【目的】脊髓损伤(Spinal Cord Injury,SCI)是严重的中枢神经系统创伤性疾病,会导致完整的脑-脊髓感觉运动传导通路受损。由于神经系统高度的可塑性,脊髓损伤后会出现病理性神经痛、痛觉过敏、异常感觉和患肢痛等大脑高级中枢相关的神经并发症,但脊髓损伤后大脑重塑的机制尚未完全明确。钙离子是神经系统重要的信号分子,其活动可以间接反应神经元的活性。本研究采用基因编码的钙离子指示剂和活体钙成像技术,观察脊髓损伤后初级感觉和运动皮层神经元钙信号动力学以及皮层可塑性的改变,在细胞水平明确脊髓损伤后大脑皮层重塑机制,为脊髓损伤后病理性神经重塑提供预防策略。【方法】1.开颅和GCaMP6f病毒注射:出生8-10周的C57BL/6J雌性小鼠在立体定位下开颅窗,AAV2/1-syn-GCaMP6f-WPRE-SV40病毒注射,注射部位分为初级感觉皮层或初级运动皮层,后等待3-4周待病毒充分表达。2.实验分组和动物模型制备:右侧初级感觉皮层表达GCaMP6f的小鼠随机分为三组:sham、脊髓左侧半切(对侧损伤)和右侧半切(同侧损伤),sham小鼠实施椎板切除,损伤小鼠实施左侧或右侧脊髓半切损伤。右侧初级运动皮层表达GCaMP6f的小鼠实施左侧半切损伤(对侧损伤)。3.初级感觉皮层双光子活体钙成像:采用双光子显微镜活体观察脊髓损伤前30分,损伤后3天、7天、14天及28天小鼠初级感觉皮层神经元钙信号的变化。4.自由活动状态下初级运动皮层光纤活体钙信号记录:采用光纤活体记录自由活动小鼠脊髓损伤前30分,脊髓损伤后3天、7天、14天及28天小鼠初级运动皮层神经元钙信号的变化。5.数据分析:采用基于MATLAB编写的Mosaic校正软件和Fluoro SNNAP分析软件对双光子记录的数据进行校正和分析,分析脊髓损伤前和脊髓损伤后各个时间点每个神经元钙信号的频率、上升时间和衰减时间,同时分析群体神经元同步系数和功能连接;采用基于MATLAB编写的Op Signal分析软件对光纤记录的钙信号进行读取和分析,分析脊髓损伤前和脊髓损伤后各个时间点每个神经元钙信号的频率和幅值。【结果】1.脊髓损伤后同侧大脑初级感觉皮层神经元钙信号频率在损伤后3天无差异;损伤后7天频率增加,差异有统计学意义;损伤后14天和28天无差异;上升时间和衰减时间在损伤后3天、7天、14天和28天频率差异均无统计学差异。Sham和损伤对侧脊髓损伤初级感觉皮层神经元钙信号频率差异变均无统计学意义。2.脊髓损伤后同侧大脑初级感觉皮层神经元同步系数在脊髓损伤后3天差异无统计学意义;损伤后7天增加,差异有统计学意义;损伤后14天和28天差异无统计学意义;功能连接系数在损伤后3天无差异;损伤后7天、14天和28天均增加,差异有统计学差异。Sham组和损伤对侧脊髓损伤组初级感觉皮层神经元同步系数和功能连接系数均差异无统计学意义。3.自由活动状态下,脊髓损伤后损伤对侧大脑初级运动皮层钙信号频率和幅值在损伤后3天、7天、14天和28天差异均无统计学意义。【结论】1.初级感觉皮层神经元钙信号频率和同步性在脊髓损伤后第7天升高,频率和同步性参与早期异常感觉形成和早期皮层重塑。2.初级感觉皮层神经元钙信号功能连接在脊髓损伤后7天、14天和28天升高,在28天最明显,神经元功能连接参与长期慢性皮层重塑。3.初级运动皮层神经元钙信号频率和幅值在脊髓损伤后未观察到变化,神经元钙信号的兴奋性和同步性未参与运动皮层重塑。