尿失禁是一种影响超过3300万美国人的破坏性疾病，根据美国国家失禁协会的数据，这种疾病对患者的心理健康和生活质量造成了显著的负面影响。排尿障碍也是所有神经系统疾病的一个关键特征。
南加州大学的研究团队现在在理解人类脊髓如何触发膀胱排空过程方面取得了重大进展。这一发现可能会导致令人兴奋的新疗法，帮助患者恢复这一基本功能的控制。
在这项开创性研究中，来自南加州大学维特比工程学院和南加州大学凯克医学院的团队利用功能性超声成像技术观察了在膀胱充盈和排空期间人类脊髓中的血流动力学变化。这项研究发表在《自然通讯》上，由南加州大学凯克医学院神经修复中心主任兼南加州大学维特比生物医学工程教授Charles Liu和阿尔弗雷德·曼生物医学工程系助理教授Vasileios Christopoulos领导。研究的共同第一作者是生物医学工程博士后学者Kofi Agyeman和南加州大学神经修复中心副主任Darrin Lee，后者也隶属于南加州大学生物医学工程系。另一位重要贡献者是来自兰乔洛斯阿米戈斯国家康复中心和南加州大学泌尿研究所的Evgeniy Kreydin。
脊髓调节着许多重要的人类功能，包括自主过程如膀胱、肠道和性功能。当脊髓因受伤、疾病、中风或衰老而受损或退化时，这些过程可能会崩溃。然而，由于脊髓体积小且被复杂的骨结构包围，使得在人类中直接研究它变得非常具有挑战性。与大脑不同，常规的临床护理中不会在脊髓中使用侵入性电极和活检，因为这显然存在瘫痪的风险。此外，组成大多数人类功能性神经成像的fMRI成像，在脊髓尤其是胸椎和腰椎区域实际上并不存在，而这些区域正是许多关键功能定位的地方。
Christopoulos说：“脊髓是一个非常未被开发的领域。这让我感到非常惊讶，因为当我开始从事神经科学研究时，每个人都在谈论大脑。而我和Liu医生问，‘那脊髓呢？’对许多人来说，脊髓只是一个将信息从大脑传递到外周系统的电缆。事实是，我们不知道如何进入那里——如何研究活动中的脊髓，可视化其动态，并真正掌握它在生理功能中的作用。”
功能性超声成像：一扇通往脊髓的新窗口
为了克服这些障碍，南加州大学的团队采用了一种新兴的神经成像技术——功能性超声成像（fUSI），这是一种微创技术。fUSI过程使团队能够测量在排尿周期中脊髓上血容量变化发生的位置。
然而，fUSI需要通过骨骼的“窗口”来成像脊髓。研究人员通过与一组接受慢性下背痛标准护理脊髓硬膜外刺激手术的患者合作，找到了一个独特的机会。
Lee说：“在植入脊髓刺激器的过程中，我们通过骨骼创建的插入导线的窗口为我们提供了一个完美且安全的机会，可以使用fUSI对脊髓进行成像，而不会对研究志愿者造成任何风险或不适。”“当手术团队准备刺激器时，我们在麻醉下用生理盐水轻轻充盈和排空膀胱以模拟完整的排尿周期，同时研究团队收集了fUSI数据，”已经与Liu密切合作，研究使用fMRI在排尿期间中风患者的大脑的Kreydin补充道。
Christopoulos说：“这是首次研究表明，脊髓中存在与膀胱内压力相关联的区域活动。以前没有人展示过与膀胱压力相关联的脊髓网络。这意味着我可以查看你脊髓中这些特定区域的活动，告诉你你的膀胱周期阶段——你的膀胱有多满，你是否即将排尿。”
Christopoulos表示，实验发现一些脊髓区域显示正相关，意味着随着膀胱压力的增加，它们的活动也增加，而另一些区域则显示负相关（反相关），随着压力增加，活动减少。这表明膀胱控制涉及脊髓中的兴奋性和抑制性网络。“能够将手术室中fUSI扫描仪的数据直接带到实验室，并通过先进的数据科学技术迅速揭示前所未有的结果，甚至在动物模型中都没有见过，更不用说在人类中了，”Agyeman说。
给患者带来新希望
Liu在工程和医学交叉领域工作了二十年，致力于开发恢复神经系统功能的变革性策略。Christopoulos则将他的研究生涯大部分时间用于开发神经调节技术，帮助患者恢复运动控制。他们共同指出，对于患者而言，保留我们许多人视为理所当然的自主过程的控制，比走路更为根本。
Christopoulos说：“如果你问这些患者，他们最想恢复的功能不是他们的运动或感觉功能。而是性功能和肠道及膀胱控制。”他指出，尿功能障碍往往会导致心理健康状况不佳。“这是一个非常令人沮丧的问题。”
更糟糕的是，尿失禁会导致更频繁的尿路感染（UTIs），因为患者通常必须安装导管。由于感觉功能有限，他们可能无法感觉到自己已经感染，直到感染更为严重并扩散到肾脏，导致住院治疗。
这项研究为患有神经源性下尿路功能障碍的患者提供了切实可行的解决途径。从脊髓活动中解码膀胱压力的能力，为开发个性化脊髓接口提供了概念验证，可以提醒患者他们的膀胱状态，帮助他们恢复控制。
目前，几乎所有针对排尿障碍的神经调节策略都集中在下尿路，这主要是因为这一关键过程的神经基础仍不清楚。“一个人必须在能够理性地改善一个过程之前先理解它，”Liu说。这项最新的研究标志着重要的进展，为结合侵入性和非侵入性神经调节与药物治疗的精准医学干预开辟了新途径，使全球数百万患者的泌尿生殖系统神经修复成为临床现实。
关于这项研究
论文的其他合著者包括来自南加州大学神经修复中心的Aidin Abedi、Jonathan Russin、V. Reggie Edgerton和Yu Tung Lo，研究学生Kevin Wu、Wooseong Choi和Sumant Iyer，以及来自Casa Colina研究所的Sofia Sakellaridi。
这项工作得到了南加州大学神经修复中心、Hellman基金会和加州大学河滨分校的Marlan和Rosemary Bourns工程学院的启动资金支持。
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