脊髓内微刺激是重建脊髓损伤后运动功能的有效方法。然而，在实际操作中，缺乏可参考的刺激位点图谱。电极植入的位置只能通过多次刺激来确定，这会对脊髓造成二次损伤。因此，本文选择SD大鼠作为研究对象，利用脊髓内微刺激技术对控制后肢运动的腰椎脊髓进行三维扫描电刺激。记录能够诱发髋、膝、踝关节运动的位点坐标及相应的阈值电流。为减小个体差异，提高图谱的普适性和应用性，研究人员对6组实验结果进行了归一化处理，并在同一坐标系下绘制了脊髓运动功能三维图谱。将各组诱发同一运动的分布区域的重叠部分定义为核心区域。对所有位点的阈值电流进行统计分析，以获得诱发后肢运动所需的最合适电流强度范围。在核心区域内使用合适的电流进行脊髓内微刺激，可以有选择地诱发出预期的后肢运动，从而极大地提高电极植入的准确性和可靠性。
一、 引言
脊髓损伤是最具破坏性的神经创伤之一，严重影响患者的自理能力和生活质量。全球脊髓损伤患者人数已超过300万。由于受损神经元的再生和轴突传导功能的恢复十分困难，脊髓损伤的治疗已成为一个世界性难题。
实验表明，如果损伤平面以下的脊髓运动神经网络保持完整，其在电刺激下能够被激活并产生运动功能。近年来，功能电刺激技术引起了越来越多学者的关注。研究人员在脑切除猫的腰椎脊髓上进行了脊髓内微刺激和硬膜外刺激，并比较了两种方法产生步行动作的能力和机制。另有研究发现，脊髓内微刺激通过提供神经元存活、轴突生长和突触稳定性所需的必要电活动，能够促进损伤后的长期功能恢复。已有学者成功通过功能电刺激技术重建了大鼠的后肢运动功能。研究人员还将功能电刺激应用于临床研究，改善了患者的运动能力。可以说，功能电刺激是重建运动功能的有效途径。其中，脊髓内微刺激通过直接刺激脊髓腹侧的运动环路，能够更自然、更有选择性地激活运动神经元及相应的肌肉。同时，由于刺激电极植入脊髓内部，距离运动肌肉相对较远，减少了因运动导致的电极移位问题。
展开剩余81%由于缺乏适用于脊髓内微刺激的脊髓运动功能位点分布图谱，微电极植入的位置通常需要通过针对特定运动的反复实验来确定。因此，如何实现电极的精准植入，并减少因多次植入对脊髓组织造成的不必要损伤，一直是亟待解决的关键问题。本文通过在大鼠腰椎脊髓进行脊髓内微刺激，寻找能够诱发髋、膝、踝关节运动的位点，并绘制了与后肢运动相关的脊髓运动功能三维图谱，旨在提高实验中刺激电极定位的准确性与可靠性。
二、方法
01.电极与信号
刺激电极为单根钨丝电极。其轴径为0.081毫米，尖端直径为2-3微米。记录电极和参考电极为自制针灸针电极，直径为0.16毫米。
刺激信号为双相刺激脉冲序列，由Master-9刺激信号发生器产生。正脉冲宽度为2毫秒，负脉冲宽度为0.2毫秒。脉冲间隔为27.8毫秒，脉冲数量为40个。单次刺激时长为1.2秒，刺激间隔为2.8秒。刺激电流可通过刺激隔离器进行调节。肌电信号由PowerLab采集，采样率为2千赫兹，采用差分放大，带通滤波范围为20-1000赫兹。
02.动物准备
所有实验均获得实验动物管理与使用委员会的批准，并遵循实验动物护理与使用指南进行。动物在南通大学实验动物研究中心的兽医监督下饲养。
本文提及的节段均为脊椎节段。
实验使用六只成年SD大鼠。腹腔注射10%水合氯醛溶液进行麻醉。麻醉后剔除背部毛发，并使用75%酒精消毒。确定大鼠的T12-L1脊髓节段，沿脊柱方向水平切开皮肤。分离椎旁肌以清晰暴露椎板。测量每个脊椎节段的长度用于后续归一化处理，并在肌肉上标记。使用眼科剪去除T12-L1节段的背侧椎板，并确保硬脊膜完好无损。测量腰膨大最宽处直径用于归一化处理。切开硬脊膜后，用生理盐水纱布覆盖脊髓以保持其活性。将双极电极植入大鼠右后肢的六块肌肉中。参考电极植入椎旁肌附近。将大鼠固定在自动脑立体定位仪上，为后续电刺激做准备。
刺激波形由Master-9信号发生器产生，通过刺激隔离器输出至固定在立体定位仪上的钨丝电极。肌电信号由PowerLab记录，以确认是否诱发相关肌肉收缩。以脊髓后正中沟作为坐标原点。如图1所示，电极在外侧方向上以300微米为间隔沿X轴移动，在背腹方向上以200微米为间隔沿Y轴移动，在头尾方向上以500微米为间隔沿Z轴移动。记录能够诱发运动的最小阈值电流，同时记录所诱发运动的类型及位点坐标。
图1. 刺激位点分布
03.位点描述
为减少个体间脊髓长度和横径差异的影响，需对刺激位点的几何参数进行归一化处理。归一化方法如下：外侧方向X以D/2进行归一化，背腹方向Y以D进行归一化，头尾方向Z以脊椎节段长度进行归一化。归一化后，将每只大鼠的脊髓运动功能分布图绘制在同一坐标系中。
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将六只SD大鼠的功能区域进行叠加，并将诱发同一运动的范围重叠部分定义为核心区域。
三、结果
01.脊髓运动功能三维图谱
图2是基于六组实验结果绘制的大鼠腰椎脊髓功能三维图谱，涵盖了八种运动类型：髋关节屈曲、髋关节伸展、髋关节内收、髋关节外展、膝关节屈曲、膝关节伸展、踝关节屈曲和踝关节伸展。这些运动功能集中在T13和L1脊椎节段。图中的填充部分代表相应运动功能的核心区域。由于实验中髋关节屈曲常伴随膝关节屈曲发生，难以诱发出单一关节的运动，因此髋关节屈曲与膝关节屈曲共享同一核心区域，髋关节伸展与膝关节伸展亦然。表Ⅰ列出了这些核心区域的分布节段及坐标范围。从图表中可以清晰看出，髋关节伸展与膝关节伸展运动的分布范围最广，而踝关节屈曲与伸展运动的范围相对较小。踝关节伸展的核心区域与髋关节伸展存在较大重叠。踝关节屈曲也与髋关节屈曲及内收存在重叠区域。
图2. 脊髓运动功能三维图谱
(a) 髋关节屈曲与髋关节伸展。 (b) 髋关节内收与髋关节外展。
(c) 膝关节屈曲与膝关节伸展。 (d) 踝关节屈曲与踝关节伸展。
表I. 各运动分布节段与位点坐标
02.阈值电流
实验中记录了约4000个刺激位点的坐标及对应的阈值电流。能够诱发后肢运动的位点数量如表Ⅱ所示。图3展示了对所有位点阈值电流的统计分析结果。诱发不同运动所需的电流强度不同。诱发髋关节屈曲和膝关节屈曲大约需要100微安的电流，而诱发髋关节伸展、膝关节伸展及踝关节伸展仅需约80微安的电流。
图3. 各运动平均阈值电流
表II. 各运动位点数量
四、 结论
本文绘制了大鼠腰椎脊髓运动功能的三维图谱，旨在为功能重建中的电极植入提供参考。实验共记录了与后肢运动相关的8种动作，这些动作分布在T13和L1脊椎节段。其中，屈曲相关运动主要位于T13节段，而伸展相关运动则集中于L1节段，两者在步态中起主导作用。髋关节伸展的刺激位点数量最多且分布范围最广，相对容易定位。而踝关节运动的位点较少，定位相对困难。实验中发现，当诱发髋关节屈曲或伸展时，膝关节运动常同时被诱发。在诱发髋关节内收或外展时，偶尔也可引发踝关节运动。这表明，对腰椎脊髓腹侧进行电刺激不仅能产生单关节运动，还能诱发多关节协调运动。在同一刺激位点，刺激电流强度对诱发运动的类型具有显著影响。当刺激电流从阈值开始以一定斜率增大时，募集到的肌纤维数量增加，运动的幅度和强度也随之增强。此外，当电流增大至某一临界值时，刺激的传播范围扩大，更有力的肌群参与主导，运动模式可能随之改变。例如，施加较小电流时诱发踝关节伸展，但当电流强度超过约80微安时，运动则转变为髋关节伸展。这也解释了不同运动的核心区域为何存在重叠。在合适的核心区域内施加适当强度的电流，能够更精准地诱发目标运动，有效减少电化学损伤，并实现对后肢运动的选择性控制。
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