绵羊骶神经根膀胱传入活动分布表现出显著的个体变异：对神经假体设计的启示

《Frontiers in Neuroscience》：Distribution of bladder afferent activity across the sacral roots in sheep shows marked individual variation: implications for neuroprosthesis design

　　

目的：可植入的骶前根刺激器能够在脊髓损伤后实现膀胱排空，但不能预防反射性尿失禁。一种能够检测并抑制反射性膀胱收缩的闭环神经假体可以解决这一问题，但首先需要从骶神经根可靠地检测膀胱充盈度。此外，膀胱传入活动在骶神经根之间的分布，以及每个根内传出与传入活动之间的关系仍不清楚，必须加以阐明以指导植入物设计。

方法：在6只终末麻醉的绵羊双侧S1–S3硬膜外骶神经根上植入电极书（electrode books）。在充盈膀胱测压期间，同时记录所有植入根的传入神经电图（ENG），并与膀胱压力进行相关性分析。对每个根单独进行电刺激，记录膀胱压力反应。死后形态计量学分析确定了每个根内的纤维直径分布。

结果：总体而言，S2的ENG活动与膀胱压力的相关性最高，S2和S3的电刺激引起膀胱压力最大增幅。纤维直径分布与ENG活动或膀胱压力反应均无相关性。个体绵羊之间存在显著变异，但值得注意的是，在6只绵羊中的4只中，单个骶神经根既具有最高的ENG与膀胱压力相关性，又具有最大的膀胱刺激反应。

意义：本研究证明了使用临床适用电极从骶神经根可靠记录膀胱传入信号。它首次在多个动物中同时记录了三对骶神经根的膀胱ENG，并首次描述了根间信号分布。发现了显著的个体变异，这影响了未来用于膀胱控制的可植入骶神经假体的设计。

脊髓损伤（SCI）后，由于上行和下行通路中断，患者常出现膀胱储尿和排尿功能障碍，导致反射性尿失禁。临床上使用的可植入骶前根刺激器（SARS）虽能通过电刺激触发排尿，但无法抑制反射性膀胱收缩，通常需要联合后根切断术（rhizotomy）来减少反射性尿失禁，然而该手术不可逆并会丧失性反射等功能。因此，设计一种闭环神经假体——即通过检测膀胱充盈信号并适时抑制反射性收缩——成为理想选择。但要实现闭环控制，首先需从骶神经根可靠地提取传入信号，并明确膀胱传入活动在骶根之间的分布规律，以及传入与传出活动在同一根内的匹配关系。

针对上述问题，研究人员在6只成年雌性骡羊（平均体重61.5±15.6 kg）上开展了急性实验。研究旨在：同时记录双侧S1–S3硬膜外骶神经根的传入神经电图（ENG）并进行膀胱测压，评估各根ENG与膀胱压力的相关性；通过电刺激各根记录膀胱压力反应，评估传出支配分布；通过死后形态计量学分析各根纤维直径分布。研究结果发表于《Frontiers in Neuroscience》。

关键技术方法：采用Finetech Medical定制的开放双腔袖套电极（电极书），分别植入双侧S1–S3硬膜外骶神经根。ENG记录使用自制差分放大器（增益80 dB，带宽100 Hz–50 kHz），以500 kS/s采样后降采样至50 kS/s。通过遗传算法优化信号处理参数（带通滤波75 Hz–5 kHz，窗口长度1 s，重叠0.07%，伪迹剔除阈值T=5.8），提取均值绝对值（MAV）作为特征，计算与膀胱压力的皮尔逊相关系数。电刺激参数为30 Hz、350 μs脉宽、1–10 V斜坡。形态计量采用锇酸染色和半自动分析，统计直径10.1–11.2 μm（预期膀胱传入纤维直径范围）的纤维比例。

研究结果：
3.1 充盈膀胱测压：最大膀胱容量为332±115 ml（压力达50 cmH2O时）。
3.2 电极书阻抗：平均1.77±0.50 kΩ（1 kHz），与骶根直径呈显著负相关（r=?0.46, p=0.0042）。
3.3 电刺激的膀胱压力反应：S2和S3根电刺激引起的膀胱压力增幅显著高于S1（S1: 5.7±7.6 cmH2O，S2: 14.5±8.3 cmH2O，S3: 12.0±9.3 cmH2O；混合模型F(2,26)=11.6, p<0.001，事后Tukey检验p<0.01–0.001）。个体绵羊间差异显著（F(5,26)=18.4, p<0.0001），左右侧无显著差异。
3.4 优化超参数：遗传算法优化后的带通为75 Hz–5 kHz，窗口长度1 s，重叠0.07%，伪迹阈值5.8，低通10 kHz。MAV为与膀胱压力相关性最高的特征。
3.5 ENG随膀胱压力变化：所有根的ENG活动在膀胱充盈时增加，S2根ENG与膀胱压力的相关性最高（0.64±0.13），显著高于S3（0.50±0.25）和S1（0.41±0.37）（混合模型F(2,137)=9.8, p<0.001，事后Tukey检验p<0.05–0.001）。ENG与膀胱压力间存在滞后现象。
3.6 后根切断验证：单侧（右侧）切断后，切断侧的ENG-压力相关性显著下降，完整侧相关性略有增加；双侧切断后所有根的相关性丧失（两因素重复测量ANOVA：F(2,3)=6.2, p=0.034）。随机置换膀胱压力后相关性接近零（0.034±0.023），验证了处理流程不会产生虚假关联。
3.7 传入信号在骶根间的分布：个体间变异显著，但S2根平均相关性最高。留一交叉验证表明结果稳健，非由单一动物驱动。
3.8 骶根纤维直径分布：S1、S2、S3根直径分别为2.7±0.8 mm、2.0±0.5 mm、1.4±0.6 mm。各根纤维直径分布范围相似（1–15 μm），10.1–11.2 μm纤维的绝对数量和比例在各根间无显著差异。
3.9 比较传入、传出与纤维分布：在6只绵羊中的4只中，电刺激引起膀胱压力增幅最大的根与ENG-压力相关性最高的根为同一根（分别为S2L、S2R、S3L、S3R）。但整体上，ENG-压力相关性与刺激反应之间（平均r=0.28）、ENG与纤维分布之间（平均r=?0.11）、刺激反应与纤维分布之间（平均r=?0.20）的皮尔逊相关系数均较低，无显著线性关系。

讨论部分指出，这是首次同时记录多对骶根膀胱传入ENG并评估信号分布，证实了使用临床型电极书进行可靠记录的可行性。ENG与膀胱压力的相关性（0.64±0.13）高于文献中单根袖套电极在猪（0.45±0.27）和猫（部分成功）中的结果。后根切断实验进一步确认了记录的传入性质。观察到的滞后现象与膀胱壁机械特性及机械感受器膜特性一致。研究发现的显著个体变异对设计临床神经假体具有重要影响：可能需要在每位患者中评估最佳植入根，或需在多个根上植入电极以确保可靠检测。虽然4/6绵羊的传入和传出最高活动出现在同一根，但样本量小，不能推广至多数群体。纤维直径分布与功能指标无相关，可能因膀胱传入纤维占总纤维比例极低（<3%）而难以检测。临床应用方面，本研究的大动物模型（绵羊体重和人相近，椎管直径约10 mm，神经纤维有髓化且直径相似）增加了向人体转化的相关性。

结论部分（翻译）：这是首次研究使用当前用于慢性临床植入的硬膜外电极书，同时记录多对骶神经根的膀胱传入ENG。也是首次评估膀胱传入活动在骶根间的分布。评估发现动物间存在显著变异，即哪个骶根表现出最大的传入和传出反应。这对闭环控制神经假体的设计具有重要意义，表明临床上可能需要针对每个患者决定植入哪一根，或者必须在每个患者中植入多个骶根。本研究中使用的电极书类似于临床中用于慢性植入的装置。此外，绵羊作为与人类体型相似的大动物模型，表现出与人类类似的信噪比限制。这些发现确保了其对于临床转化和开发用于人类患者的神经假体装置具有重要意义。