互动科普

 脊髓一旦受到严重创伤，病人就可能终生瘫痪。不过，神经科学与医学的进步，正在改变这一局面。《科学美国人》法文版邀请法国国立医学科学院与蒙彼利埃大学的科学家介绍了他们及其同行在修复脊髓方面取得的重要进展。在这篇文章里，你会看到，一些瘫痪患者的脊髓经过药物和细胞疗法后，已经开始恢复行动能力了。

然而我们尚不能确定，菲迪卡大腿功能的恢复是否得益于细胞移植，因为他在术前和术后都曾接受高强度的康复训练，这些训练可能会对疗效产生重大影响。如果想要确认细胞移植的功效，就必须进行大量的临床试验。并且，对照组的受试者除了不做手术以外，必须接受一模一样的治疗方案。但不管怎样，这个例子至少证明，联合使用细胞移植与康复训练能够治疗脊髓创伤。就目前来看，康复训练并不是治疗脊髓创伤的唯一疗法，神经元再生修复法、细胞移植法、机械外骨骼还有其他前沿技术均能为脊髓创伤的治疗带来美好前景。

一半脊髓创伤是车祸造成的

根据法国高级健康署（Haute Autorité de Santé）的数据，法国有4万名截瘫（下肢瘫痪）和四肢瘫痪的病人。脊髓创伤是造成瘫痪的罪魁祸首。2013年，一项流行病学研究对1950年到2012年间发表的脊髓创伤案例进行了荟萃分析。这项研究统计了每年新增病例的数量，发现病例增加的情况各国有所不同。在西班牙，每年每百万人口新增脊髓创伤病例为8例，法国是20例，而中国是246例。脊髓创伤的总病例数也有不同，范围在每百万人236到1 298例之间（法国是每百万人600例）。在最开始的50年里，每年新增的病例数并没有发生什么变化。然而最近20年，每年新增病例数逐年稳步上升。这是因为近几十年医疗水平的提高挽救了许多在事故中受重伤的人的生命，而在以前，这是不可想象的。

根据法国脊髓与大脑研究所（IRME）的数据，在法国，50%的脊髓创伤是车祸造成的，20%是从高处坠落的工伤造成的，10%是运动造成的（比如跳水）。在工业国家，这个数据大同小异。只有在美国，11%的脊髓创伤是由枪械造成的。

脊髓创伤会阻断大脑的运动信号向周围神经系统的传导，也会阻断后者的感觉信号向大脑的传导。低位创伤（如在胸腰椎附近）会造成下半身截瘫，而高位创伤（如颈椎附近）会造成四肢瘫痪。如果颈椎上部受到创伤，往往还伴有呼吸麻痹，此时患者需要终身或者间歇性地借助人工呼吸机辅助呼吸。有时，创伤并不会完全损坏脊髓，患者的某个手脚还保有部分运动机能，或者还能自主排尿。

20多年来，神经科学家一直想搞清楚，为什么脊髓创伤不会自行修复。终于，他们发现了一些能够改善脊髓创伤患者运动机能，甚至让他们完全康复的方法。关于脊髓创伤的研究始于19世纪末，开创这个领域的人是两位英国外科医生——威廉·索伯恩（William Thorburn）和安东尼·鲍尔比（Anthony Bowlby）。1888年，索伯恩对颈椎创伤的后果、创伤的解剖构造以及创后紧急手术产生了兴趣，并做了一系列研究。而鲍尔比则在19世纪90年代研究了脊髓创伤后神经反射的变化。他们在第一次世界大战期间就尝试治疗脊髓创伤，但并未成功。直到1945年，才出现了一个叫做路德维希·古特曼（Ludwig Guttmann）的德国神经外科医生，他对上面两位医生的分析和疗法进行了总结。在古特曼看来，对脊髓创伤实施外科手术是无效的，只有康复训练才能改善长期的预后效果。

当时，主流观点的代表人物是西班牙神经生物学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）。他曾在1914年就顿挫性再生（abortive regeneration）进行了详述。根据顿挫性再生理论，脊髓受创后，轴突开始逐渐复原，但这个过程是十分短暂且无效的。因此，当时的科学家认为，中枢神经系统（即大脑及脊髓）是无法自行复原的，并且只有两种疗法可行。第一种是紧急减压手术（urgent decompression therapy），即移除脊椎骨，减弱它对神经的压迫，以缓解水肿的程度。这种方法能在有限的范围内降低脊髓进一步受创的可能性。第二种方法就是功能复健，被认为是最重要的疗法。功能复健通过仅存的神经网络来优化机体的运动和知觉功能。

胶质细胞的重要性

直到1980年，传统观念才发生了动摇。加拿大麦吉尔大学的塞缪尔·戴维（Samuel David）和阿尔伯特·阿瓜约（Albert Aguayo）将一些外周神经（支配器官，比如皮肤的神经元）移植到一处位于脑干和脊髓之间的创口上。他们发现，即使中枢神经系统的神经元与移植物之间的距离长达3厘米，前者还是能迅速“占领”后者，将它们的轴突密密麻麻地布满移植后的外周神经元上。戴维和阿瓜约由此认为，周边环境对中枢神经系统的可塑性有关键影响。这一点后来被无数研究证实。

这项基础发现其实源于简单的观察：外周神经被切断后，把神经外膜小心地缝合起来，就会让神经纤维从损坏的轴突起始段（连接神经元细胞体的一段）开始重新生长。中枢神经系统的轴突受损后，也能重新生长，连接到移植过来的外周神经元上。也就是说，轴突所在的内环境决定了它们的自我修复过程。

在中枢神经系统中，这种内环境是由胶质细胞构成的。胶质细胞分为好几种：星状胶质细胞、小神经胶质细胞以及少突胶质细胞。每种胶质细胞都在维护神经回路方面起到了特定的作用，当神经回路受损时，每种胶质细胞的行为也会发生相应的变化。

星状胶质细胞的功能是为神经元的新陈代谢提供养分（如碳水化合物）。当脊髓受创时，星状胶质细胞会膨胀并开始分裂，最后形成一块轴突无法穿透的、严密的疤痕性保护层。小神经胶质细胞是巨噬细胞的一种，它们是神经系统的“清道夫”。在脊髓受创时，小神经胶质细胞会变形，由发散状的“毛刺球”变为便于移动的形状，以便第一时间赶到救援现场。小神经胶质细胞会大量分泌被称为细胞因子（cytokine）的小分子，其中一些能够引起炎症反应，而另一些则负责清除内环境中的抑制剂（inhibitor）。

最后，少突胶质细胞会用髓磷脂（一种脂类物质）包裹住中枢神经系统的轴突，形成电绝缘的髓鞘。当脊髓受创时，中枢神经元的轴突消失，而少突胶质细胞也会随之凋亡。那些在创口附近的少突胶质细胞就会合成一种叫做Nogo的蛋白质。2000年，瑞士苏黎世大学的马丁·施瓦布（Martin Schwab）发现了Nogo。这种蛋白质能够抑制轴突的再生。如果我们用特定的抗体将其中和，那么轴突就会再次生长。然而，灵长类动物模型显示，这种疗法的效果非常有限。并且，由于这种抗体本身并不稳定，因此临床应用条件非常苛刻，需要为创面不断给药才能保证疗效。

一言蔽之，轴突的再生并非全无可能。轴突所在的内环境是其可塑性的制约因素——内环境有时候会阻止轴突再生，有时候会刺激轴突再生。另有一项发现也支持神经可塑性理论。长久以来，我们以为成年哺乳动物的中枢神经系统不会产生新的神经元，成年阶段的神经发生（neurogenesis）是不可能的。但在1962年，美国神经生物学家约瑟夫·奥尔特曼（Joseph Altman）却发现，在成年大鼠大脑的前部，神经发生是可能的。此处未成熟的神经细胞会向嗅球移动，并在那里形成神经元。

此外，对记忆至关重要的区域——海马体中也充满了神经前体细胞（neuronal precursor）。1982年，我们发现，兔子海马体中存在神经前体细胞，它们在海马体发育成熟后，就会接入神经回路——神经前体细胞所在的部位，就是所谓的干细胞龛（niche），即集中存储了可发育为神经元的神经前体细胞的部位。和兔子一样，人类身上也有类似的部位，也存在神经前体细胞。我们在2008年发现，人类腰椎脊柱管中就存在干细胞龛。我们从死者的这个部位提取了细胞进行培养，它们后来分化成了神经元。因此，可以认定这些细胞具有转化为神经元的能力，我们只是还不知道它们能否在原处自发转化为神经元。

自此，轴突再生与成人体内的神经发生成为脊髓修复疗法的基石。这种疗法近三十年的主要发展方向是，让邻近轴突穿越创口，或者让创口内部的神经元再生。

然而，就如戴维和阿瓜约在1981发现的那样，在受创脊髓中，轴突再生的主要障碍是星状胶质细胞形成的伤疤。这种伤疤非常厚，以至于小分子都无法穿透。迅速增大及增殖的星状胶质细胞能够迅速包裹创口，形成一个由其突起所构成的“屏障”（与之类似的屏障保护着整个脑部，即血脑屏障）。这些胶质细胞的突起交织在一起，使得轴突无法穿透。

用电子显微镜观察星状胶质细胞时发现，这类细胞的突起中充满了胶质细纤维（gliofilament）。胶质细纤维是由胶质纤维酸性蛋白（GFAP）和波形蛋白（vimentin）构成的丝状物。波形蛋白通常在星状胶质细胞的发育过程中出现，但脊髓创伤也可诱发其表达。这些蛋白质构成了星状胶质细胞的细胞骨架（cytoskeleton），同时也是构成疤痕的细胞突起的主要成分。

让轴突重生

通过以上介绍，我们可以很自然地想到，治疗脊髓创伤的良方莫过于去除胶质细胞疤痕，让轴突得以再生。1995年，普利瓦的团队就曾在大鼠中试用过这种方法。他们使用化学手段削弱了星状胶质细胞对创伤的反应，让5-羟色胺能神经纤维（即可以分泌5-羟色胺的神经纤维，5-羟色胺是一种神经递质）能够再生，而这种神经纤维对传达运动指令而言非常重要。5-羟色胺能纤维是源于脑干中缝大核（raphe magnus nucleus）的一束轴突，可以释放5-羟色胺，从而激活腰椎附近负责躯体运动的脊髓神经元。在他们的实验中，接受了这种疗法的大鼠恢复了运动反射。

2003年，我们在小鼠实验中发现，抑制星状胶质细胞突起的生长，就可以让脊髓受损的小鼠的运动功能复原。实验中，我们让一些小鼠体内编码GFAP和波形蛋白的基因失活，这两种蛋白对星形胶质细胞的突起非常重要。接着，我们破坏小鼠的部分脊髓，使它的一条后肢瘫痪。接受了基因改造的小鼠在5周内就恢复了运动功能，而那些没有接受基因改造的对照组小鼠的运动功能则没有恢复。我们做了一些后续实验，仅让GFAP的基因失去活性，结果发现这样的基因改造并不能完全恢复小鼠的运动功能。

那些接受了基因改造的小鼠不会在脊髓受损处出现疤痕。并且，由于5-羟色胺能神经纤维与创口另一侧的神经元重新建立了连接，小鼠脑部与创口部位下方的运动神经元（脊髓中发出肌肉收缩指令的神经元）的连接也得以修复。这些实验给了我们很大启发，在此基础上我们设计了一种针对小鼠的基因疗法。我们制作了一些小片段干扰RNA，它们能够抑制GFAP基因的表达。我们将这些小片段干扰RNA插入已灭活的病毒中，在破坏小鼠脊髓后，将这些病毒作为载体注射到小鼠体内。我们发现，这些RNA片段在创口附近起到了和基因改造类似的效果：小鼠的运动功能部分恢复了，5-羟色胺能神经纤维重新生长，在创口附近搭起了一座轴突“桥”。虽然这些结果令人振奋，但在人体上开展临床试验之前，还必须在灵长类动物身上进行测试。

星状胶质细胞形成的疤痕并不是神经元再生的唯一障碍。星状胶质细胞会分泌多聚糖，这些分子也会阻碍轴突再生。幸运的是，一种叫做软骨素酶（chondroitinase）的蛋白质能够分解这些多聚糖。2014年，英国伦敦国王学院的卡塔琳·巴特斯（Katalin Bartus）与同事发现，为脊髓受创的大鼠注射软骨素酶，也能促使轴突再生。但是，这种酶的分解速度非常快，所以必须在创口附近不断注射才有效果。由于这个原因，软骨素酶疗法目前并没有临床应用的价值。

其他促进神经元再生的方法是在神经元再生的各个关键阶段施加药物。比如，有些疗法针对的是创伤初期，在这个阶段保护神经元，防止受损范围扩大。此时，伤处通常会伴随着严重的水肿，并释放出能够抑制神经元再生的毒素。另一些方法专注于刺激神经元再生，还有一些则试图直接从5-羟色胺能神经纤维入手，来恢复运动功能。

防止二次伤害

一些化学药物在动物实验中大放异彩，目前正在进行临床试验。但是，一些已经完成的临床试验的结果却无法令人信服。第一个神经保护疗法的临床试验测试的是一种叫做甲基强的松龙（methylprednisolone）的肾上腺皮质激素。1984年到1998年期间，美国国立急性脊髓创伤研究会（National Acute Spinal Cord Injury Study，NASCIS）的临床试验分三次进行。结果显示，甲基强的松龙没有显著效果，而且接受了这种疗法的病人还会发生呼吸道感染。除此之外，这项研究对试验结果的诠释方式也遭受了很多批评。

20世纪90年代末，法国波尔多省佩尔兰医院的文森特·波万蒂亚（Vincent Pointillart）和同事也对甲基强的松龙进行了临床试验。他们得到的结果也是一样的：这种药物并没有什么疗效。他们同时也测试了另一种名为尼莫地平（nimodipine）的药物，也没有什么效果。尼莫地平能够阻断钙离子通道，研究人员希望借助这种药物，阻止钙离子渗透进创口附近的神经元，因为大量钙离子涌入会对神经元造成伤害。

中枢神经系统受伤时，会释放出一种具有刺激性的神经递质——谷氨酸（glutamate）。谷氨酸会附着在神经元表面的受体上，导致神经元吸收大量钙离子而溶解。此后，谷氨酸又会找到下一个神经元，重复这个过程，造成一系列伤害。2000年初，法国比赛特大学附属医院的马克·塔迪耶（Marc Tadié）和同事试图在钙离子大量渗入神经元前采取措施，防止神经元受损。他们在300多名遭遇车祸的患者身上试验了一种叫做加环利定（gacyclidine）的药物，能使谷氨酸受体NMDA失活。他们希望借此防止脊髓神经元受到二次伤害。虽然车祸后的第一个月里，使用了这种药物的患者恢复情况好于对照组，但一年之后，除了那些颈椎受伤的患者外，加环利定并未显示出显著的疗效。

最后，20世纪90年代初，研究人员还在少数病人身上试验了具有抗氧化性的促甲状腺素释放激素（TRH），但结果也不理想。TRH能够中和脊髓受创时释放出的具有强氧化性的自由基。自由基是一种不稳定的分子，会抢夺附近分子的电子，或者将电子强塞给附近的分子，由此导致其他分子也变得不稳定，从而破坏细胞和组织。

那些想要刺激轴突再生的临床研究也不顺利。一种叫做GM1神经节苷脂（ganglioside）的脂类化合物本被认为具有神经保护效果，然而美国的大型临床试验却并未发现它有显著的疗效。还有一种叫做Cethrine的化合物，是ρ蛋白（会抑制轴突再生）的拮抗剂。研究人员曾在40多个病人身上对Cethrine进行初步的临床试验，结果和加环利定一样，它仅能对颈椎受创的病人起到十分有限的作用。但研究人员依然在筹划一项大型的3期临床试验来验证Cethrine的疗效。

与此相比，关于5-羟色胺能神经纤维的研究就显得顺利多了。1986年，普利瓦进行了一项研究。完全切断大鼠的脊髓后，他将未发育成熟的5-羟色胺能神经元移植到创口上。结果，他发现这种方法能够恢复大鼠的运动反射。此后对多种脊髓创伤实施的各种治疗手段证明，随意运动的恢复和5-羟色胺能神经元轴突的再生有关。这些研究说明，在药理学上，由这些轴突传递给中枢模式发生器（Central pattern generators，能够自动控制节律性运动）的神经递质5-羟色胺可能是治疗脊髓创伤的关键。比如，由于脊髓受创时，5-羟色胺无法传递给运动神经，可以采用5-羟色胺受体激动剂（能够代替5-羟色胺激活其受体的物质）作为治疗手段。2010年，加拿大的一项研究显示，脊髓受创后的一段时间内，在没有接触5-羟色胺的情况下，某些5-羟色胺受体还能自行激活（然而这种激活是非自主的，会造成肌肉痉挛）。一些以运动神经元为靶点的激动剂（例如通过植入的微型泵给药）可能会强化这种激活机制。

干细胞移植

在脊髓重建方面，另一个主要研究方向就是干细胞移植，也就是将未成熟的细胞移植到受损的脊髓上，代替凋亡的神经元以及提供养分的胶质细胞。从1999年起，胚胎干细胞移植的动物实验就已经开始了。结果令人振奋：脊髓受创的动物在接受移植后恢复了部分运动机能。然而，这种移植会造成一些令人不快的副作用——在动物和人体上进行的此类试验都会引发频繁、慢性的神经性疼痛。这可能是脊髓的异常重组导致的，也可能是一些神经疾病症状的恶化造成的，比如神经性肌肉强直（肌肉的不自主收缩）或者痛觉过敏。

2010年，我们给大鼠移植了人类胚胎神经前体细胞，但没有加重这种慢性疼痛。我们对这些前体细胞的基因做了一些改造，让它们能制造出一种神经生长因子neurogenin2（通常这种因子只在细胞分化后表达）。我们发现，不管移植的是不是改造过的前体细胞，大鼠的运动机能都得到了改善；只不过，如果移植的是改造过的前体细胞，那么效果会更为显著，并且不会加重疼痛症状。

但是，干细胞移植的首次临床试验非常令人失望。那次临床试验是在2010年末开始的，由美国杰龙生物医药公司（Geron）主导，仅仅过了一年，就因为没有任何证据能证明该疗法有效而中止了。预期接受移植的8人中，只有4人真正接受了胚胎干细胞注射。不过，最近正在进行的另一项临床试验让我们看到了希望。美国加利福尼亚的StemCells公司从2011年起在瑞士苏黎世进行试验，以验证胚胎干细胞移植的疗效，以及是否会产生副作用。2013年2月，StemCells公司发表声明称，接受了手术的3名患者中，有2名在1年后有了明显的好转。此后，该公司又增加了十几名受试者，并且在2014年5月公布了试验结果：不仅所有的患者都能耐受这种疗法，而且超过一半的患者在移植三个月后恢复了感觉功能。胚胎干细胞移植的疗效一直持续到试验结束时。目前，这种疗法正在进行2期临床试验。

除了胚胎干细胞，细胞疗法还可以利用前文提到的干细胞龛（如嗅球细胞），特别是激活脊髓中的干细胞龛。此外，诱导多能干细胞（iPS）也不失为一个可行方向。科学家可以从患者身上提取成熟细胞，诱导成干细胞后再移植回患者身上，这样就不会造成任何排异反应，更不会产生任何与胚胎干细胞相关的医学伦理问题。一些临床前试验显示，细胞移植疗法前景光明。另外，细胞移植除了能够替代凋亡的细胞外，还能为轴突再生创造良好的内环境。虽然细胞移植优点颇多，但还有一些疑问尚待解答。比如，移植哪些细胞比较好？应该什么时候移植？对于那些想要尽快恢复正常生活的患者来说，细胞移植疗法还不够成熟。为了避免加重神经性疼痛等症状，就必须要研究如何控制移植细胞的增殖、分化以及长期发育等亟待解决的问题。

目前，功能复健疗法还是占据主导地位。如果能在创伤发生后的10小时内实施上文提到的减压手术，也能起到不错的效果。此时，功能复健就能起到优化机体残存功能、降低体脂率、减少肌肉萎缩的作用。2014年，加拿大多伦多康复研究所（Toronto Rehabilitation Institute）的纳兹·卡帕迪亚（Naaz Kapadia）和同事发现，功能复健与电刺激的联合疗法能够改善病人的肢体活动，而这在脊髓部分受损时更为有效。功能复健与电刺激的联合疗法或许能激活那些在正常情况下并不活跃的、处于“休眠”状态的神经回路。

2013年，美国埃默里大学的希瑟·海耶斯（Heather Hayes）发现了一种疗效前所未有的复健法——暂时缺氧法（transient hypoxia）。这种疗法要求病人在复健阶段间断地屏住呼吸，一次维持几十秒，每天重复多次。该方法诱导产生的应激反应也有可能激活休眠的神经回路。

外骨骼

为了让脊髓受创的病人恢复自理能力，目前研究人员正在研发各种各样的自动机械装置。第一款具有这种功能的外骨骼出现在上世纪60年代，是美国通用电气公司与美国军方合作的哈迪曼计划（Hardiman）的一部分。这个计划最终流产了，因为他们开发出来的外骨骼重达700千克，完全不具有实用性。但这种笨重的设备却为现代仿生外骨骼奠定了基础。现代外骨骼一般包括机械夹板和自动化关节，使用起来就像戴着一套“盔甲”一样。它们还配备了动作传感器，能够捕捉躯干和双臂的动作，并将信号发送给用户背部的计算机。接着，这个计算机就可以根据双臂和躯干的数据来计算相应的双腿动作，并向机械关节发出指令，让外骨骼开始行走。另外，外骨骼还附有拐杖，能够增加动作的稳定性。

虽然这种外骨骼应用潜力巨大，但并不适合所有患者。因为它们的价格十分高昂（超过5万欧元，大约35万人民币），重量超过20千克，并且续航时间比较短（通常只有几个小时）。此外，使用者还必须经过长时间练习才能操作这种笨重的外骨骼。并且，外骨骼对使用者上半身以及手臂的力量有较高要求。总而言之，外骨骼并不适用于四肢瘫痪的病人。

那么，四肢瘫痪的病人该怎么办呢？他们可以将希望寄托于脑机接口。这是一种能够通过思想来控制机器的设备。借助于植入大脑运动皮层的门电极，脑机接口能以超高的时间和空间分辨率记录神经元的电活动。当受试者尝试用意志来移动手臂或双手的时候，相应的运动神经元就会放电。门电极记录到这些电活动后，会传送给相连的电脑；电脑对这些信号进行解码，然后给义肢传送对应的运动指令。另一种相似的脑机接口并不向义肢发送指令，而是直接用电刺激患者对应的肌肉。

2008年，美国匹兹堡大学安德鲁·施瓦茨（Andrew Schwartz）的团队就是用这种方法让一只猕猴通过思想来控制机械臂的。这只猕猴成功打开了门把手，还用机械臂抓住棉花糖吃了下去。2012年，美国西北大学的克里斯蒂安·希尔（Christian Ethier）和同事也用这种方法让一只前臂瘫痪的猴子重新获得了精细运动能力。实验中，这只猴子成功地抓住了实验用球。同年，施瓦茨的团队在一名四肢瘫痪的52岁女患者的运动皮层植入了门电极，她现在已经能够控制机械手来抓握物体了。2013年，另一名30岁的四肢瘫痪患者也接受了同样的手术，他现在也能控制机械手的运动。

门电极技术尚不能大量应用，因为用思维来控制义肢的方法是侵入性的。目前研究人员得到的只有一些实验室数据，并且这种疗法需要大量工程师和研究员的协作才能发挥作用。话虽如此，这些研究却是仿生植入技术的一大进步。

归结起来，未来脊髓创伤的处理方式应该是按照时间顺序对患者施以各种疗法。如初期采用神经保护疗法，后期则利用仿生植入技术，中间可以刺激和控制神经元的再生。对脊髓功能更多的深入了解也打开了神经科学其他领域的大门。作为中枢神经系统的一部分，脊髓现在已经成为一个有效的测试模型，供研究人员测试治疗其他大脑疾病的新疗法，如阿尔茨海默病、帕金森病等（患上述疾病的患者也是胶质细胞出现了异常，从而导致神经元死亡）等。