脑干通路发现为中风疗法开启新靶点

神经控制的意外层次

加州大学河滨分校的研究人员发现了一个以前被忽视的神经连接网络,在控制手和臂部运动中发挥关键作用。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的发现表明,控制自主手部运动的信号不仅直接从大脑传递到脊髓,还通过脑干中的中继中心和脊髓最上端传递。

这一发现推翻了神经科学中的一个长期假设:手的精细运动控制几乎完全由从运动皮层到脊髓的直接神经通路(称为皮质脊髓束)管理。虽然这条直接通路确实至关重要,但新发现的脑干中继网络似乎比以前认识的更重要,特别是在协调人类特有的复杂抓握、握持和操作运动中。

位于大脑额叶的运动皮层是自主运动的主要控制中心。当你决定拿起咖啡杯时,运动皮层中的神经元会放电,沿着皮质脊髓束(一束从皮层穿过脑干进入脊髓的神经纤维)向下发送信号,在脊髓中与激活手和臂肌肉的运动神经元相连接。

这条直接的皮质脊髓通路已被广泛研究和充分理解。加州大学河滨分校团队发现的是,一条平行的间接通路也传导重要的运动指令。在这条替代路线中,来自运动皮层的信号首先传往脑干中的中继站,特别是网状结构(一个涉及觉醒、注意力和运动协调的复杂神经元网络)中。从这些中继站,信号通过单独的神经纤维束转发到脊髓。

间接通路并不仅仅复制直接通路。研究人员发现它传导不同类型的信息,并在调节握力、协调多手指运动和调整持续操作任务中的手部姿势方面似乎发挥特别重要的作用。

这一发现对中风康复有直接意义。损害运动皮层或皮质脊髓束的中风经常导致手部功能严重丧失,这是中风最具致残性的后果之一,也是最难以恢复的。目前的康复方法主要集中于皮质脊髓束,试图加强幸存的直接连接或促进新连接的生长。

脑干中继通路的发现表明了一个替代策略。如果在损害直接皮质脊髓束的中风后间接通路保持完整,它可能被动员以部分恢复手部功能。康复锻炼和神经刺激技术可以专门设计来激活和加强脑干中继连接,为运动指令提供到达手部的平行路线。

脑干在解剖学上与皮层不同,由不同的血管供应,这意味着影响皮层区域的中风不一定会损害脑干中继。这种解剖学上的分离使间接通路对直接皮质脊髓连接已被破坏的患者成为特别有希望的治疗靶点。

研究团队使用了高级神经影像、电生理记录和解剖追踪技术的组合来详细映射脑干中继网络。他们采用高分辨率扩散张量成像来可视化连接脑干与脊髓的纤维通路,并使用靶向电刺激来证明激活特定脑干区域会产生可测量的手指和手部运动。

他们发现的特异性水平令人惊讶。脑干中继网络中的不同区域对应于手部控制的不同方面,一些区域更多涉及握力,而其他区域涉及手指分化(独立移动各个手指的能力)。这种拓扑组织表明,脑干中继不是一个粗糙的备用系统,而是一个具有自身功能架构的复杂控制网络。

这些发现还阐明了灵长类动物手部灵巧性的进化。直接皮质脊髓束在人类和大猿中特别发达,其扩展长期以来被认为是使灵长类手部功能与其他哺乳动物有区别的关键神经适应。

然而,脑干中继通路在进化上更为古老,存在于多种脊椎动物中。该研究表明,脑干系统不是被直接皮质脊髓束所取代,而是与其一起被采用和完善,创建了一个双通路架构,既提供了直接皮层控制的精确性,又提供了脑干中继的整合能力。

这种双架构可能有助于解释为什么在皮层中风后手部功能有时会部分保留。临床医生长期以来一直观察到,尽管皮质脊髓束损伤广泛,一些中风患者仍能恢复令人惊讶的手部功能。脑干中继通路可能解释了这种残留能力。

加州大学河滨分校团队现在正在研究脑干中继通路独立于皮质脊髓束能够支持多少手部功能。如果间接通路本身能维持有意义的手部运动,它将为有针对性的康复方案和可能的神经刺激疗法打开大门,这些疗法特别针对这个网络。

正在计划与临床研究人员的合作,以测试脑干靶向干预是否能改善未能对传统康复做出反应的中风患者的手部功能。研究人员还在调查脑干通路是否在其他影响手部功能的疾病中发挥作用,包括脊髓损伤和神经退行性疾病。

这一发现提醒神经科学界,即使是研究充分的系统(如运动控制)也可能隐藏惊喜。人类神经系统的复杂性继续超过我们对它的模型,每一项新发现都为患有运动障碍的数百万人打开了潜在的治疗途径。

本文基于Medical Xpress的报道。阅读原文。