Commun 等期刊發(fā)表系列研究論文。課題組長(zhǎng)期招聘博士后，待遇從優(yōu)，歡迎垂詢(xún)。

參考文獻(xiàn)：

Zhou, K., Wei, W., Yang, D. et al. Dual electrical stimulation at spinal-muscular interface reconstructs spinal sensorimotor circuits after spinal cord injury. Nat Commun15, 619 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44898-9

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