脊髓性肌萎缩症（SMA）是一种遗传性神经退行性疾病，导致运动神经元功能障碍、肌肉无力、疲劳和早期死亡。

来自匹兹堡大学的研究团队Marco Capogrosso等通过硬膜外脊髓电刺激（SCS）改善了3例3型SMA成人的运动神经元功能，从而增加了力量、耐力和步态质量。

临床前研究表明，SMA运动神经元表现出较低的放电率，是因为初级感觉传入的兴奋性输入丢失。在本研究中，假设通过电刺激感觉传入来纠正这种损失可以改善运动神经元的功能。为了验证这一假设，在三名患有SMA的成年人腰骶脊髓节段植入硬膜外电极，目标是腿部的感觉轴突。连续4周，在运动任务期间每天SCS刺激2小时。脊髓电刺激的干预导致力量（高达+180%）、步态质量（平均步长:+40%）和耐力（6分钟步行测试的平均变化:+26米）的改善，并伴有运动神经元放电率的增加。即使关闭SCS刺激，这些变化仍然存在。

研究招募了3名下肢无力且能够站立和行走的SMA患者（SMA01，SMA02，SMA03）。参与者接受临时植入两根（每侧一根）八触点硬膜外电极，持续29天（之后电极被移除;图2a）。通过术中定位，将电极置于L1-S1脊柱节段上方，以接合支配腿部肌肉的后根（图2a）。康复后，参与者进行了19次步行、肌肉力量、耐力和电生理评估，旨在量化SCS的辅助和治疗作用，并验证其作用机制（图2b,c）。评估包括步行期间的3D运动学、脊髓肌电图（EMG）、单关节等距扭矩、经颅磁刺激（TMS）和功能磁共振成像（fMRI)。

图2

研究通过比较SCS开启和SCS关闭时髋关节和膝关节最大自主收缩时的等距扭矩，量化了SCS对强度的辅助作用。所有参与者都有严重的腿部肌肉无力（比健全者弱220倍）。当SCS开启（运动阈值，40 Hz）时，观察到SMA01右髋关节屈曲时所有关节都有促进作用（即伸展或屈曲：高达+31%，SCS OFF：19.8 Nm，SCS ON：25.9 Nm；图3a-c）。

值得注意的是，研究发现，随着时间的推移，SCS关闭后，几乎所有腿部肌肉（13/16）都出现了很大的改善（图3d-f），尤其是髋屈肌（图3d，e），SMA01左髋屈曲从术前18.4 Nm到术后52.2 Nm。这些治疗上的改善超过了辅助效果，并带来了巨大的运动益处。例如，随着辅助效果建立在新获得的力量之上，SMA01可以在第4周脊髓刺激开启时从跪姿站起来，SMA03可以在第四周从靠在桌子上站起来，这是两名参与者在研究开始前都无法完成的任务。

图3

为了评估SCS对行走等功能性任务的影响，使用3D运动学系统（Vicon；图4a）测量了地面行走时髋关节和膝关节的步高、步长、步速和运动范围（ROM）。与力量测试结果相似，所有参与者在SCS开启后髋关节和膝关节活动度都有所改善（图4d），这表明对行走功能有促进作用。此外，SMA01的步速有所提高（图4b），SMA02的步高、步长和步速有所改善（图4b）。ROM的增加与肌肉激活的增加并行。

图4

在SMA中，运动神经元减少了Ia传入神经的突触输入，由于不应期较长，这会引发兴奋性增加和低放电率。因此，如果SCS刺激确实逆转了SMA中的运动神经元功能障碍，那么运动神经元放电率的增加应该与运动神经元兴奋性的降低、不应期的缩短和突触输入的增加并行。

经过4周的SCS刺激后，研究发现（1）大部分运动单元的峰值放电能力显著增加;（2）脊髓内BOLD fMRI信号更强;（3）TMS MEPs的大小大幅减少;（4）运动单元的不应期较短;（5）感觉突触的强度增加了。

这些综合发现首次证明，SCS至少在刺激时（每天2小时）逆转了SMA患者产生运动神经元功能障碍的不适应变化。