腰痛中，感覺運動控制的神經可塑性｜骨科與運動物理治療雜誌（JOSPT）臨床評論

LBP 中，疼痛和傷害感受過程中的神經可塑性

傷害感受和疼痛處理的神經可塑性越來越被認為是腰痛（LBP）的主要貢獻者，在整個神經系統中都觀察到了變化。 初級傷害性傳入的敏感性增加（一種稱為周圍敏感化〔peripheral sensitization〕的現象）在許多情況下很常見，包括腰痛（LBP） ^[75] 。 這可能涉及對深部組織中的一系列有害刺激和/或受體作出反應的皮膚受體〔cutaneous receptors〕，例如那些潛在地受到腰部損傷影響的人。 深部組織傷害感受纖維〔deep tissue nociceptive fibers〕主要對有害的機械和化學（例如炎症）刺激作出反應 ^[73] 。

『脊髓中，神經網絡的敏感性增加和上行投射〔ascending projections〕』或『下行抑制通路〔descending inhibitory pathways〕功能的受損 ^[11] （稱為中樞敏化〔central sensitization〕 ^[89] ）』以及『編碼傷害感受的基於大腦〔brain-grounded〕神經網絡的敏感性增加』，使得這些網絡能夠在一系列無害事件期間激活。 這種神經可塑性是由生物過程媒介的，這些生物過程本身受到『關於疼痛和其他心理現象的認知』的影響 ^[74] 。 這些生物學過程已在短期和長期觀察到，並且當與憂鬱症狀共存時，敏感性增加與急性腰痛（LBP）情節後的不良結果有關。

儘管已經在動物模型的細胞水平上進行了大量研究，以了解神經系統多個水平的生物學過程（參見 Woolf ^[88] 進行的全面審查），但人類研究一直聚焦於系統水平，使用方法以研究內源性疼痛抑制系統〔endogenous pain inhibitory systems〕（通常假定與下降的有害抑制〔descending noxious inhibition〕有關），例如條件性疼痛調節〔conditioned pain modulation〕 ^[11] 、遠離背部的區域的痛覺過敏〔hyperalgesia〕 ^[38] 、脊髓傷害反射的感受區域〔receptive fields〕 ^[57] 和時間總和〔temporal summation〕 ^[20] 。 每種方法都提供了間接證據，表明增加的敏感性被認為是『在動物中，觀察到的中樞敏感化過程〔central sensitization processes〕』的特徵。

重要的是，增強的敏感性可能會影響其他感官信號的處理。 運動控制〔motor control〕被『傷害感受網絡的深刻神經可塑性』調節。 例如，周圍敏感化〔peripheral sensitization〕意味著『在脊髓和脊髓上水平〔spinal and supraspinal levels〕，調節運動系統的傷害性阻塞〔nociceptive barrage〕』可以由無害的熱和機械輸入以及正常肌肉活動產物（例如乳酸）的存在觸發。 此外，『與保護相關的廣泛調節神經網絡的敏感性』將擴大可以調節運動系統的無害情況的廣度，以包括超出體感輸入〔somatosensory inputs〕的情況——這種情況在當代對中樞敏感化的理解中得到體現 ^[90] 。

運動系統中的神經可塑性，作為脊髓運動控制的調節

從脊柱感覺運動控制〔sensorimotor control〕的運動方面〔motor aspect〕來看，神經可塑性研究也涵蓋了複雜性和時間譜〔time spectra〕。 大腦和脊髓（及其他）區域的巨大多樣性（FIGURE 2）涉及運動輸出〔motor output〕的產生，儘管神經可塑性在任何水平都是可能的，但腰痛（LBP）的研究集中在運動皮層〔motor cortex〕。 例如，在記錄其活動時，通過初級運動皮層上的跨顱磁刺激〔transcranial magnetic stimulation〕 (TMS) 揭示了軀幹肌肉刺激-反應輪廓〔stimulus-response profile〕的變化 ^[78,80]（FIGURE 3），反映了系統水平的神經可塑性。 這也反映『在 TMS 相關的肌肉活動中，對運動計劃反應』的變化，也反映了系統水平的神經可塑性。 然而，前者與中期至長期課程有關，後者與短期至長期課程有關 ^[79] 。

FIGURE 2、使用跨顱磁刺激 (TMS) 繪製運動皮質圖。
(A) 運動皮質上的刺激激發皮質內神經元〔intracortical neurons〕，為皮層脊髓細胞〔corticospinal cells〕提供突觸輸入〔synaptic input〕。 (B) 從多裂肌的短/深纖維 (DM) 和最長的豎脊肌 (LES) 在 L4 水平別進行記錄。 (C) 下降截擊〔descending volley〕激發脊髓運動神經元並導致運動誘發電位 (MEP) ，其主要在對側肌肉中。 (D) 運動誘發電位 (MEP) 記錄在兩塊肌肉中（來自網格上每個點的刺激），放置在頭皮之上並與頂點 (Cz) 對齊。 (E) 為每個肌肉從個體和組數據中創建了運動誘發電位 (MEP) 振幅的 3-D 地圖。 經 Tsao 等人許可改編。

縮寫：DM、多裂肌的短/深纖維〔short/deep fibers of the multifidus〕； EMG、肌電圖〔electromyography〕； LES、最長的豎脊肌〔longissimus erector spinae〕； M1、初級運動皮層〔primary motor cortex〕； MEP、運動誘發電位〔motor-evoked potential〕； TMS、跨顱磁刺激〔transcranial magnetic stimulation〕。

FIGURE 3、涉及感覺運動控制的大腦、脊髓和周圍神經系統區域。

相比之下，『與預期有害刺激相關的軀幹肌肉激活模式的改變 ^[54] 』和『避免特定的動作或行為，因為它們被認為是危險的』都即時〔real-time〕和長期〔long term〕（分別地）反映了整個人水平的神經可塑性。 『在運動系統〔motor system〕中，這些變化中的每一個』都有可能改變脊柱的生物力學。 儘管有人可能會爭辯說『這種生物力學變化是運動控制變化的目標，並且它為個體提供了優勢，但這並不是直截了當的〔straightforward〕』。 雖然改變的生物力學可能具有短期益處（例如，增強對肌肉激活增加的保護 ^[29] ），但由於『脊柱組織的慢性不理想負荷』以及『隨後的傷害感受器激活』，無論是機械地還是通過炎症的敏化效應〔sensitizing effects〕，它們可能會產生長期的後果 ^[31] 。 在整個人的光譜末端〔end of the spectrum〕，『避免某些行為』或『退出活動 ^[30] 』會導致健康、社會和個人問題的螺旋式下降。

體感系統中的神經可塑性，作為脊髓運動控制的調節劑

運動輸出〔motor outputs〕通常取決於感覺輸入〔sensory inputs〕，包括『關於身體位置和運動的體感信息』以及『來自上述傷害感受網絡的輸入』。 因此，體感系統的可塑性可以改變運動行為〔modify motor behavior〕。 〈可能由背角〔dorsal horn〕/脊髓或更高中心（例如初級感覺皮層興奮性/組織）塑性變化〔plastic change〕媒介的〉感覺輸入解釋〔interpretation of sensory input〕的準確性可能會發生變化。 同樣，大多數人類研究都在系統水平對此進行了研究。 例如，有證據表明『本體感受敏銳度〔proprioceptive acuity〕降低（參見 Tong 等人的評論 ^[77] ）』、『本體感受輸入權重〔weighting of proprioceptive input〕降低 ^[7] 』以及『對身體圖式〔body schema〕的更高層次解釋 ^[6] 』，但沒有直接證據表明『潛在的神經可塑性過程或神經系統的相關水平』。 影像學 ^[19] 和電生理學研究〔electrophysiological studies〕 ^[69] 目前正在提供額外的見解。

功能性和結構性大腦變化和 LBP

有多種方法可以研究神經系統的功能和結構，並且每種方法都用於研究〈患有和不患有 LBP 的個體之間明顯的〉變化或差異。 如上所述，大多數人只關注複雜整體的一小部分，其涉及了疼痛和脊柱感覺運動控制之間的相互作用。 每種方法測量神經功能和/或結構的不同方面。 該 TABLE 概述了『可以和不能從每項措施中收集到的信息』、『測量的利弊』，以及『一些已經被報告的關於 LBP 的調查結果例子』。 這些信息對於解釋下面的調查結果至關重要。

TABLE、用於研究腰痛神經可塑性的方法。

縮寫：BOLD、血氧水平依賴〔blood oxygenation level dependent〕； CBF、腦血流量〔cerebral blood flow〕； EEG、腦電圖〔electroencephalography〕； fMRI、功能磁共振造影〔functional magnetic resonance imaging〕； LBP、腰痛〔low back pain〕； MRI、磁共振造影〔magnetic resonance imaging〕； PET、正子斷層造影〔positron emission tomography〕； SEP、體感誘發電位〔somatosensory-evoked potential〕； TMS、經顱磁刺激〔transcranial magnetic stimulation〕。

如上所述，分別地考慮『大腦不同部位的神經可塑性』和『感覺運動控制相互作用』的證據可能會產生問題和混淆，但由於迄今為止已進行的研究的性質，這樣做是必要的。 以下部分，分別地討論『與疼痛和傷害感受處理、運動系統和體感系統相關的大腦變化』。 儘管這些部分提供了一種劃分信息〔compartmentalize information〕的方法，但它們不應被解釋為『（在疼痛中）神經可塑性重要性的相互競爭理論〔competing theories〕，而是同一整體的不同元素』。 有必要考慮域之間的廣泛重疊（例如，中樞敏化〔central sensitization〕對運動輸出的影響），這將在下面突出顯示。

與「疼痛和傷害性處理」相關的大腦功能和結構變化

從疼痛和傷害感受處理的角度來看，腦電圖〔electroencephalography〕 (EEG) 研究表明『慢性 LBP 患者對有害刺激的皮層反應〔cortical responses〕更大，包括 EEG 的 N80 成分增強，這被認為反映了感覺皮層〔sensory cortex〕的激活』 ^[14] 。 行為研究表明『在患有 LBP 的人中，施加於腰椎的刺激會出現觸摸痛〔allodynia〕和痛覺過敏〔hyperalgesia〕 ^[22] ，並且傷害性反射〔nociceptive reflexes〕有所改變』。 此外，一些 ^[11]（但不是全部 ^[38,47] ）研究表明『慢性或急性 LBP 中條件性疼痛調節〔conditioned pain modulation〕受損，這表明受損的下行抑制〔descending inhibition〕是中樞敏化的一個特徵』。 功能性磁共振造影 (MRI) 研究表明『慢性 LBP 患者在對有害刺激作出反應時，導水管周邊灰質〔periaqueductal gray〕的局部腦血流量〔regional cerebral blood flow〕降低，並且初級和次級體感皮層和外側眼窩額葉皮質〔lateral orbitofrontal cortex〕的激活更高地增加』。 這些發現表明『導水管周邊灰質〔periaqueductal gray〕所服務的下行抑制系統〔descending inhibitory system〕功能障礙』 ^[22] 。

結構 MRI 研究表明存在和不存在 LBP 的個體之間存在系統性差異，例如，在背外側前額葉皮質〔dorsolateral prefrontal cortex〕、顳葉〔temporal lobes〕、腦島〔insula〕、初級軀體感覺皮質〔primary somatosensory cortex〕、胼胝體〔corpus callosum〕和內囊〔internal capsule〕。 休息期間功能連通性研究〔functional connectivity studies〕的結果意味著『內側前額葉皮質〔medial prefrontal cortex〕、扣帶皮質〔cingulate cortex〕、杏仁核〔amygdala〕、腦島〔insula〕和感覺運動整合區域〔sensorimotor integration regions〕的激活增強，同時打亂在默認模式網絡〔default-mode network〕（一個大規模的大腦區域網絡，其維持大腦的靜止狀態〔resting state〕並參與神經功能，包括自我的神經基礎）中的功能連接〔disrupted functional connectivity〕』^{[1,5,26,27,41]} 。 更具體地說，造影研究結果顯示『依核〔nucleus accumbens〕和內側前額葉皮質之間的功能連接以及大腦區域之間的結構連接（白質非等向性指標〔white matter fractional anisotropy〕）表明這種連接模式可能是無法恢復的風險因素。 這些發現增加了越來越多的證據表明『在急性疼痛的調節和慢性疼痛的調節中，皮質邊緣系統〔corticolimbic system〕發揮的關鍵作用』^[58] 。 皮質邊緣系統〔corticolimbic system〕是獎勵和激勵行為的核心。 雖然主要與改變的感覺處理〔modified sensory processing〕有關，但這也不能與感覺運動功能分開，因為運動行為〔motor behaviors〕將通過緩解或激發疼痛與獎勵和懲罰聯繫起來。

此外，慢性疼痛的特徵通常是『疼痛的情感〔affective〕/情緒〔emotional〕維度（其“不愉快”）超過了疼痛的感官辨別〔sensory discriminative〕維度』 ^[53] 。 影像學研究證實了這一觀察，因為疼痛期間的大腦激活模式似乎隨著 LBP 的持續而轉向情感/情緒相關的大腦區域 ^[2,4] 。 這可以根據『〈為不愉快編碼〔encode for unpleasantness〕的〉神經網絡的影響增加』和『〈為強度和感覺特徵編碼〔encode for intensity and sensory features〕的〉神經網絡的影響減少』來概念化。

總之，功能和結構的變化存在於整個神經系統，並且影響傷害感受和疼痛的處理。 每一個都有潛力去改變對疼痛的解釋〔interpretation of pain〕、體感輸入的解釋〔interpretation of somatosensory inputs〕，以及運動輸出〔motor output〕。 在以下部分中將考慮這一結果。

與「運動系統」相關的大腦功能和結構變化

一些神經可塑性變化已從脊柱運動控制的角度進行了解釋，這可能會影響〈與疼痛相關的〉神經網絡的運動輸出背景下的組織負荷和運動模式。 跨顱磁刺激〔Transcranial magnetic stimulation〕已被用於研究〈與控制特定軀幹肌肉相關的〉運動皮層區域的組織和神經網絡特性。 這些研究發現『在許多患有慢性 LBP 的個體中，皮質輸入到深部腹部肌肉的興奮性峰值區域〔area of peak excitability〕 ^[80] 位於不同的位置（更多的後外側〔posterolateral〕），並且背部較長（例如，最長肌）和較短（例如，多裂肌）肌肉的單獨表示有更大的重疊（FIGURE 4）』 ^[71,78] 。 就神經網絡而言，可以通過兩種方式將這些差異概念化：（1）作為一種系統性差異〔systematic difference〕，其中初級運動皮質細胞參與〈驅動某些軀幹肌肉的〉動作神經網絡 ^[80] ，和（2）作為〈驅動特定肌肉的〉神經網絡對這些肌肉的特異性降低 ^[78] ，這種情況意味著『差異激活單獨肌肉〔differentially activate separate muscles〕的能力降低』。

FIGURE 4、LBP 中運動皮質的重組〔reorganization〕。 用於『多裂肌的短/深纖維 (DM)』（左側的一組檢測〔left panels〕）和『最長的豎脊肌 (LES)』（右側的一組檢測）、用於健康（頂部的一組檢測）和 LBP 組（底部的一組檢測）的左右運動皮質的標準化圖〔Normalized maps〕。 虛線表示矢狀面和額狀面，在頂點 (Cz) 處相交。 請注意『多裂肌的短/深纖維 (DM) 的運動皮質圖與 LBP 組中的最長的豎脊肌 (LES) 重疊，而與健康組中的最長的豎脊肌 (LES) 相比，多裂肌的短/深纖維 (DM) 位於後面』。經 Tsao 等人許可改編 ^[78] 。

縮寫：DM、多裂肌的短/深纖維〔short/deep fibers of the multifidus〕； LBP、腰痛〔low back pain〕； LES、最長的豎脊肌〔longissimus erector spinae〕。

已經確定『皮質組織的這些差異』和『疼痛的持續時間和嚴重程度 ^[71] 』以及『運動行為的特徵』之間存在關聯，例如在姿勢挑戰 ^[80] 和脊柱運動 ^[18] 中募集肌肉的時間。 後面的這些觀察導致了與組織負荷有關的假設。 另一種觀點是『這些變化可能反映了系統功能的改變〔modified function〕，（由於對組織負荷影響的效力）這與疼痛無關，但仍與調節（例如與改變的傳入輸入〔altered afferent input〕或疼痛認知相關的那些）和動作網絡之間的相互作用變化的表達相關』。 『皮質運動輸入〔corticomotor inputs〕對支撐策略〔bracing strategy〕的反應性增加（例如，淺層腹肌） ^[81] 』和『對涉及脊柱控制細微微調的肌肉的輸入減少（例如，腹橫肌） ^[81] 』的證據，再次提高了次最佳組織負荷〔suboptimal tissue loading〕的可能性。 有待解決的一個問題是『神經可塑性的這些影響是否會提供類似於改變策略以適應需求變化的行為優勢〔behavioral advantage〕，還是會導致類似於系統崩潰的行為劣勢〔behavioral disadvantage〕』 ^[31] 。

對跨顱磁刺激 (TMS) 反應的變化很難解釋，因為反應幅度取決於皮質中的細胞和脊髓中的細胞（即運動神經元〔motoneuron〕）的興奮性（FIGURE 2）。 例如，『在 LBP 患者中，喚起豎脊肌反應的閾值變化』不能區分脊髓、皮質或兩者的變化 ^[76] 。 可以使用成對的跨顱磁刺激 (TMS) 脈衝來評估皮質的興奮性。 使用這些方法，皮質內抑制〔intracortical inhibition〕和促進 LBP 患者腹肌的皮質脊髓輸入〔corticospinal inputs〕表明『初級運動皮層突觸功能的改變』 ^[48] 。 這些觀察證實了皮層涉入〔cortical involvement〕，但尚未提供明確的解釋。

最近的工作（在 Hodges 等人中進行了詳細審查 ^[28] ）也強調了大腦運動區域神經膠質細胞〔glial cell〕活動的新變化 ^[44] 。 神經膠質細胞可以多種方式影響神經元的激活。 『運動皮層的軀體特定組織背部〔somatotopically organized back〕和腿部區域的小神經膠質細胞〔microglia〕激活增加』已經被確定 ^[44] ，但功能後果尚不清楚。

與「體感系統」相關的大腦功能和結構變化

在 LBP 中，已經使用 MRI 對感覺運動功能進行了許多觀察。 首先，『小腦上腳〔superior cerebellar peduncle〕（本體感覺輸入到更高中心的中繼區）的白質完整性〔white matter integrity〕降低（這已經被解釋為暗示修改的連接性〔modified connectivity〕）』與『來自背部的本體感覺信號（用於站立姿勢控制）的利用率降低』之間存在關係已經被觀察到（FIGURE 5） ^[62,64] ，這可能意味著忽略了有關背部位置/運動的信息。 第二，進一步支持這一觀察，涉及肌梭輸入〔muscle spindle input〕（特定體感輸入）高階處理的大腦區域的功能 MRI 顯示『與沒有 LBP 的患者相比，有 LBP 的患者對背部肌肉振動〔back muscle vibration〕的反應活動較少，而對踝部肌肉振動〔ankle muscle vibration〕的反應活動較多』 ^[23,25] 。 第三，感覺運動靜止狀態網絡〔sensorimotor resting-state network〕顯著重組，這可能導致背部感覺信號的效用發生修改。 『與整合相關的大腦區域』和『處理運動的感覺和運動信號』之間的功能連接性〔functional connectivity〕較低 ^[63] 。

FIGURE 5、非特異性腰痛患者的白質微結構〔white matter microstructure〕與本體感受權重〔proprioceptive weighting〕（用於姿勢控制）之間的關聯。
(A) 左右小腦上腳的可視化。 (B) 非特異性腰痛患者站立在穩定支撐面上時，『右側小腦上腳的平均擴散率 (MD) 』與『響應踝關節肌肉振動的壓力中心 (CoP) 移位』之間關係的散點圖〔scatter plot〕 (r = 0.65, P = .003) 。經 Pijnenburg ^[62] 和 Pijnenburg ^[64] 等人許可改編。

縮寫：CoP、壓力中心〔center of pressure〕； MD、平均擴散率〔mean diffusivity〕。

同樣，這些差異/變化中的每一個都可能意味著『控制運動的能力受損』（例如，感覺運動網絡〔sensorimotor network〕的功能連接性〔functional connectivity〕較低，這與動態感覺運動任務〔dynamic sensorimotor task〕的性能較慢相關，如 5 次坐到站到坐〔sit-to-stand-to-sit〕） ^[63] 或者『與神經網絡之間的競爭相關的不同解釋』（那些服務於感覺運動功能的網絡正在失去影響力，而那些服務於疼痛和保護的網絡正在獲得影響力）。 與此相關的是觀察到『復發性 LBP 患者在涉及疼痛認知調節的大腦區域中，顯示出比健康對照組更大的皮質厚度〔greater cortical thickness〕』，並且它們還顯示出皮質增厚〔cortical thickening〕與疼痛強度之間的相關性 ^[8] 。 再次證明了解開〔disentangling〕神經可塑性的感覺處理和運動控制方面的困難、『從坐到站到坐的表現受損〔impaired sit-to-stand-to-sit performance〕』與『喙部前扣帶迴皮質〔rostral anterior cingulate cortex〕的皮質厚度減少』之間存在關係 ^[8] ，以及『皮質厚度和灰質體積的區域變化』與『運動控制、腰骨盆控制的臨床測試』以及『腹橫肌和多裂肌的個體收縮』之間的相關性 ^[40] 。

類似於運動皮質地圖的研究，已經使用了幾種方法來研究感覺皮質的皮質組織。 響應急性有害輸入的體感誘發電位〔somatosensory-evoked potentials〕的研究表明『反應的特定成分的修改，包括那些被解釋為在次級軀體感覺皮質〔secondary somatosensory cortex〕和前扣帶迴皮質〔anterior cingulate cortex〕進行暗示處理的成分，這些成分被認為反映了疼痛體驗的情感/情緒成分』 ^[69] 。 請注意『神經系統多個層面的中樞敏化〔central sensitization〕會導致對有害輸入的敏感性增加，從而導致觸摸痛〔allodynia〕/痛覺過敏〔hyperalgesia〕』。

腦電圖〔Electroencephalography〕顯示『〈與手臂運動引起的姿勢擾動〔postural perturbation〕相關的〉皮質活動區域更大』 ^[35] ，以及『〈與身體質心位移幅度和災難性程度相關的〉意外姿勢擾動的晚期腦電圖陽性反應幅度更大』 ^[36] 。 在慢性 LBP 患者中，『對背部無害和有害觸覺刺激〔tactile stimulation〕的初級感覺皮層峰值反應〔peak primary sensory cortex response〕的位置』被擴大和轉移（FIGURE 6） ^[19] 。 施加於單個腰椎的無痛壓力〔Nonpainful pressure〕 ^[33] 會喚起繼發性體感皮質反應〔secondary somatosensory cortex response〕，這種反應在有 LBP 的人中比沒有 LBP 的人要小 ^[33] 。其中一些變化與慢性相關 ^[19] 。 使用運動行動的心像〔mental imagery of motor actions〕進行的功能性 MRI 研究顯示『與健康對照組相比，在慢性 LBP 患者中，左側輔助運動區〔supplementary motor area〕和右側顳葉上迴〔superior temporal gyrus〕和腦溝〔sulcus〕（與運動想像〔motor imagery〕相關的區域）內的大腦激活減少，但運動意象相關網絡之間的功能連接性的擴散和非特異性增強』 ^[83] 。

FIGURE 6、腰痛中體感皮質的重組。 對於慢性背痛患者和健康對照組，手指和背部偶極〔dipole〕的平均位置『由 37 通道生物磁力計〔37-channel biomagnetometer〕從對側半球〔hemisphere contralateral〕到刺激部位（在 70 毫秒範圍內）』被記錄下來。 位置被示意性地疊加〔superimposed schematically〕在磁共振圖像上。 經 Flor 等人的許可改編 ^[83] 。

由於運動表現沒有改變，這個結果可能被解釋為感覺運動系統功能受損，需要更多的神經涉入才能完成任務，或者被解釋為以過度興奮為特徵的中樞敏化 ^[83] 。 『有和沒有 LBP 的個體之間，這些差異中的每一個』都可能提供行為優勢〔behavioral advantage〕，這類似於促進保護〔promote protection〕的修訂策略〔revised strategy〕或系統崩潰。 兩者都可能在組織負荷水平上產生負面後果。

有明顯廣泛的證據表明 LBP 患者的神經系統結構和行為發生了改變。 這些證據中的大部分都涉及『與控制脊柱和脊柱負荷相關的感覺和運動過程』。然而，這並不是唯一可能的解釋，考慮到『與脊柱運動控制和感覺處理相關的過程』是通過多種機制在疼痛的產生和維持中相互作用的整體的一部分，可以從現有文獻中得出很多結論。