《Experimental Brain Research》：Effects of lumbar disc injury and nociception on trunk motor control during rat locomotion
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椎间盘（IVD）损伤是导致下背痛的主要原因之一，并可引起结构缺陷和机械不稳定性。当椎间盘受损时，椎旁肌（如多裂肌（MF）和长脊肌（ML））的神经肌肉代偿对于维持脊柱稳定性至关重要。然而，目前尚不清楚椎间盘损伤及其与伤害性感受的相互作用如何影响神经肌肉控制。本研
椎间盘（IVD）损伤是导致下背痛的主要原因之一，并可引起结构缺陷和机械不稳定性。当椎间盘受损时，椎旁肌（如多裂肌（MF）和长脊肌（ML））的神经肌肉代偿对于维持脊柱稳定性至关重要。然而，目前尚不清楚椎间盘损伤及其与伤害性感受的相互作用如何影响神经肌肉控制。本研究评估了在大鼠模型中，椎间盘损伤以及额外的肌肉源性伤害性感受对运动期间躯干运动控制的影响。通过L4/L5节段穿刺诱导椎间盘损伤，一周后向腰部多裂肌注射高渗盐水以诱导伤害性感受。在基线、椎间盘损伤后一周以及高渗盐水注射后立即记录跑步机运动期间的躯干和骨盆运动学数据以及多裂肌和长脊肌的双侧肌电图（EMG）活动。结果显示，躯干和骨盆运动学以及双侧肌肉激活模式在各条件下保持高度一致。步态周期时长、骨盆角、腰椎角和脊柱角的变化、变异性或运动不对称性均未发现显著变化。多裂肌呈双侧同步激活，而长脊肌则表现出左右交替激活模式。椎间盘损伤后，右侧多裂肌平均激活度和肌电图变异性较基线显著增加。在不稳定的脊柱（椎间盘损伤）条件下加入肌肉源性伤害性感受后，左侧多裂肌最小振幅显著降低，且与不稳定性相关的右侧多裂肌平均激活度和变异性增加被减弱但未完全逆转。这些发现表明，单节段椎间盘损伤单独存在或合并肌肉源性伤害性感受时，可引起局部神经肌肉适应性改变，而不会破坏整体运动模式。
本研究发表于《Experimental Brain Research》，旨在探究单节段腰椎椎间盘（IVD）损伤及其与肌肉源性伤害性感受的相互作用对大鼠运动期间躯干神经肌肉控制的影响。
研究背景方面，下背痛（LBP）是全球范围内导致残疾负担最严重的健康问题，预计到2050年全球病例数将增加36.4%。椎间盘退变是导致下背痛的主要原因之一，退变的椎间盘表现出明显的结构和形态改变，包括纤维环结构紊乱、髓核含量丢失以及椎间盘高度降低。这些结构缺陷可损害脊柱节段的力学特性，包括刚度降低和活动度增加。根据Panjabi提出的脊柱稳定性模型，脊柱稳定系统由被动亚系统（椎骨、椎间盘、韧带）、主动亚系统（椎旁肌和肌腱）和神经控制系统（外周和中枢神经系统）组成。任一组成部分的功能障碍都可能触发其他组成部分的代偿性适应，以维持短期和长期的稳定性。当椎间盘作为被动亚系统的组成部分因损伤而稳定性受损时，可能诱发神经肌肉代偿反应，如背部肌肉激活增加以提供主动刚度。实验证据表明，即使在没有结构性破坏的情况下，对椎间盘、韧带或关节突关节囊内感觉传入纤维的电刺激或机械刺激也能引发多裂肌和长脊肌的反射性激活。椎旁肌在维持脊柱稳定性方面发挥着至关重要的作用。在清醒大鼠中，腰椎多裂肌和长脊肌是主要的背伸肌，尤其多裂肌几乎持续处于紧张性活动状态以维持腰椎稳定性。多裂肌连接各个腰椎椎体，能够增加节段刚度并控制椎间运动；长脊肌则同时对躯干的整体稳定和移动发挥作用。此外，这两种肌肉均有助于对抗由肢体运动引起的躯干侧向位移，其中长脊肌尤其参与将脊柱重新对准中线。多裂肌的结构和功能改变，如横截面积减少、脂肪浸润和纤维化，已与下背痛相关联。下背痛患者也表现出与健康对照组相比改变的躯干肌肉激活模式，以及可能与此相关的更高静息多裂肌和长脊肌刚度。虽然这些变化可能通过限制过度运动和减少组织应变在短期内增强脊柱稳定性，但也可能导致躯干僵硬度和活动受限增加，长期而言可能引起累积性脊柱负荷升高、肌肉重塑（如萎缩、退变），并进一步恶化椎间盘健康，最终导致慢性下背痛的发生或持续。椎间盘源性疼痛包括伤害性疼痛和神经病理性疼痛，是下背痛的一个独特类别。结构性椎间盘损伤可能触发此类疼痛，特别是当伴随神经血管通过纤维环裂隙向椎间盘内部生长时。然而，在动物模型中评估椎间盘损伤相关疼痛仍具挑战性。在啮齿类动物中，疼痛通常通过观察疼痛相关行为、测量功能表现或对机械及热刺激的反应来评估。尽管自发行为和功能表现保持不变，但椎间盘损伤后机械和热刺激后爪敏感性增加已被一致报道。此外，椎间盘退变可能与外周和中枢神经系统相互作用，导致椎间盘、背根神经节和脊髓之间的急性炎症交流，伴随疼痛相关神经肽和神经炎症相关细胞标志物增加。这些发现提示，尽管椎间盘源性疼痛可能存在于啮齿类动物椎间盘损伤模型中，但可能并未在行为和运动中表现出来，而潜在的炎症和神经感觉变化却存在，并可能影响椎间盘损伤后的神经肌肉控制。先前研究表明，伤害性输入可以抑制多裂肌和长脊肌的肌肉激活，但目前尚不清楚椎间盘损伤诱导的机械不稳定性如何影响这些肌肉的神经控制，以及其在运动期间如何与伤害性感受相互作用。
研究人员开展了以下研究：使用12只成年雄性Wistar大鼠，采用与先前实验相同的队列。在一周的适应期后，大鼠进行两周的跑步机运动训练。随后，在多裂肌和长脊肌的双侧L4-L5椎体水平植入肌电图电极，并在L2和S1棘突及双侧髂嵴放置运动学标记点。经过两周恢复期后，在0.5 m/s固定速度下进行在体测量，采集运动视频和肌电图信号。基线记录后，通过经腹膜前入路诱导L4/5椎间盘损伤，使用21号针头穿透髓核并旋转360度。一周后重复在体测量评估与椎间盘损伤相关的运动和肌肉反应。为评估椎间盘损伤与肌肉源性伤害性感受的相互作用，向L4-L5椎体水平的左侧或右侧多裂肌注射100 μl高渗盐水（5.8%），注射后立即进行另一轮在体测量。此外，还纳入镇痛对照条件，在最终测量前至少30分钟皮下注射卡洛芬（3 mg/kg）。运动视频通过DeepLabCut分析获取腰椎和骨盆角度的时间序列数据；肌电图数据进行包络处理和时间归一化。采用n维统计参数映射进行时间序列比较，配对t检验评估各参数差异，Fisher z变换处理Pearson相关系数后进行统计比较。
研究结果显示，所有大鼠在单节段椎间盘损伤后均未表现出疼痛相关行为。由于运动标记识别不良和电极故障，一只大鼠的数据被排除；部分肌电图数据因信噪比低、放置不当或电极故障而从特定肌肉中排除；另各有1只大鼠在椎间盘损伤和高渗盐水条件下因缺乏稳定小跑步态被排除。镇痛条件与椎间盘损伤条件在运动学和肌电图结果上均无显著差异，因此后续使用椎间盘损伤条件数据进行统计分析。
在运动学结果方面，骨盆、腰椎和脊柱角度的时间序列在各条件下表现出高度一致的模式，统计参数映射分析未发现均值曲线和变异性曲线的显著差异。骨盆和腰椎角度大约在步态周期中期（50%）达到峰值，脊柱角度呈正弦曲线模式。配对t检验显示，基线与椎间盘损伤之间、或椎间盘损伤与高渗盐水之间，在步态周期时长、节段角度变化及其变异性、运动不对称性等方面均无显著差异。尽管连续角度波形无显著差异，但高渗盐水条件下峰值骨盆角度出现时间较椎间盘损伤条件略微提前（平均差异0.7%步态周期）。
在多裂肌肌电图结果方面，左右侧多裂肌均表现出与步态周期对齐的特征性双峰激活模式，与骨盆和腰椎角度变化时间一致。双侧多裂肌激活模式在各条件下保持相似的时间和形状。统计参数映射分析未发现均值和步态间变异性的显著差异。左右侧多裂肌肌电图曲线的Pearson相关系数在基线为0.78、椎间盘损伤后为0.51、高渗盐水条件下为0.55，表明各条件下均存在中度至强双侧同步激活，且该双侧协调未受显著影响。整体来看，椎间盘损伤条件下肌电图振幅似乎升高。配对t检验显示，仅右侧多裂肌平均振幅在椎间盘损伤条件下较基线显著增加，而椎间盘损伤与高渗盐水条件之间无显著差异。右侧多裂肌的步态间变异性在主要爆发相位期间更大，其平均变异性在椎间盘损伤后较基线显著增加，而在高渗盐水条件下较椎间盘损伤显著降低。对于左侧多裂肌，最小振幅在基线与椎间盘损伤之间无显著差异，但在高渗盐水条件下较椎间盘损伤显著降低。其他激活参数未观察到显著差异。
在长脊肌肌电图结果方面，左右侧长脊肌在各条件下均表现出单一的宽激活模式，存在左右交替激活，与同侧后爪摆动相位相对应。左右侧长脊肌之间呈中度负相关，表明各条件下均存在交替激活模式。椎间盘损伤条件下肌电图包络略有下移，但统计参数映射分析未发现与基线的显著差异，椎间盘损伤与高渗盐水条件之间也未发现显著差异。配对t检验同样未显示长脊肌在各参数上的显著差异。
在讨论部分，研究人员首先指出椎间盘损伤产生的伤害性感受并未改变运动输出，因为镇痛条件与椎间盘损伤条件在运动学和肌电图结果上均无显著差异，这与先前研究中观察到的椎间盘损伤后疼痛相关行为和功能表现无变化、但后爪敏感性增加的结果一致，提示损伤椎间盘产生的伤害性输入可能微小或不足以改变该模型中的运动输出。
关于运动学一致性，尽管研究假设椎间盘损伤会限制节段运动，但观察到的运动学差异微小且不显著。额外通过高渗盐水注射增加的伤害性输入也未显著改变躯干和骨盆角度变化、变异性、周期时长或运动不对称性。然而，高渗盐水条件下峰值骨盆角度时间略微提前，这可能反映细微的协调调整而非整体运动输出的改变。这些发现与开放场地测试结果一致，并与研究人员先前仅进行肌肉源性伤害性感受的研究结果以及人体研究结果相符。但其他研究也报道了不同的结果，如使用计算机辅助步态分析系统发现椎间盘损伤后站立相位延长和步幅缩短，或在关节突切除诱导的脊柱不稳定模型中观察到摆动速度降低。研究人员指出其实验设置无法分别分析站立和摆动相位，且可能需要更深入的步态分析和更长观察期来检测潜在的步态适应或损伤。
关于运动学未出现改变的可能解释，研究人员认为单节段椎间盘损伤对节段力学特性的patial3d影响有限。来自同一模型的机械测试显示，单节段椎间盘损伤虽降低了屈曲时的峰值刚度和峰值被动矩，但侧屈力学未受影响。这些结果表明，无论是椎间盘损伤还是额外的肌肉源性伤害性感受，都不足以破坏运动期间的整体躯干和骨盆运动学。
关于局部神经肌肉适应性，肌肉激活模式在各肌肉和条件下均得以保留，提示椎间盘损伤和额外肌肉源性伤害性感受输入后整体躯干神经肌肉控制保持稳定。但在多裂肌观察到局部神经肌肉变化：椎间盘损伤导致右侧多裂肌肌电图平均振幅和变异性较基线增加，这与被动脊柱稳定性降低会诱发节段插入腰椎肌肉激活增加以增强机械稳定性的假设一致。根据Panjabi的脊柱稳定性框架，主动肌肉亚系统可通过增加肌肉激活来代偿被动结构的缺陷。下背痛患者研究中观察到腰椎节段肌肉激活增加和共收缩增加的特征，预测可增加脊柱稳定性。虽然本研究未评估拮抗-主动肌或胸-腰椎共收缩比率，但多裂肌激活的局部增加与概念框架一致，可能代表对椎间盘损伤后屈曲刚度降低的代偿反应，旨在恢复运动期间的节段稳定性。
重要的是，添加肌肉源性伤害性感受（高渗盐水条件）显著降低了右侧多裂肌肌电图变异性和左侧多裂肌最小振幅，同时减弱了椎间盘损伤后右侧多裂肌肌电图平均振幅和变异性的增加，但未完全逆转至基线水平。这种模式表明伤害性输入对运动输出具有抑制效应，部分抵消了不稳定性驱动的多裂肌激活增加。尽管椎间盘损伤的力学后果有限且具有方向特异性（主要影响屈曲），但可能足以诱发局部适应性反应。猪模型中发现椎间盘损伤导致跨越损伤节段的深部多裂肌纤维皮质运动兴奋性局部增加，提示椎间盘损伤引起中枢神经适应；而绵羊模型则显示椎间盘损伤导致多裂肌肌电图对机械刺激的响应降低，表明脊髓反射兴奋性受损。因此，这些发现提示椎间盘损伤可能在脊髓水平抑制反射性反应，但同时通过皮层通路触发代偿性激活以维持脊柱稳定性和功能性运动。
研究人员先前仅进行肌肉源性伤害性感受的模型已证明多裂肌激活降低和长脊肌变异性降低，与伤害性感受相关的运动输出抑制一致。在本研究中，高渗盐水条件下右侧多裂肌平均激活度和变异性减弱的存在，提示伤害性输入可能抑制了上述对椎间盘损伤的适应性神经肌肉反应。这些发现表明，肌肉源性伤害性感受和脊柱不稳定性导致相反的局部神经肌肉适应性改变，这些效应部分相互抵消，而整体运动模式基本保留。
关于肌肉特异性适应，多裂肌和长脊肌的不同激活模式可能反映其在躯干控制中的各自作用。多裂肌主要参与稳定脊柱，而长脊肌更多参与脊柱的侧向运动。研究人员先前研究表明，椎间盘损伤后的机械不稳定性仅存在于屈曲而非侧屈。各条件下双侧多裂肌激活均为同步，因此该肌肉活动似乎与侧屈无关，而椎间盘损伤条件下略微增加的激活可能指示对抗运动期间屈曲不稳定的代偿策略。相比之下，长脊肌激活无变化与侧屈力学未改变的结果一致，提示侧向稳定需求未发生改变。
研究结论为：本研究表明，单节段腰椎椎间盘损伤单独存在或与肌肉源性伤害性感受联合应用时，对运动期间整体躯干和骨盆运动控制的影响有限。躯干和骨盆运动学及整体肌肉激活模式在各条件下保持高度一致，仅观察到微小的时间调整，而局部、肌肉特异性神经肌肉适应性改变被观察到。椎间盘损伤导致右侧多裂肌肌电图平均激活度和变异性增加。在椎间盘损伤条件下添加肌肉源性伤害性感受降低了左侧多裂肌最小激活度，并减弱了与不稳定性相关的右侧多裂肌平均激活度和变异性增加，但未完全逆转这些变化。总之，这些发现提示脊柱不稳定性与肌肉源性伤害性感受对局部神经肌肉控制产生相反效应，而整体运动模式保持稳健。
