原創 馮華 神外資訊
今天為大家帶來的是《Neurosurgery》（中文版）神經損傷與重症分冊第三期，由馮華教授翻譯並審校的「神經系統功能恢復：轉化神經科學原理綜述」，歡迎閱讀、分享。
原文：
Toward Functional Restoration of the Central Nervous System: A Review of Translational Neuroscience Principles
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原文作者：
Max O. Krucoff, MD1
Jonathan P. Miller, MD2
Tarun Saxena, PhD3
Ravi Bellamkonda, PhD3
Shervin Rahimpour, MD1
Stephen C. Harward, MD, PhD1
Shivanand P. Lad, MD, PhD1,4,5,7
Dennis A. Turner, MA, MD1,3,6,7
作者單位：
1.Department of Neurosurgery, Duke University Medical Center, Durham, North Carolina;
2.Department of Neurosurgery, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio;
3.Department of Biomedical Engineering, Duke University, Durham, North Carolina;
4.Department of Mechanical Engineering and Material Sciences, Pratt School of Engineering, Duke University, Durham, North Carolina;
5.Duke Institute for Brain Sciences, Duke University, Durham, North Carolina;
6.Department of Neurobiology, Duke University, Durham, North Carolina;
7.Research and Surgery Services, Durham Veterans Affairs Medical Center, Durham, North Carolina.
編譯/審校：
馮華
中樞神經系統（central nervous system，CNS）的損傷會使患者產生毀滅性的神經功能障礙，這可能永久性地損害患者的自理能力並降低其生活質量。關於對中樞神經系統如何對損傷作出反應以及如何關鍵及時的予以幹預措施並做出反應的最新研究正在轉化為臨床應用，這些應用有能力顯著改善因脊髓損傷、中風或其他中樞神經系統疾病而導致的永久性神經功能障礙患者的預後。將這些知識轉化為實際有效的治療方法需要涉及神經外科醫生、臨床醫生、治療師、科學家和工業界之間的戰略協作。因此，對關鍵的神經科學原理共識的理解是至關重要的。從概念上講，目前中樞神經系統恢復的方法可以按尺度分為宏觀（系統迴路）和微觀（細胞分子）。在這篇論文中，我們回顧了在宏觀和微觀兩個層面上用於促進中樞神經系統恢復的新興的和成熟的原則，並探討了神經外科醫生在未來發展治療中的作用。主要原則包括可塑性驅動的功能恢復、軸突出芽的細胞信號機制、損傷後恢復的關鍵時間以及細胞替代策略的作用機制。然後，我們討論了旨在跨尺度協同幹預的綜合方法，並為未來臨床試驗設計提供依據。最後，我們認為，在功能迴路重建的宏觀框架內，微觀細胞行為的策略調控應為大多數神經修復策略提供基礎，神經外科醫生的早期介入對臨床轉化的成功至關重要。
評 論
鑑於最近的發展，假設中樞神經系統損傷後功能恢復得到改善，這篇綜述文章旨在制定微觀和宏觀原則，基於最近的數據回顧來指導中樞神經系統的恢復。目標受眾包括有興趣幫助推動這一領域向前發展的神經外科醫生。作者總結了不同的「細胞分子原理」，即轉錄因子、細胞外基質因子和幹細胞的影響，以及不同的「系統迴路原理」（宏觀）如神經元可塑性和腦機接口對中樞神經系統恢復的影響。然後，他們認為，實現功能恢復的最佳和必要方法是協同地將這兩種不同尺度的方法結合起來。這一點已被有效誘導損傷後神經元連接性而不是恢復正常功能的研究所證實。他們描述了一些有關免疫治療和行為幹預的最新進展數據。
作者最後分享了一些見解，倡導可能參與該領域臨床試驗設計的神經外科醫生跟上當前的思路。也就是說，細胞再生並不需要恢復正常的迴路水平的功能，微觀和宏觀幹預的適當組合和時機的掌控以及患者自覺參與康復努力對他們的康復來說都至關重要。
中樞神經系統（central nervous system，CNS）的損傷會使患者出現毀滅性的功能缺陷，這可能會永久性地損害患者的自理能力並降低其生活質量。從社會的角度來看，這仍然是一個巨大而昂貴的負擔[1]。儘管中樞神經系統在損傷後的第一年內有一定的恢復能力，但慢性損傷往往是悄無聲息的，並且隨著時間的推移很難有所改善[2,3]。然而，神經科學的最新進展為以前認為無法治癒的疾病帶來了新的希望[4]。例如，歷史上首次出現了新的幹預措施使慢性和臨床完全性脊髓損傷（spinal cord injuries，SCI）的患者能夠恢復一定程度的腿部[5-9]和手臂[10]的自主動作控制。此外，通過聯合免疫治療和任務型康複方案，在脊髓損傷動物模型中產生了功能性皮質脊髓束（corticospinal tract，CST）再生[11]和功能性突觸形成[12]，而在中風動物模型中，前肢活動的完全功能恢復已經得到證實[13]。總的來說，這些進展是建立在一套從實驗室轉化到臨床的新興神經科學原理的基礎上的，這也是為此類患者提供康復的第一個重要切實證據。
從概念上講，修復中樞神經系統的方法可以按尺度分為系統迴路級方法（即宏觀）和細胞分子幹預方法（即微觀）。目前正在研究的宏觀方法包括有或無神經接口[5,16]的康復模式[14,15]和電刺激策略[6-10,17-20]，目的是提高完整神經元件的興奮性，並誘導跨損傷的迴路可塑性。現代的微觀模式大部分都需要手術治療，包括細胞替代治療[21-26]（如幹細胞或胚胎細胞）、通過分子機制[27-33]、光遺傳學調節[34]、免疫治療[13,35-37]和/或增強神經營養指導[38]誘導軸突生長。新的證據表明，策略性地將兩種方法結合起來，並利用有意識的意圖重新接通受損的迴路，對於實現神經系統的完全恢復是至關重要的[4,39]。在本文中，我們回顧了關鍵的科學原理，討論了綜合方法，並研究了神經外科醫生在將這些技術轉化為臨床現實中的作用。
系統迴路原理
可塑性驅動功能恢復
在中樞神經系統損傷後的急性至亞急性期（如數天至數周），由於水腫減輕、分離解除、殘餘休眠（或恢復）且完整的功能元件的優化，常出現一定程度的自發性臨床改善情況[40,41]。進一步的恢復是通過內在的可塑性機制實現的，如從附近完整神經元的側支發芽，或通過神經遞質、離子梯度、細胞間隙連接和神經膠質細胞的變化帶來的現有突觸的動態變化[42-49]。在此期間，由於胞外神經環境具有相對疏鬆的胞外空間、更多的神經營養因子、額外開放的突觸位點和探測軸突生長錐，軸突和突觸可塑性才得以實現[33,50,51]。另一方面，神經再生對功能的恢復沒有明顯的幫助[52-54]。6~12個月後，隨著環境的穩定，進一步的臨床進展減弱[55,56]，形成具有抑制性力學性質[57,58]的膠質瘢痕，並重新表達抑制分子，如髓鞘相關蛋白（myelin-associatedproteins，MAPs）和蛋白多糖[59-62]。因此，旨在最大化恢復神經的幹預措施傾向於集中在1年前，那時是功能可塑性機制保持活躍時的關鍵時間段[63]。在此之後的努力方向通常強調加強現有迴路、增強耐久性、處理不當塑性（如痙攣和癲癇）的有害影響。
然而，最近有證據表明，即使是慢性和完全性脊髓損傷患者，也可能通過以前未開發的可塑性機制，保留一定的功能改善能力。2016年，Donati等人[5]證明，通過使用腦控制外骨骼進行廣泛的訓練，可以幫慢性和完全性脊髓損傷患者實現一定程度的康復。在此過程中，該小組首次報告了一種治療策略，該治療策略能夠將患者從慢性完全性脊髓損傷轉為不完全性脊髓損傷。最近Rejc等人[9]在2017年發表了一個類似的結果，表明廣泛的訓練結合硬膜外電刺激（epidural electrical stimulation，EES）對病變遠端的脊柱可以達到類似的持久的效果。
這些人類試驗的結果表明，在某些情況下，可能存在存活但休眠的或亞臨床類型的白質束，這些白質束在某些病例中可用於強化和可塑性誘導作用。在大多數通常由鈍性創傷性壓迫引起的脊髓損傷中，出血傾向於優先發生在中央灰質，因為其質地相對較軟和血管形成相對較多（圖1）[64]。因此，一些更具機械彈性的周圍白質束有可能保持完整（即中央脊髓挫傷）。重要的是，在脊髓損傷大鼠模型中，殘餘白質束的體積已被證明與脊髓損傷後的運動能力直接相關[65]。同時，臨床上完整的人類脊髓損傷也可能顯示出殘留的亞臨床脊髓上連接。這種損傷現在被稱為「不完全性損傷」，這表明其對上述幹預措施可能有臨床反應[66,67]。因此，外骨骼和脊髓刺激策略正在被結合起來，以幫助進一步促進運動完全性或不完全性截癱患者[8]的康復。
除了內在的脊髓可塑性外，皮質可塑性在促進這種恢復中的相對作用尚不明確。眾所周知，在長期不使用或截肢[68-71]以及直接損傷運動皮層[72]後，會發生顯著的皮層重組，這種重組往往包括以行為依賴的方式將軀體上相鄰的功能擴展到新休眠或受損的區域[72]。此外，有證據表明這種可塑性是可逆的[73,74]。因此，重新參與先前喪失的功能也有可能有助於維持或誘導皮層可塑性，以重新建立或重新生長關鍵的體感和連接性，從而提高性能（圖2）[74,75]。
旨在增強腦卒中後皮質可塑性的實驗方法包括皮層電刺激[18,76]、迷走神經刺激[77]、成對聯想刺激[即成對周圍神經和經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）][78]以及腦狀態依賴性刺激（即成對TMS和神經接口）[79]。雖然皮質刺激模式在動物模型[17,80,81]中的效果很好，但最近的一項III期臨床試驗顯示其最終的結果[19]是陰性的。然而，未來的研究可能會納入各種新的刺激方案或將各種刺激與本綜述後面討論的大量微觀幹預措施相結合。但缺乏FDA的批准仍然是此類刺激裝置的一個主要問題。然而，一種具有無線傳輸能力的可完全植入式的大腦皮層電圖（electrocorti-cography，ECoG）裝置目前正在歐洲進行腦機接口（brain-machine interface，BMI）應用的臨床試驗，但目前僅用於記錄[82]。
一起激發的神經元，會串連成一起
也被稱為赫布可塑性，放電時序依賴可塑性（spike timing-dependent plasticity，STDP）的原理，突觸的強度被重新分配，以支持同時活躍的功能相關迴路[83-85]。這一原則是幾種新的康復模式的基礎，這些模式利用神經界面和侵入性刺激策略，將目標導向的意圖與關鍵時間的反饋相結合，以促進積極的可塑性。最近的幾篇綜述[4,86,87]探討了從輔助界面到康復界面的範式轉變，圖3再現了概述這種方法的概念演變的示意圖。前一節探討的Donati等人[5]和Rejc等人[9]的實驗，他們的成功很大程度上也歸功於STDP原則的運用。因為這些系統分別將意識意圖與外骨骼和EES輔助運動結合了起來。「有意識的參與是長期功能改善的關鍵」一節也探討了重疊原則，其中討論了有意識參與的重要性。
在中樞神經系統病變的遠端，完整的神經肌肉部位可以發揮功能
脊髓損傷導致「失聯結綜合症」，即認知意圖不能再與遠端神經肌肉解剖聯繫起來。因此，從理論上講，間接的重新連接運動神經計劃以執行其預定動作可以恢復其功能。這一概念已經導致了旁路（即輔助）BMI的發展，或許是避免損傷恢復關鍵功能的方法[88]。這些策略[89,90]不一定是為了產生可塑性而設計的；然而，事實證明，通過這種BMI的長期訓練得到的改善可能部分歸因於重要的神經可塑性[73]。
恢復癱瘓肢體的方法包括遠端肌肉的功能性電刺激（functional electrical stimulation，FES）[10,91,92]和遠端脊柱的EES[6-8,88]。FES包括在神經植入物解碼的信號引導下靶肌肉電極的刺激。到目前為止，FES系統已經實現了大腦控制的三維癱瘓肢體關節特異性運動，並幫助四肢癱瘓患者自行進食[10]。另一方面，連續的EES降低了完整的遠端神經迴路的興奮閾值，使得任何亞臨床的脊髓上連接都能重新發揮其影響，並使遠端解剖的意志控制成為可能[66,67,93]。這類技術的示範實現了意志的和非意志的踏步運動、特定於任務的單關節運動，以及1例完全性和慢性脊髓損傷[6-8]患者在停止刺激後[9]能保持持續站立。為了幫助進一步發展和控制EES、FES和本體感覺刺激模式的技術，可逆性截癱的倫理動物模型也正在開展中[94]。
細胞分子原理
細胞信號可以改變軸突出芽
在成熟的中樞神經系統中，神經元不能自發再生，且由於缺乏適當的細胞外引導，軸突再生的嘗試通常都以失敗告終[95-97]。因此，改變內源性轉錄因子和再生相關基因可能為促進再生、引導和神經再支配提供藥理學解決方案[50,98-100]。迄今為止，已鑑定出幾個重要的靶點，如磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）[101,102]和細胞因子信號轉導抑制分子3[103]。此外，已知原癌基因bcl-2在防止損傷後的細胞死亡方面起著關鍵作用[104,105]。此外，生長分化因子10和生長相關蛋白43（growth-associated protein43，GAP43）在大鼠中風後的亞急性期釋放，能促進軸突生長[31,32]。此外，嘌呤核苷肌苷在脊髓損傷和中風動物模型中的應用已被證明可恢復GAP43水平並改善其行為結果[27-29,101,106,107]。
此外，外源性因素如髓鞘相關蛋白和蛋白多糖也可以阻止軸突再生，尤其是損傷後形成的膠質瘢痕[59-62]。然而，最近的證據表明，膠質瘢痕本身可能為成功的醫源性誘導再生提供了必要的重要基礎[108]。單靠清除或阻斷細胞外抑制因子通常無法實現有效的軸突再生[109,110]。有一個例外是勿動蛋白的中和作用，它是一種負性的生長調節因子[111]。在大鼠[35,112,113]和靈長類[36]脊髓損傷和中風[13]模型中，抗勿動蛋白免疫療法成功地證明了與功能恢復相關的出芽增加。可能需要外科幹預才能在醫學上向關鍵靶點提供此類治療。
複雜而重要的炎症
一些炎症成分會導致組織損傷和凋亡/壞死，另一些則會促進吞噬、碎屑清除、細胞存活和軸突出芽，這取決於損傷後的時間[101,114-118]。癌調蛋白（一種巨噬細胞衍生的生長因子）和損傷誘導的細胞因子釋放似乎在炎症誘導的軸突再生中發揮著作用[116,119,120]。傳統的抗炎療法（如非甾體抗炎藥）可能會抑制免疫應答的有益和有害成分[59,115,121]。例如，當PTEN缺失和環磷酸腺苷升高結合時，眼內炎症已被證明能使一些視網膜神經節細胞從眼睛到大腦再生受損軸突，恢復簡單的視覺反應[61]。因此，治療方法可能旨在損傷微環境中平衡細胞表型，由於小神經膠質細胞、巨噬細胞和星形膠質細胞顯現出一系列正在被積極研究中的狀態[122,123]。
細胞替代可能通過多種機制發揮作用
中樞神經系統損傷患者的康復率和程度可能存在很大差異。現在人們認識到，這種差異可能是由於大量的細胞過程，如（1）存活神經元、突觸和電路的數量和神經可塑性；（2）重組程度與神經支配；（3）樹突樹狀結構、突觸形成和再髓鞘化程度；（4）營養因子的釋放；（5）免疫細胞的活性；（6）從內源性幹細胞中產生的新的神經元、膠質細胞和內皮細胞，並將這些細胞整合到受損的神經元網絡中[124]。因此，雖然傳統的神經移植強調了神經元通過突觸連接在重建神經迴路中的作用[125,126]，但許多新的方法強調一旦實現移植，細胞來源和作用的範圍要廣泛得多（圖4）[127-130]。
雖然細胞移植在動物模型[12,131,132]中很成功，但是在人類研究中神經系統轉化的改善表明仍是困難的，因為我們對行為的基本機制仍知之甚少，並且仍有可能會發生意外的毒性[133]。在亨廷頓舞蹈病[131]和缺血性中風的動物模型中，直接注射胚胎細胞已被證明可以改善缺陷[132]，而一例人類胚胎腦源性永生化神經幹細胞治療腦卒中的Ⅰ期臨床試驗證明了安全性，並提出了一些改善神經功能的建議[134]。最近，Kodoya等人[12]在大鼠損傷部位移植同源多能幹神經前體細胞後，證明了脊髓損傷在脊髓尾端有富有活力的皮質脊髓束再生和突觸形成。類似地，從胚胎癌細胞系[135]中培養的人類神經元在一項開放標記性的Ⅰ期臨床試驗中進行了研究，該試驗顯示通過螢光脫氧葡萄糖正電子發射斷層掃描[136]可以改善歐洲卒中量表（European Stroke Scale，ESS）和代謝。然而，隨後的一項Ⅱ期隨機臨床研究顯示，儘管在Fugl-Meyer評定量表和認知功能[137]方面有所改善，但在ESS或整體運動結果方面沒有統計學上的顯著差異。
除了胚胎幹細胞或癌源性幹細胞外，還可以通過基因重組分化成熟體細胞，如成纖維細胞轉化為具有胚胎幹細胞形態和生長特性的多能幹細胞[138]。使用自體誘導的多能幹細胞有可能避免與使用人類胚胎細胞相關的免疫抑制和倫理問題。將這些細胞立體定向注射到先前缺血性卒中區域的開放性Ⅰ/2a期研究顯示，卒中量表和運動評分均有所顯著改善，此實驗為隨機對照試驗[25]。因此，除了有效性之外，未來研究的關鍵問題還包括定義可行的細胞來源、理解安全性問題、描述對內源性細胞種群的影響以及了解不同細胞系的作用機制。
綜合原則
再生≠功能恢復
僅靠強大的軸突再生和適當的連接能力並不一定能保證功能的恢復[139]。在一個例子中，Bei等人[140]能夠誘導成年小鼠視網膜軸突再生，並在上丘形成突觸；然而，這些連接並不能自行恢復視覺功能，因為新再生的軸突沒有正常的髓鞘化，所以還需要一種電壓門控鉀通道阻滯劑來使動作電位正常傳導。對於更複雜的功能，幾乎肯定需要有針對性的行為訓練來配合解剖學調整，以確保建立適當的功能連接[72]，因為並不是所有的可塑性都是有益的（如痙攣、創傷後癲癇發作和病理性疼痛）。研究小組仍然非常重視理解不同神經元群體在修復中的確切作用，以及將從結構修復到功能修復的過渡與連接。
微觀和宏觀幹預可能是協同或對抗的，時機至關重要
雖然微觀幹預可以改變細胞數量，改善細胞信號傳導，誘導軸突出芽和突觸形成，而宏觀幹預則可以加強和穩定功能迴路，以提高性能。每個範圍程度的治療都會以關鍵的方式影響對方。Wahl等人[13]可能最清楚地證明了這一原理，他們將抗勿動蛋白抗體注射到患有嚴重中風的大鼠鞘內，然後進行強化的任務特異性訓練並進行跟進（圖5）。當免疫治療和訓練同時進行時，可以看到更大的軸突出芽，但纖維分支混亂，功能狀況比不治療的時候更差（Maier等人[35]也認為如此）。這一示範說明了單純再生和功能恢復之間的區別，以及在不同尺度的幹預之間進行時間安排以穩定基本迴路的重要性。總的來說，微觀和宏觀相互作用的原理直到最近才得到嚴格的研究。這些實驗可能很難設計、執行和解釋，因為它們需要多學科的專業知識。然而，更好地理解和欣賞這種相互作用似乎對實現積極臨床影響的治療策略至關重要。
有意識的參與是長期功能改進的關鍵
在脊髓損傷大鼠模型中，首次證實了脊髓上步態控制恢復的研究之一，也證實了有意識參與神經束再生的重要性[11]。在本研究中，所有大鼠都進行了EES訓練。然而，接受被動跑步機康復訓練的大鼠並沒有恢復意志運動控制，接受目標定向任務訓練的大鼠既恢復了意志運動控制，又顯示了功能性長束再生的狀況。另外，在一項偏癱中風後康復的人類臨床試驗中，使用被動輔助機械臂運動與無輔助病人直接運動相比，改善較少[141]。意識層面究竟如何與迴路和引導的神經解剖學原理相聯繫仍然是一個謎，但它們之間有著密切的聯繫[142-144]。從臨床角度來看，這意味著患有意識障礙的患者（如昏迷或植物人患者）可能需要完全不同的治療策略，而這些策略遠未實現。這也表明，當整合到包括有意識的意圖和目標導向治療的框架中時，體外失敗的實驗也仍然可能是可行的治療方法，因此不應明確地將其排除在臨床試驗設計之外[4]。
神經外科醫生在中樞神經系統
恢復中的作用
神經外科醫生有一個獨特的機會，可以旨在恢復中樞神經系統功能的治療方法的發展中發揮關鍵作用。雖然大多數神經外科醫生每天都與患有腦腫瘤、中風、創傷性腦損傷或脊髓損傷等神經功能缺陷的患者互動，但在患者病情穩定後能夠幫助這些患者恢復功能的工具很有限。在這點上，相對於其他提供此種治療的機構，如身體上的、職業上的和語言治療師，神經外科醫生一般就要退居次要地位了。為了提高諸如BMI、FES、EES、幹細胞治療、免疫治療、藥物治療、光遺傳學和基因治療等幹預措施的效用，神經外科醫生、臨床醫生、治療師、基礎科學家、資助機構和工業界之間的合作將是必不可少的。神經外科醫生已經在「大腦之門」[10,145]和北極星神經系統科學（珠穆朗瑪峰級別的）試驗[19]中發揮了重要作用，這些技術進入中樞神經系統修復領域的進展可能為神經外科醫生提供了機會，使他們在植入穩定期之外擴大他們對這些病人的護理能力。此外，這種BMI和皮層刺激策略可能在未來的宏觀框架中繼續發揮重要作用，在這個框架中，微觀進展將得到檢驗。
神經外科醫生早期參與到中樞神經系統修復策略的制定中是至關重要的，這不僅是因為神經外科醫生對中樞神經系統損傷患者有著重要的接觸機會，有能力進行侵入性中樞神經系統手術，還因為神經外科醫生對中樞神經系統的結構和功能解剖及其對損傷和幹預的反應之間的關係也有著豐富的臨床經驗。此外，由於目前提出的任何治療方案在實現大規模實施之前都需要通過曲折的途徑獲得FDA的批准，因此神經外科醫生應儘早參與，以幫助避免人類轉化和臨床試驗設計的潛在陷阱。因此，有必要對本文中概述的轉化原則有一個基本的了解，並對治療進展的方向有一定的認識。
總 結
儘管已經有了許多科學進展，但是許多患者在脊髓損傷、中風和其他中樞神經系統疾病方面仍遭受著持續性功能缺陷。正如這篇綜述所探討的，新的幹預措施正在為更好的結果提供希望，同時利用微觀和宏觀幹預措施的戰略方法將最有可能產生重大的臨床影響。雖然諸如神經界面、FES和EES等宏觀（即系統迴路）技術已開始在人類患者中作出積極的作用，但大多數微觀（即細胞分子）治療，如細胞治療、免疫治療、分子幹預和光遺傳學仍處於體外實驗或動物模型階段，並且在臨床相關轉化方面遇到了重大障礙。為了實現這一飛躍，3個戰略性和協調性的整合原則對於未來的轉化性臨床試驗設計非常重要：（1）軸突再生本身並不能保證功能的恢復，（2）細胞和系統水平（即行為）幹預之間的時間安排至關重要，（3）意識參與在神經功能恢復中起著至關重要的作用。神經外科醫生將有機會發揮各種作用，使這種療法適應主流臨床實踐，範圍可以包括從被動的觀察者到專家技術人員或知識領袖。發揮什麼樣的作用在很大程度上取決於是否積極和早期的參與，對重要的轉化神經科學原理的理解，以及是否有合作和幫助促進臨床試驗設計的意願。
參考文獻
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