同济大学宋建人组揭示脊髓损伤后脊髓环路重建的新规律

脊髓中枢模式产生器（CPG）接受大脑下行运动命令产生有节律性的左右交替的躯体运动，脊髓损伤导致脑和脊髓运动神经环路的连接中断，运动功能丧失。如何修复执行躯体运动的脊髓CPG环路，借助于外源性运动命令进而恢复脊髓损伤后运动能力是重要的研究思路。而脊髓CPG环路在脊髓损伤后的重建规律和修复机制却鲜有报道。实验表明，哺乳动物（半切术）和斑马鱼（横断术）脊髓损伤模型中，运动功能的恢复关键依赖脊髓固有中间神经元轴突再生，将大脑下行传入和损伤前段兴奋性传递至损伤后段。作为脊髓CPG环路中同侧投射的兴奋性中间神经元，谷氨酸能的V2a中间神经元在躯体运动的节律发生中发挥重要作用。课题组前期研究表明，谷氨酸能的兴奋性中间神经元的轴突再生对脊髓环路重建和运动恢复至关重要。而以V2a中间神经元为对象，探究其轴突再生及与损伤后段神经元重建功能性突触连接的方式，是研究脊髓损伤后运动功能恢复机制的关键。

2022年10月25日，同济大学宋建人团队在Cell Reports杂志上以题目“De novo establishment of circuit modules restores locomotion after spinal cord injury in adult zebrafish”发表了研究论文。该研究系统地解析了脊髓损伤后执行快速运动的神经环路（快速V2a中间神经元模块）先形成，执行慢速运动的神经环路（慢速V2a中间神经元模块）后形成的规律，揭示了损伤后脊髓内V2a中间神经元轴突的再生规律。这一重建规律与发育模式相似，并最终决定了运动功能的逐步恢复，为未来哺乳动物脊髓损伤治疗干预提供新的依据。

研究人员采用成年斑马鱼脊髓损伤模型，对脊髓V2a中间神经元轴突再生规律进行了深入研究。首先，研究者发现脊髓损伤后部分V2a中间神经元轴突能再生穿过损伤处至损伤后段，并且V2a轴突的再生与运动功能的恢复呈正相关。进一步通过全细胞膜片钳记录发现，损伤早期（损伤后2-3 周）轴突发生再生的主要为在快速游泳中被激活的快速V2a类型；在更慢游泳速度下被激活的慢速V2a类型从损伤中、后期（损伤后4-5周至7-8周）才逐步发生轴突再生。行为学分析与上述V2a轴突再生规律相对应，在损伤后早期动物仅恢复高频运动方式应对所有游泳速度；损伤后晚期逐步恢复更加灵活的全频运动方式来应对不同的游泳速度。结合双通道膜片钳记录，进一步解析了其背后的神经环路机制。在损伤后早期，损伤前段轴突发生再生的快速V2a和损伤后段的快速和慢速V2a形成同等强度的强连接，主要建立一种快速V2a驱使的单一的快速兴奋性神经环路，从而介导高频运动恢复；损伤后晚期，随着慢速V2a轴突发生再生，这种单一的快速兴奋性神经环路调整为由损伤前段快速和慢速V2a分别驱动损伤后段快速和慢速V2a或运动神经元的模块化兴奋性神经环路，继而介导全频运动的逐步恢复（图1）。

研究人员进一步寻找可以调控这一重建规律的关键因素。通过基因测序和CRISPR-Cas9介导的基因敲除技术，研究人员发现通过干预与快速运动模块相关的蛋白Calretinin能特异性地阻碍快速V2a轴突的再生进而阻止运动功能的恢复（图2）。相反地，运动康复训练能通过促进慢速V2a轴突的再生显著加速运动功能的恢复进程（图3）。这一研究结果也解释了运动康复训练加速脊髓损伤修复的一个可能的机制。

同济大学助理研究员黄春筱和同济大学博士研究生王祯为论文共同第一作者，同济大学宋建人教授和关娜副教授为本文共同通讯作者。本研究得到同济大学医学院章小清教授的指导和支持。本研究得到国家重点研发计划、脑计划、国家自然科学基金、上海市科委重大专项、上海市自然科学基金、同济大学附属上海市第四人民医院、同济大学脑与脊髓临床研究中心、同济大学医学院脑功能与人工智能转化研究所等资助。