脊髓損傷后呼吸功能障礙的呼吸神經可塑性、病理機制及康復

郝世杰，劉柯彤，馬婷，邱振剛，鄒建鵬

1 山東中醫藥大學康復醫學院，濟南 250355；2 青島大學附屬青島市海慈醫院針推康復科；3 山東中醫藥大學附屬醫院康復理療科

脊髓損傷（SCI）會導致運動、感覺及自主神經功能障礙，并伴隨一系列并發癥，其中呼吸功能障礙備受關注，這可能成為患者死亡的危險因素［1］。SCI后呼吸功能障礙程度取決于損傷節段水平，當頸段或上胸段受損時，患者會出現明顯的呼吸功能受限，表現為肺通氣功能和肺容量下降，氣道分泌物不能有效清除，從而增加肺部感染的風險。據統計，SCI 后呼吸系統并發癥導致的病死率高達91.66%［2］。當前，康復治療逐漸成為改善SCI 后呼吸功能障礙的重要手段。有研究發現，SCI 后呼吸功能障礙可自發性恢復，即呼吸神經可塑性，但該自發性恢復程度非常有限，殘存的呼吸功能障礙仍給患者造成嚴重影響［3］。因此，增強SCI后呼吸神經可塑性可能會促進呼吸功能的恢復。本文重點探討了增強SCI 后呼吸神經可塑性的康復治療方法及其研究進展，最終提出建立基于“呼吸神經網絡”康復治療體系的設想，以期為臨床工作提供參考。

1 SCI后呼吸神經可塑性改變

中樞神經系統具有可塑性，SCI 后會出現多種形式的神經可塑性，包括軸突再生、側枝出芽以及突觸結構重塑等，是神經元應對各種外界環境刺激而發生的自身功能、結構及電化學信號的改變［4］。SCI后神經可塑性對呼吸功能的影響表現為患者呼吸功能障礙在損傷后幾周內出現自發性恢復，即呼吸神經可塑性。該理論最早由PORTER［5］于20 世紀提出，PORTER 通過制備C2 橫向半切（C2Hx）SCI 呼吸功能障礙模型觀察呼吸神經可塑性，此模型反映了從延髓腹側呼吸柱到同側膈肌運動神經元的突觸傳遞損傷進而誘導同側膈肌癱瘓，將C2Hx 模型的對側膈神經切斷，發現同側癱瘓的膈肌出現了部分自發性運動恢復，這種由損傷誘導的呼吸神經可塑性又被稱為“膈神經交叉現象”（CPP），CPP 為SCI后呼吸功能障礙提供了新的治療思路。

越來越多的證據表明，SCI 后呼吸神經可塑性可能與本體脊髓神經回路相關。SCI 后固有脊髓回路內的功能改變可能對損傷后呼吸功能恢復至關重要，可以增加失神經支配神經元的興奮性傳入［6］。有研究顯示，C2 半切損傷的大鼠2 周后損傷部位下方脊髓內V2a中間神經元和膈運動神經元之間的連通性增加，膈肌活動增強。V2a中間神經元是SCI后本體脊髓神經回路中間神經元的一個有吸引力的候選群體，它們投射的谷氨酸能神經元突觸可塑性對SCI修復發揮重要作用，成為SCI后呼吸神經可塑性的潛在靶點［7-8］。最近的研究還表明，SCI 后本體脊髓神經回路的功能改變也可以通過激活輔助呼吸肌來誘導呼吸神經可塑性，輔助呼吸肌包括胸鎖乳突肌、斜方肌、斜角肌等，主要接收來自延髓腹側呼吸組的驅動，通過上提胸廓，擴大胸廓上下徑，增加吸氣容量［9］。此外，有研究發現，本體脊髓神經回路中不同脊髓節段之間相互作用、相互影響。有研究對頸段水平完全橫斷的狗和大鼠在胸椎水平進行高頻脊髓刺激干預，結果發現實驗動物由頸段脊髓支配的膈肌被激活，吸氣容積增加［10-11］。因此，本體脊髓神經元可能是SCI 后呼吸神經可塑性的重要介質，SCI 后呼吸神經可塑性與本體脊髓神經回路密切相關。由于SCI 后呼吸神經可塑性程度非常有限，顯著的呼吸功能障礙仍持續存在，因此，需要尋求安全有效的康復治療方法增強SCI 后呼吸神經可塑性，以長久改善患者的呼吸功能障礙。

2 SCI后發生呼吸功能障礙的病理機制

2.1 呼吸神經網絡中斷 呼吸中樞神經纖維束支配人體呼吸肌運動，同時受大腦皮層調控。人體主要的呼吸肌由腦干呼吸中樞的下行球狀脊髓軸突來支配，SCI 會導致脊髓內神經傳導束中斷。損傷的脊髓節段不同導致的呼吸功能障礙也各異，當損傷節段在頸段或上胸段時，脊髓的下行傳導通路被中斷，損傷平面以下支配人體呼吸肌的脊神經由于失去上位呼吸中樞興奮性輸入，呼吸神經傳導通路會不同程度受損或中斷，對呼吸肌運動神經元的支配減弱或消失，患者出現一系列呼吸功能障礙。當人體長期對呼吸運動的調控能力降低時，其所對應的大腦皮層呼吸運動區域功能也會下降，最終大腦皮層對呼吸中樞的調控也會減弱，導致支配呼吸肌的神經纖維束的各向異性分數、纖維束數量、路徑長度、密度和厚度都會下降，以此形成惡性循環［12］。因此，呼吸神經網絡中斷是導致SCI 后呼吸功能障礙的重要機制。

2.2 神經膠質瘢痕形成 SCI 后呼吸功能障礙及有限的自發性恢復與軸突蛋白表達受阻有關，而軸突蛋白表達受阻受到神經膠質瘢痕的影響。SCI 后3～14 d 形成神經膠質瘢痕，其主要成分為小膠質細胞及其分泌的細胞外基質。由于SCI 后在病灶周圍出現少突膠質前體細胞、反應性星形膠質細胞等聚集，同時這些膠質細胞持續分泌硫酸軟骨素糖蛋白（CSPG）等抑制性細胞外基質分子，導致突觸周圍的細胞外基質增加，神經元胞外基質網絡（PNNs）高度聚集［13］，在神經元和細胞外之間形成了一道物理屏障，阻礙神經再生。同時，CSPG 可以與蛋白質酪氨酸磷酸酶σ（PTPσ）或Nogo 受體復合物結合，激活RhoA/ROCK 信號通路，導致軸突回縮，軸突頂端的生長錐塌陷，又形成了一道抑制性化學屏障，抑制神經可塑性［14］。因此，當呼吸神經纖維受損時，損傷處神經膠質瘢痕的形成阻礙了軸突再生和神經重塑，支配呼吸肌的神經通路無法重建，從而形成永久性的呼吸功能障礙。

2.3 炎癥反應增強 SCI 會導致脊髓組織發生炎癥反應和氧化應激，促進炎性因子聚集，加快神經元細胞凋亡［15］。脊髓受損后的炎癥反應不僅僅局限于損傷處局部，還會累及全身。SCI 后的炎癥反應與損傷導致的血-脊髓屏障（BSCB）破壞密切相關。BSCB 是SCI 后避免二次損傷和促進功能恢復的關鍵因素，當脊髓受損后BSCB 的滲透性增加，引發內質網應激在內的一系列繼發性損傷［16］，從最初的損傷局部出血、壞死到炎性物質沿著脊髓縱軸擴散，形成更嚴重的繼發病理反應，導致脊髓細胞微環境紊亂。有研究發現，在胸段SCI 患者中，即使主要的呼吸肌群功能完好仍存在明顯的呼吸功能減退，這可能與脊髓受損后全身炎癥反應累及肺部組織有關［17］。由于SCI 后將導致全身的巨噬細胞和中性粒細胞急劇增加，同時促進炎癥反應的介質表達上調，激活炎性級聯反應，炎性細胞在肺組織中的活性導致肺組織出現炎癥反應和受損，進而影響呼吸功能。有研究觀察了T10 SCI大鼠模型肺組織的變化，發現術后6 h 的大鼠肺組織出現了出血、水腫、巨噬細胞和中性粒細胞浸潤等病理變化，術后72 h 肺組織損傷程度達到高峰，出現了彌漫性出血、肺泡塌陷［18］。唐丹等［19］研究發現，胸段SCI 大鼠肺組織中IL-6、IL-1β、TNF-α 等炎性因子水平顯著升高，高遷移率族蛋白B1（HMGB1）、Toll-樣受體4（TLR4）、核轉錄因子κB（NF-κB）及信使RNA（mRNA）表達顯著上調。炎性環境會破壞少突膠質細胞和神經纖維，阻礙受損處呼吸神經纖維的軸突再生和神經生長。因此，可以認為SCI 后炎癥反應增強與呼吸功能障礙密切相關。

3 基于呼吸神經可塑性的康復治療

3.1 呼吸訓練 SCI 后呼吸功能障礙是由脊髓受損所致的呼吸神經傳導通路中斷導致的，呼吸訓練逐漸成為SCI 后的常規康復治療手段，對改善呼吸功能障礙發揮了積極療效［20-21］。呼吸訓練過程中患者有意識的調節呼吸肌運動，通過上行通路激活了自主神經系統，大腦皮層呼吸運動區表現出了明顯的功能激活，高位功能激活促進了與呼吸相關的額顳葉和皮層下核神經纖維束重塑，又通過下行通路加強了對延髓呼吸中樞神經纖維的調控［12］，呼吸中樞神經纖維功能的強化可以促進受損呼吸神經纖維再生，重建呼吸神經通路，加強呼吸調控。因此，呼吸訓練可以通過調控呼吸神經通路增強SCI 后呼吸神經可塑性，促進呼吸功能恢復。

呼吸訓練被公認為改善SCI 后呼吸功能障礙安全且有效的康復治療手段，其常用的訓練方法包括發聲呼吸訓練（VRT）、呼吸肌訓練、腹式呼吸訓練等。VRT 可持續調節呼吸肌、唇舌肌及發聲肌群，ZHANG等［12］觀察了VRT對SCI后3個月患者呼吸功能障礙的效果，干預12周后患者的肺功能指標均改善；此外，彌散張量成像顯示患者延髓呼吸中樞的神經纖維束的各向異性分數出現多樣化增加的趨勢，神經纖維束數量、路徑長度、密度和厚度有明顯增加，并且均具有相同的神經纖維束分布特征。因此，證實VRT 可增強SCI 后呼吸神經可塑性。此外，蔣孝翠等［22］研究顯示，使用POWER-breathe K5 呼吸肌訓練儀對頸SCI 患者行漸進抗阻呼吸肌訓練可明顯改善患者的膈肌功能。閾值壓力負荷呼吸肌訓練通過改善創傷性頸部SCI 氣管切開患者肺功能，提高拔管率，縮短拔除氣管套管時間［23］。因此，呼吸訓練促進SCI 后呼吸功能恢復的作用機制可能在于通過調控呼吸神經網絡增強呼吸神經可塑性。

3.2 運動訓練

3.2.1 減緩神經膠質瘢痕形成 有研究發現，分解PNNs 有利于減緩神經膠質瘢痕形成，促進軸突再生［24］。WARREN 等［25］研究發現，硫酸軟骨素酶ABC（ChABC）具有分解PNNs 的作用，可以降解CSPGs。為了驗證細胞外基質水平下降對呼吸神經可塑性的影響，研究將ChABC 注射于頸髓半切術后大鼠的膈肌運動神經元池，發現大鼠的呼吸功能出現了長期恢復，恢復的時間可持續17 個月以上。LANG 等［26］也證實，使用PTPσ 拮抗劑阻斷CSPGs 可以增強SCI后5-羥色胺能軸突再生，促進呼吸功能恢復。因此，去除SCI 后抑制性細胞外基質分子，減緩神經膠質瘢痕可以促進軸突再生，增強呼吸神經可塑性。張強等［27］研究發現，患肢被動爬行訓練可使脊髓半切損傷的比格犬SCI組織處CSPG 水平降低，有利于促進軸突和神經纖維向損傷節段下方生長。此外，YANG 等［28］發現，運用腺病毒傳遞聯合跑輪康復運動訓練可以減緩SCI 后星形膠質瘢痕的形成，其機制在于腺病毒傳遞可以將強轉錄激活因子傳送到瘢痕組織處，使星形膠質細胞重新編程為功能性神經元。因此，運動訓練可能通過減緩SCI 后神經膠質瘢痕形成促進軸突再生，增強呼吸神經可塑性。

3.2.2 上調腦源性神經生長因子（BDNF）表達 BDNF作為神經營養因子重要的家族成員，可以促進神經元再生，抑制神經元凋亡，調控神經系統功能［29］。有研究發現，對上頸段C2 單側橫向半切SCI 大鼠進行鞘內BDNF 治療，可有效促進膈肌運動神經元的神經可塑性，表現為膈神經長時程易化增強，與通氣相關的節律性膈肌肌電圖（DIAm EMG）活動部分恢復，呼吸功能改善。證實BDNF在SCI后膈肌運動神經元興奮性突觸傳遞中的調節作用，為呼吸神經可塑性提供重要的營養支持［30-31］。并且HERNANDEZTORRES等［32］發現，BDNF作用機制為與其受體酪氨酸蛋白激酶B（TrkB）結合，啟動信號通路，促進神經元存活、增殖以及軸突再生，幫助受損神經修復和重塑［33］。所以，BDNF-TrkB 信號通路可能是促進呼吸神經可塑性，增強SCI 后DIAm EMG 活動的重要機制。

當前，BDNF 治療損傷脊髓主要通過直接注射、借助病毒載體遞送或生物材料等方式，應用的療效和安全性仍需進一步驗證。然而，有研究發現，運動訓練具有上調BDNF 表達的作用。安力彬等［34］研究觀察了不同強度的減重步行訓練（BWSTT）對SCI大鼠的影響，發現中等強度訓練組和高強度訓練組大鼠脊髓組織中BDNF、TrkB 蛋白表達升高。此外，CHEN 等［35］研究證實，跑步機康復運動訓練可通過BDNF/TrkB 上調雷帕霉素靶蛋白（mTOR）表達，mTOR 通過激活核糖體激酶啟動mRNA 蛋白質合成及翻譯，促進軸突髓鞘形成，成為中樞神經系統損傷后神經生長和再生的關鍵因子，進而促進軸突再生和神經重塑。因此，運動訓練可以通過上調BDNF表達為SCI 后呼吸神經可塑性提供重要的營養支持，改善呼吸功能障礙。

3.2.3 抑制炎癥反應 SCI 產生的炎癥反應不僅會導致肺組織受損，還會影響軸突再生和神經重塑，阻礙呼吸神經可塑性。運動訓練具有減緩SCI 后炎癥反應的作用，唐丹等［36］研究了運動對改善胸段SCI 后大鼠呼吸功能的機制，發現經過7 d 運動跑臺訓練后胸段SCI后大鼠肺組織中炎癥反應降低，表現為HMGB1、TLR4、NF-κB 及mRNA 表達下降，IL-6、IL-1β、TNF-α 等水平降低，其機制可能在于運動訓練通過調控HMGB1/TLR-4/NF-κB 信號通路保護了SCI 后大鼠肺組織。HMGB1 作為一種炎癥介質，當其被激活后會與其受體晚期糖基化終產物的受體（RAGE）和Toll 樣受體 結 合，進 而促 進NF-κB、IL-1β、TNF-α、IL-6 等促炎因子合成和釋放，導致炎癥反應［37-38］。研究顯示，跑臺運動訓練抑制了HMGB1/TLR-4/NF-κB 信號通路的激活，因此，抑制了下游肺組織的炎癥反應，通過保護肺組織促進了呼吸功能的改善。同時，李萌等［39］研究顯示，T10 SCI 2 d 后的大鼠跑臺訓練后，訓練組髓過氧化物酶（MPO）表達明顯降低。MPO 為中性粒細胞的活化標記物，其表達水平代表中性粒細胞的炎性浸潤水平，因此說明早期跑臺運動訓練可以抑制SCI 后的炎癥反應。此外，由于SCI 后炎癥反應與損傷導致的血-脊髓屏障破壞密切相關，而運動訓練可以減輕SCI 后血-脊髓屏障的破壞程度，減輕炎癥反應。YING 等［40］通過對SCI 大鼠進行水下跑步機訓練發現，該訓練方式可以通過調節BDNF/TrkB-CREB 信號通路抑制基質金屬蛋白酶-2/9 表達，并且促進血管生成，達到減輕SCI后大鼠血-脊髓屏障破壞的作用，抑制炎癥反應。因此，運動訓練可以通過抑制SCI 后炎癥反應保護肺組織，同時還可以促進呼吸神經纖維軸突再生，達到改善呼吸功能的作用。

SCI 后呼吸功能障礙與呼吸神經網絡密切相關，包括呼吸神經傳導通路的完整性和軸突生長微環境的穩定性。此外，由于中樞神經系統具有可塑性，脊髓受損后在呼吸功能方面會伴隨著呼吸神經可塑性的改變，使SCI 后患者的呼吸功能得到一定程度的自發性恢復，但值得注意的是該自發性恢復能力十分有限，顯著的呼吸功能障礙仍然存在。SCI后呼吸功能障礙給患者帶來的影響是嚴重的，甚至是致命的，因此改善SCI 后呼吸功能障礙成為功能恢復的首要任務。呼吸神經可塑性為SCI 后呼吸功能恢復提供了一種新的治療思路，增強呼吸神經可塑性可以促進SCI 后的呼吸功能的長期恢復。探討發現呼吸訓練和運動訓練等康復治療方法具有增強SCI 后呼吸神經可塑性的效果，為建立基于“呼吸神經網絡”的SCI 后呼吸功能障礙臨床康復治療體系提供科學證據。然而，值得注意的是神經可塑性分為適應性的可塑性（有益的）和適應不良的可塑性（有害的）［3］，前者發揮了積極療效，后者卻給患者帶來了潛在的風險和危害。當神經可塑性誘導方法不當可能會出現疼痛、痙攣［41-42］、認知功能障礙、代謝綜合征及系統性高血壓等［43］不良癥狀。因此，在尋求呼吸神經可塑性誘導方法時應通過大樣本、大量研究探討合適的治療方式、時機、劑量和操作的規范性，保證呼吸神經可塑性應用的安全性和有效性。