棉花測試的結果,讓所有人都始料未及。
弗里茨用棉球從M7的足背開始,一點一點向上移動。高速攝像機以每秒一千幀的速度記錄,任何肉眼無法捕捉的微小肌肉顫動,都會被定格在慢放的畫面里。
“足背,無反應,“伊娃盯着實時回放的屏幕,“踝部,無反應。小腿……等等,停。“
她按下暫停鍵,把畫面倒回三幀,然後放大到像素級別。
M7小腿中段的皮膚上,出現了一道幾乎看不見的波紋,不是肌肉的收縮,是皮膚本身的顫動,像風吹過湖面時最細微的漣漪。弗里茨的棉球剛剛掠過那裏,力道輕得幾乎稱不出重量。
“這是觸覺反應,“伊娃的聲音有些發緊,“Aβ纖維介導的輕觸覺,閾值極低。正常靈長類的輕觸覺閾值在0.5到1克力之間,剛才這個刺激,估計不到0.2克力。“
“說明什麼?“楊平問道。
“說明兩個問題,“伊娃調出之前的痛閾數據,“第一,M7的感覺通路確實在恢復,而且恢復的順序符合理論預測——痛覺先恢復,然後是輕觸覺,最後是本體感覺。第二,它的觸覺閾值比正常值低,意味着可能存在觸覺過敏,和之前的痛覺過敏是同一個機制——中樞敏化。“
韋伯走過來,看着屏幕上那道幾乎看不見的波紋。
“中樞敏化,“他重複着這個詞,“脊髓損傷后最常見的併發症之一。病人不是感覺不到,是感覺太多了。正常的觸摸變成疼痛,正常的溫度變成燒灼。“
“對,“楊平點頭,“而且中樞敏化一旦形成,很難逆轉。它涉及脊髓背角神經元的突觸可塑性改變,NMDA受體激活,鈣離子內流,然後是一系列級聯反應,MAPK通路、CREB磷酸化、基因表達改變。這是一個正反饋循環,越敏化,越興奮;越興奮,越敏化。“
“所以我們面臨一個悖論,“曼因斯坦皺着眉頭,“原細胞激活策略促進了神經再生,但再生的神經可能攜帶了'錯誤的信號',導致中樞敏化,我們治好了癱瘓,卻可能製造了一個疼痛的病人。“
會議室里再次陷入沉默。
“不,“楊平突然說,“不是悖論,是時間窗的問題。“
他走到白板前,畫了一條時間線。
“中樞敏化的形成,需要兩個條件:第一,異常的神經傳入,損傷后殘留的或再生的神經纖維發放異常衝動;第二,脊髓背角神經元的可塑性改變,突觸強度增加,抑制性中間神經元功能下降。這兩個條件,都需要時間。“
他在時間線上標出兩個點:“術后第三周,痛覺恢復,這是第一階段的異常傳入;術后第四周,觸覺恢復,如果放任不管,再過兩到三周,中樞敏化就會固化。“
“但我們現在知道了,“他的筆尖點在第四周的位置上,“我們可以在這個時間窗內干預,阻止敏化的固化。“
“怎麼干預?“唐順問。
“兩種思路,“楊平放下筆,“第一種,減少異常傳入。比如用鈉通道阻滯劑,抑制損傷神經纖維的異位放電。但鈉通道阻滯劑會影響正常的神經傳導,可能抵消我們的恢復效果。“
“第二種呢?“
“增強抑制性調控,“楊平繼續說,“脊髓背角有大量的抑制性中間神經元,主要是GABA能和甘氨酸能的。中樞敏化的一個關鍵機制,就是這些抑制性神經元的功能下降。如果我們能增強它們的活性,就能在不影響正常傳入的情況下,阻斷敏化的正反饋循環。“
“GABA受體激動劑?“韋伯問。
“對,但不只是簡單的激動劑。GABA_A受體是氯離子通道,持續激活會導致受體脫敏,效果越來越差。我們需要的是一種'智能'的調控策略,只在異常興奮的時候增強抑制,正常活動的時候不干擾。“
“這聽起來像是……“莉娜推了推眼鏡。
“閉環神經調控,“伊娃接過話頭,“和我的生物傳感器同一個思路。實時監測脊髓背角的電活動,當檢測到異常高頻放電時,自動釋放GABA能激動劑;正常放電時,不釋放。“
“但GABA能激動劑怎麼局部釋放?“漢斯皺眉,“全身給葯會穿過血腦屏障,導致鎮靜、認知障礙。局部給葯需要植入泵,感染風險高。“
“不需要外源性藥物,“楊平搖頭,“我們可以用光遺傳學。“
“光遺傳學?“曼因斯坦瞪大眼睛,“在靈長類身上?“
“對,“楊平點頭,“2016年就有團隊在恆河猴的視覺皮層做了光遺傳學實驗,證明了安全性和可行性。我們的方案是:用病毒載體把光敏感離子通道,比如NpHR,一種氯離子泵,導入M7脊髓背角的抑制性中間神經元。然後用植入式光纖,在檢測到異常電活動時,發射黃光激活NpHR,增強局部抑制。“
“這太超前了,“唐順倒吸一口涼氣,“病毒載體、光遺傳學、閉環調控,三個技術疊加在一起,任何一個出問題都是災難。“
“但如果我們不做,“楊平看着他,“M7可能會在恢復運動功能的同時,承受慢性疼痛的折磨。你願意看到它一邊走路,一邊痛得發抖嗎?沒有在分子層面提出有效解決方法之前,這是最好的方法。“
唐順張了張嘴,沒有說話。
韋伯打破了沉默:“楊教授,你的方案在理論上是成立的。但光遺傳學在靈長類脊髓中的應用,還沒有先例。我們需要做大量的預實驗,驗證病毒載體的靶向性、光刺激的深度、和長期安全性。“
“我知道,“楊平說,“所以我們分兩步走。第一步,體外驗證,在M7的脊髓切片上,測試病毒載體的轉染效率和光刺激的效果。第二步,如果體外成功,再在M7身上做體內實驗。“
“時間上呢?“伊娃問,“按照你的時間線,我們最多還有兩到三周的時間窗。“
“體外驗證需要一周,“楊平算了算,“如果成功,體內實驗需要兩到三天準備,一周內可以完成植入。剛好趕上。“
“如果失敗呢?“曼因斯坦問。
楊平沉默了幾秒鐘,然後說:“那就用備選方案,鞘內注射巴氯芬,一種GABA_B受體激動劑。效果不如光遺傳學精準,但可以全身性增強抑制性調控。副作用是肌張力降低,可能影響運動恢復。“
“所以光遺傳學是A方案,巴氯芬是B方案,“韋伯總結,“我同意這個計劃。但有一個條件,體外驗證必須由我親自來做,光遺傳學是我的老本行,我在海德堡的時候做過類似的實驗。“
“好,“楊平點頭,“韋伯教授負責體外驗證,伊娃負責閉環傳感器升級,莉娜負責數據分析模型,漢斯負責病毒載體和光纖製備。唐順,你協調所有資源,確保一周內出結果。“
“明白!“
體外驗證開始。
韋伯親自主刀,從M7的脊髓損傷區取了一小塊組織,大約兩立方毫米,放在冰冷的人工腦脊液中,切成了三百微米厚的薄片。這些薄片被轉移到培養皿中,保持存活狀態,可以持續記錄電生理活動四到六個小時。
病毒載體是AAV9-hSyn-NpHR-EYFP,一種經過改造的腺相關病毒。AAV9對神經元有高度的嗜性,hSyn啟動子確保NpHR只在神經元中表達,EYFP作為熒光標記,方便在顯微鏡下觀察轉染效率。
韋伯把病毒溶液滴在脊髓切片上,孵育兩個小時。然後用PBS沖洗三遍,放在共聚焦顯微鏡下觀察。
“轉染效率,“他調整着焦距,“大約百分之三十五。“
“百分之三十五,“曼因斯坦在旁邊記錄,“夠嗎?“
“理論上,脊髓背角的抑制性中間神經元佔總神經元數量的百分之二十到三十。百分之三十五的轉染效率,意味着大部分抑制性神經元都能被靶向,足夠了。“
下一步是電生理驗證,韋伯把一片轉染過的脊髓切片放到電生理記錄槽中,用玻璃微電極記錄背角神經元的自發放電。同時,他在切片的上方放置了一根直徑兩百微米的光纖,連接到一台黃色激光器上。
“基線放電頻率,“他看着示波器,“每秒五赫茲,正常範圍。“
然後他打開了激光器。一束微弱的黃光透過光纖,照射在脊髓切片的表面。
“光強,一毫瓦每平方毫米,波長,五百九十納米。“
示波器上的波形變了,自發放電頻率從每秒五赫茲降到了每秒一赫茲,降幅百分之八十。
“抑制效果確認,“韋伯的聲音很平靜,但曼因斯坦注意到他的手微微顫抖,“NpHR被激活后,氯離子內流,神經元超極化,放電減少。“
“可逆嗎?“楊平問。
韋伯關掉激光器,十秒鐘后,放電頻率恢復到每秒四點八赫茲。
“完全可逆。“
會議室里爆發出一陣壓抑的歡呼。唐順和漢斯擊了一下掌,莉娜在筆記本上飛快地敲着字,伊娃難得地露出了一絲微笑。
但韋伯沒有笑,他盯着那片脊髓切片,看了很久,然後說:“這只是體外,體內的環境複雜得多,炎症、免疫反應、膠質瘢痕、血流變化。體外成功,不代表體內能成功。“
“我知道,“楊平說,“但我們至少證明了,這個方向是對的,科研就是摸着石頭過河。“
“摸着石頭過河?”
韋伯捉摸着這句話,他讚歎:
“這是富有哲理的一句話。”
緊接着,體內實驗也開始進行。
這一次,手術的規模比前兩次都大。楊平主刀,曼因斯坦協助,伊娃負責電生理監測,漢斯負責病毒注射和光纖植入,韋伯在台下觀摩。
手術的第一步,是病毒注射。漢斯用一根玻璃微注射針,把五微升AAV9-hSyn-NpHR-EYFP溶液緩慢地注入M7的脊髓背角,雙側,每個注射點一微升,共十個注射點。注射的速度極慢,每分鐘零點一微升,以避免壓力損傷。
“病毒注射完成,“漢斯彙報,“等待十五分鐘,讓病毒擴散。“
十五分鐘后,第二步,光纖植入。伊娃設計了一套微型光纖陣列,四根光纖,直徑各兩百微米,排列成一個菱形,覆蓋脊髓背角的主要區域。光纖的末端連接到一個皮下植入的LED模塊上,模塊由無線充電供電,可以通過外部控制器調節光強和頻率。
“光纖植入完成,“楊平說,“閉合切口。“
手術持續了一個多小時。當M7從麻醉中醒來時,它的後肢肌力沒有變化,病毒和光纖本身不會影響運動功能。但所有人都知道,真正的考驗還沒有開始。
NpHR的表達需要時間。病毒進入神經元后,需要三到五天才能表達出足夠的蛋白。所以術后第五周的前半周,是等待期。
等待的日子裏,研究所的氣氛緊張得像一根繃緊的弦。每天早上,伊娃都會給M7做電生理監測,記錄脊髓背角的自發放電頻率。前三天,數據沒有明顯變化,NpHR還沒有表達足夠。
第四天,變化出現了。
M7的背角自發放電頻率從正常的每秒三到五赫茲,突然升到了每秒十二赫茲。這是一個危險的信號,異常高頻放電,意味着中樞敏化正在形成。
“啟動光刺激,“韋伯說。
伊娃按下了控制器的按鈕,黃色的光通過光纖,照進M7的脊髓背角。
十秒鐘后,放電頻率降到了每秒六赫茲。二十秒后,降到了每秒四赫茲。一分鐘后,穩定在每秒三點五赫茲,比基線還低,說明抑制效果良好。
“有效,“韋伯的聲音傳來,帶着一絲顫抖,“光遺傳學閉環調控,有效。“
楊平長長地出了一口氣,他看着控制器上那個小小的黃色指示燈,覺得那是我見過的最美的光。
其實科研就是這樣,摸着石頭過河,誰也不知道結果怎麼樣,只能邊走邊調整,慢慢地就走通一條路。如果沒有大膽的開始,無論如何也不會有正確的路。