功能性超声成像揭示人类脊髓在膀胱充盈与排空过程中的血流动力学响应机制

本研究利用功能性超声成像(fUSI)技术，首次在人体内实时监测膀胱充盈与排空过程中脊髓的血流动力学变化。研究人员通过尿动力学控制下的膀胱压力记录，结合支持向量机回归(SVM-r)模型，成功识别出与膀胱压力显著相关的脊髓区域(△SCBV变化达123.33±4.12%)，为开发脊髓-膀胱功能接口技术奠定基础。该突破性成果发表于《Nature Communications》，为神经源性下尿路功能障碍的治疗提供新思路。

　　

排尿控制是人类最基本的生理功能之一，但脊髓在这一过程中的作用机制长期笼罩在神秘面纱下。传统神经影像技术如功能磁共振成像(fMRI)因脊髓特殊的解剖结构——被骨性椎管包围、横截面仅约12毫米——难以获得清晰的功能图像。这导致我们对排尿控制的神经环路认知主要来自动物实验和病变研究，而人类脊髓如何编码膀胱压力信号始终是个未解之谜。

南加州大学凯克医学院(Keck School of Medicine of the University of Southern California)的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，首次应用功能性超声成像(functional ultrasound imaging, fUSI)技术，在人体手术过程中实时捕捉膀胱充盈与排空时脊髓的血流动力学变化。这项研究不仅填补了人类脊髓功能研究的空白，更为开发新型脊髓-膀胱接口技术提供了关键科学依据。

研究采用四项关键技术方法：(1)通过15.6 MHz线性超声探头经椎板窗口获取T₁₀水平脊髓的血流信号；(2)尿动力学系统精确控制膀胱充盈(90 ml/min)与排空过程；(3)功率多普勒(power Doppler)成像监测脊髓血容量变化(△SCBV)；(4)支持向量机回归(SVM-r)算法解码膀胱压力信号。研究对象为4名接受硬膜外脊髓刺激手术的慢性腰痛患者。

脊髓血流动力学响应特征

通过分析膀胱压力与△SCBV的时空相关性，研究发现脊髓存在显著的正负相关区域：正相关区域平均峰值△SCBV达123.33±4.12%，负相关区域为-42.61±4.20%。这些区域不仅分布于脊髓背侧表面，还延伸至邻近灰质的血管区域，表明排尿控制涉及复杂的兴奋-抑制平衡网络。

膀胱压力信号重建

研究团队开发的SVM-r模型仅需脊髓血流信号即可高精度重建膀胱压力动态变化，平均均方误差(MSE)仅0.0042±0.0011。模型识别出的关键脊髓区域主要分布在背索两侧和后正中沟附近，这些区域的β系数权重最高，表明其对压力编码贡献最大。

这项研究开创性地证实了三个重要结论：首先，人类脊髓T₁₀水平存在特异的膀胱压力编码区域，其血流信号与膀胱压力变化高度同步；其次，fUSI技术能够突破传统影像限制，实现脊髓功能的实时监测；最后，机器学习算法可有效解码脊髓血流信号中的压力信息。这些发现不仅完善了排尿控制的神经机制理论，更对临床实践具有双重意义：一方面为神经源性膀胱功能障碍的精准治疗提供新靶点，另一方面为开发"脊髓-机器接口"技术奠定基础。虽然目前fUSI仍需通过椎板窗口实施，但随着经颅超声技术的发展，未来有望实现完全无创的脊髓功能监测，这将彻底改变我们对"第二大脑"——脊髓的认知方式。