研究簡介:本研究主要聚焦于C2脊髓半切（C2Hx）對大鼠脊髓組織氧合、膈神經（phrenic nerve）和交感神經活動的長期影響，特別是在中度急性間歇性缺氧（mAIH）誘導的呼吸和交感神經可塑性方面的作用。mAIH已被證實能在正常大鼠中誘導膈神經長期增強（pLTF）和交感神經長期增強（sympLTF），但其在C2脊髓損傷（cSCI）后的效果尚不明確。已有研究表明，脊髓損傷后，脊髓組織低氧可能影響pLTF的形成，但目前尚無研究探討C2Hx對sympLTF的影響。本論文研究了成年雄性Sprague-Dawley大鼠，包括完整組、部分C2Hx組（單一切片）和完全C2Hx組（切片加約1mm抽吸）。C2Hx后2周，大鼠被麻醉并準備記錄雙側膈神經活動和脊髓組織氧壓（PtO2）。在完整組和完全C2Hx組的大鼠中記錄了內臟和腎交感神經活動。C2Hx后，靠近膈神經運動神經元的脊髓PtO2降低，完全損傷的影響比部分損傷更為顯著。基線PtO2與平均動脈壓呈正相關。完全C2Hx損害了同側但不是對側的pLTF。部分C2Hx對同側pLTF沒有影響。在完整大鼠中，mAIH誘導了內臟和腎sympLTF。完全C2Hx對基線同側內臟或腎交感神經活動影響最小，且對腎sympLTF沒有影響，但內臟sympLTF受損。更大的組織低氧可能損害了C2Hx后的pLTF和內臟sympLTF，盡管腎sympLTF得以保留。mAIH后交感神經活動的增加可能對慢性SCI患者有治療益處，因為預期的系統性血壓升高可能抵消SCI患者常見的低血壓。本研究為理解C2Hx對呼吸和交感神經可塑性的影響提供了重要見解，并為mAIH在SCI治療中的應用提供了科學依據。

Unisense微電極分析系統的應用

Unisense微電極被用于測量脊髓組織氧分壓（PtO2）。研究中使用了50μm直徑的Unisense氧微電極，這種微電極能夠精確測量組織中的氧分壓。微電極被安裝在微操縱器上，并插入到左側膈神經運動核附近。這一位置的選擇是為了確保能夠準確測量與膈神經活動相關的脊髓組織氧合情況。在實驗過程中，微電極信號以1 Hz的頻率采集，并通過兩點校準（在37°C的生理鹽水中，分別用21%氧氣和無氧溶液校準）轉換為mmHg單位。信號經過10秒平滑處理，用于量化基線（1分鐘平均值）和每次mAIH發作期間（5分鐘最低值）的脊髓PtO2。

實驗結論

脊髓血流量、氧氣輸送和PtOare在C2Hx后2周受到損害，降低了mAIH暴露期間脊髓PtO的最低點，類似于患有慢性C2Hx的大鼠。盡管脊髓組織缺氧的機制尚不完全清楚，但它們可能反映了由全身性低血壓與周圍細胞毛細血管收縮（基于對5-HT1B受體拮抗作用的反應）引起的脊髓氧輸送受損。mAIH誘導的同側pLTF能力下降，但不是損傷對側，可能是由于C2Hx后此時血清素能神經支配喪失。缺氧誘導的腺苷釋放更大。相比之下，根據損傷后腎功能的其他發現，mAIH（基線常氧）足以在完整的大鼠中引起內臟和腎臟癥狀LTF，在C2Hx后2周引起大鼠的腎癥狀LTF。

圖1、A)用甲酚紫染色的代表性40μm切片，以評估部分或完全頸脊髓半切開術（C2Hx）后兩周的病變嚴重程度。B）顯示終末神經生理動物準備的示意圖，同時記錄了完整的C2Hx大鼠的膈肌運動池附近/內的脊髓組織氧合，雙側膈神經活動，內臟和腎交感神經活動。

圖2、脊柱C2半切（C2Hx）后兩周，基線和中度急性間歇性缺氧（AIH）發作期間膈運動核附近的脊髓組織氧壓（PtO）受損。A)mAIH期間所有完整，部分C2Hx和完整C2Hx大鼠的脊髓PtO平均痕跡。B-D)脊柱PtOat基線，分別在第一次缺氧發作期間和三個缺氧發作的平均值。單因素方差分析在面板上產生p值。

圖3、基線時的脊髓組織氧壓（PtO）與脊柱C2半切術（C2Hx）后動脈壓水平之間的關聯。A)考慮所有實驗組的數據，平均動脈壓和脊髓PtOat基線之間的線性回歸。B)用5-HT1B受體拮抗劑（注射時間用箭頭表示）靜脈內（靜脈注射;1mg/kg）治療的完整C2Hx大鼠的代表性脊髓氧分壓（上）和搏動動脈壓痕跡（下）。C）注射5mL異淀粉靜脈注射以提高動脈壓的完整C2Hx大鼠的脊髓氧分壓（頂部）和搏動動脈壓痕跡（底部）。

圖4、完全性脊柱C2半切斷術（C2Hx完全性）兩周后，損傷同側未觀察到膈長期易化（LTF）。A）完整大鼠（灰線）、部分C2Hx大鼠（藍線）和完全C2Hx大鼠（黑線）中度急性間歇缺氧（AIH）方案下的平均左膈破裂峰值幅度跡。B）各實驗組左膈破裂峰值振幅平均值基線及術后60min平均值的標準誤差。統計學比較采用混合效應模型，并采用Tukey兩兩校正。C)從基線到MAIH后60分鐘期間，膈肌爆發峰值振幅的組間變化。

圖5、膈肌長期促進作用（LTF）在脊髓C2半切（部分和完全C2Hx）兩周后損傷側得以保留。A）在完整（灰色線）、部分C2Hx（藍色線）和完全C2Hx大鼠的中度急性間歇性缺氧（AIH）實驗中，平均右側膈肌爆發峰值振幅曲線。B）實驗組在基線和60分鐘后中度急性間歇性缺氧（mAIH）期間右側膈肌爆發峰值振幅的平均積分值±平均標準誤差。C）膈肌收縮波的總體變化量從基線到60分鐘的峰值振幅MAIH后。

結論與展望

本研究深入探討了C2脊髓半切（C2Hx）對大鼠脊髓組織氧合、膈神經（phrenic nerve）和交感神經活動的長期影響，特別是在中度急性間歇性缺氧（mAIH）誘導的呼吸和交感神經可塑性方面的作用。C2Hx后2周，靠近膈神經運動神經元的脊髓組織氧分壓（PtO2）顯著下降，且這種下降與損傷的嚴重程度相關。完全C2Hx的影響比部分C2Hx更為顯著。此外脊髓PtO2與平均動脈壓呈正相關，表明低血壓可能是導致脊髓低氧的一個重要因素。完全C2Hx后，損傷側（ipsilateral）的pLTF受損，而對側（contralateral）的pLTF則不受影響。部分C2Hx對ipsilateral pLTF沒有顯著影響。這表明脊髓低氧和5-羥色胺能神經支配的喪失可能是導致ipsilateral pLTF受損的原因。在完全C2Hx的大鼠中，mAIH后60分鐘，呼吸相關的交感神經活動顯著增強，表明呼吸-交感耦合增強。這一發現可能對理解SCI后的自主神經功能變化具有重要意義。本研究研究了大腦信息處理過程中能量供應的核心機制，挑戰了"神經元活動初期依賴糖酵解供能"的傳統觀點。通過海馬體切片實驗，研究人員驗證了氧化磷酸化（而非糖酵解）是突觸前動作電位、神經遞質釋放、突觸后電流和動作電位等關鍵神經活動的主要能量來源。本研究首次整合Unisense O?電極、NADH成像和場電位記錄，實現多參數代謝-電活動同步分析。通過Clark型玻璃微電極實現10μm空間分辨率，實時監測刺激誘發的O?濃度動態變化。這一發現對理解腦功能成像（如BOLD信號）的生理基礎具有重要意義。本顛覆了“糖酵解先供能”的傳統教條，為理解大腦信息處理的能量供應機制、解釋BOLD-fMRI信號生理基礎提供了直接實驗依據。