脊髓损伤后运动神经元放电特征的研究

2025-02-11 Tue
脊髓损伤后瘫痪肌肉的运动神经元放电特性研究学术背景介绍脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）是一种严重的神经损伤，通常会导致损伤平面以下的运动和感觉功能丧失。尽管临床上诊断为完全性脊髓损伤的患者被认为无法自主控制损伤平面以下的肌肉，但过去的研究表明，部分患者在损伤平面以下仍保留了一些功能性的运动神经元，这些神经元可能通过剩余的神经通路受到控制。然而，关于这些残存运动神经元在脊髓损伤后的行为特性及其如何适应损伤的研究仍然不足。
了解这些残存运动神经元的特性对于开发基于神经接口的辅助设备具有重要意义。例如，通过解码这些运动神经元的信号，可以开发出帮助瘫痪患者恢复部分运动能力的脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）系统。然而，当前的研究主要集中在动物模型上，关于人类脊髓损伤后运动神经元特性的系统性研究仍然有限。
本文旨在通过高密度表面肌电图（High-Density Surface Electromyography, HD-sEMG）和超声成像技术，分析脊髓损伤患者和健康对照组在试图进行手部运动时，运动神经元的活动模式和空间特性，从而揭示脊髓损伤后运动神经元的变化及其功能保留机制。
论文来源本研究由Daniela Souza de Oliveira、Marco Carbonaro、Brent James Raiteri等学者合作完成。作者分别来自Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（德国）、Politecnico di Torino（意大利）、Ruhr University Bochum（德国）等机构。论文于2024年12月20日发表在Journal of Neurophysiology上，DOI为10.1152/jn.00389.2024。
研究流程与结果1. 研究对象与实验设计本研究招募了8名慢性完全性脊髓损伤患者（SCI组）和12名健康对照者（对照组）。SCI组的参与者年龄在18至60岁之间，且损伤平面位于C4至C6之间。实验过程中，参与者通过观看虚拟手的运动视频，尝试进行手指的屈伸运动（包括拇指、食指、中指、无名指和小指的屈伸，以及手指的捏合和开合动作）。
实验使用高密度表面肌电图（HD-sEMG）记录参与者的前臂肌肉活动，并通过超声成像技术观察肌肉的位移情况。为了分析运动神经元的活动模式，研究团队应用了非负矩阵分解（Non-negative Matrix Factorization, NMF）算法，提取运动神经元的共同输入模式，并根据其放电模式将运动神经元分为任务调制型和非调制型（即持续或不规则放电的运动神经元）。
2. 数据分析与主要结果2.1 运动神经元模式分析

通过NMF算法，研究团队成功提取了两种主要的运动神经元模式，分别对应于手指的屈伸运动。无论是在SCI组还是对照组，这两种模式都占据了运动神经元活动的大部分方差（SCI组：78.1%，对照组：74.0%），表明脊髓损伤后，运动神经元仍然保留了共同的输入模式。
2.2 运动神经元分类

基于相位差分析，研究发现脊髓损伤组中非调制型运动神经元的比例显著高于对照组（SCI组：53.4%，对照组：46.2%），而任务调制型运动神经元的比例则较低（SCI组：20.8%，对照组：26.2%）。这一结果表明，尽管脊髓损伤后运动神经元仍能对共同输入做出反应，但其放电模式的控制能力显著下降。
2.3 肌肉超声成像结果

通过超声成像技术，研究团队观察到脊髓损伤患者在试图进行手部运动时，前臂肌肉仍能发生局部位移，且这些位移与运动神经元的放电活动密切相关。这表明，尽管患者无法实际移动手指，但其前臂肌肉仍能对神经输入做出反应。
2.4 运动神经元空间特性

研究还发现，脊髓损伤组运动神经元的动作电位区域显著大于对照组（SCI组：560.0 mm²，对照组：448.0 mm²），表明脊髓损伤后可能存在神经再支配现象，导致运动神经元的肌纤维在肌肉中分布更加广泛。
3. 结论与意义本研究表明，即使在完全性脊髓损伤患者中，残存的运动神经元仍能对共同输入做出反应，并保留一定的功能。尽管非调制型运动神经元的比例较高，但通过解码这些运动神经元的活动，仍然可以实现对运动意图的识别。这为开发基于神经接口的辅助设备提供了重要的理论基础。
此外，研究团队通过结合HD-sEMG和超声成像技术，首次在人类脊髓损伤患者中实现了对运动神经元活动和肌肉位移的同步观察，为未来的神经康复研究提供了新的实验方法。
研究亮点创新性方法：本研究结合了高密度表面肌电图和超声成像技术，首次在完全性脊髓损伤患者中实现了对运动神经元活动和肌肉位移的同步记录与分析。

重要发现：研究发现，即使在完全性脊髓损伤患者中，残存的运动神经元仍能对共同输入做出反应，并且其活动模式与健康对照组相似。

应用价值：通过解码这些残存运动神经元的活动，可以为开发基于神经接口的辅助设备提供重要的理论支持，帮助瘫痪患者恢复部分运动功能。
本研究得到了欧洲研究理事会（ERC）和德国教育与研究部（BMBF）的部分资助，为研究的顺利开展提供了重要支持。