Abstract
脊髓内功能电激励提供了一种恢复脊髓损伤患者运动功能的途径。本研究的目标是在大鼠脊髓上确定诱发后肢不同动作的区域，对支配相应动作的区域进行归一化描述，并验证脊髓内功能电激励能够用于后肢运动功能恢复。实验中利用了三维扫描式功能电激励技术对大鼠脊髓腰骶段进行刺激。结果表明，对腰骶段脊髓腹侧进行电刺激能够产生单关节或多关节的协调运动，合理选择刺激位点能够诱发后肢多种不同动作，且后肢运动向量图覆盖后肢运动的矢状平面的各个方向。本文绘制了大鼠脊髓运动功能图谱，对相关动作的控制区域进行归一化描述，为后续实验中电极植入位点的确定提供指导。
Keywords: 功能电激励, 运动控制, 脊髓损伤
Abstract
Functional electronic stimulation (FES) may provide a means to restore motor function in patients with spinal cord injuries. The goal of this study is to determine the regions in the spinal cord controlling different hindlimb movements in the rats. Normalization was used for the regions dominating the corresponding movements. It has been verified that FES can be used in motor function recovery of the hindlimb. The spinal cord was stimulated by FES with a three-dimensional scan mode in experiments. The results show that stimulation through the electrodes implanted in the ventral locations of the lumbosacral enlargement can produce coordinated single- and multi-joint hindlimb movements. A variety of different hindlimb movements can be induced with the appropriate stimulation sites, and movement vectors of the hindlimb cover the full range of movement directions in the sagittal plane of the hindlimb. This article drew a map about spinal cord motor function of the rat. The regions in the spinal cord which control corresponding movements are normalized. The data in the study provide guidance about the location of electrode tips in the follow-up experiments.
Keywords: functional electronic stimulation, control of movement, spinal cord injury
引言
脊髓损伤严重影响了患者的健康与生活质量，是迫切需要解决的医学难题。随着电子科学与神经科学不断交叉融合，利用功能性电刺激恢复损伤脊髓功能成为当今康复医学研究的热点[1]。对此，很多学者做出了不同的尝试。Holinski 等[2]利用椎管内微刺激技术实现麻醉状态下猫的地面行走。Li 等[3]将采集到的脑初级运动皮层信号通过自制脊髓桥接系统刺激大鼠脊髓，实现了脊髓损伤大鼠伸腿运动。Gerasimenko 等[4-5]对去大脑和脊髓横断的猫进行硬膜外电刺激，成功诱发了后肢的步进运动。Musienko 等[6]结合硬膜外电刺激与药理学刺激极大地改善了横断脊髓大鼠的运动功能。
目前，脊髓内功能电激励开始受到关注，它存在以下几个方面的优势。首先，电极植入到离运动肌肉相对较远的脊髓中，降低了电极移位的可能性。其次，脊髓腰骶部结构紧凑，支配后肢的运动神经元群集中在相对较小的区域，避免了脊髓大面积手术，有望成为脊髓损伤患者运动功能恢复的有效途径。更为重要的是，功能电刺激脊髓腰骶段相应的运动神经元群能选择性激活对应肌肉或肌肉群[7-8]。因此，本研究以 SD 大鼠为模型，寻找脊髓上诱发后肢产生各种动作的区域，并绘制与大鼠后肢运动相关的脊髓运动功能图。同时，对支配相应动作的区域进行归一化处理以提高脊髓运动功能图的普遍适用性。
1. 材料与方法
1.1. 动物手术及电极植入
成年雄性 SD 大鼠 3 只，对其进行标记，分别为大鼠 1、大鼠 2、大鼠 3，体重 250 g 左右，由南通大学实验动物中心提供。腹腔注射水合氯醛（4 mL/kg）麻醉后，对其右后肢及背部进行剃毛，去除脊髓 L4-S3 节段棘突及全椎板至椎弓根部，暴露脊髓。用游标卡尺测量脊髓各个节段的横径 D 及暴露脊髓的长度 L 以便归一化处理[9]。在大鼠右后肢六块肌肉（腓肠肌外侧、胫骨前肌、股外侧肌、半膜肌、股二头肌、髂腰肌）中植入双极电极。大鼠置于加热垫上，体温维持在 37℃ 左右。
1.2. 刺激电极及刺激参数
刺激电极为美国 MicroProbes 公司生产的钨丝单电极（WE30030.5A3）。刺激信号为串脉冲序列，由 Master 9 产生。由 40 个负脉冲组成，脉宽 200 μs，频率 33 Hz，每隔 4 s 重复一次，实验中使用电流刺激。
1.3. 实验方法
控制大鼠后肢运动的脊髓节段位于腰骶部，对脊髓腰骶部的某一横截面进行电刺激，刺激位点如图 1 所示，参考电极植入邻近的脊旁肌。以脊髓的后正中沟为坐标原点，横径方向为 X 轴，背腹方向为 Y 轴，脊髓头尾方向为 Z 轴（坐标 Z 为刺激位点所在横截面与脊髓 L4 节段头侧所在横截面的距离）。刺激位点在 X 轴上的间距为 200 μm，为了避开血管，第一列点的 X 值为 300 μm，Y 轴方向刺激位点的间距为 300 μm，刺激范围为脊髓灰质及其邻近位置。暴露脊髓头尾方向即 Z 轴以 500 μm 的间隔执行类似操作，确定诱发不同种类动作的区域。调节刺激电流的大小，确定能诱发动作的阈值电流，与此同时观察并记录电流变化时诱发动作的差异，记录运动时相关肌群的肌电信号。肌电信号由 PowerLab 数据采集分析系统（ML870，美国 ADI 公司）采集而得，采样率 2 kHz，差分放大，带通滤波 20～1 000 Hz。
图 1.
The schematic of stimulation sites in a spinal cord
脊髓运动功能定位示意图
2. 实验结果
2.1. 脊髓运动功能图谱
实验首先对诱发 1 号大鼠后肢运动的脊髓位点进行了记录，绘制出其腰骶段脊髓右半侧的运动功能图谱，如图 2 所示。图 2 左侧的竖线对应脊髓后正中沟，其右侧部分对应脊髓右半侧，虚线近似地标注了脊髓 L4、L5、L6、S1、S2 节段尾侧边缘。其中一种颜色圈出的区域为一类动作，并用字母与之对应。脊髓腰骶段能诱发后肢多种动作，不仅包括屈髋伸膝、伸膝屈踝、伸髋伸踝等正常步态中关节或肌肉的活动，还包含关节旋转、收展等运动。刺激位点旁括号内的数据为阈值电流最小刺激点的深度值。综合刺激位点的坐标值可以发现，能用于后肢运动功能恢复的刺激位点主要位于脊髓腹侧。观察图谱头尾方向可以发现，脊髓腰骶段前部分主要诱发屈髋、伸膝、屈踝等动作，而后部分诱发伸髋、屈膝、伸踝等动作。由于实验中只发现个别位点能诱发屈膝的动作，所以并未在图谱上体现。
图 2.
Motor function map of the lumbosacral enlargement
脊髓腰骶段运动功能图谱
2.2. 刺激位点的归一化描述
由于大鼠个体的差异性，对本实验的结果采用归一化的处理方式，使本次实验结果能更加科学有效地用于不同的实验个体中。对刺激位点的坐标（X，Y，Z）做如下处理：坐标 X、Y 采用相对于脊髓横径 D 的归一化方法，X 以 D/2 进行归一化处理，Y 以 D 进行归一化处理。对 Y 采用相对于脊髓横径的方法归一化是为了避免测量背腹径而造成脊髓更大的损伤。由于暴露的脊髓长度较长，脊髓横径在头尾方向的差异不可忽略，所以归一化时采用对应脊髓节段的横径。对 Z 采用相对于暴露脊髓总长度 L 的方法进行归一化。由于 L4～S3 脊髓节段诱发的动作比较多，现对步进运动中起重要作用的几个动作的数据进行处理。后续实验将以少量的电极完成运动功能的恢复，所以必须首先确定诱发某一动作的合适的刺激范围。采用与 1 号大鼠同样的实验方式在 2 号及 3 号大鼠上进行实验，将三只大鼠的实验数据进行归一化处理，分析得到如表 1 所示的动作范围。后续实验将参照上述范围进行定位，在选择合适位点后需要给予电刺激确定是否诱发相应动作，否则需要再进行调整，直到电极植入的位点能够诱发相应的用于运动功能恢复的动作。
表 1. Normalized ranges of several behaviors.
动作的归一化范围
| 动作 | 坐标 | ||
| X | Y | Z | |
| 伸髋伸踝 | 0.250～0.420 | 0.670～0.860 | 0.300～0.800 |
| 屈髋伸膝 | 0.380～0.800 | 0.620～0.870 | 0. 056～0.250 |
| 伸膝屈踝 | 0.150～0.700 | 0.700～0.880 | 0.120～0.180 |
| 伸膝 | 0.100～0.630 | 0.620～0.860 | 0.190～0.280 |
2.3. 后肢运动的描述
为了验证功能电激励能用于后肢运动功能的恢复，图 3 绘制了 3 号大鼠麻醉状态时脊髓内功能电激励诱发的后肢运动向量图，从极坐标中心点向外辐射的向量代表了电刺激时跖趾关节从自然下垂状态到极限位置的位移。图 3 主要绘制了后肢在髋关节所在的矢状平面中的运动向量，并未绘制出后肢外展、内收等动作。由图中可以看出脊髓内功能电激励能诱发后肢产生向上、向下、向前、向后的动作，能满足运动功能恢复过程中基本动作的需求。
图 3.
Hindlimb movement vectors
后肢运动向量图
3. 分析与讨论
综合 3 只大鼠的实验情况，图 4 描绘了脊髓横截面上刺激位点在给予电刺激时的规律。虚线以上三角形标注的位置能产生协调的单关节或多关节的控制后肢伸或屈的运动，虚线以下黑色实心点标注的区域只能诱发屈的动作，或没有产生动作，并未发现能产生负重运动即伸运动的刺激位点。此外，实验中发现个别刺激位点能产生双侧运动，刺激位点能诱发同侧的后肢产生协调的动作以及异侧踝关节、脚趾运动。如 2.1 节所述，腰骶段脊髓头尾方向也存在一定规律，暴露的脊髓前部主要诱发屈髋、伸膝、屈踝等动作，而后部主要诱发伸髋、屈膝、伸踝等动作。以上几个动作在步进过程中起主导作用，腰骶部脊髓还能诱发其他动作，如内收髋关节、关节旋转等。同一位点刺激电流的大小对诱发的动作有明显影响，当刺激电流从阈值开始以一定的斜率增加时，运动时募集到的肌纤维数量会增加，动作的幅度与力度会增强。当电流增加到一个等级后动作也会发生变化，因为电流增大时其传播范围也会增大。
图 4.
Stimulation sites for restoration of movement function
运动功能恢复的刺激位点图
4. 结论
本文对刺激大鼠腰骶段脊髓产生的一系列动作的区域进行了描述，绘制了大鼠腰骶段脊髓运动功能图谱，并得出以下结论：在脊髓两侧合适位点植入尽量少的电极，对两侧的电极以一定的时相进行交叉控制，能够产生简单的步进运动。电刺激过程中组织的疲劳是很重要的问题，有实验表明，大鼠脊髓内功能电激励能优先募集耐疲劳的肌纤维并产生较平缓的肌力[10]。在合适的刺激电流下微丝电极只会激活其周围少量的运动神经元及中间神经元。后续实验可以参照此次研究成果以少量的电极完成后肢运动功能的恢复。在以后的实验中可以结合其他方式促进后肢运动功能的恢复，如跑台训练和药理学刺激。本文提供的急性动物实验数据将为后续的慢性实验提供对比和参考。
Funding Statement
国家自然科学基金面上项目（81371663）；国家自然科学基金重点项目（61534003）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX18_2424）
References
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