樊亮花，杜良杰,2

1.首都医科大学康复医学院，北京市100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院脊柱脊髓神经功能重建科，北京市100068

痉挛是指速度依赖性紧张性牵张反射亢进，伴腱反射亢进、间歇或持续的肌肉不自主收缩，由牵张反射过度兴奋引起[1]。临床主要表现为肌张力增高、深反射亢进、阵发性挛缩和肌强直。

痉挛和痉挛状态是脊髓损伤常见的慢性并发症之一，在脊髓损伤后6～12个月内，约70%的患者出现不同程度的肢体痉挛[2]。27%～40%患者认为痉挛影响日常生活并且可造成严重的功能障碍[3]。虽然脊髓损伤后适度的痉挛可以延缓肌肉萎缩，维持关节稳定，防止下肢静脉血栓形成等，但是痉挛发展到一定程度将限制患者的日常生活，影响康复疗效[4]。

常见的痉挛治疗方法如康复训练、药物、物理因子等大多只能起到短期效果，约40%痉挛患者不能耐受抗痉挛药的副作用。

目前脊髓损伤后痉挛发生机制尚不明确；对脊髓损伤后痉挛的防治还处于摸索和临床验证阶段。现将脊髓损伤后引起肢体痉挛的可能发病机制综述如下。

大量动物实验证实，在脊髓损伤慢性期，脊髓神经网络以及单个细胞水平出现深刻变化，并参与痉挛的形成。在正常生理状态下，脊髓兴奋性网络、突触前抑制和运动神经元兴奋性之间保持动态平衡。脊髓损伤后，病变部位下方的回路失去部分上位中枢的信号输入，异常的重组和适应可能导致功能异常，如痉挛；此外，脊髓损伤后，脊髓丧失上位中枢的控制，节段的运动神经元和中间神经元活性发生改变，影响到脊髓前角运动神经元的兴奋性，导致电生理活动产生相应的变化，所支配肌纤维的收缩活动发生改变，在失去皮质脊髓神经支配后，本体感受性传入神经、脊髓中间神经元和运动神经元之间的连接失去平衡及其特异性。所以，γ运动神经元的过度活动及运动神经元和中间神经元活动背景的变化共同作用，促进痉挛的产生和发展。

1 脊髓损伤平面以下的运动神经元发生适应性改变

脊髓损伤致下行传导通路受损，损伤下方的脊髓回路发生适应性改变，如下调K+-Cl-共同转运蛋白，改变运动神经元细胞膜上离子通道、5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)受体数量和活性[5-6]，增加运动神经元内持续的内电流[5]，这些变化将导致运动神经元兴奋性增加，是脊髓损伤后肢体痉挛的最主要机制[7]。

1.1 运动神经元细胞膜上Na+通道改变

成年大鼠脊髓损伤后，运动神经元表达mRNA编码产生5种 α-亚族 Na+通道，即 Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.6 和Nav1.7。电压依赖性Na+通道中的Nav1.6是产生持续Na+电流的主要Na+通道，在激发Na+/Ca2+交换中起重要作用。Brocard等[8]研究证实，脊髓损伤后，损伤平面以下脊髓运动神经元中Nav1.6通道上Ca2+依赖的半胱氨酸蛋白酶发生裂解，导致Nav1.6的表达上调、运动神经元兴奋性增加；抑制半胱氨酸蛋白酶的活性可以减弱运动神经元兴奋性，降低小鼠的痉挛程度。药物抑制半胱氨酸蛋白酶的活性可能是今后治疗脊髓损伤后痉挛的一个新策略[9]。

1.2 5-HT及其受体活性的改变

5-HT能轴突起源于脑干神经元，下行投射到各级脊髓平面的背角、腹角和中间区[10]，通过产生的5-HT激活特异的受体亚型，使运动神经元发生去极化或超极化，导致突触兴奋或抑制电位的放大[11]，进而调节脊髓的兴奋性。5-HT1受体的激活可以介导抑制反应，而激活5-HT2受体可促进细胞膜上Ca2+内流，兴奋脊髓运动神经元[9]。脊髓损伤后，脑干对脊髓运动区域的5-HT能投射中断，运动神经元支配的肌肉发生瘫痪，这不仅是由皮质脊髓束和网状脊髓束损伤引起，脑源性5-HT的缺失亦参与该过程。

脊髓损伤后脑干衍生的5-HT输入减少，导致运动神经元膜电位发生改变，引起运动神经元兴奋性的急性抑制；随后5-HT耗尽，5-HT系统发生一系列改变：5-HT转运蛋白失调、特定5-HT受体(serotonin receptor,5-HTR)表达升高、5-HTR超敏感性和/或组成性自激活[12]。5-HT系统的这些变化，尤其是5-HT及5-HT2A受体、5-HT2B受体和5-HT2C受体数量和活性的改变，导致不同程度的运动功能障碍，对脊髓损伤后痉挛的发病机制起着重要作用。其中5-HT2A和5-HT2C受体是两个高度相似的G蛋白偶联受体，具有相当大的本构活性，主要通过激活磷脂酶C相关的级联来发出信号。近年来多项研究表明，脊髓损伤后5-HT2A和5-HT2C受体数量和功能的改变与痉挛的产生及严重程度相关。

Kong等[13]的研究表明，在横断性脊髓损伤大鼠模型中，编码5-HT2A受体的mRNA上调，5-HT2A受体表达增加，5-HT2C受体mRNA未见明显上调。Ryu等[14]的动物实验亦证实，在胸段脊髓损伤大鼠模型中，损伤平面以下脊髓5-HT2A受体的免疫反应性增加，并且发现免疫反应增加的程度与小鼠肢体痉挛程度相关，故研究者认为5-HT2A受体上调引发5-HT的超敏反应，使运动神经元过度兴奋。之后研究发现5-HT2A和5-HT2C受体均参与调节小鼠运动活动，但是5-HT2A和5-HT2C受体对运动活动有相反的影响[15]。

为明确5-HT2A和5-HT2C受体改变与脊髓损伤后痉挛的相关性，又进行了多项实验。Ren等[16]发现，5-HT2A受体上调的时间过程与脊柱病变后痉挛的发展没有明显的正相关关系。之后他的同事使用大鼠尾巴痉挛模型证明，5-HT2C受体的活性增强与脊髓损伤后的肌肉痉挛有因果关系，并在此基础上检测了脊髓损伤后不同时间间隔内5-HT2C受体免疫反应的变化，发现从小鼠脊髓损伤2周后至研究结束，损伤平面以下脊髓灰质不同区域的5-HT2C受体免疫反应加强，且反应区域位于脊髓灰质的不同区域，主要分布于神经元胞体及其树突；用选择性5-HT2C受体抑制剂作用于脊髓后发现小鼠的痉挛程度显著下降。随后他们将肌痉挛与运动神经元的5-HT2C受体免疫反应的时空变化进行比较时，发现它们之间呈正相关，但该实验亦明确脊髓损伤后5-HT2C受体mRNA水平未明显升高。Navarrett等[17]的实验亦得到同样结果。所以，脊髓损伤后5-HT2C受体mRNA与蛋白表达不相关的原因需要进一步研究。

Husch等[18]通过动物实验证实，胸段完全性脊髓损伤大鼠，损伤4周后，腰髓髓间5-HT量减少约85%，5-HT2C受体表达增加；免疫细胞化学分析表明脊髓损伤引起5-HT能纤维和5-HT转运体的共同丢失；5-HT2A中间神经元对5-HT的敏感性增加100～1000倍。该实验推测5-HT2C受体表达增加及5-HT转运体减少共同作用，使5-HT2A中间神经元对5-HT发生超敏变化。

Murray等[19]发现，在大鼠脊髓横切数月后，5-HT2C受体mRNA转录后编辑过程发生变化，导致5-HT2C受体亚型表达增加，这些亚型在没有5-HT的情况下自发激活，促发运动神经元持续Ca2+内流；特异性5-HT2C受体抑制剂能在很大程度上消除这些钙电流和肌肉痉挛。随后该研究者又进一步证实脑源性5-HT分泌减少，5-HT2B受体和5-HT2C受体因具有高度可塑性，被过度代偿性激活，5-HT2C受体总数无明显变化，活性较低的亚型受体数目降低，活性较高的亚型受体数目明显增加，且增加的倍数与脊髓损伤后髓内运动神经元和中间神经元细胞膜持续性内向电流增加倍数相近，导致Ca2+持续内流，运动神经元持续兴奋。这虽促进运动功能的恢复，但不同于正常的脑干控制受体激活，这些受体是永久被激活的，导致永久的大量Ca2+内流；运动神经元持续性过度兴奋，引发肌肉痉挛[6]。深入研究后发现，5-HT2C受体mRNA编辑程度与其活性成反比，编辑程度越高的亚型活性越低。脊髓损伤后5-HT2C受体mRNA编辑减少是腺甘氨酸脱氨酶2下调所致，这种下调是由脊髓损伤后引起的持续炎症反应导致的，这种炎症反应与小胶质细胞的激活有关；神经元基因表达的改变，可能有助于脊髓损伤后神经元兴奋性的恢复和肌肉痉挛[20]。

因此，通过调控5-HT及其受体活性治疗痉挛将是一个临床和基础研究方向。

1.3 局部氨基酸浓度变化及神经元Cl-失稳态

传递到脊髓背角的感觉信息由复杂的兴奋性和抑制性神经元网络调节。γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)和甘氨酸等抑制递质主要通过突触前抑制和突触后抑制途径调节背角神经元的兴奋性；突触前GABA受体激活后亦可通过抑制初级传入终端释放谷氨酸发挥抑制作用[21]。脊髓损伤后抑制性神经递质GABA和甘氨酸产生减少，兴奋性神经递质谷氨酸产生增多[22]，抑制性神经递质和兴奋性神经递质的失衡被认为是运动神经元过度兴奋的部分原因。既往研究均已证实，脊髓损伤患者皮层下水平和皮层水平的GABA能和甘氨酸能抑制机制均发生减弱。

细胞内外的Cl-浓度梯度及胞内的Cl-状态是GABA和甘氨酸介导的突触后抑制的先决条件[21]：GABA和甘氨酸受体激活后，受体通道打开，因该通道只对Cl-通透，Cl-顺电-化学梯度内流，造成突触后膜的超极化。神经元内外Cl-的稳态平衡主要由K+-Cl-共同转运体亚型2(K+-Cl-cotransporter,KCC2)维持，它的作用是将胞内的Cl-高效补偿性地泵到胞外。研究显示，体外细胞培养降低KCC2的基因表达、阻断KCC2的药理作用、脊髓损伤后诱导KCC2基因表达下调，均可导致运动神经元突触后抑制水平下降[23]。脊髓损伤后KCC2的表达下调及转运体的表面稳定性降低，与痉挛和慢性疼痛的发生有关[5]。Boulenguez等[5]研究指出，在脊髓运动神经元中，激活5HT2A受体可以增加KCC2细胞膜表达，增强KCC2的功能，恢复内源性抑制，减少脊髓损伤后的痉挛程度。该过程与磷脂肌酰醇信号途径系统(protein kinase C system,PKC)激活相关[24]。亦有研究显示，脑源性生长因子可以通过上调损伤远端脊髓KCC2表达而降低痉挛程度[25]。

甘氨酸对脊髓运动神经元的抑制作用是直接突触后效应。甘氨酸能突触间隙的甘氨酸浓度可由甘氨酸转运体活性控制。甘氨酸转运体有两种亚型，即甘氨酸转运体-1和甘氨酸转运体-2，后者可重吸收突触前释放的甘氨酸并调节甘氨酸能神经传递。局部脊髓甘氨酸能的丧失被认为是引起脊髓损伤后痉挛的机制之一；甘氨酸转运体-2抑制剂可以显著抑制痉挛状态。

离子型GABAA类受体激活后引起细胞超极化，产生抑制性突触后电位(inhibitory postsynaptic potential,IPSP)。当作用于GABAB类受体时，可以调节Ca2+和K+通道，诱发突触前抑制电位和突触后抑制电位发挥抑制作用。谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase,GAD)是合成GABA的主要限速酶，催化谷氨酸脱羧反应生成GABA。因而GAD对于调节兴奋性和抑制性神经递质功能平衡起着重要作用。它有两种异构体，即GAD65和GAD67。Mende等[26]的研究表明，在小鼠脊髓中，突触前GABA与本体感受性神经元的末端形成突触，并通过突触前抑制控制感觉运动连接的信息传递。谷氨酸通过突触前GABA能末端的谷氨酸代谢型受体指导GAD67的表达，通过自分泌作用调控GAD65的表达。损伤平面以下谷氨酸释放减少，导致GAD65和GAD67的合成减少，突触前抑制作用减弱，导致肌肉痉挛。脊髓损伤后GABA介导的突触前抑制作用的减弱在脊髓过反射和痉挛的出现中起着重要作用。临床研究表明，GABAB类受体激动剂如巴氯芬可以在一定程度上缓解肢体痉挛。亦有动物实验证实，口服GABA类药物联合特异节段的GAD65基因治疗可以发挥高效的抗痉挛作用[27]。

2 中间神经元网络兴奋性的改变

中间神经元是指轴突位于单一髓节内或相邻髓节间的联络神经元，可作为连接感觉神经元和运动神经元的主要局部环路。Kopach等[28]在动物实验中发现，小鼠脊髓损伤后，脊髓背角兴奋性中间神经元活性增强，抑制性中间神经元活性降低，并提出该变化可能是小鼠脊髓损伤后产生痉挛的生理基础。Bellardita等[29]通过横断骶髓，建立脊髓损伤后小鼠尾巴痉挛模型，利用小鼠电生理学和光遗传学手段检测和干扰运动神经元及神经递质相关的中间神经元在肌肉痉挛时的活动，虽然脊髓损伤慢性期损伤平面以下单突触脊髓回路的运动神经元兴奋性增强，部分运动神经元存在自发放电，但是自发放电的运动神经元数量较少，尚不足以诱发痉挛；多突触脊髓回路中间神经元的持续性神经活动与肌肉痉挛具有明显的时空关系；脊髓兴奋性中间神经元的光遗传激活和失活与痉挛的发生和维持相关，即兴奋性中间神经元群直接参与痉挛的发生；在此过程中，抑制性中间神经元活性也增加，而运动神经元的抑制性输入并未降低，增加的抑制效应小于增加的兴奋效应；并且抑制性中间神经元在抑制痉挛的起始和促进痉挛结束阶段发挥重要作用。

3 感觉输入在调节脊髓运动组织和输出方面起重要作用

从肌梭到脊髓的感觉输入在调节脊髓运动的组织和输出方面起着重要的作用[30]。感觉信息在脊髓损伤后的步态控制和运动恢复中起着关键作用[31]。连接肌梭的Ⅰ类和Ⅱ类本体觉传入纤维通过背根神经节进入脊髓，与运动神经元或中间神经元形成突触连接；来自腱器官的Ⅰb类传入纤维与中间神经元间形成突触连接。整合这些感觉信号的脊髓神经回路具有高度特异性，以产生复杂的肌肉激活协同效应[24]。脊髓损伤后，脊髓神经回路失去这种特异性整合作用[32]。脊髓损伤后腱器官(Ⅰb类传入)活化的抑制性中间神经元活动降低[33]；Ⅰa类传入纤维末端的突触前抑制活动减少，本体觉Ⅰa传入纤维与运动神经元之间的连接和活动增加[34]。这些变化均促进脊髓损伤后痉挛的产生。

4 脊髓损伤后脊髓神经系统的解剖重组

在发育和成年期，皮质脊髓轴突和本体感受体在脊髓的突触空间竞争[35]。前运动神经元接收来自皮质脊髓束和本体感受纤维的直接输入，在脊髓损伤失去皮质脊髓输入后，本体感受性传入纤维可能侵袭这些神经元间的突触空间[36]。

有研究发现[37]，脊髓损伤后运动神经通路的树突重塑可以引发异常H反射，促进痉挛产生。大鼠脊髓损伤后6周，损伤平面以下α运动神经树突发生改变：树突密度增加、形状改变、树突分支重塑。这些改变将增强突触后连接点及突触连接的强度和稳点性，可导致神经元过度兴奋。研究还发现这种结构改变可能是由于小GTP结合蛋白Rac1活性改变引起的，实验发现脊髓损伤后小鼠的Rac1蛋白mRNA表达增加，抑制Rac1蛋白活性可抑制上述脊髓背角运动神经元的树突重塑，同时H反射接近正常。故研究者认为可以将Rac-1信号看作脊髓反射通路结构和功能的重要调解点。

5 神经传导过程中的信号分子变化

5.1 神经营养因子-3(neurotrophin-3,NT-3)

肌梭是一种感受本体感觉的感受器。肌梭的传入神经是本体感受器的一个子集，将刺激信号转变为传入纤维的神经冲动，经脊髓背根神经节中本体感觉神经元，向脊髓传递肌肉收缩的信息，影响中枢回路对运动功能的调节[30]。

肌梭的传入冲动是脊髓α运动神经元兴奋的基础。肌梭传入冲动下降，则α运动神经元放电减少。近几年，一些研究发现肌梭的神经传入受其分泌产生的NT-3调节。肌源性NT-3对本体感觉发育和功能至关重要。本体感觉神经纤维和脊髓前角α运动神经元形成突触联系，此过程需要梭内肌纤维表达的NT-3参与。

NT-3不仅可以降低运动神经元的兴奋性[38]，亦通过逆行营养支持作用加强突触连接，促进脊髓的电路重组[39]。双侧皮质脊髓束损害后，小鼠产生肢体痉挛，该过程可能与脊髓损伤后肌梭分泌的NT-3减少有关。周围给予NT-3可以修复受损的皮质脊髓束连接，促进成年和老年大鼠卒中后感觉运动恢复[40]。通过对脊髓回路和分子标记物的神经-生理特性分析发现，NT-3可调节脊髓运动回路中的感觉输入和运动神经元兴奋性。Kathe等[32]运用基因治疗技术促进NT-3在小鼠肢体肌肉中过表达，证实NT-3可以降低小鼠肢体痉挛程度，调节传入的特异性并重新平衡脊髓的兴奋和抑制网络，使运动神经元细胞膜的KCC2水平恢复正常。所以，对脊髓损伤后NT-3表达与活性改变的研究为从病因上而非症状上改善痉挛提供了新的治疗靶点。

5.2 其他信号分子

脊髓损伤平面以下的脊髓腹侧和背根神经节的某些信号分子发生变化，如丝氨酸真核起始因子4G(eukaryotic translation initiation factor 4G,eIF4G)和Ser1107磷酸化，调节血管生成和神经退化途径某些蛋白质的减少，钙调蛋白依赖性蛋白激酶IV(CaM-dependent protein kinase IV,CaMKIV)、丝裂原活化蛋白激酶3/细胞外调节蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase 3/extracel-lular regulated protein kinases,MAPK3/ERK1)和蛋白激酶Cδ(protein kinase C δ,PKCδ)的上调，这些信号分子的活动不仅在脊髓损伤后的起始阶段起着重要作用，而且在维持痉挛状态中也起着重要作用[41]。

对于NT-3等神经营养因子信号表达更加深入的研究将会给今后脊髓损伤后痉挛的研究带来新的热点。

6 小结

脊髓损伤后，脊髓与上位中枢的连接中断，导致损伤平面以下的脊髓截断发生重组，形成异常的感觉运动回路，无方向性代偿可塑性是导致严重损伤后脊髓神经回路重新布线的主要原因[41]。另外脊髓的兴奋性网络、突触前抑制和运动神经元兴奋性之间失平衡，运动神经元及其活动背景发生改变，使运动神经元过度兴奋，促进痉挛产生。尽管有各种假说，但都不能完全阐述脊髓损伤后痉挛的确切机制。

临床工作中，虽然在治疗和护理方面做了大量的努力，但是对于脊髓损伤后痉挛仍然缺乏有效的治疗方案，所以，了解其潜在的细胞和分子机制，特别是脊髓损伤后痉挛的病理生理学系统性调控机制，对于探索和制定有效的治疗策略至关重要。

随着近年来对于脊髓损伤后5-HT系统在痉挛发展过程中的作用研究越发深入，有研究者提出5-HT2A受体的构象活性取决于其表达水平，而5-HT2C受体则通过编辑其mRNA来调控构象活性，未来这种通过编辑改变运动神经元活性可能为抗痉挛药物治疗开辟新的思路[20]。

KCC2是控制神经元离子稳态的重要转运体，该转运蛋白的活性可以通过大量的信号通路快速调节，而这些途径的调节效应仍有待鉴定。今后在识别KCC2功能调控关键上游分子介质的同时应用小分子修饰这些信号通路，也许能成为脊髓损伤后痉挛的一种新的治疗策略[42]。

脊髓损伤后，损伤平面以下脊髓回路发生一系列解剖和功能的适应性改变，但此过程缺乏上位中枢及特异性信号分子的调控，再生的神经纤维可能改变脊髓回路中中间神经元的活性，促进运动神经元持续放电，引发肢体痉挛，所以，中间神经元活性的变化可能是脊髓损伤后肢体痉挛的主要原因。对于该观点的验证，将在以后的研究中进一步展开。

综上所述，对脊髓损伤后肌痉挛的认识和治疗仍有待进一步研究，未来探索脊髓损伤和痉挛的完整机制，制定综合有效的治疗方案，是解决脊髓损伤后痉挛的关键所在。