评估大鼠单侧颈脊髓半切除术后真膈肌活动的功能恢复

美国有超过 300,000 名脊髓损伤 （SCI） 患者，其中约一半患有颈椎损伤¹。这些伤害会导致重大的福祉损失，并给个人、他们的家庭和医疗保健系统带来经济压力。幸运的是，大多数 SCI 是不完整的——为加强备用途径提供了潜力¹。这种神经可塑性可能允许至少恢复一些功能，包括 DIAm 活性，这对通气和非通气行为很重要。因此，促进神经可塑性是帮助 SCI² 患者的一种有前途的研究途径。

SCI 的啮齿动物模型有可能为发现改善人类健康的治疗方法做出重大贡献。用于研究神经可塑性的经典 SCI 模型之一是脊髓在 C₂ （C₂SH） 的单侧横断（半切），它使对侧完好无损 ^{3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13}。C₂SH 对膈输出的影响和保留对侧通路的重要性于 100 多年前由 Porter¹² 首次揭示，他的开创性文章为现代呼吸神经可塑性研究奠定了基础。C₂SH 模型中断了延髓中喙腹呼吸组 （rVRG） 的下降输入，该组包含负责传递呼吸节律产生输出的前运动神经元¹⁴。这些 rVRG 前运动神经元还将兴奋性神经驱动传递给膈运动神经元（图 1）。几位研究人员对 C₂SH 模型^{10、11、15、16} 采取了不同的方法，这可能部分解释了不同研究之间恢复的一些差异。简而言之，方法在保留背侧装置、进行完全半切或进行不完全中断同侧 rVRG 的下行输入的外侧部分横切方面有所不同。通常，C₂SH 模型对于研究呼吸神经可塑性特别有用，因为常呼吸 iDIAm 肌电图 （EMG） 活动的自发恢复率随时间推移而发生，这可以通过几个因素来改善，包括神经营养信号传导 17,18,19,20,21.然而，在明确分类恢复之前，必须首先确定初始功能丧失（定义为 eupneic iDIAm EMG 活动的沉默）。在一些研究中没有对 C₂SH 时不活动进行这种验证 3,4,6,7,11,22,23。

切除脊髓的组织学评估仅提供支配脊髓中膈运动神经元的同侧兴奋性球脊髓通路适当位置受损的证据，但组织学并不能替代生理学证据（例如，诊断肌电图）。此外，组织学评估是在终末时间点（通常在受伤后数周至数月）离体进行，因此不提供“实时”信息。一些研究人员指出，病变的大小与功能缺陷或缺乏功能缺陷的数量有关5,24,25,26。需要注意的是，这种说法的有效性可能在很大程度上取决于 “功能 ”的分类方式（即，功能任务是什么以及如何量化），而研究的差异突出了在动物之间产生功能相同的病变的困难。事实上，研究人员已经强调，损伤程度与肢体肌肉运动功能（由 Basso、Beattie 和 Bresnahan （BBB） 评分²⁴ 量化）之间的关系不是线性的^27,28。在以前的研究中，我们发现 C₂SH 的范围与受伤后 iDIAm EMG 活动的恢复程度之间没有关系 10,29,30,31，尽管其他研究人员报告了通气功能与白质保留程度之间的关系⁵。因此，在 C₂SH 模型的情况下，在手术时对 iDIAm 不活动进行功能验证的方法，最好是在慢性脊髓损伤实验的时间过程早期，既有益又必要。

本文强调了使用 DIAm EMG 实时确认 C₂SH 后呼吸过程中 DIAm EMG 的初始损失，以及在受伤后 3 天（第 3 天）进行的后续确认评估^{18、21、31、32、33}。在早期使用 C₂SH 模型的工作中，进行了重复剖腹手术以记录 DIAm EMG^{10、13、30、34}。然而，最近的工作使用了慢性 EMG 电极，它允许记录麻醉和清醒大鼠的 EMG。此外，慢性电极可降低气胸的风险，并且不需要重复剖腹手术，这可能导致 DIAm^35,36 的抑制。尽管许多研究人员已经使用了 C₂SH 模型的版本，但在手术时尚未确认 iDIAm 活性的沉默 ^{3,4,6,7,11,22,23}。如果没有这种不活动的确认，就很难知道随后恢复的哪一部分归因于同侧和对侧通路的神经可塑性，这可能会产生不同的影响。这是一个重要的考虑因素，因为从 rVRG 到膈运动神经元的吸气神经驱动主要是同侧的，在 C₂SH³³ 之后，大约 50% 的兴奋性谷氨酸能输入丢失到膈运动神经元。然而，来自对侧 rVRG 的剩余吸气兴奋性输入在病变部位以下，以支配同侧膈运动神经元，并且可以通过神经可塑性加强以促进功能恢复。通过去除膈运动神经元的主要同侧兴奋性输入，肾 iDIAm 肌电图活性丢失（至少在麻醉下），而 cDIAm 的活动继续甚至增强。因此，呼吸过程中 iDIAm EMG 活动的损失是衡量 C₂SH 成功的指标（图 2）。

在清醒的动物中，早在 C₂SH 后 1-4 天就存在一定水平的 iDIAm EMG 活动^23,37。此外，在消化动物中，iDIAm 活性在上宫颈半切术后几分钟至数小时内出现，并被麻醉抑制³⁸。此外，通过确认受伤后第 3 天麻醉大鼠呼吸期间 （eupnea） 不存在 iDIAm EMG 活动，验证了 C₂SH 的成功。共聚焦成像研究证实，在损伤的初始阶段，膈运动神经元上的谷氨酸能突触输入丢失³⁷。在受伤后第 3 天，如果有任何残留的 eupneic iDIAm EMG 活动，这被解释为同侧吸气下降驱动未完全从 rVRG 中去除的证据。本文分为三个部分：（1） 慢性 DIAm 肌电图记录，（2） C₂SH 和 （3） 清醒和麻醉动物的 EMG 数据采集。该方案描述了大鼠 cSCI 的严格、可重复和可靠的 C₂SH 模型，这是研究呼吸神经可塑性、代偿性 cDIAm 活性以及治疗策略和药物的绝佳平台。