一侧半球损伤后健侧皮层运动中枢手功能代表区神经重塑的规律研究

In previous studies, our research group originally put forward the idea that by connecting the paralyzed hand with the intact hemisphere through peripheral nerve rewiring surgery in central hemiplegic patients, the function of the paralyzed hand can be improved significantly. Functional imaging studies revealed that, a motor cortical area emerged in the intact hemisphere and controlled the paralyzed hand through functional reorganization, but the reorganization pattern remained unclear. The hand function is extremely dexterous, and the representation area of the hand occupies a large part in the motor cortex, moreover, previous studies indicate that the hand representation area of the motor cortex undergoes special reorganization comparing to other parts. Considering this, the genesis of the new area controlling the paralyzed hand in the motor cortex of the intact hemisphere is not clear. Is this area directly divided from the intact hand representation area through functional reorganization, or it is located through functional reorganization of the entire motor cortex? Based on previous findings of the location of the newly emerged area in the intact hemisphere, we impair the cortical area of the newly emerged motor area in the intact hemisphere through cortical ablation in unilateral brain injury mice model, observe the functional outcome of bilateral forelimbs, and detect the dynamic reorganization of the motor cortex with optogenetics technique and functional magnetic resonance imaging methods, with the intent to explore the reorganization rules of the motor cortex of the intact hemisphere in central hemispheric patients.

课题组前期原创提出通过周围神经交叉移位将中枢性偏瘫患者的健侧半球与瘫痪手相连使健侧半球同时支配双侧手，临床可有效改善中枢性偏瘫患者的手功能。功能影像检查显示健侧半球运动中枢出现支配瘫痪手的新功能区，并通过功能重塑建立对瘫痪手的支配，但重塑规律不明。由于手部代表区在大脑代表区中所占面积特别大，手功能也更为精细，大量文献提示运动中枢中手部代表区存在着特殊的功能重塑模式。故前期工作中瘫痪手的新功能区是仅由健侧手代表区通过重塑产生的，还是整个运动中枢通过重塑产生的？本研究拟在前期研究已获得瘫痪手新功能区定位的基础上，利用小鼠模型，分别在健侧半球建立对患手的支配之前和建立支配以后将新出现的手功能区所在的相应脑区进行损毁，通过光遗传学、功能磁共振以及行为学实验，观察健侧半球是否可通过功能重塑再次对瘫痪肢体产生支配，以及双侧前肢的功能情况，研究中枢性偏瘫后健侧半球运动中枢功能重塑的规律这一基础科学问题。

课题组前期原创提出通过左右颈7交叉移位术（CC7）将中枢性偏瘫患者的健侧半球与瘫痪手相连使健侧半球同时支配双侧手，临床可有效改善中枢性偏瘫患者的手功能。功能影像检查显示健侧半球运动中枢出现支配瘫痪手的新功能区，并通过功能重塑建立对瘫痪手的支配，但重塑规律不明。由于手部代表区在大脑代表区中所占面积特别大，手功能也更为精细，大量文献提示运动中枢中手部代表区存在着特殊的功能重塑模式。因此，本项目聚焦于研究健侧皮层重塑出的新生运动功能区在改善瘫痪肢体精细运动中的作用机制。通过对小鼠的解剖进行研究，结合临床实践的经验，我们首先建立了经气管前路和椎体前路的CC7手术小鼠模型。神经移位后2周，通过神经丝蛋白NF200染色显示，吻合口远端新生神经纤维增多。此外，通过在吻合口近端刺激移位C7神经，记录瘫痪上肢不同肌肉肌电信号可以发现，术后2周神经可再生至胸大肌，术后3周再生至肱三头肌，术后4周再生至伸指总肌。其次，通过对接受CC7的单侧脑损伤Thy1-ChR2小鼠进行光刺激结合肌电记录，发现术后健侧皮层中瘫痪肢体代表区呈现先扩张-再缩小的趋势，且逐渐与健侧肢体代表区分离，独立存在，主要分布在初级感觉皮层（S1区）。再次，通过在小鼠的双侧上肢肌肉组织中注射PRV逆行跨多级突触示踪病毒，发现相比与正常小鼠与单侧脑损伤小鼠，左右颈7交叉移位小鼠健侧皮层中下行支配患肢的神经元数量显著增多，且主要的聚集部位与光刺激结合肌电记录显示的位置保持一致。进一步，行为学试验结果显示，相比于单纯脑损伤组，CC7组小鼠的运动功能有明显改善，术后2月有显著恢复，术后3月恢复至正常水平。最后，在术后3个月时间点，通过药理遗传学损毁瘫痪肢体在健侧皮层中的新生功能区，发现患肢已恢复的精细运动显著降低。综上，CC7术后，单侧脑损伤小鼠的健侧皮层发生动态的可塑性变化，并逐渐在感觉区域中重塑出患肢新生运动功能区，该功能区主导了偏瘫肢体精细运动的恢复。