基于高场MRI的脊髓损伤诱导胶质细胞/血管活化与大脑可塑性变化关联性研究

Spinal cord injury results in sensory and motor dysfunction below the level of lesion, affects patients’ quality of life and imposes heavy economic costs on society. Injury at spinal cord segment can lead to brain structural and functional plastic changes. Studies show plastic changes play their particularly important roles in recovery of motor function. However, the mechanism underlying brain plasticity after spinal cord injury is unclear. Previous studies suggested activation of glia cells/vessels may play an important role on brain plasticity after spinal cord injury. However, the related research is very little, and lack of clinical imageology evidence. In this project, based on a model of rat spinal cord injury, we propose to investigate pathological mechanism of brain plasticity after spinal cord injury mainly using MR vessel, structural, functional and spectroscopic imaging at high field MRI system (9.4 T), combined with motor function measure scale and histological methods. Specific aims of the projects are: 1) to determine MR imaging/spectroscopic characters of brain plasticity after spinal cord injury, 2) to determine the effects of iron overload on the activation of glial cells/vessels, 3) to determine the correlation between imaging characters, motor function measure, iron overload, and pathological changes such as axonal regeneration, glial activation, etc. after spinal cord injury. The research results will provide clinical research on the pathological mechanism of brain plasticity after spinal cord injury with direct imaging evidence, and lay the foundation for future work related to therapeutic strategies after spinal cord injury.

脊髓损伤导致破坏性的感觉和运动功能缺失，严重影响病人的生存质量，并给社会造成沉重的经济负担。脊髓损伤后会诱发大脑结构和功能可塑性变化，这些变化对损伤后运动功能恢复产生重大影响。然而，脊髓损伤后大脑可塑性变化的机制尚不清楚。研究提示脊髓损伤后胶质细胞/血管活化可能对大脑可塑性变化起重要作用，但深入的研究还非常少，而且尚缺乏临床神经影像学证据。本项目拟以大鼠脊髓损伤模型为研究对象，利用9.4T高场磁共振血管成像、结构、功能和波谱等技术，结合运动功能评估、病理学方法对损伤后大脑可塑性变化的病理机制进行研究。研究内容包括大脑相关区域可塑性变化的影像/波谱学特征，铁超载对胶质细胞/血管活化的作用，以及可塑性变化影像学特征与运动功能、铁超载和轴突、胶质细胞等病理改变之间的关联。研究结果将为脊髓损伤后大脑可塑性变化的病理研究提供直观的影像学证据，为脊髓损伤临床治疗方法及判断治疗疗效提供重要的实验基础。

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）导致神经元死亡，轴突损伤和脱髓鞘，通常会引起暂时性或永久性的运动、感觉或自主神经功能的中断，出现严重的临床功能损害。这个损伤后的结果很大程度上取决于脊髓组织结构和损伤的部位。脊髓损伤后不仅脊髓，大脑也会出现结构上的改变。然而大脑神经可塑性变化的具体机制仍不清楚。轴突芽生、突触重组和神经新生是影响神经回路重建的关键因素，而损伤部位相关区域的血管生成或重建可提供更多的氧气和营养物质，从而有助于轴突再生和神经新生。我们前期的研究表明，大鼠SCI后大脑的锥体和大脑脚等区域可观察到星形胶质细胞的增殖和活化。激活的星形胶质细胞可刺激和招募成纤维细胞和内皮细胞，从而促进损伤区域血管生成。此外，SCI后，激活的星形胶质细胞将表达肝细胞生长因子（HGF）和间质表皮转换因子（c-Met），促进包括脊髓在内的大鼠、小鼠及人体各种组织和器官的血管生成。因此，我们推测星形胶质细胞可能在SCI后的大脑相关脑区血管生成过程中发挥重要作用。.基于大鼠第9胸髓半切损伤模型，本项目应用高场磁共振血管大小成像（magnetic resonance vessel size imaging）技术研究了大鼠脊髓半切损伤后大脑血管可塑性的变化。通过感兴趣区域分析发现，损伤4周后，与损伤部位同侧锥体相比，对侧锥体区域的平均血管直径（mVD）、微血管密度（Density）和血管大小指数（VSI）显著增加，提示对侧皮质脊髓束白质区域血管生成或活化。该结果经由免疫荧光实验证实，损伤4周后，对侧锥体区域血小板-内皮细胞粘附分子（CD31）和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的染色强度也显著增加。以上结果表明磁共振血管大小成像技术可为脊髓损伤后大脑相关区域的血管生成提供有价值的信息，并有可能成为诊断脊髓损伤患者脑部血管病变的新工具。