颈椎半切开术对脊柱组织氧合的影响以及膈、肾和内脏交感神经活动的长期促进

研究简介:本研究主要聚焦于C2脊髓半切（C2Hx）对大鼠脊髓组织氧合、膈神经（phrenic nerve）和交感神经活动的长期影响，特别是在中度急性间歇性缺氧（mAIH）诱导的呼吸和交感神经可塑性方面的作用。mAIH已被证实能在正常大鼠中诱导膈神经长期增强（pLTF）和交感神经长期增强（sympLTF），但其在C2脊髓损伤（cSCI）后的效果尚不明确。已有研究表明，脊髓损伤后，脊髓组织低氧可能影响pLTF的形成，但目前尚无研究探讨C2Hx对sympLTF的影响。本论文研究了成年雄性Sprague-Dawley大鼠，包括完整组、部分C2Hx组（单一切片）和完全C2Hx组（切片加约1mm抽吸）。C2Hx后2周，大鼠被麻醉并准备记录双侧膈神经活动和脊髓组织氧压（PtO2）。在完整组和完全C2Hx组的大鼠中记录了内脏和肾交感神经活动。C2Hx后，靠近膈神经运动神经元的脊髓PtO2降低，完全损伤的影响比部分损伤更为显著。基线PtO2与平均动脉压呈正相关。完全C2Hx损害了同侧但不是对侧的pLTF。部分C2Hx对同侧pLTF没有影响。在完整大鼠中，mAIH诱导了内脏和肾sympLTF。完全C2Hx对基线同侧内脏或肾交感神经活动影响最小，且对肾sympLTF没有影响，但内脏sympLTF受损。更大的组织低氧可能损害了C2Hx后的pLTF和内脏sympLTF，尽管肾sympLTF得以保留。mAIH后交感神经活动的增加可能对慢性SCI患者有治疗益处，因为预期的系统性血压升高可能抵消SCI患者常见的低血压。本研究为理解C2Hx对呼吸和交感神经可塑性的影响提供了重要见解，并为mAIH在SCI治疗中的应用提供了科学依据。

Unisense微电极分析系统的应用

Unisense微电极被用于测量脊髓组织氧分压（PtO2）。研究中使用了50μm直径的Unisense氧微电极，这种微电极能够精确测量组织中的氧分压。微电极被安装在微操纵器上，并插入到左侧膈神经运动核附近。这一位置的选择是为了确保能够准确测量与膈神经活动相关的脊髓组织氧合情况。在实验过程中，微电极信号以1 Hz的频率采集，并通过两点校准（在37°C的生理盐水中，分别用21%氧气和无氧溶液校准）转换为mmHg单位。信号经过10秒平滑处理，用于量化基线（1分钟平均值）和每次mAIH发作期间（5分钟最低值）的脊髓PtO2。

实验结论

脊髓血流量、氧气输送和PtOare在C2Hx后2周受到损害，降低了mAIH暴露期间脊髓PtO的最低点，类似于患有慢性C2Hx的大鼠。尽管脊髓组织缺氧的机制尚不完全清楚，但它们可能反映了由全身性低血压与周围细胞毛细血管收缩（基于对5-HT1B受体拮抗作用的反应）引起的脊髓氧输送受损。mAIH诱导的同侧pLTF能力下降，但不是损伤对侧，可能是由于C2Hx后此时血清素能神经支配丧失。缺氧诱导的腺苷释放更大。相比之下，根据损伤后肾功能的其他发现，mAIH（基线常氧）足以在完整的大鼠中引起内脏和肾脏症状LTF，在C2Hx后2周引起大鼠的肾症状LTF。

图1、A)用甲酚紫染色的代表性40μm切片，以评估部分或完全颈脊髓半切开术（C2Hx）后两周的病变严重程度。B）显示终末神经生理动物准备的示意图，同时记录了完整的C2Hx大鼠的膈肌运动池附近/内的脊髓组织氧合，双侧膈神经活动，内脏和肾交感神经活动。

图2、脊柱C2半切（C2Hx）后两周，基线和中度急性间歇性缺氧（AIH）发作期间膈运动核附近的脊髓组织氧压（PtO）受损。A)mAIH期间所有完整，部分C2Hx和完整C2Hx大鼠的脊髓PtO平均痕迹。B-D)脊柱PtOat基线，分别在第一次缺氧发作期间和三个缺氧发作的平均值。单因素方差分析在面板上产生p值。

图3、基线时的脊髓组织氧压（PtO）与脊柱C2半切术（C2Hx）后动脉压水平之间的关联。A)考虑所有实验组的数据，平均动脉压和脊髓PtOat基线之间的线性回归。B)用5-HT1B受体拮抗剂（注射时间用箭头表示）静脉内（静脉注射;1mg/kg）治疗的完整C2Hx大鼠的代表性脊髓氧分压（上）和搏动动脉压痕迹（下）。C）注射5mL异淀粉静脉注射以提高动脉压的完整C2Hx大鼠的脊髓氧分压（顶部）和搏动动脉压痕迹（底部）。

图4、完全性脊柱C2半切断术（C2Hx完全性）两周后，损伤同侧未观察到膈长期易化（LTF）。A）完整大鼠（灰线）、部分C2Hx大鼠（蓝线）和完全C2Hx大鼠（黑线）中度急性间歇缺氧（AIH）方案下的平均左膈破裂峰值幅度迹。B）各实验组左膈破裂峰值振幅平均值基线及术后60min平均值的标准误差。统计学比较采用混合效应模型，并采用Tukey两两校正。C)从基线到MAIH后60分钟期间，膈肌爆发峰值振幅的组间变化。

图5、膈肌长期促进作用（LTF）在脊髓C2半切（部分和完全C2Hx）两周后损伤侧得以保留。A）在完整（灰色线）、部分C2Hx（蓝色线）和完全C2Hx大鼠的中度急性间歇性缺氧（AIH）实验中，平均右侧膈肌爆发峰值振幅曲线。B）实验组在基线和60分钟后中度急性间歇性缺氧（mAIH）期间右侧膈肌爆发峰值振幅的平均积分值±平均标准误差。C）膈肌收缩波的总体变化量从基线到60分钟的峰值振幅MAIH后。

结论与展望

本研究深入探讨了C2脊髓半切（C2Hx）对大鼠脊髓组织氧合、膈神经（phrenic nerve）和交感神经活动的长期影响，特别是在中度急性间歇性缺氧（mAIH）诱导的呼吸和交感神经可塑性方面的作用。C2Hx后2周，靠近膈神经运动神经元的脊髓组织氧分压（PtO2）显著下降，且这种下降与损伤的严重程度相关。完全C2Hx的影响比部分C2Hx更为显著。此外脊髓PtO2与平均动脉压呈正相关，表明低血压可能是导致脊髓低氧的一个重要因素。完全C2Hx后，损伤侧（ipsilateral）的pLTF受损，而对侧（contralateral）的pLTF则不受影响。部分C2Hx对ipsilateral pLTF没有显著影响。这表明脊髓低氧和5-羟色胺能神经支配的丧失可能是导致ipsilateral pLTF受损的原因。在完全C2Hx的大鼠中，mAIH后60分钟，呼吸相关的交感神经活动显著增强，表明呼吸-交感耦合增强。这一发现可能对理解SCI后的自主神经功能变化具有重要意义。本研究研究了大脑信息处理过程中能量供应的核心机制，挑战了"神经元活动初期依赖糖酵解供能"的传统观点。通过海马体切片实验，研究人员验证了氧化磷酸化（而非糖酵解）是突触前动作电位、神经递质释放、突触后电流和动作电位等关键神经活动的主要能量来源。本研究首次整合Unisense O?电极、NADH成像和场电位记录，实现多参数代谢-电活动同步分析。通过Clark型玻璃微电极实现10μm空间分辨率，实时监测刺激诱发的O?浓度动态变化。这一发现对理解脑功能成像（如BOLD信号）的生理基础具有重要意义。本颠覆了“糖酵解先供能”的传统教条，为理解大脑信息处理的能量供应机制、解释BOLD-fMRI信号生理基础提供了直接实验依据。

丹麦Unisense微电极可穿刺水体、动物组织、生物膜、颗粒污泥、植物根茎叶、液体-固体扩散边界层，研究微区、微生态的研究系统，微电极穿刺系统可穿刺检测动植物组织器官/沉积物/水/土壤/底泥/生物膜/颗粒污泥等不同深度的nM级O₂、NO、N₂O、H₂S、H₂、pH、氧化还原电位、温度等指标变化。unisense微电极尖端最细可达几微米，不破坏被测点微环境，无损伤。