运动训练促进脑卒中后神经可塑性的机制研究

2021-12-05胡昔权

中山大学学报(医学科学版) 2021年4期

胡昔权

（中山大学附属第三医院康复科，广东广州 510630）

中国是全世界脑卒中发病率最高的国家之一。以脑梗死为代表的缺血性卒中占全部卒中的75%～80%。早期静脉溶栓及血管内治疗因受时间窗及救治条件的限制，仅使小部分患者受益。神经保护药物也未能在脑梗死恢复期的治疗中显示出明确疗效。卒中存活患者中70%～80%遗留有不同程度的神经功能障碍，包括运动障碍、言语障碍、认知障碍、吞咽障碍等，严重影响患者的日常生活活动能力，给个人、社会及家庭带来沉重的负担。因此，卒中患者的康复治疗非常重要。

运动训练是脑卒中康复治疗的主要手段。我们及他人的研究均证实，运动训练可以促进脑卒中后神经功能的恢复［1-9］，其机制普遍认为与神经可塑性有关，但运动训练促进脑卒中后神经可塑性的具体机制尚未完全明确，运动训练的作用可能与以下因素有关：运动训练减少脑梗死动物的梗死体积，减轻脑水肿［1］；引起血流动力学变化，改善脑部血供，促进血管新生，修复血脑屏障［9-10］；增加脑内神经营养因子生成，促进突触超微结构的修复，促进神经细胞新生或突触重塑［2-4，6，11］；抑制神经炎症，改善梗死周围区微环境，减少神经细胞死亡［1-2］。本课题组对缺血性脑卒中后运动训练开始的时机及强度进行了研究，并采用最适的运动训练方案，进行了系列机制研究。现结合国内外研究，对运动训练促进脑卒中后神经可塑性的机制进行综述。

1 运动训练改善脑卒中后神经功能障碍的干预方案

目前研究显示，运动训练对脑卒中后神经功能的改善作用与其介入的时机和强度有关［1，12-17］。有研究表明，相对于缺血后1 周开始运动训练，缺血后24 h 开始运动训练的脑梗死大鼠其梗死体积更小，神经功能的改善更明显［14］。然而，也有研究发现，大鼠脑梗死后24 h开始的超早期运动训练会扩大梗死体积，可能加重脑损伤，大鼠脑梗死后7 d开始运动训练的效果更好［15］。一项国际多中心的超早期康复临床试验（a very early rehabilitation trail，AVERT）结果表明［18-19］，卒中后24 h 内开始的超早期运动训练的有效性和安全性并未优于标准的康复护理，考虑到超早期康复治疗对于医疗资源的需求及医疗风险，其在临床推广应用仍存在困难［18，20］。因此，脑卒中后运动训练介入的最佳时机，仍存在争议；另一方面，运动训练的强度也影响脑卒中后功能的恢复［20］。

本课题组在动物实验中，建立了大脑中动脉闭塞模型，并设置了4 个运动训练组分别在脑梗死后24 h、48 h、72 h 及96 h 开始训练，运动训练采用中等强度，比较不同介入时间的运动训练对脑梗死后神经功能、梗死体积、神经炎症、神经细胞死亡及新生的影响，发现24 h开始的超早期中等强度运动训练不利于脑梗后神经功能的恢复，其机制可能与增加神经炎症及神经细胞死亡有关［1］。脑梗死后48 h、72 h及96 h开始中等强度的运动训练，有利于脑梗死后神经功能的恢复。在确定运动训练介入时机后，我们采用低、中、高三种强度的运动训练方案，在脑梗死后48 h 开始介入，比较发现48 h 开始的高强度运动训练不利于脑梗死后神经功能的恢复［1］。

考虑到临床上，长期卧床对于患者可能存在的损害，如增加坠积性肺炎、下肢深静脉血栓形成、肌萎缩等风险，在卒中患者病情稳定后，尽早开始的运动训练更有利于患者的功能恢复［21-22］。因此，脑卒中后应结合患者的临床情况，病情稳定后，早期开始运动训练有利于脑梗死后神经功能的恢复，训练强度及训练持续时间应逐渐增加，并结合患者的临床情况进行调整。

2 运动训练促进脑卒中后神经可塑性的机制研究

脑梗死发生后，梗死中心区的脑血流量急剧减少，神经细胞发生不可逆性的坏死［1］。脑梗死后，坏死周围的脑组织脑血流量介于电衰竭和膜衰竭阈值之间，称为缺血半暗带（ischemic penumbra，IP）［23］。目前，缺血半暗带已成为缺血性卒中急性期治疗的重要靶点，临床上一系列的抢救措施主要针对于缺血半暗带［24-25］。我们及他人的研究发现［1-3，9，11］，运动训练促进脑梗死后神经功能恢复与其调节缺血半暗带区神经细胞营养因子分泌、神经炎症反应，减少神经细胞死亡，促进神经细胞新生等作用有关。

2.1 运动训练减少脑卒中后神经细胞死亡

脑缺血引起的神经细胞死亡是导致脑梗死后神经功能障碍主要的病理机制［2，26-28］，坏死和凋亡是脑缺血后神经细胞两种主要的死亡方式［1，29］，近来研究报道，神经细胞自噬、焦亡、铁死亡同样参与脑缺血后神经细胞的死亡［26-28］，目前也被广泛关注。

自噬（autophagy）是细胞将细胞内长寿命的蛋白和细胞器运送至溶酶体降解和回收利用的途径［26］。自噬的发生经历以下过程，一个双层或多层膜结构非选择性地包裹细胞质内的大量蛋白和细胞器，形成自噬体或自噬囊泡；进而自噬体的外膜与溶酶体膜结合形成自噬溶酶体；最终通过溶酶体水解酶的作用，自噬溶酶体的内膜和包裹的细胞质成分被分解并重新利用［26］。自噬在神经系统疾病中的作用尚不明确，目前的研究认为脑缺血导致脑内自噬体聚集，过量的自噬促使细胞发生一系列病理改变进而引起细胞死亡，减少自噬可以减少神经细胞死亡［26］。我们的研究发现，运动训练可以通过减少自噬体聚积，减少神经细胞凋亡和坏死，改善脑梗死大鼠的神经功能［1-2］。

此外，焦亡（pyroptosis）和铁死亡（ferroptosis）也参与脑缺血后神经细胞的死亡［27-28］。焦亡是一种炎症性程序性死亡，细胞焦亡可释放大量的炎症因子，进一步激发炎症级联反应，加重损伤［28］。铁死亡则主要表现为线粒体膜密度增加、线粒体嵴减少或消失、细胞内铁离子过多以及脂质过氧化，因这种细胞死亡方式需要铁离子的存在，故称为细胞铁死亡［27］。已有研究发现，抑制神经细胞焦亡或铁死亡可以促进脑梗死后神经功能的恢复［27-28］，然而，细胞焦亡和铁死亡［30］在运动训练改善脑梗死后神经功能中的作用尚缺乏研究，有望成为未来运动训练促进脑梗死后神经可塑性机制研究的新领域。

2.2 运动训练抑制脑卒中后的神经炎症

神经炎症是脑卒中脑内重要的病理表现［30］，在脑卒中急性期时可加重脑组织损伤，在卒中恢复期则影响脑组织的修复［30］。缺血再灌注导致梗死周围区促炎因子IL-1α、IL-1β、TNF-α 等表达增加，导致神经细胞死亡，加重脑损伤［1，31-33］。神经炎症过程包括小胶质细胞和星形胶质细胞的激活［34］，炎症介质、细胞毒性物质和活性氧类等（如一氧化氮、细胞因子和趋化因子等）的释放［35］，以及包括嗜中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、T 细胞等在内的外周免疫细胞的渗透和浸润［36］。其中小胶质细胞和星形胶质细胞是大脑固有免疫系统的主要组分［37-38］，在神经炎症的调节中起关键作用［1］。

小胶质细胞既有神经毒性作用，又有神经保护功能［39-40］。目前研究发现，激活的小胶质细胞可表现出两种不同的功能表型，即经典激活型和选择激活型，又被称为M1 型和M2 型［41］。M1 型小胶质细胞可释放神经毒性物质募集外周炎症细胞至损伤区域，进一步增加炎症反应；M2型小胶质细胞则通过释放抗炎因子、神经营养因子等，发挥神经保护作用［41］。除小胶质细胞外，星形胶质细胞也参与神经炎症的形成，目前已有报道星形胶质细胞同样存在两种激活表型，即A1 型（神经毒性作用）和A2 型（神经保护作用）［42］。A1 型可释放促炎因子、趋化因子和神经毒性物质，募集小胶质细胞及外周炎症细胞，诱导神经细胞死亡；A2 型可释放抗炎因子、细胞因子和神经营养因子，并与小胶质细胞协同吞噬髓鞘碎片，促进脑损伤修复［42-43］。

我们及他人的研究证实，运动训练可抑制脑损伤后促炎因子表达，增加抗炎因子表达［1，39，44-46］。运动训练对于脑损伤后炎症因子表达的调节作用与其对小胶质细胞及星形胶质细胞的调控有关［39，46］。运动训练可以参与调控小胶质细胞内的基因转录［47］。在急性应激状态下，运动训练可促进BDNF基因的转录［48］，通过促进CREB结合蛋白（cy‐clic adenosine monophosphate-responsive element binding protein CREB-binding protein，CBP）磷酸化而抑制小胶质细胞的激活；运动训练通过Sir‐tuin-1（SIRT1）增加转录共激活剂过氧物酶PGC-1alpha 的表达从而抑制炎症相关基因的转录，增加LPS 刺激条件下小胶质细胞吞噬相关基因的转录，同时上调转录因子Nrf2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2），抑制小胶质细胞炎症反应［47］。运动训练可调节AD 小鼠脑内星形胶质细胞的形态，促进脑源性生长因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和PSD-95 的表达［49］。然而，目前对于运动训练对脑卒中后神经胶质的调控机制尚未完全明确，有待进一步深入研究。

2.3 运动训练促进脑卒中后神经新生

神经再生是脑卒中后神经功能恢复的重要机制，神经干细胞的发现为脑损伤后神经再生提供了可靠的依据。神经干细胞（neural stem cells，NSCs）主要具有能够分裂增殖并且保持细胞的干性、能向神经组织多细胞系分化、损伤或疾病可以刺激其分化等特征［50］，这些特征为其应用于脑损伤的修复提供了理论基础。

目前采用NSCs 修复脑损伤主要有两种策略：内源性NSCs 激活和外源性NSCs 移植。脑缺血可促进内源性NSCs 的增殖、迁移及分化［51-52］。研究发现，全脑缺血再灌注1 至2 周后，海马齿状回（dentategyrus，DG）区的NSCs 较正常时候多了12倍［51］。脑梗死大鼠同侧脑室室管膜下区（subven‐tricular zone，SVZ）的NSCs 增殖并迁移到梗死灶周围，在大脑皮层缺血灶周围也能检测到新生的NSCs［52］。但进一步研究发现，脑梗死后新生的神经元前体细胞总数的80%在6周内死亡，只有0.2%的新生细胞最终分化成为成熟的神经元细胞，至90 d 时几乎已观察不到分化而来的新生神经细胞［53］。脑缺血激活的内源性NSCs 因增殖、迁移受限，且多分化为胶质细胞，仅极少数分化为功能性神经元，其神经修复作用有限。然而，外源性干细胞移植虽可以提供充足的干细胞，但其移植后的分化同样受限。

因此，探究促进内源性NSCs 增殖、迁移，并分化为有功能的神经细胞，或促进外源性干细胞分化为有功能的神经元，将是应用干细胞修复脑损伤未来研究的方向。有研究发现，运动训练可以促进内源性NSCs 的增殖。我们的研究发现，运动训练可以促进脑梗死大鼠侧脑室室管膜下区（subventricu‐lar zone，SVZ）内源性NSCs 的增殖、迁移和分化，SDF-1a ∕CXCR4 信号通路参与了运动训练调控脑梗死大鼠SVZ 区域内源性NSCs 的增殖和迁移，而对分化无明显影响［6］。人尿源性iPSC 诱导分化的神经干细胞在脑卒中大鼠脑内生存分化并改善大鼠神经功能［54］。