脑源性神经营养因子（BDNF）是神经营养因子家族信号分子的一员。自从30多年前发现BDNF以来，BDNF已被确定为神经元发育、突触传递、细胞和突触可塑性的重要调节器，并已被证明在某些形式记忆的形成和维持中发挥作用。海马区学习和记忆的神经可塑性与脊髓伤害性可塑性具有明显的特征。对BDNF在脊髓伤害感受和疼痛中所起作用的研究表明，BDNF促进了触觉效应。BDNF诱导突触易化并参与中枢敏化样机制。此外，外周损伤引起的神经性疼痛通常伴随着BDNF在脊髓中的表达增加。研究已经扩展到研究脊髓损伤（SCI）如何影响BDNF的可塑性以及BDNF对SCI后感觉和运动功能的影响。脊髓损伤后的功能恢复和适应性可塑性通常与BDNF的上调有关。尽管神经病理性疼痛是脊髓损伤的常见后果，但BDNF与脊髓损伤后疼痛之间的关系仍不明确。本文回顾了最近的文献并讨论了BDNF的多种作用。我们还强调了BDNF在幼稚和SCI条件下诱导的伤害性可塑性的相似性和差异性。
1.简介
经过三十年的研究，在揭示脑源性神经营养因子（BDNF）的细胞效应方面取得了重大进展。BDNF是生长因子神经营养素家族的成员，由bdnf公司基因。Barde等人于1982年将BDNF纯化为神经营养素家族的第二个成员[1]. 成熟的BDNF（14 kD）通过一系列丝氨酸蛋白酶或转化酶（如furin、PACE4和PC5/6-B）从前BDNF中裂解[2]. 丝氨酸蛋白酶组织纤溶酶原激活剂也被证明在前BDNF裂解为成熟BDNF中发挥作用。成熟BDNF以二聚体的形式存在，并通过两种受体调节其细胞功能：高亲和力、配体特异性原肌球蛋白受体激酶B（TrkB）和p75神经营养素受体()，是一种低亲和力、非选择性的神经营养受体。BDNF与TrkB受体结合后，会发生一些事件。（i） TrkB受体二聚体化，导致（ii）受体的自磷酸化和（iii）细胞内信号级联的随后激活。其中包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷脂酶C-γ（可编程逻辑控制器-γ)和磷脂酰肌醇-3激酶（PI3-K）级联（参见[三–7]和图1). 这些通路的激活导致无数的细胞活动，包括突触调制和神经可塑性、细胞存活、轴突伸长和轴突生长。激活类似地，也会产生各种细胞事件，从神经元分化到凋亡细胞死亡。许多研究表明是前体蛋白（pro-BDNF）通过其介导各种细胞活动的首选受体。
神经可塑性对生理功能至关重要。BDNF是神经可塑性的有力调节剂。它发挥从神经发生到学习和记忆形成的各种调节作用。BDNF的作用似乎与神经调节同义。虽然BDNF不一定会引发突触、感觉或运动反应等事件，但它可以改变反应，施加抑制或促进作用。在背根神经节、脊髓和各种脑区都观察到了这种效应，BDNF的活动通常与兴奋性、触觉、学习和记忆的增加有关。BDNF作用的一项重要研究集中于其改变损伤诱导塑性的能力。BDNF已被证明可以介导炎症和外周损伤引起的疼痛。然而，如下文所述，脊髓损伤（SCI）后，BDNF的作用似乎更加复杂。虽然增加脊髓BDNF水平的治疗显示可以促进功能恢复和适应性可塑性，但其对感觉功能、痛觉感受和疼痛的影响仍不明确。
BDNF也会产生有害影响，这通常与BDNF的过度表达有关。虽然关于前BDNF和成熟BDNF与TrkB和在这篇文章中，我们的目标是对BDNF的神经调节作用进行全面的综述，其中一些我们进行了简要的讨论，并更加强调成熟BDNF所起的作用。我们将（1）概述BDNF作为神经可塑性调节剂的作用，（2）讨论BDNF在完整和受损脊髓的脊髓可塑性中的不同作用，重点讨论BDNFs对伤害性可塑性的影响。尽管过去30年来取得了重大进展，但我们将表明，许多问题仍然没有得到回答。
2.BDNF是神经可塑性的重要调节剂
BDNF作用的异质性是由于其参与不同信号通路的能力（图1). 对这些信号机制的早期研究表明，BDNF信号参与兴奋性和抑制性突触的形成、成熟和功能[8–12]和突触可塑性[12,13].
2.1. 塑性概述
可塑性，即“适应能力”，是中枢神经系统（CNS）的一个重要特征[14–16]. 发育和成熟过程中发生的神经和功能变化是可塑性的重要例子。BDNF在发育和成年期起着可塑性调节剂的作用。BDNF的一个公认作用是其促进神经元生存和发育的能力。例如，这一重要功能最初在视觉系统中进行了演示[17,18]并扩展到其他感觉系统，如前庭听觉系统[19]. 早期研究表明，在中枢神经系统中，BDNF促进神经元发育，尽管其中一些研究表明，例如[20–22]. Jones等人的研究[20]结果表明，BDNF基因的靶向性破坏降低了出生后2天后后代的存活率。此外，存活后代的大脑和感觉神经元发育严重减少。随着大量报告显示BDNF在发展感觉系统中的优先作用，一些研究表明BDNF同样作为发展运动神经元的生存因子发挥作用[23,24]. 这些研究清楚地表明，在早期发育阶段，BDNF促进适应性可塑性，尽管驱动这些作用的机制尚未完全阐明。
中枢神经系统在发育后和进入成熟阶段的基本功能在很大程度上依赖于突触连接的可塑性。这包括突触连接的数量和效力的变化，突触连接最终可以指导神经元活动。BDNF除了在发育过程中作为一个关键的生存因子发挥作用外，在发育和成熟的神经系统中发挥着许多作用，这些神经系统利用其调节或修改活动依赖性突触可塑性、学习和记忆的能力。在许多大脑区域，BDNF在突触可塑性中发挥作用，尽管这在海马体中研究得最多，海马体是一个编码记忆和学习的大脑区域。长期增强（LTP）被定义为突触效能的活动依赖性持续增加[25]. LTP可能是描述得最好的突触可塑性形式，被认为是学习和记忆的神经基质。一般来说，其诱导和维持需要多种细胞底物，如NMDA受体、信号激酶、翻译后修饰（例如磷酸化）和转录。
2.2. BDNF在LTP、学习和记忆中的作用
作为神经可塑性的调节剂，研究表明BDNF与LTP的诱导和维持有关。初步研究表明，BDNF诱导海马神经元膜去极化和随后的动作电位放电[26]. 然而，其他一些研究报告了BDNF在海马LTP诱导中的更直接作用。例如，外源性给予BDNF可产生突触促进作用[27,28]. 一些使用药理学或遗传学方法的研究表明，突触易化主要通过TrkB受体介导。例如，清除内源性BDNF的融合蛋白TrkB-IgG的给药减弱了破伤风刺激诱导的突触反应和随后的LTP[27]. BDNF同样在LTP的后期发挥作用[29]，需要诱导基因转录的过程[30]. 当内源性BDNF与TrkB-IgG隔离时，晚期LTP显著减弱[31]. 遗传方法也被用来证实BDNF信号通过TrkB受体在LTP发展中的重要性。Minichiello等人[32]结果表明，前脑TrkB受体的条件性敲除后，CA1中的LTP严重受损。近年来，研究继续描述BDNF参与海马LTP的可能机制。其中包括Leal等人最近的一项研究[33]其中有报道称，海马可塑性表现为突触活动增加，伴随着BDNF介导的核糖核蛋白向树突的转运。同样，Edelmann等人[34]结果表明，在海马区，由一个突触前动作电位与四个突触后棘波重复配对诱导的时间依赖性LTP需要BDNF/TrkB信号传导和插入新的AMPA受体。值得注意的是，这些研究证明了BDNF对海马LTP的重要性。
如前所述，长期维持突触效能或LTP一直被认为是记忆和学习的可能神经机制。由于BDNF对海马LTP是必要的，并且长期维持突触效能和/或LTP被认为是学习和记忆的机制，BDNF有望影响学习和记忆行为表现体内一些研究与这种可能性一致。例如，在成年大鼠中，向海马区外源性给予BDNF可以防止应激诱导的学习和记忆障碍的发展[35]应激诱导的学习和记忆障碍表现为海马BDNF mRNA水平的降低[36]. 遗传和药理学方法也有助于提供此类证据。内源性BDNF水平的缺乏会严重损害两种小鼠的空间学习和记忆任务[37]和老鼠[38]. BDNF对学习和记忆的贡献扩展到除海马体以外的大脑区域。例如，小鼠前脑TrkB受体的条件性敲除导致学习行为受损[32]在大脑皮层和海马区过度表达TrkB受体的小鼠显示有助于学习[39]. Ju等人最近的一项研究[40]据报道，在成年大鼠中，杏仁核中的BDNF信号对纳洛酮催促吗啡戒断诱导的条件性位置厌恶（CPA）行为是必要的。在这项研究中，CPA伴随着BDNF水平的升高，但被杏仁核中BDNF的抑制完全阻断。许多其他研究强烈暗示BDNF通过TrkB受体在学习和记忆中进行信号传导。此外，它们通常说明BDNF在细胞/突触（如LTP）和学习记忆行为方面的直接作用。
2.3。BDNF的其他“有害”影响
BDNF的各种作用也包括有害影响。尽管并非完全如此，但这些效应通常与BDNF和发送信号。炎症和神经病理性疼痛的表达很容易被视为BDNF的一种重要的适应不良作用。正如我们下面所讨论的，疼痛的发展与BDNF表达的增加密切相关。然而，BDNF还有一些其他的有害影响，我们将在本节中简要讨论。首先，癫痫发生与海马体和/或皮层BDNF的过度表达有关[41]. Kokaia等人的研究支持BDNF在癫痫发展中的作用[42]结果表明，表达BDNF水平降低的突变小鼠的癫痫发生受到明显抑制。BDNF对癫痫发生的作用可能是通过其高亲和力受体TrkB介导的。一些研究表明，干扰BDNF-TrkB信号的操作可以减少癫痫的发生。相反，全长TrkB受体（而非截短的TrkB接收器）的过度表达促进癫痫发生[43]; 另请参见[44]. 鉴于抑制和兴奋的失衡对癫痫的发展至关重要，这些观察结果表明BDNF对大脑中的抑制性和兴奋性突触传递都起调节控制作用。
凋亡细胞死亡是BDNF信号系统的第二个有害影响。然而，这种效应似乎是由它不仅是BDNF特异性受体，还被神经生长因子（NGF）、神经营养素（NT-）3和NT-4/NT-5激活。角色凋亡细胞死亡中的作用已经得到了很好的研究。在Roux等人的研究中[45]据报道，毛果芸香碱诱导癫痫发作后凋亡神经元中增加。亨普斯特德实验室的研究表明在两个神经元的凋亡死亡中起作用[46,47]和非神经元[48]单元格。此外，他们还提供了证据-介导的凋亡可由前BDNF启动[46]. 成熟BDNF激活也被证明能诱导交感神经元的发育性凋亡[49]. 鉴于研究一致表明，pro-BDNF-信号传导诱导细胞凋亡（另见Koshimizu等人[50])应该注意到，这种相互作用导致神经元重塑[51]形成突起生长[52]. Fan等人的研究[53]表明pro-BDNF-坐骨神经切断后，信号传导可导致切断的感觉神经元选择性死亡。显然，通过信号传导具有重要的生理和细胞功能。
BDNF也与应激反应有关。糖皮质激素受体可以与TrkB受体相互作用调节BDNF信号[54,55]. 研究通常表明糖皮质激素或其受体配体[55,56]和压力[57–59]可以抑制BDNF水平或其下游信号传导（另见Jeanneteau和Chao的综述[60]还有苏芮和维迪娅[61]). 最近关于BDNF在应激中的作用的研究表明，BDNF基因的表观遗传调控是对各种应激模式的反应[62–64]. BDNF也可能通过与单胺能系统的相互作用在抑郁症的病理生理学中发挥作用（见综述[65–67]). BDNF信号机制还有其他几种影响，可以产生毁灭性后果。然而，在本综述的以下部分中，我们旨在讨论BDNF在完整和受伤脊髓的伤害性可塑性和疼痛中所起的作用。
2.4. BDNF在脊髓可塑性中的作用
Coderre和Melzack首先提出了将慢性疼痛保持为“记忆痕迹”的概念[68]. 这导致了旨在确定疼痛背后的神经机制与编码学习和记忆过程的神经机制之间的共性的研究。此外，中枢敏化是指中枢神经系统神经元网络兴奋性的增加，被认为是脊髓伤害感受和疼痛最可能的神经基质[69]，许多研究侧重于绘制神经过程和所涉及的特定介质。鉴于LTP和中枢敏化在细胞水平上存在相似性，在20世纪90年代末，根据McMahon和Thompson实验室的研究，BDNF最初被认为在中枢敏化和炎症疼痛中发挥关键作用。这些早期研究的结果表明，在炎症条件下，感觉神经元中的BDNF水平增加，这种增加导致随后的伤害性脊髓反射兴奋性的促进[70]. Kerr等人的这项研究[70]首先确定BDNF对炎症疼痛的发展至关重要。此外，它确定小直径“疼痛”纤维是脊髓BDNF的主要来源，特别是在外周诱导炎症后。为了进一步证明BDNF在疼痛中发挥作用，它还表明，TrkB-IgG可以显著减轻福尔马林或角叉菜胶引起的炎症疼痛。因此，这些观察结果证明了BDNF的一种新功能；也就是说，脊髓内源性BDNF水平升高是炎症疼痛行为所必需的。除了这些行为结果外，在细胞水平上还观察到BDNF的行为与痛觉反应一致。具体而言，Thompson等人[71]结果表明，外源性BDNF增强了C纤维诱发的腹根反射，TrkB-IgG预处理减弱了腹根电位的幅度。自从进行这些初步研究以来，许多研究都检验了BDNF在感觉可塑性中的作用：中枢敏化、痛觉感受和完整CNS中的疼痛。许多这些研究的普遍共识是，BDNF通常会引发触觉反应，从神经元兴奋性增加到介导疼痛行为，例如[72–75].
另外几项研究成功地将BDNF与疼痛的发展联系起来。神经生长因子或完全弗氏佐剂诱导的外周炎症后，感觉神经元中的BDNF上调[76–78]. 此外，炎性疼痛可能会导致BDNF表达神经元的表型转换，因此即使是大直径的感觉神经元也会表达BDNF[79]. Lever等人[80]结果表明，在C纤维强度的传入纤维受到电刺激或辣椒素的化学刺激后，BDNF释放到背角。BDNF的这些明显的伤害性作用并不局限于DRG-背角神经元。相反，即使在脊髓上中枢，BDNF-TrkB信号似乎也介导下行疼痛促进[81].
BDNF也与慢性神经性疼痛的发展有关。例如，一些研究表明，在各种慢性神经病理性疼痛模型中，感觉神经元和背角的BDNF水平升高[82–86]. 此外，正如在炎性疼痛中观察到的那样，坐骨神经损伤后观察到一种表型转换，其中直径较大的感觉神经元表达BDNF[87]. 观察到BDNF在这些初级传入纤维的BDNF感觉神经元中上调，这与BDNF促进伤害性可塑性和疼痛的作用是一致的（另见Pezet和McMahon的综述[88]).
为了研究BDNF作为脊髓神经元网络伤害性可塑性介质的作用，我们在孟德尔实验室进行了电生理实验，以评估BDNF在突触水平上的作用[89]. 我们使用新生大鼠和幼年大鼠的横断脊髓切片制备物来研究浸提的BDNF对NMDA诱导的电流和腰2（L2-）L5层II神经元的背根诱发突触反应的影响。在将突触反应描述为AMPA/红藻氨酸受体介导并主要通过电刺激小直径、高阈值传入纤维（C纤维）诱发的突触反应后，我们发现BDNF对突触反应产生了长期（不可逆）的增强作用。BDNF也促进了浴敷NMDA诱导的内向电流。我们还发现，BDNF诱导的突触电流促进被D-APV的NMDA受体阻断所阻断（图2). 对BDNF诱导突触易化的潜在机制的更深入研究表明，突触后NMDA受体、突触后PLC-δ-PKC信号和II层神经元细胞内钙的增加都是BDNF促进所必需的。这些观察结果如图所示三，表明产生中枢敏化或伤害性感受的潜在神经机制与介导BDNF诱导的突触可塑性的机制相似。第二层主要接受来自C纤维的突触输入，是中枢神经系统内最初的伤害性加工部位。因此，我们的研究结果表明，BDNF的前伤害性动作可能是由于其能够对第二层神经元的兴奋性反应产生持续的（类LTP）突触修饰。
第二层膜伤害性突触反应的长期易化可能是BDNF在疼痛/伤害性感受中作用的几个机制之一。其他研究人员表明，激活的脊髓小胶质细胞BDNF的增加对周围损伤引起的疼痛至关重要[96–99]. 重要的是，这些观察结果首次表明活化的小胶质细胞释放BDNF。这些研究还表明，活化的小胶质细胞释放的BDNF可以作为关键的信号分子，在神经性疼痛的神经胶质和神经元之间架起桥梁。Coull等人的研究[96]在许多方面都是开创性的。研究表明，神经损伤后的神经病理性疼痛是由BDNF介导的神经元阴离子梯度的改变引起的，这种改变导致抑制性神经递质GABA产生兴奋电流[96,100]. BDNF的这些作用是由BDNF和氯化物转运蛋白KCC2之间复杂的相互作用引起的（下面讨论，也见图7). 此外，首次有证据表明，常驻脊髓细胞释放BDNF。这一论断推翻了以前的教条，即小直径的原发性传入是脊髓BDNF的唯一来源。总的来说，该研究加强了BDNF和小胶质细胞在损伤诱导的疼痛超敏反应中的关键作用[96].
2.5. 伤害性可塑性和疼痛的BDNF-TrkB信号转导
如前所述，BDNF以高亲和力结合TrkB受体，从而激活PI3K-Akt、PLC和MAPK/ERK通路。许多研究提供了直接证据支持BDNF-TrkB信号在炎症和/或神经病理性疼痛发生中的作用。Mannion等人的早期研究[72]结果表明，外周炎症和C纤维电活动增加了DRG中BDNF的表达，也增加了背角中全长TrkB受体的水平（另见[85,101]). 即使在脑干，慢性炎症疼痛模型中TrkB水平也会升高[102].
MAPK/ERK和PLC-γ-PKC通路在介导BDNF的促伤害效应中发挥作用。BDNF激活ERK和PKC通路可诱导NMDA-R1亚单位磷酸化[103]. 激活的ERK和磷酸化的NMDA-R1对炎性疼痛的发展都是必不可少的[104,105]. 在我们对BDNF对脊髓疼痛系统的作用进行的初步研究中，我们发现抑制PLC-γ-PKC信号通路阻断BDNF诱导的C纤维诱发II层突触反应的促进作用[89]. 激活PLC-γ该途径通过内部钙储存或磷酸化钙渗透性谷氨酸受体导致细胞内钙增加。因此，为了进一步支持PLC的重要性-γ我们的研究还表明，当脊髓神经元中的细胞内钙与BAPTA螯合时，BDNF诱导的突触易化和NMDA诱导的电流被阻断[89]（图三). 这些观察结果与许多报告一致，这些报告显示MAPK/ERK和PLC的刺激-γ-PKC、关键下游激酶的激活和细胞内钙水平的升高是伤害性可塑性、炎症和神经病理性疼痛发展的关键过程（图8). 他们还表明，BDNF可以通过突触后参与这些细胞内机制来激发触觉反应。
3.BDNF影响SCI后的塑性
3.1. SCI概述
脊髓回路易受长期神经调节的影响，这种神经调节可以改变其功能。包括我们在内的几个实验室的研究重点是脊髓损伤后脊髓网络的神经调节（可塑性）类型。在确定BDNF作为脊髓网络的神经调节剂发挥作用后，许多研究检查了BDNF功能与脊髓损伤之间的相互作用以及这些相互作用对脊髓网络和功能的影响。脊髓损伤会导致无数的行为和细胞后果。SCI的行为影响包括瘫痪、肌肉痉挛、膀胱、肠道和性功能受损。疼痛，包括慢性神经病理性疼痛，也是脊髓损伤常见的使人衰弱的后果。SCI诱导的细胞变化通常导致这些病理改变，包括胶质细胞增殖和活化增加、活化胶质细胞释放促炎细胞因子、谷氨酸溢出和兴奋性毒性，最终导致坏死和凋亡细胞死亡，例如[106–108]. 继发于这些细胞效应的是形态变化，如传入发芽、空化和胶质增生诱导的瘢痕形成。这些细胞和形态变化相互作用所产生的环境阻碍了损伤后完全修复的前景。
3.2. BDNF对脊髓损伤后轴突再生和运动恢复的影响
在发育中的神经系统中，BDNF发挥着促进神经元生长和存活的重要作用。因此，我们假设在脊髓损伤后可以观察到BDNF的类似作用。许多研究评估了BDNF是否能修复脊髓损伤并挽救脊髓损伤后的运动功能。Schnell等人[109]首先研究了神经营养素、BDNF和神经营养素-3（NT-3）对脊髓损伤后皮质脊髓束纤维发芽的影响。他们发现，尽管NT-3促进了这些纤维的再生，但BDNF没有。同时，来自其他实验室的报告报告了BDNF的神经保护作用，特别是在损伤后[110,111]. 在这些初步研究之后，专注于揭示BDNF的神经保护作用的研究数量急剧增加。许多研究检查了BDNF治疗是否能促进损伤部位轴突再生或脊髓上投射物萌芽。在这些研究中，许多方法的实施使得BDNF的长期给药成功，例如使用微型渗透泵[112–114]，或经基因修饰以分泌BDNF的细胞移植物[115–119]. 通常，结果表明，BDNF治疗可导致神经保护，以及促进轴突纤维的再生和发芽。Houle实验室的研究表明，BDNF诱导下行的脊髓上神经元再生，包括5-羟色胺能神经元和前庭脊髓束神经元，例如[120–122]. 经常有报道称，行为恢复补充了细胞效应。例如，BDNF增强了脊髓损伤后运动功能的恢复[113,118]. BDNF在促进轴突生长、传入萌芽和功能恢复方面的作用至关重要，后来的研究也表明，BDNF抑制脊髓损伤后神经元和少突胶质细胞的凋亡[123,124].
3.3、。BDNF促进脊髓损伤后的适应性可塑性
多年来，Grau实验室利用一种简单的工具学习范式对完全胸部（T）2级脊髓横断的成年大鼠进行了脊柱可塑性研究。他们表明，脊髓学习的诱导和维持需要功能性NMDA受体[125]，审核人[126]. NMDA受体依赖性是学习和记忆等大多数可塑性类型的共同特征[127–130]突触可塑性（LTP和LTD）[129,131,132]和伤害可塑性[104,133,134]. 这里研究的脊髓介导的工具性学习同样需要许多参与其他形式可塑性的细胞过程，如激酶活性和蛋白质合成[126]. 如前所述，BDNF在LTP的诱导和表达中发挥作用。它还可以诱导突触易化并增强脊髓神经元的兴奋性，例如[75,89]. 由于这些原因，最近的研究集中于BDNF是否同样参与调节孤立脊髓学习的过程。在T2全横断成年大鼠中使用标准Master-Yoke学习范式[135]进行细胞分析，将BDNF和几个“可塑性”基因的表达变化与脊髓学习联系起来[136]. 在Master-Yoke实验设计中，大鼠被设置为成对进行工具学习。每对受试者由一名受试者（主人）组成，受试者被给予反应性休克，其中腿伸展时应用腿休克，腿弯曲时终止腿休克（可控休克）。第二名受试者被实验性地与大鼠结合，并在与大鼠相同的时间和持续时间内接受电击，但与腿的位置无关（不可控电击，结合）。第三组作为非锁定控制，以相同的方式设置，但不接受任何刺激。Master-Yoke对和开锁控件需要进行30分钟的训练。培训结束后，每个受试者在相同条件下进行30分钟的仪器测试。在测试阶段，所有三组都会受到应急休克。仪器测试后，在训练阶段接受可控电击并在测试阶段表现出脊柱学习的大鼠，其脊髓BDNF mRNA水平立即升高。相比之下，与未上锁的对照组相比，负重受试者的脊髓BDNF水平降低。由于负重受试者在仪器测试阶段无法学习，这些观察结果表明BDNF水平的降低对脊髓学习有害[136].
在最近的一项研究中，我们使用了原位杂交Master-Yoke训练后，用western blot分别评估mRNA和蛋白质水平[91]. 在主受试者的脊髓背侧和腹侧均观察到BDNF mRNA升高。未束缚对照组和束缚受试者的信使核糖核酸水平没有差异。在蛋白质方面也观察到了类似的效果，因为与未上锁的对照组相比，主受试者的BDNF水平增加，但在负重受试者中没有变化。额外的实验进一步支持了内源性BDNF对脊柱训练过程的保护作用至关重要，并且BDNF的使用可以防止由不可控休克引起的脊髓学习障碍（图4). 总之，我们先前的结果与在中枢神经系统其他区域观察到的结果一致，例如海马体，在那里BDNF被明确显示参与了学习的神经过程[35,137].
BDNF在脊髓损伤后的脊髓学习和其他形式的可塑性中所起的作用与BDNF受体TrkB的表达和功能的变化明确相关。关于SCI对脊髓内TrkB表达的影响，尽管差异可能是由于时间和空间实验变量造成的，但仍存在相互矛盾的报告。具体来说，脊髓损伤后TrkB的表达通常取决于术后时间点和用于细胞评估的脊髓节段。Frisén等人[138]据报道，脊髓损伤后TrkB mRNA和蛋白表达水平升高。有趣的是，损伤后3至6周内，这种增加最为明显。然而，与此相反，一些其他研究人员报告说，脊髓损伤后TrkB水平下降[139–141]一般在损伤的急性期。有趣的是，在T2脊髓横断后，接受可控刺激的大鼠与受试者和对照者相比，TrkB的蛋白表达增加[91]. 此外，TrkB表达增加主要发生在脊髓背侧，而非脊髓腹侧。值得注意的是，尽管我们发现适应性可塑性，即脊髓学习，与BDNF和TrkB水平升高相关，但我们也观察到脊髓损伤后BDNF与TrkB的水平立即下降（下文讨论）。
3.4. BDNF对脊髓损伤后疼痛和痛觉反应的影响
从上述详述基础科学水平所取得进展的研究来看，脊髓损伤后临床使用BDNF是不可避免的。令人惊讶的是，据美国国立卫生研究院（ClinicalTrials.gov）称，尽管BDNF是几项非SCI相关临床研究的重点，但目前还没有关于BDNF用于促进SCI后功能恢复的临床研究报道。这种明显差异的原因以及BDNF从“板凳到床边”的缓慢进展，尽管在基础研究水平上显示出了压倒性的前景，但尚不清楚，但需要进行更深入的研究。下一节讨论SCI后的伤害可塑性和BDNF的差异作用。
像周围损伤一样，包括SCI在内的中枢损伤也会产生慢性神经病理性疼痛[142,143]. 通常认为，炎症或外周损伤引起疼痛的机制与脊髓损伤引起疼痛的机制相同，主要候选机制是中枢敏化[69]. 多年来，许多研究人员研究了产生中枢敏化的机制，并确定了关键的介质（由[144]). 最显著的是NMDA受体、细胞内钙增加、信号激酶和BDNF。最近还确定了其他调解人。这些包括小分子量信号蛋白，即细胞因子和趋化因子[145–147]. 这些信号因子通常由免疫炎症细胞释放。这些最新发现为研究脊髓损伤后疼痛超敏反应的发展增添了新的维度。我们不应该再把注意力主要局限于神经元的可塑性，而是可以关注星形胶质细胞和免疫系统的直接贡献，以及它们影响神经元功能的能力。
中枢神经系统损伤的一个特征是随后胶质细胞的积聚、增殖和激活。CNS损伤后形成胶质瘢痕的观察可追溯到Cajal的早期报告[148]. 此外，研究表明，胶质瘢痕是神经再生的主要抑制剂。继这一早期发现之后，又进行了一些研究，这些研究侧重于描述瘢痕的细胞结构，并评估克服这种再生障碍的可能方法（有关最近的综述，请参阅[149–152]). 现在的研究表明，神经胶质细胞的功能超出了中枢神经系统损伤后物理屏障的形成。浸润免疫细胞和胶质细胞在损伤后都会发生结构和功能改变[153]最终使他们能够发布多个产品。这些包括炎症细胞因子：干扰素γ、TNFα（TNFα）α)白细胞介素和趋化因子。尽管这些细胞因子发挥着各种神经功能，但其中许多已被证明会促进SCI后的有害影响，包括疼痛超敏反应的发展和运动功能受损。正如Coull等人报告的那样[96]，活化的小胶质细胞也释放BDNF。因此，我们可以预期，BDNF的过度分泌与促炎细胞因子一起，只会增加SCI后有利于不适应可塑性和疼痛超敏反应的环境。
尽管有大量研究探讨了脊髓损伤后BDNF的行为效应，但很少有人研究其细胞效应，尤其是与伤害性行为相关的细胞效应。这和许多旨在了解其在周围神经损伤后神经病理性疼痛中作用的研究形成对比。已经证明BDNF在新生大鼠和幼年大鼠的II层神经元中诱导初级传入诱发突触反应的持续易化，这种作用被认为是前伤害性的[89]，我们将注意力转向研究BDNF在脊髓损伤后的作用。在T13/L1或L6/骶1（S1）横断SCI或T12/T13挫伤SCI后，BDNF不促进L2–L5层II神经元的传入-诱发突触反应[90,92]（图5)，这是一个意外的发现。同样令人惊讶的是，BDNF诱导突触易化的失败并不依赖于SCI的类型或位置。似乎BDNF可能会在SCI后诱导更大程度的突触反应促进。这一预期基于这样一种观点，即如果外周损伤同时增加了脊髓BDNF水平和第二层神经元的兴奋性，那么脊髓损伤后也会产生类似的影响。此外，已经显示SCI增加脊髓神经元的兴奋性或输出，尽管在非疼痛处理脊髓区域[154,155]SCI导致小胶质细胞增殖和活化，活化的小胶质细胞释放BDNF在神经病理性疼痛中起着关键作用[96]. 相反，我们发现BDNF不能产生突触易化与损伤诱导的-介导抑制脊髓神经元并抑制NMDA受体介导电流[92]. 尽管我们没有观察到BDNF对GABA电流的任何直接影响，Pezet等人之前的研究[156]表明BDNF能直接刺激背角中间神经元释放GABA。类似地，Lu等人的研究[157]结果表明，在胶状质神经元长期暴露于BDNF后，GABA能抑制电流的幅度增强。总之，这些研究表明BDNF对GABA能系统有直接影响。然而，尚不清楚BDNF是否会增加脊髓损伤后的GABA水平。
在发育中的神经系统中观察到的可塑性类型不一定保持到成熟。因此，在对BDNF在脊髓损伤后的伤害可塑性中所起的作用作出准确结论之前，有必要从减少青少年的准备工作过渡到成熟、完整的准备工作，以便进行行为检查。我们最近利用T12的临床相关挫伤SCI模型研究了BDNF是否参与成人SCI后的伤害性可塑性和疼痛[93]. 这项研究的目的是双重的：首先，评估脊髓损伤和伤害性刺激对BDNF信号通路关键成分表达的影响，其次，研究机械性超敏反应的发展与BDNF脊髓表达水平变化之间的相互作用。中度挫伤后24小时，一些成年大鼠接受间歇性（~0.5 Hz）尾部刺激（SCI+SHK），刺激强度与C纤维相结合[158]. 其余SCI受试者被放置在电击器中，但没有受到有害尾震（SCI+UNSHK）。我们的研究结果首次证实了先前的一项研究，该研究表明，有害尾震对运动恢复产生了负面影响[159]根据Basso、Beattie和Bresnahan（BBB）运动量表评估[160]. 我们对BDNF mRNA和蛋白质水平的评估表明，仅SCI在损伤后25小时和48小时（分别相当于休克后1小时和24小时）显著降低了mRNA和蛋白水平（另见Strickland等人[161]). 然而，伤害性刺激（SCI+SHK）导致脊髓背侧BDNF表达的额外减少。BDNF表达的这些变化几乎与TrkB mRNA和蛋白表达以及信号激酶ERK1/ERK2和CAMKII的表达完全平行。一般来说，SCI在损伤后的早期时间点降低了其表达水平，而伤害性休克（SCI+SHK）产生了主要在脊髓背侧观察到的额外降低[93].
我们的行为评估表明，在急性损伤期，当脊髓损伤和伤害性休克降低BDNF水平时[93]机械性痛觉超敏的发病率和程度显著增加[94]. 这些观察结果表明，脊髓损伤后疼痛可塑性的诱导和神经病理性疼痛的发生均不依赖于脊髓BDNF水平的升高。Ferguson等人报告了类似的发现[162]这表明，SCI横断后，降低BDNF水平的间歇性伤害性休克也增加了对von Frey刺激的机械反应性。总的来说，对中度挫伤或横断脊髓损伤的成年大鼠进行的这些研究结果表明，脊髓损伤后的短期适应不良可塑性可能与脊髓BDNF水平的缺陷没有增加有关。
我们将脊髓损伤和伤害性休克后脊髓背侧BDNF和TrkB表达的时间变化的检测延长到损伤后7天和28天（图6). 结果表明，SCI诱导的BDNF和TrkB水平的降低是暂时的。SCI后7天，BDNF、TrkB的蛋白质水平95和TrkB145SCI+UNSHK受试者与假对照组相比均升高。与SCI+UNSHK受试者相比，毒性刺激导致脊髓背侧BDNF水平显著降低，尽管与假对照相比BDNF水平仍然升高。受伤后28天，BDNF水平和TrkB95/145三组患者的脊髓背侧结构相似。事实上，其他研究报告称，在脊髓损伤的后期，TrkB水平升高[138,163]. 总的来说，这些数据集完全支持之前所述的概念，即空间和时间变量在确定脊髓损伤后BDNF和TrkB的表达水平方面很重要。
3.5. 适应不良的可塑性和受损的BDNF信号传导
从上述研究中，我们可以推测脊髓损伤后SCI诱导的适应不良可塑性部分是由脊髓背角BDNF-TrkB信号受损介导的[91,93]. Grau实验室先前的研究表明，SCI后休克诱导的行为缺陷是由产生中枢敏化的脊髓机制介导的[162]. 然而，目前的讨论指出了外周和中枢损伤后产生中枢敏化的机制之间的根本区别。虽然BDNF增加引起的中枢敏化与外周损伤和炎症引起的疼痛有关，但SCI后，不涉及BDNF水平升高的中枢敏感化样机制可能会促进慢性神经病理性疼痛的诱导/发作[93]. 然而，这些观察结果不能忽视BDNF是否会增强适应不良的可塑性，包括维持神经性疼痛或慢性损伤期产生的其他行为缺陷。实际上，Boyce等人[164]表明，在慢性损伤阶段（6周），与使用NT-3表达载体或对照载体治疗的受试者相比，用表达BDNF的病毒载体治疗的挫伤大鼠对热刺激的敏感性（哈格里夫斯试验）有所提高。BDNF可以在慢性损伤阶段产生触觉，这一观点得到了以下事实的支持：脊髓损伤后早期BDNF和TrkB水平的降低在损伤后的后期逆转，此时机械性超敏反应明显[94]. 一种可能的情况是BDNF在SCI之后发挥双向功能。在损伤的急性期，BDNF水平降低会导致脊髓可塑性失调，并损害行为功能。在这些条件下，增加BDNF水平的治疗是有益的。例如，无论是内源性还是外源性BDNF水平升高，都能促进适应性可塑性[91,136,165,166]和功能恢复[164,167,168]受伤后。然而，在BDNF水平恢复的较慢性时间点，BDNF的过度表达可再次诱导适应性不强的可塑性，进而导致疼痛超敏反应[94,164]. 总之，这些观察结果强调了脊髓损伤后BDNF使用的潜在局限性，即从施加适应效应到不适应行为的明显转变。此外，由于TrkB的表达在慢性损伤阶段也增加，即使BDNF的最小过度表达也会引发适应性不良的可塑性。
总的来说，这些研究意味着与脊髓损伤后BDNF功能相关的巨大模糊性。首先，很明显，SCI后中枢敏化和痛觉超敏反应的机制存在分歧，因此不再需要BDNF诱导的突触效能促进。虽然炎症、外周损伤和神经病理性疼痛的潜在细胞和神经机制存在许多重叠[169]脊髓创伤似乎从根本上改变了这些基本过程。其次，他们显示了BDNF如何影响完整和受伤受试者的脊髓伤害性过程之间的区别，也揭示了脊髓损伤后BDNF影响运动系统与感觉系统的重要差异。毫无疑问，BDNF可增强适应性可塑性并促进运动功能的恢复，但在指导伤害性可塑性方面的影响似乎较小，尽管BDNF有可能在损伤的后期激活疼痛系统。虽然BDNF表达不足可以减轻适应性可塑性，但过度表达似乎同样有害。这已经在前脑得到证实，在那里BDNF的过度表达被发现对记忆和学习有害[170]. 我们认为，如果脊髓损伤后BDNF水平异常升高，脊髓伤害性神经网络也同样容易发生适应性不良变化。
4.1. GABA信号机制
如前所述，BDNF和GABA之间的复杂相互作用似乎在外周损伤后的神经病理性疼痛中起着关键作用[96]. Lu等人[99]表明，在坐骨神经损伤后的年轻大鼠中，BDNF改变了背角神经元的电生理特性。具体而言，BDNF增加了对假定兴奋性中间神经元的兴奋性和抑制性突触驱动，同时减弱了对抑制性GABA能神经元的突触传递。
外周和脊髓损伤后BDNF-GABA的多方面关系与BDNF和SCI独立调节氯离子转运蛋白表达和功能的能力直接相关。K+氯负极协同转运蛋白2（KCC2）在调节神经元氯稳态中起着重要作用，并主要负责GABA的抑制作用[171,172]与去极化对应物Na不同+K+氯负极共同运输者1（NKCC1）[173,174]（图7). 在未成熟神经元中，细胞内氯离子浓度高，NKCC1高表达，从而介导GABA在早期发育中的兴奋作用。然而，在成年神经元中，GABA的抑制作用是由于KCC2的主要表达。修改NKCC1和KCC2表达的操作会影响GABA受体功能和氯离子稳态。在海马细胞中，BDNF降低KCC2的表达和磷酸化[175,176]在中缝大核中，BDNF降低了KCC2水平，产生了一种类似于炎症疼痛的整体兴奋性结果[177]. 后一项研究表明，在脊髓上疼痛处理中心，BDNF可以调节氯稳态。这进一步表明，由于KCC2表达减少而导致的持续疼痛可以通过BDNF的给药诱导。
尽管如此，SCI后的观察结果有所不同。Boulenguez等人[178]最近显示SCI降低了脊髓中KCC2的蛋白表达（另见[179])，与BDNF产生的效果相同。当BDNF被注射到完整受试者的脊髓时，血浆KCC2表达减少，这与脊髓损伤后15天BDNF引起的增加相反。因此，似乎BDNF和SCI一样可以降低KCC2，而BDNF加SCI会增加KCC2。Boulenguez等人[178]还表明，用TrkB-IgG抑制内源性BDNF可以阻止SCI引起的KCC2早期下降，这表明SCI诱导的KCC2下降是由BDNF介导的。Cramer等人的研究[179]和Hasbargen等人[180]另据报道，SCI显著降低KCC2，但增加NKCC1水平。当整理这些独立研究的结果时，有简洁的证据表明BDNF诱导的塑性对SCI诱导的改性和反之亦然因此，从这些研究可以推测，由于KCC2表达减少与兴奋性增加一致，BDNF在完整和受损的脊髓中发挥相反的作用。具体来说，虽然BDNF减少了促进完整脊髓兴奋（前伤害效应）的KCC2，但在脊髓损伤后，BDNF可以通过增加KCC2和GABA能抑制来产生保护或抗伤害作用。显然，对于BDNF的这些差异效应或SCI后触发BDNF功能有形转换的机制，没有可靠的解释。小直径初级传入纤维和激活的小胶质细胞可能是脊髓内BDNF水平升高的来源。如果原发性损伤愈合后，在慢性损伤阶段可能会保留高水平的BDNF，那么维持疼痛超敏反应的可能机制是BDNF诱导KCC2介导的GABA能抑制减少。然而，尽管BDNF在慢性损伤阶段对KCC2和GABA回路的影响目前显然是推测性的，但似乎SCI诱导的KCC2表达减少被认为是SCI后急性或早期疼痛的可能机制。
4.2. ERK-pERK信号
如前所述，ERK依赖的信号机制参与疼痛的发展。有趣的是，在我们的研究中，我们观察到脊髓损伤后的前7天，受损震中ERK1/ERK2和激活ERK1（pERK1）的表达下降[93]尽管在脊髓损伤后28天，在大鼠出现机械性痛觉超敏的时候，腹侧脊髓中的pERK1/pERK2显著增加[94]. Crown等人[95]报道了在损伤后35天表达神经性疼痛行为的SCI大鼠的脊髓中pERK1/pERK2的增加。总之，这些研究表明，脊髓损伤后，ERK的表达和磷酸化与疼痛的发展相关，这不仅仅是由于脊髓损伤就其本身而言。ERK表达的这些变化是否由BDNF-TrkB信号决定，或者BDNF诱导的这些神经底物的激活是否在SCI后产生神经病理性疼痛中起重要作用，目前尚不确定，尤其是因为ERK可以通过其他信号途径参与，如TNFα此外，正如我们和其他人所示，TNF和αSCI后其受体（TNFR1和TNFR2）上调[94]可能导致SCI后的慢性疼痛状态。在图中8，我们简要总结了未受伤和受伤脊髓疼痛的这些可能机制。
重要的是，应该注意到，尽管SCI似乎模拟了BDNF的一些有害作用，但这些影响可能不是由BDNF本身介导的。亚伯拉罕和贝尔称之为“化塑性”的现象[181]是诱导随后突触可塑性能力的改变。脊髓损伤影响BDNF诱导的可塑性的方式和类型，尤其是因为它与脊髓损伤后的伤害感受和疼痛有关，这是脊髓介导的化塑性的一个重要例子。虽然需要额外的实验来完全解决这个问题，但从这些研究中得出的最简单的结论是，脊髓损伤后使用BDNF不会对脊髓伤害性和疼痛处理造成挑战，至少在急性情况下是这样。
5.结论
对脊柱可塑性的研究表明，所涉及的过程确实很复杂。脊髓损伤后出现了更大程度的复杂性，部分原因是随之而来的大量细胞和形态变化。BDNF被归类为一种神经调节剂，并被证明与脊髓可塑性密切相关。显然，BDNF的作用并不一致，因为已有研究表明，它可以介导脊髓神经网络中的适应性可塑性和适应性不强可塑性。多年来，我们的研究集中于揭示BDNF对未受损和受损脊髓中脊髓网络的这些差异效应。从几项研究（包括我们实验室的一些研究）中得出的推论表明，由于BDNF与伤害性过程有关，而BDNF在没有损伤的情况下会产生触觉作用，因此在损伤后没有观察到这种作用，至少是剧烈的。此外，我们发现SCI后的功能缺陷和机械敏感性与BDNF水平降低有关，而不是增加。相反，脊髓损伤后BDNF的增加促进适应性可塑性和功能恢复。脊髓损伤后BDNF的多方面作用可能与脊髓损伤引起的下列变化有关：（i）TrkB受体和下游激酶的表达，（ii）氯转运体表达改变引起的GABA传递，以及（iii）星形胶质细胞的活性。BDNF可塑性可能易受脊髓损伤诱导的改变的影响，这一观点表明，化生变化对脊柱功能至关重要，尤其是在中枢神经系统损伤后。总之，我们表明，虽然在更清楚地了解BDNF功能方面取得了重大进展，但在30年后，需要进行更多的研究来阐明BDNF-TrkB信号的脊髓效应。
竞争性利益
作者声明，他们没有相互竞争的利益。
致谢
作者感谢James W.Grau博士和Donald J.Noble博士的深思熟虑。诺布尔博士协助设计了几个图形。
