科学家发现瘫痪后可恢复行走功能的神经元

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导语

       协调行走的神经元位于腰椎脊髓中。为了实现行走功能，大脑通过从脑干级联的下降通路广播命令以激活这些神经元。严重的脊髓损伤（SCI）阻断该通信系统使得神经元失去功能，导致永久性瘫痪。

研究背景

       严重的脊髓损伤（SCI）影响患者的各项功能，虽然位于腰脊髓的神经元不会因损伤而直接受损，但重要的脊髓上指令的耗尽使其失去功能，其结果是永久性瘫痪。一些研究表明，腰脊髓时空硬膜外电刺激（EES）可以立即激活腰椎脊髓中的非功能神经元，使瘫痪患者能够行走，即使在关闭刺激时也是如此。这项研究显示了在神经康复期间应用的腰脊髓时空硬膜外电刺激恢复了9名慢性脊髓损伤患者的行走。这种恢复涉及人类行走过程中腰椎脊髓神经元活动的减少。研究假设这种意外的减少反映了特定神经元亚群的活动依赖性选择，这些亚群在脊髓损伤后对患者行走至关重要。

为了识别这些假定的神经元，研究人员模拟了小鼠EESREHAB的技术和治疗特征，并将单核RNA测序和空间转录组学应用于这些小鼠的脊髓，以绘制瘫痪恢复的空间分辨分子图谱。然后，采用细胞类型和空间优先级来识别参与步行恢复的神经元。出现了嵌套在中间层内的单个兴奋性中间神经元群。尽管这些神经元在脊髓损伤前不需要行走，但该研究证明它们对于脊髓损伤后EES行走的恢复至关重要。增强这些神经元的活动会使EESREHAB能够恢复行走，而消融这些神经元会阻止中度脊髓损伤后自发发生的行走恢复。因此，研究人员最终确定了一个恢复组织神经元亚群，这对于瘫痪后恢复行走是必要的，也是足够的。此外，还建立了一个使用分子制图来识别产生复杂行为的神经元的框架。

研究内容

1、EESREHAB重塑人类脊髓

       首先测试了EESREHAB是否能在大量SCI患者中恢复行走，以及这种恢复是否涉及腰椎脊髓的重塑。九名患者参加了次人体临床试验“地面刺激运动”（STIMO），旨在确定EESREHAB的安全性和可行性，以改善慢性SCI患者的步行恢复。

图 1  实验设计

2、EESREHAB重塑小鼠脊髓

       小鼠接受了严重的胸中段挫伤，该挫伤复制了人类SCIs最常见的病理生理学。病毒介导的神经元束追踪结合CLARITY优化的光片显微镜显示，损伤下方皮质脊髓束纤维完全中断，谷氨酸能网状螺旋体纤维明显耗尽。SCI导致永久性瘫痪。

3、行走的分子制图

      首先使用单核RNA测序（snRNA-seq）来描绘小鼠的腰椎脊髓。我们设计了一系列八种实验条件，这些条件捕捉了EESREHAB的关键治疗特征。

图 2  八种实验条件概述，这些条件反映了EESREHAB的关键治疗特征

4、识别恢复组织神经元

      利用这张完整的腰椎脊髓图谱来识别EESREHAB参与和重塑的神经元亚群。

图 3  识别恢复组织神经元

研究结论

       本研究发现EESREHAB恢复了9名慢性SCI患者的行走并改善了他们的神经状态。这一恢复证明了EESREHAB对大量SCI后出现神经功能缺损的患者的治疗效果，从而为该疗法的临床应用开辟了道路。

这种恢复主要包括行走过程中腰椎脊髓神经元活动的意外减少。为了理解潜在的机制，研究人员开发了一个临床前模型，该模型概括了EESREHAB在人类中的关键治疗特征，包括神经元活性的降低。

       这些结果证明了SCVsx2:：Hoxa10神经元在协调瘫痪恢复中的重要作用。理解每个神经元亚群对复杂行为（如行走）的贡献是神经科学的一个基本挑战。本研究描述了利用比较单细胞基因组学来限制扰动响应的细胞和空间起源的无偏方法。Augur和Magellan在单核和空间转录组中的应用提供了一个通用的框架，可以根据任何生物刺激对任何生物组织中的细胞亚群进行优先排序。