學(xué)術(shù)前沿 | 脊髓電刺激治療脊髓損傷功能恢復(fù)的研究進(jìn)展
來自：學(xué)術(shù)前沿 日期：2025-04-07 17:44
脊髓損傷(SCI)是一種復(fù)雜的疾病，既可由創(chuàng)傷性事件引起，如機(jī)動(dòng)車事故或跌倒，也可由非創(chuàng)傷性原因引起，如血管疾病、感染、腫瘤或退行性疾病。SCI影響所有年齡段人群，但對(duì)年輕人的影響尤為嚴(yán)重。SCI通常導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)、感覺和自主神經(jīng)功能的不可逆轉(zhuǎn)的喪失，此外，由于生活方式和獨(dú)立能力的突然和劇烈變化，SCI引起了嚴(yán)重的的心理問題，包括抑郁和焦慮。
傳統(tǒng)的SCI康復(fù)管理主要側(cè)重于減少繼發(fā)性并發(fā)癥，如壓力損傷、尿路感染、腸功能障礙和痙攣。此外，它旨在通過增強(qiáng)活動(dòng)能力、力量、感覺和協(xié)調(diào)來優(yōu)化殘余功能。盡管這些方法提供了重要的好處，但它們往往不足以恢復(fù)或補(bǔ)償實(shí)質(zhì)性的功能損傷。近年來，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)為SCI的治療帶來了新的可能性。特別是脊髓電刺激(SCS)已成為一種有希望促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù)的方法。通過促進(jìn)神經(jīng)可塑性和重新激活殘留的神經(jīng)通路，SCS已經(jīng)證明了實(shí)現(xiàn)功能改善的潛力，這曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的。越來越多的證據(jù)表明，慢性SCI患者可以通過SCS獲得有意義的神經(jīng)和功能改善，為功能恢復(fù)和改善生活質(zhì)量提供了新的希望。
外傷性SCI后的病理生理學(xué)
外傷性SCI的病理生理進(jìn)展可大致分為初級(jí)和次級(jí)階段。這些過程導(dǎo)致SCI的廣泛且不可逆的損傷，最終損害功能恢復(fù)。 初級(jí)階段在損傷后立即開始，是機(jī)械力(如壓迫、挫傷或撕裂傷)的直接結(jié)果。這些力導(dǎo)致脊髓組織、血管和血脊髓屏障(BSCB)的機(jī)械損傷。BSCB的破壞導(dǎo)致血管通透性增加，使有害物質(zhì)滲入脊髓。這一階段的特征是出血、缺血和直接神經(jīng)元死亡，它們共同啟動(dòng)一系列生化和細(xì)胞反應(yīng)。 第二階段在初始損傷后數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)開始，并持續(xù)數(shù)天、數(shù)周甚至數(shù)月。它的特點(diǎn)是一系列有害的過程，包括炎癥、氧化應(yīng)激和興奮性毒性，這些過程會(huì)擴(kuò)大損傷，加劇初始損傷。炎癥反應(yīng)引起組織腫脹，導(dǎo)致附近結(jié)構(gòu)受壓和進(jìn)一步缺血。鞘內(nèi)壓力升高可損害腦脊液(CSF)流動(dòng)，加重?fù)p傷。激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞在病變部位周圍增殖，形成膠質(zhì)瘢痕。雖然最初具有保護(hù)作用，但這種疤痕最終會(huì)抑制軸突再生，對(duì)神經(jīng)修復(fù)產(chǎn)生物理和生化障礙。隨著時(shí)間的推移，損傷部位的壞死組織被充滿液體的囊性腔所取代，形成物理間隙，阻礙神經(jīng)重新連接。這些空洞是旨在恢復(fù)連通性的治療干預(yù)的主要挑戰(zhàn)。脊髓空洞的形成和進(jìn)行性神經(jīng)退行性變進(jìn)一步阻礙了功能恢復(fù)。
SCI的脊髓刺激(SCS)
SCS是一種很有前途的治療方法，通過硬膜外或經(jīng)皮提供電流刺激脊髓。在關(guān)于運(yùn)動(dòng)完全性脊髓損傷患者自主運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的早期報(bào)道后，SCS因其促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)的潛力而受到了極大的關(guān)注，許多關(guān)于硬膜外和tSCS的研究都證明了它在SCI后神經(jīng)恢復(fù)中的有效性。 SCS刺激大致可分為閉環(huán)刺激和開環(huán)刺激。開環(huán)系統(tǒng)提供恒定或循環(huán)的刺激，但不考慮實(shí)時(shí)的感覺或運(yùn)動(dòng)反饋。而閉環(huán)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(如步態(tài)周期或大腦活動(dòng))動(dòng)態(tài)調(diào)整刺激參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性和更有效的神經(jīng)調(diào)節(jié)。 不同的SCS研究采用不同的技術(shù)策略，包括不同的電刺激部位、電極設(shè)計(jì)、刺激參數(shù)和時(shí)間模式。盡管SCS的作用至關(guān)重要，但其實(shí)際機(jī)制以及技術(shù)變量與生理機(jī)制之間的關(guān)系尚未完全了解。
SCS的作用機(jī)制
1、單突觸反射激活的增強(qiáng) 主流理論認(rèn)為，SCS激活大到中等傳入纖維，從而增強(qiáng)感覺傳入和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間的神經(jīng)間連接。Ia纖維傳遞有關(guān)肌肉長(zhǎng)度、速度和力量發(fā)展的信息，這些信息對(duì)于估計(jì)肢體位置和其他運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。根據(jù)經(jīng)典電纜理論，大直徑有髓軸突對(duì)電流刺激具有顯著易激性。SCS可增強(qiáng)控制主動(dòng)肌的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的單突觸反射激活，并促進(jìn)運(yùn)動(dòng)池內(nèi)的中間神經(jīng)元回路活動(dòng)，這兩者對(duì)SCI后的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)至關(guān)重要。 大量研究支持這一機(jī)制。例如，本體感覺傳入喪失的動(dòng)物模型無法恢復(fù)后肢運(yùn)動(dòng)控制能力，并表現(xiàn)出下行神經(jīng)回路的異常適應(yīng)性重組。在SCI動(dòng)物模型中，本體感覺消融會(huì)導(dǎo)致感覺運(yùn)動(dòng)功能改善的倒退。 2、脊髓網(wǎng)絡(luò)的重組 研究表明，即使脊髓在完全橫斷后與大腦斷開連接，其神經(jīng)回路仍能獨(dú)立處理體感信息并調(diào)整運(yùn)動(dòng)輸出。復(fù)雜的脊髓固有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接不同神經(jīng)元集群、脊髓節(jié)段和半側(cè)脊髓，促進(jìn)有效的信號(hào)整合與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。 脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無需大腦直接輸入或感覺反饋即可生成節(jié)律性運(yùn)動(dòng)。脊髓電刺激（SCS）結(jié)合物理訓(xùn)練，可通過重組損傷部位周圍的脊髓固有回路，激活中樞模式發(fā)生器（central pattern generators, CPGs）——這些負(fù)責(zé)節(jié)律性輸出的神經(jīng)回路。研究已定位候選CPG神經(jīng)元于腰段脊髓的中夾管附近及中間內(nèi)側(cè)區(qū)，表明其與運(yùn)動(dòng)節(jié)律的密切關(guān)聯(lián)。SCS可通過間接募集和調(diào)控這些回路，重組脊髓固有通路以增強(qiáng)節(jié)律活動(dòng)及后肢協(xié)調(diào)性。腰段脊髓的CPGs驅(qū)動(dòng)屈肌與伸肌的交替激活，這對(duì)SCS促進(jìn)行走功能恢復(fù)至關(guān)重要。 3、增強(qiáng)對(duì)脊髓上輸入信號(hào)的響應(yīng) 脊髓電刺激（SCS）通過增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對(duì)下行脊髓上輸入信號(hào)（包括皮質(zhì)脊髓束、網(wǎng)狀脊髓束和紅核脊髓束）的興奮性，促進(jìn)自主運(yùn)動(dòng)控制的恢復(fù)。這些通路在感覺預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)調(diào)整及運(yùn)動(dòng)記憶形成中起關(guān)鍵作用。即使脊髓嚴(yán)重?fù)p傷（包括臨床完全性損傷），脊髓內(nèi)仍可能存在部分解剖連續(xù)性。持續(xù)SCS可能通過提高運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對(duì)殘余脊髓上輸入信號(hào)的去極化敏感性，介導(dǎo)皮質(zhì)脊髓可塑性，從而改善肌肉協(xié)調(diào)能力并修正運(yùn)動(dòng)誤差。 多項(xiàng)研究驗(yàn)證了這一假說。例如，Guiho等人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)皮脊髓電刺激（tSCS）可增強(qiáng)猴類脊髓上誘發(fā)反應(yīng)；Parhizi等人則報(bào)道，聯(lián)合應(yīng)用頸段與腰段tSCS能顯著激活人類皮質(zhì)脊髓通路。上述作用機(jī)制總結(jié)如圖1所示。 圖1
硬膜外脊髓刺激(eSCS)
1、eSCS設(shè)置和參數(shù) 硬膜外脊髓電刺激（eSCS）技術(shù)最初主要用于疼痛管理，近年來逐漸成為脊髓損傷（SCI）患者神經(jīng)功能恢復(fù)的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)通過植入電極向脊髓特定區(qū)域傳遞電刺激，激活脊髓固有神經(jīng)回路，從而促進(jìn)運(yùn)動(dòng)、感覺及自主神經(jīng)功能的恢復(fù)。目前臨床實(shí)踐中，多電極陣列通常植入于腰骶段脊髓（L1-S1節(jié)段），而片狀電極的精準(zhǔn)定位需覆蓋腰段脊髓背根入髓區(qū)（dorsal root entry zones）以增強(qiáng)刺激效能。由于不同脊髓節(jié)段負(fù)責(zé)調(diào)控特定身體功能，術(shù)前需通過神經(jīng)電生理評(píng)估、影像學(xué)定位及個(gè)體化刺激參數(shù)設(shè)計(jì)等系統(tǒng)化方案優(yōu)化電極定位，這對(duì)治療效果至關(guān)重要。 2、eSCS候選者評(píng)估與刺激參數(shù)優(yōu)化 eSCS（硬膜外脊髓電刺激）的候選者需接受全面的術(shù)前綜合評(píng)估，包括脊髓磁共振成像（MRI）。MRI通過構(gòu)建脊髓神經(jīng)解剖三維重建模型，可顯著提升電極定位精度（空間誤差 一旦電極被植入，就會(huì)根據(jù)患者的反應(yīng)和患者的特定康復(fù)目標(biāo)調(diào)整和定制刺激參數(shù)。通常，較高的節(jié)段針對(duì)意志控制和心血管功能，較低的節(jié)段側(cè)重于泌尿生殖功能。Minassian等人已經(jīng)證明，不同頻率的刺激可以影響下肢肌肉的激活模式，在仰臥的個(gè)體中，5-15 Hz的刺激會(huì)引發(fā)下肢伸展，25-50 Hz的刺激會(huì)引發(fā)下肢交替的屈伸。不同研究的刺激參數(shù)差異很大，頻率范圍為0.2至400 Hz，脈沖寬度在150至1000μs之間，振幅范圍為0.1至40 V或0.1至15 mA。
eSCS的臨床證據(jù)
許多將eSCS與基于活動(dòng)的治療相結(jié)合的研究已經(jīng)顯示出顯著的改善。表1總結(jié)了主要的eSCS研究。 表1 大多數(shù)研究是在運(yùn)動(dòng)完全性SCI中進(jìn)行的，目的是改善下肢的運(yùn)動(dòng)功能。例如，運(yùn)動(dòng)完全截癱患者接受了80次以活動(dòng)為基礎(chǔ)的訓(xùn)練，每次持續(xù)60分鐘，再加上eSCS，證明了在最小幫助下站立長(zhǎng)達(dá)5分鐘的能力。除了這些直接的改善之外，Luz等人報(bào)告說，高強(qiáng)度的特定任務(wù)訓(xùn)練，包括每周四到五次兩小時(shí)的訓(xùn)練，在五個(gè)月的重量支持的地面訓(xùn)練中，促進(jìn)了實(shí)質(zhì)性的神經(jīng)學(xué)獲益。值得注意的是，所有參與者的運(yùn)動(dòng)得分都有所提高，有些人甚至在沒有刺激的情況下也實(shí)現(xiàn)了對(duì)癱瘓肌肉的自主控制。 雖然有力的證據(jù)支持eSCS可促進(jìn)下肢恢復(fù)，但eSCS在改善上肢功能方面的證據(jù)仍然有限。頸椎SCI模型的臨床前研究顯示出積極的效果，但臨床證據(jù)仍然局限于病例報(bào)告。例如，兩名患有運(yùn)動(dòng)完全性SCI(AIS B)的患者在C5至T1水平植入了16觸點(diǎn)電極。刺激參數(shù)包括頻率為2 ~ 40hz，幅度為0.1 ~ 10ma，脈寬為210μs。兩名參與者都表現(xiàn)出了顯著的功能增益，上肢運(yùn)動(dòng)得分提高了16至23分。使用脊髓獨(dú)立性測(cè)量(SCIM)進(jìn)行的功能評(píng)估證實(shí)了這些改善，表明日?；顒?dòng)的獨(dú)立性得到增強(qiáng)。 eSCS的治療益處超出了運(yùn)動(dòng)恢復(fù)。研究表明，escs對(duì)自主神經(jīng)功能有積極影響，包括腸道和膀胱調(diào)節(jié)、痙攣減少、呼吸功能和心血管穩(wěn)定性。Boakye等人報(bào)道，eSCS可能是改善生活質(zhì)量的一個(gè)有希望的選擇。然而，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制刺激可能會(huì)對(duì)膀胱功能產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，Beck等人證明，以運(yùn)動(dòng)為重點(diǎn)的刺激參數(shù)可能會(huì)損害膀胱結(jié)果，這表明需要量身定制的方案。
結(jié)論
SCS已成為促進(jìn)SCI神經(jīng)恢復(fù)的突破性治療方式。通過靶向殘留的神經(jīng)通路和增強(qiáng)神經(jīng)可塑性，SCS為面臨SCI破壞性后果的個(gè)人提供了新的希望。SCS的侵入性方法和非侵入性替代方法都顯示出在促進(jìn)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)、改善自主神經(jīng)功能和提高生活質(zhì)量方面的顯著潛力。盡管取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但將SCS轉(zhuǎn)化為常規(guī)臨床實(shí)踐仍然存在挑戰(zhàn)。患者反應(yīng)的變異性，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的刺激方案，以及圍繞功能增益的可持續(xù)性的問題突出了進(jìn)一步研究的必要性。此外，小規(guī)模探索性研究對(duì)于了解SCS的潛力非常重要，但大型RCT對(duì)于確定其在不同患者人群中的療效、安全性和普遍性至關(guān)重要。 SCS代表了SCI康復(fù)的重大范式轉(zhuǎn)變，提供了恢復(fù)以前認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)的感覺運(yùn)動(dòng)和自主神經(jīng)功能的潛力。雖然通往廣泛臨床應(yīng)用的道路充滿挑戰(zhàn)，但正在進(jìn)行的研究和技術(shù)進(jìn)步可能會(huì)釋放SCS的全部潛力。隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，SCS已經(jīng)準(zhǔn)備好改變?nèi)藗兊纳?，為SCI患者提供獨(dú)立、功能和改善生活質(zhì)量的新希望。
