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脊髓损伤（SCI）破坏了大脑到脊髓中负责步态区域的神经投射，这将导致不同程度的瘫痪。近期，一项研究旨在识别能够促进不完全脊髓损伤后步态恢复的大脑区域，并探索这些区域是否可以作为靶点进行治疗，以增强步态恢复。为此，研究者构建了一个跨时空的大脑广泛图谱，分析了不完全SCI后支持步态恢复的神经元。相关成果于2024年12月2日发表于《Nature Medicine》期刊上。 全脑时空图集 首先，研究学者探讨了脊髓损伤（SCI）后大脑参与步态自发恢复的机制。实验聚焦于外侧半切SCI小鼠模型，使用三维成像技术（iDISCO+与CLARITY）来标记并分析大脑中与步态恢复相关的神经元活性（图1a-c）。cFos作为神经活动的标记，用于识别在不同恢复阶段（急性和长期）的大脑区域（图1d）。 随后，将小鼠的大脑与Allen大脑图谱对比，量化了1,111个区域中cFos阳性细胞的数量，并探索哪些大脑区域与步态恢复相关。时空大脑图谱的分析结果发现，步态恢复的关键区域位于外侧下丘脑（LH），见图1f-h。  LHVglut2神经元在脊髓损伤后增强步态恢复 LH的神经元主要分为两类：表达兴奋性神经递质Slc17a6（Vglut2）或抑制性神经递质Slc32a1（Vgat）。研究者采用光遗传学方法选择性激活这两种神经元亚群，来探讨不同类型的神经元在步态恢复中的作用。具体而言，向Vglut2Cre和VgatCre小鼠的LH注射腺相关病毒（AAV），病毒通过Cre依赖方式表达通道发光素，从而在LH区域用蓝光激活相应神经元（图2a-c）。 结果发现，光激活LHVglut2神经元能够显著促进步态恢复，尤其是对脊髓损伤后仍存在步态缺陷的小鼠。增加光刺激频率可以增强步态的恢复效果，甚至引发强力跳跃。但是，激活LHVgat神经元则没有明显影响。光抑制LHVglut2神经元会破坏步态的产生（图2d-f）。结果表明LHVglut2神经元在不完全脊髓损伤后对步态恢复至关重要。
Fig2. a. LHVglut2神经元光遗传激活实验概述。b. 有无光刺激的小鼠步态时序摄影。c. 步态通过主成分分析定量。d. LHVglut2神经元光遗传抑制实验概述。e. 光遗传抑制实验，与b相同。f. 光遗传抑制步态实验，与c相同。 LH通过中继通路增强步态 随后，研究者进一步探讨了激活LHVglut2是否能改善更具临床相关性的挫伤型SCI模型中的步态恢复。解剖学研究发现，LHVglut2神经元与腹侧巨细胞核（vGi）的神经元建立了突触联系（图3b）。因此，研究者对LHVglut2→vGi神经元的活动进行交叉遗传学的操控，结果表明，激活这一神经回路能够显著改善挫伤SCI小鼠的步态（图3d,e）。 为了进一步验证vGiVglut2神经元是否在步态改善中起关键作用，研究者通过抑制vGiVglut2神经元的活动，发现这种抑制会抑制步态的改善，这进一步证实了LHVglut2神经元通过vGi神经元传递信息来改善步态。总体而言，结果表明通过激活LHVglut2神经元，能够改善挫伤SCI后的步态恢复，尤其是依赖于间接的神经中继通路。
Fig3. a. 挫伤SCI小鼠全CNS可视化，LHVglut2神经元（红）与vGi区脊髓投射神经元（白）。b. 3D视图显示LHVglut2神经元与vGi神经元的突触接触。c. 激活LHVglut2神经元投射到vGi神经元的实验方法概述。d. 有无光刺激的小鼠步态时序摄影。e. 步态通过主成分分析定量。 DBSLH立即并持久改善步态 之后研究人员推测，通过深脑刺激（DBS）激活下丘脑（LH）能够显著改善脊髓损伤（SCI）后步态，即DBSLH疗法。对此，研究人员将DBS电极定位到大鼠的LH进行测试（图4a,b）。结果发现，DBSLH有效激活了LH中的细胞，且DBSLH能够立即增强步态功能，并且在结合机器人辅助康复的8周治疗中，能够促进步态的持久改善（图4d,e）。 此外，DBSLH能够特异性地激活LH中的LHVglut2神经元，改善SCI大鼠的步态，这种改善在小鼠模型中也得到了验证。研究还开发了一种立体定向手术方法来精准植入DBS电极，并发现DBSLH不仅立即改善步态，还通过增加刺激幅度提升步态速度。总之，这项研究表明，DBSLH是一种有效的策略，可能为SCI后步态恢复提供新的治疗方法。
Fig4. a. 全脑可视化及DBSLH位置和追踪策略，观察LH神经元投射到vGi。b. 有无DBSLH的小鼠步态时序摄影。c. 步态通过主成分分析定量。d. 结合DBSLH的结构化康复步态摄影。e. 结合DBSLH的结构化康复实验，与c相同。f. 显示vGi投射（AAV5-hSyn-eGFP）在结构化康复大鼠腰脊髓的代表性光学显微照片。g. 线图显示腰灰质中轴突密度。h. 定量vGi投射（g图）在腰脊髓中的分布，结合DBSLH与否的康复。i. 显示vGi轴突投射密度增加，作用于Vsx2表达神经元。j. 定量接收vGi投射的Vsx2神经元。 DBSLH增强人类步态功能 接下来，研究者探索了DBSLH作为治疗策略在长期脊髓损伤（SCI）人类患者中的潜力，尤其是对步态恢复的影响。首先，研究者通过功能性磁共振成像（fMRI）发现，在健康人类进行步态类似的运动时，下丘脑（LH）会被激活（图5a），这为DBSLH在SCI患者中的应用提供了理论支持。 为了进一步验证DBSLH的有效性，研究招募了两名长期不完全SCI患者，并对其进行术前解剖和弥散张量成像（DTI）数据分析，以确定DBS电极的最佳放置位置（图5b,c）。术中，通过神经外科手术植入DBS电极，并监测LH的神经元活动（图5d），观察到刺激下肢时，患者有了立即的感觉反应（图5e,f），如“有想移动腿的冲动”。通过术后电极映射和计算机模拟优化电极配置，最终最大化了LH激活，最小化电流扩散到其它脑结构。
Fig5. a. fMRI显示21名健康参与者在运动任务中，LH及其他皮层和皮层下区域的活动。b. SenSight电极双侧置入两名不完全SCI参与者的LH中，连接至Medtronic Percept脉冲发生器。c. 第一个参与者LH纤维投射的DTI重建，用于指导DBSLH电极定位。d. 第一个参与者的电极位置通过术后CT重建，并模拟DBSLH电场。e. 记录第一个参与者在有无DBSLH的步态时序及肌电图（EMG）活动。f. 左：进行6分钟步行测试，无DBSLH与开启DBSLH。中：定量两位参与者的肌肉活动。右：根据主成分分析定量两位参与者步态。 DBSLH刺激在患者体内立即增强了下肢肌肉的活动，并通过随后的结构化康复计划，显著改善了行走能力和耐力。在康复过程中，患者的步态表现有了持续性提高，即便在DBSLH关闭后，步态的改善依然显著，且超过了研究起始时的状态。最终，两位参与者都达到了各自的康复目标，包括无需矫形器行走和独立上下楼梯（图6a-c）。
Fig6. 两位参与者在DBSLH辅助下康复后达成目标。第一位目标是独立行走，第二位目标是独立上下楼梯。b，展示了康复前后及开启DBSLH后的下肢运动评分变化。c，柱状图显示了6分钟和10米步态测试的变化。 讨论 此研究揭示了下丘脑中的谷氨酸能神经元LHVglut2在促进不完全脊髓损伤（SCI）后步态恢复中的重要作用。LHVglut2可以通过深脑刺激（DBSLH）进行靶向治疗，从而增强长期不完全SCI患者的神经恢复。且LHVglut2→vGi神经环路在此过程中发挥了重要的作用。DBSLH治疗不仅增强了这些神经投射的密度，还促进了步态恢复的显著改善。研究采用了多种解剖学、光遗传学、影像学和计算方法，成功制定了一个时空SCI恢复图谱，发现LH在步态恢复中的未被充分认识的关键角色。 研究还强调，SCI不仅影响脊髓损伤部位，还会破坏大脑及脑干等其他区域的神经群体，因此神经调控疗法通过激活大脑和脊髓中的步态相关区域，成为有效的治疗策略。尽管初步的临床试验未发现严重不良事件，但由于DBSLH靶向的是保留的下行投射，因此并非所有SCI患者都会受益。未来的研究需要进一步评估其安全性和疗效，并确定适合的患者群体和治疗框架。 仅用于学术分享，若侵权请留言，即时删侵！
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