摘要:轻度创伤性脑损伤(TBI)常引起病理生理损伤，表现为急性和慢性神经功能障碍。在试图修复和重新连接中断的回路以弥补传入和传出连接缺失时，产生了错误回路，并导致神经功能缺陷，包括脑震荡后的症状。TBI诱导的生理和代谢上的病理改变了与行为相关回路功能相关的神经元的结构和功能。复杂的神经处理过程在某种程度上主要是由调节性神经递质系统所介导的回路控制的，在受伤后，信号通路可能受到急性或慢性的破坏，因此成为治疗的主要靶点。通过时间和空间分辨率增强技术在实验模型中监测神经递质信号，可以记录行为相关回路中的体内细胞外神经递质信号。在这里，我们回顾了TBI文献中的临床前证据，这些证据提示了神经递质改变在神经回路导致了急性期和慢性期的神经缺陷的作用，以及为体内神经化学监测而开发的方法。耦合创伤性脑损伤模型证明慢性行为异常与体内实时监控神经递质技术能够直接描述和量化神经递质信号，并对研究行为和信号通路的方法有直接影响。

关键词:创伤性脑损伤;神经递质;回路;行为;发病率;电化学;谷氨酸;多巴胺;脑震荡后症状;微生物群

简介:轻度创伤性脑损伤的急性慢性缺陷

      创伤性脑损伤(TBI)在全美有超过250万人，是造成非致命伤害的主要原因。在急诊科报告的TBI患者中，75%以上被诊断为轻度TBI。轻度创伤性脑损伤被定义为由于外部物理力量对头部的机械作用导致短暂的意识丧失或精神状态改变(撞击后30分钟格拉斯哥昏迷评分为13-15分)而不造成组织损伤的急性脑损伤。

  创伤性脑损伤可分为局灶性损伤和双侧损伤。局灶性脑损伤常出现颅骨骨折、脑内及硬膜下血肿、蛛网膜下腔出血等明显损伤，颅内压明显升高。TBI是快速旋转和/或线性加速和减速力造成的神经和血管结构广泛损害的结果，影像学研究未发现明显的病理损伤。对人和动物的研究已经表明主要为神经病变、微血管破裂、白质损伤和轴突断裂。生物力学的力量主要导致代谢失调，离子通道失衡和血脑屏障(BBB)的破坏，进一步加剧了损害。由轴突损伤引起的白质损伤有可能切断大脑区域之间的神经元特异性传递，从而影响动物和病人的行为疾病。神经轴索损伤(DAI)是轻度创伤性脑损伤最早的病理特征，可能是决定长期预后的关键因素。病理生理级联包括继发性损伤，在原发损伤后几秒到几个月逐渐发展。继发性损伤包括代谢和细胞紊乱，伴有神经递质释放紊乱(由机械脑组织变形引起)、氧化应激升高、自由基产生、炎症和细胞肿胀等神经代谢级联，重原发损伤，诱发行为/精神缺陷。这些急性病理紊乱与TBI的早期临床特征相关，可能导致长期损伤。重要的是，脑回路中断导致的广泛性脑损伤的发病机制的异质性和多样性，强调了考虑损伤的过程和发病率的重要性。

  轻度TBI患者(20-50%)在伤后1个月内出现持续性疾病。患者通常在初始损伤后出现可持续数月的短暂症状如认知、思考、躯体和运动区域的脑功能受损。对患者进行的神经心理学测试和实验性创伤性脑损伤的神经病理评估显示，创伤后症状持续数月至数年，或症状持续时间多变的迟发症状并伴有主观症状。脑震荡后症状(PCSs)包括轻中度创伤性脑损伤患者报告的常见症状。PCSs以前的诊断是基于国际疾病分类(ICD)-10，或基于诊断和精神障碍统计手册(DSM)-IV标准为三个或以上多个领域的症状和问题，包括(1)头痛、头晕、全身不适和过度疲劳；(2)情绪和情绪变化，如易怒、抑郁和/或焦虑；(3)注意力不集中和记忆缺陷;(4)害怕永久性的大脑。据估计，目前有530万幸存者生活在PCSs中，这导致了残疾、日常生活活动障碍、妨碍伤后重返工作或可能使重返工作复杂化。持续和出现的PCSs的潜在机制可能是大脑回路的激活和功能受损的结果，这是对适应性或非适应性补偿的反应。从这个角度来看，回路中断已经作为许多观察到的PCSs的潜在解释。PCSs的发展还受到几个因素的影响，这些因素包括但不限于个性、心理健康、身体健康、社会地位、性别、营养、酒精和神经活性物质（毒品）使用等，这些因素也可能影响受伤后的康复率。这些损伤前的情况共同影响病人的康复和预后。

  虽然脑白质断开是一种特征，是TBI机械性影响的结果之一，神经损伤可能反映功能障碍而不仅仅是神经损伤。最初的损伤和随后的损伤级联影响幸存的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞的功能状态，以及涉及多个神经递质系统的代偿性改变，导致突触缺失，进而导致回路功能缺失。对神经回路的深入研究揭示了几个神经递质系统在解剖学上的独特变化，这些神经递质系统涉及神经动力学、突触功能、受体和转运体。通过电化学技术的应用研究各种神经递质信号，我们对疾病发生发展和恢复目标的理解可能会得到更新。

  随着动物模型的发展，对创伤性脑损伤的病理和病理生理学研究得到了迅速发展。到目前为止，动物模型复制了损伤类型，使我们更好的理解分子和细胞机制，神经缺陷以及可能的康复/神经保护策略。啮齿动物和非人灵长类的脑损伤模型简化了在人类中观察到的复杂事件，同时持续而有力地重现了原发性和继发性损伤。此外，脑损伤模型还提供了评估可解读生物标记物的机会，这些生物标记物可以跟踪人类脑损伤的进展。

  为了与弥漫性创伤性脑损伤的直接临床相关性，已经开发和修改了几种弥漫性损伤模型，包括液体冲击、重量冲击和爆炸损伤模型，以提供一个总结人类创伤性脑损伤特征的临床前平台。液体冲击损伤(FPI)通过开颅向完整的硬脑膜提供液体压力脉冲，开颅可位于脑的外侧或中央(双侧或混合性病理)。压力脉冲是一个变量，可以控制改变损伤的严重程度。中线(或中央)FPI主要用于产生双脑的DAI、出血和白质损害。与人类TBI相关，啮齿动物的中线FPI模型在研究弥漫性脑损伤的纵向病理生理学方面具有非常重要的价值。从FPI模型获得的大量信息已经阐明了与临床后果相关的神经生理学、神经病理学、神经影像学和行为表现等病理学问题。重量冲击可通过在有或没有开颅手术的情况下，在颅骨上诱导撞击加速度。受伤的严重程度可以通过改变重量和高度下降来调整。除了广泛的DAI模型诱导双侧神经元损伤，表现为出血，与人脑外伤相似。爆炸TBI模型是用炸药、压缩空气和冲击波管中的气体来模拟军人中常见的爆炸伤害。该模型使用一个压缩驱动的激波管来诱发冲击波，产生一系列的反应，包括脑水肿、充血和血管痉挛。

  在大多数的创伤性脑损伤动物模型中可以观察到行为改变，而行为分析的特性是理解神经系统影响行为表型的关键。其可作为以探讨功能和功能障碍的详细机制，通过各种行为范式特征的行为库类比急性和慢性后遗症的创伤性脑损伤幸存者。通过使用视频跟踪、自动记录和检测技术来记录和分析行为，这些检测提供了敏感、客观和可量化的行为测量。这些检测包括神经行为评估、探索行为、学习和记忆和感觉敏感性。这些行为模型具有高度的表面效度，其中动物可观察到的表现型再现了人类的TBI情况。

脑损伤后回路功能障碍:适应性和非适应性反应

  动物模型已经扩大了临床发现，显示弥漫性创伤性脑损伤后的受损神经的可塑性。神经可塑性具有高度的适应性，并通过募集神经营养因子来补偿损伤诱导的神经来维持体内平衡过程。弥漫性TBI引发了广泛的再生反应，包括幸存的神经元的重新连接，以及剩余的轴突在去神经区域附近的侧枝发芽，以产生新的接触。神经胶质和血管系统的变化有助于产生新的连接，在受损的大脑试图恢复失去的功能时，非适应性重组可能加重功能损害的程度。然而，目前还不清楚可塑性在多大程度上是非适应的，并在回路中引发可能产生混合功能结果的不良反应。存活下来的神经元处于代谢压力下，并被增加的病理负担打击。正在进行的重组过程可能有助于对晚发性行为缺陷的观察。因此可以合理地预测，PCSs背后的行为疾病是多种调整的结果，随着时间的推移，由于细胞的改变，神经传递和回路重组的改变而发生。

TBI诱导的神经递质信号改变:对TBI的急性和慢性反应

  神经递质系统的失调已被认为与几种神经退行性疾病以及神经精神疾病有关。脑损伤后神经递质的改变导致神经递质受体及相关信号通路的代偿性改变，这对神经递质水平的信息传递至关重要。大脑回路的功能部分是由几个神经递质系统控制的，这些神经递质系统通过胞吐、摄取和循环事件来调节神经元的信息流动。

  谷氨酸是主要的兴奋性神经递质，与TBI神经易感性的兴奋毒性损伤更常见。谷氨酸通过诱导的去极化、刺激或突触囊泡的胞外作用释放到细胞外空间，控制着跨域范围的回路功能。谷氨酸的清除主要来自细胞外，并且受位于星形胶质细胞上具有高亲和性和钠依赖性的兴奋性氨基酸转运体(EAATs)调控，细胞外谷氨酸水平的升高与代谢性谷氨酸受体结合，可通过继发性损伤过程介导神经损伤，并加剧现有的神经病变。

  几项研究表明，严重的谷氨酸失调是脑外伤后几天内急性病理生理学的诱因。临床微透析研究表明，细胞外谷氨酸水平在损伤后24小时和损伤后9天内升高。局灶性和弥漫型TBI啮齿动物模型显示，早在损伤后1小时细胞外谷氨酸水平就会升高。TBI诱导的细胞外谷氨酸的增加改变了谷氨酸受体和转运体的定位，进一步损害了细胞外对谷氨酸的调节，降低了谷氨酸的增殖能力和调节突触信号的再摄取模式。脑损伤后，NMDA (n -甲基- d -天门冬氨酸)和AMPA(-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸)受体的长时间激活可导致膜电位损失和细胞质钙水平增强的神经退行性变。而过量的谷氨酸可以加剧受损神经元的凋亡或坏死,星形胶质细胞迅速有效的清除细胞外谷氨酸的能力可能具有保护作用，谷氨酸的兴奋性毒性引起的神经元损失程度仍有争议。

(氨基丁酸),主要抑制中枢神经系统(CNS)的神经递质,是合成的抑制性神经元谷氨酸。虽然它也容易在结构损伤后发生紊乱，TBI后也容易受到体内平衡紊乱的影响。GABA能神经元通过局部和投射神经元驱动大脑回路的抑制元素，形成回路的功能。释放的GABA作用于位于轴突末端的离子型GABA A和GABA B受体等GABA能传输终端(GATs)并作用于周围的神经元和神经胶质直至GABA转运蛋白从细胞外间隙将其清除。GABA受体通过相位和维持持续抑制以及神经元兴奋性的调节来调节具有高生理相关性的信息处理。实验数据表明，TBI可导致GAT在损伤后24小时表达降低。磁共振光谱学(MRI)显示，职业拳击手反复轻度TBI的脑额叶皮层中GABA水平较低与记忆缺陷有关。利用这一技术，最近的研究表明，在轻度创伤性脑损伤后72小时和两周，GABA的区域和时间特异性变化显示大脑皮层的GABA水平降低。在同一区域，GABAB受体介导的抑制增加与运动脑震荡后突触可塑性的丧失有关。

  急性TBI后，GABAA表达的改变了对基于时间的信号传导至关重要的相位抑制，导致神经元过度兴奋和膜去极化。然而，氨基丁酸神经传递的改变，急性或慢性地破坏兴奋和抑制的平衡，这是一些神经疾病的基础。最近，电化学方法记录了近实时的GABA神经传递，这为理解GABA神经传递在PCSs中的作用提供了丰富的机会。

  谷氨酸和GABA负责维持回路功能所需的兴奋-抑制平衡。创伤后癫痫(PTE)是创伤性脑损伤的一个主要的长期后果，它是由于脑回路的兴奋-抑制平衡发生改变而发生的。抗癫痫药物寻求恢复兴奋-抑制平衡，以成功地控制癫痫发作。虽然PTE是最常见的谷氨酸和GABA导致的失衡,重要的是要考虑到兴奋-抑制性平衡是直接和/或间接涉及所有与创伤性脑损伤症状的众多类型和转运蛋白和受体。为了解这种平衡的时间和局域，持续的研究是必要的，以改进治疗和管理副作用。

  越来越多的证据表明儿茶酚胺能系统对创伤性脑损伤的反应非常脆弱。单胺神经递质多巴胺(DA)通过广泛的DA投射调节大脑功能。DA神经元胞体主要分布在中脑(黑质、腹侧被盖区)、嗅球和下丘脑。中脑DA神经元具有一种长而复杂的投射模式，使DA神经元暴露于损伤的剪切力、氧化应激、可塑性受损和神经炎症。多巴胺转运体(DAT)通过突触前再摄取清除释放的DA来调节细胞外空间DA的持续时间。DA在认知、运动、情绪、动机和神经内分泌过程中发挥重要作用，这些过程是由纹状体、边缘系统和额叶皮质的破坏造成的。

  临床研究表明，损伤后神经信号传递会随着时间的推移而中断。一项针对人类的计算机断层成像研究显示，在脑外伤142天后，纹状体中纹状体DA转运蛋白(DAT)减少。这可能导致突触间隙DA水平持续增加，可氧化形成醌通过氧化应激损伤细胞大分子。弥漫性脑部受伤中重度患者MRI研究显示黑质体积减少,和纹状体DAT水平与认知功能障碍的相关信息处理速度和执行功能下降,有可能影响症状与注意缺陷/多动障碍(ADHD),帕金森病(PD)和亨廷顿氏病(HD)。

  实验模型同样表明，由于长程轴突投射损伤可导致黑质损伤和远端皮质缺损。黑质纹状体多巴胺能轴突几乎没有髓鞘，因此更容易受到TBI剪切力的影响。外伤后1小时，TBI提高了DA水平和DA周转率(即DA代谢物与DA的比值)，表明DA调节发生了剧烈变化。酪氨酸羟化酶(TH)是DA合成的限速酶。在受控的皮质冲击(局灶性损伤)后的14天内，前额皮质的TH和DA组织水平升高。与临床报道相似，在局灶性TBI临床前也有纹状体DAT表达减少的报道。DA突起高度分叉，包含几个神经递质释放位点。中线FPI导致内侧前脑广泛的DA轴突病理(损伤后1天)和纹状体中促炎细胞因子的增强(损伤后6小时)，这与DA的释放减少有关。全组织高效液相色谱分析显示，大鼠脑黑质致密部28天后DA周转增加，DA利用改变。

  虽然与TBI相关的认知问题是多因素的，但大量的报道认为多巴胺能(DAergic)神经信号传递的中断是一个重要因素。创伤性脑损伤后普遍存在的认知领域包括记忆、学习、注意力受损，也包括持续注意力缺陷、信息处理速度和执行功能，如工作记忆、解决问题、规划和冲动控制。重要的是，认知增强的治疗方法关键取决于DA水平，因为DA的突触水平与认知功能是非线性相关的。

-酪氨酸中提取的儿茶酚胺，与脑损伤的急性和慢性反应有关。大多数实验性脑损伤研究报告了NE水平的不一致变化。在局灶性脑损伤后观察到NE改变的时间和区域依赖的变化，在6小时后大脑皮层和小脑对侧发生改变，然后在伤后24小时双侧下丘脑、小脑、蓝斑和髓质发生。然而，全组织高效液相色谱分析结果显示，体感觉皮层NE代谢(病灶后30分钟)急剧增加，慢性减少持续到损伤后8周。具体来说，NE已被证明通过其α- 2A受体影响处理速度，该受体的功能是增强靶神经元的兴奋性。在高阶连通性水平上，NE调节固有网络，特别是认知(salience)网络，认知(salience)网络的功能障碍会导致TBI后的认知控制障碍。被诊断为多动症的患者可以考虑对NE失调进行治疗，创伤后应激障碍和抑郁。

  乙酰胆碱(ACh)是胆碱能系统的一种快速作用的神经递质，可改变神经元的兴奋性，其变化与注意力、药物滥用和食物摄入有关。对乙酰胆碱的神经病理、电生理和药理动力学的临床研究为脑外伤后胆碱能功能障碍提供了依据。虽然临床报告很少，但对TBI患者的初步研究表明，脑脊液胆碱能功能改变，胆碱酯酶活性降低。在脑损伤大鼠的脑脊液中也发现了基础乙酰基转移酶(胆碱能神经末梢的组成成分)水平升高和胆碱乙酰基转移酶(ChAT)活性降低。来自头部损伤死亡患者的尸检脑样本显示ChAT活性降低，表明胆碱能输入活性降低。尽管在这方面的临床资料有限，但这些发现表明，在脑外伤后，ACh神经支配和突触活动存在缺陷。胆碱能神经传递的丢失也是AD严重程度的相关因素，可能与TBI是AD的危险因素，与AD相关疾病进展有关。

  动物研究表明，FPI的急性作用会增加海马的ACh水平。磷酸基胆碱灌注测量显示，在中度FPI后12分钟和4小时，TBI改变了大鼠中脑的乙酰胆碱代谢，表明胆碱能传递增强。认知障碍是脑外伤后持续数年最常见的长期缺陷。注意、记忆和执行功能的调节是脑外伤后胆碱能系统的重要组成部分。实验报告将TBI后的认知受损与胆碱能神经传递的慢性改变联系起来，提示边缘脑区活动减少。这已经被证明是可控的皮质冲击造成局灶性脑损伤导致海马高亲和力胆碱摄取显著降低，提示胆碱能功能障碍主要与胆碱能神经元清除细胞外胆碱的能力降低有关。体内微透析技术显示，在受控制的皮质冲击脑损伤后，毒菌碱拮抗剂诱发了与空间记忆缺陷相关的海马和新皮层中较低浓度的乙酰胆碱释放。经过控制的皮质冲击后的慢性时间点，乙酰胆碱诱发的释放减少与使用微透析的自由运动行为动物的持续性认知缺陷有关。其他研究结果支持TBI导致的ChAT缺失与胆碱能失调有关。也有证据表明,对创伤性脑损伤代偿性反应包括ACh膜泡运输体(负责乙酰胆碱的浓度在突触囊泡),胆碱能的调停信号显示增加海马ACh膜泡转运体的表达具有4周内抑制受损延伸(VAChT)和减少毒蕈碱的受体亚型2 (M2)免疫反应性的作用。

  5-羟色胺(5-HT)参与情绪调节，5-HT神经传递失调在一般人群和TBI患者的神经精神疾病中发挥重要作用。在大鼠中，中度的FPI已经表明可以提高TBI后10分钟的5-HT和5-羟基吲哚乙酸(5-HIAA)。然而代谢物5-HIAA细胞外水平在弥漫性TBI后10分钟开始下降。最近的研究发现，TBI通过调节5-羟色胺转运体(SERT)来减少5-羟色胺的再摄取，从而阻止5-羟色胺的神经储存的补充，从而减少5-羟色胺的传输。已有研究表明，TBI诱导的神经炎症会降低损伤后21天的血清素/色氨酸比率。总的来说，临床前证据表明5-羟色胺的神经传递随着时间的推移而减少，导致神经心理症状的表现或恶化。

  创伤性脑损伤对精神健康的慢性后果不仅在严重创伤后得到确认，而且在一些病例中也被划分为轻度到中度。精神问题可能是一个主要的临床问题，因为它潜在地干扰康复和全面恢复。5-HT系统广泛分布于整个大脑，调节各种行为过程。超过三分之一的创伤性脑损伤患者发展为重度抑郁，其风险与损伤严重程度相关。选择性5 -羟色胺再摄取抑制剂(SSRIs)是目前治疗创伤后应激障碍、抑郁、焦虑和其他情绪障碍的一线药物。SSRIs也用于AD, PD, HD和癫痫的治疗。然而，这种治疗与TBI的关系仍在研究中。

  越来越多的证据表明，与创伤性脑损伤相关的神经传递的改变可能引发、加速或加剧与慢性创伤性脑病、癫痫、帕金森病、AD(和其他形式的痴呆)、肌萎缩性侧索硬化症、HD、PTSD、ADHD、焦虑症和抑郁症。神经信号传递的调节是治疗的主要目标。然而，回路失调的病因学仍然知之甚少。越来越多的人认识到，TBI是一种神经疾病过程，而不是单一事件，是多种神经紊乱和疾病的危险因素，这有助于TBI诊断和治疗的进展。

体内神经递质监测的生物传感器

  评估神经递质细胞外动力学的研究可以提供关于脑外伤后神经传递中断的关键信息。通过评估区域依赖的突触前释放、细胞外清除、麻醉动物的基础浓度和自由行为动物的行为相关信号，可以深入了解功能性神经元通讯的各个方面。几种技术已开发和应用于体内测量各种脑疾病的神经传递。之前已有报道神经递质释放事件在调节体内平衡中的功能作用，以及对行为的影响。细胞荧光传感器、微透析和快速扫描循环伏安法的使用已被用于探测原发性神经缺陷和模型中神经递质信号的变化。然而，随着设备的空间和时间分辨率的提高，有助于捕获神经递质释放和再摄取的内源性微摩尔量级的改变。

      电化学检测与生物传感器允许实时观察和量化神经递质事件。生物传感器通常使用生物元素(酶)结合感兴趣的特定分析物，并通过应用电流，可以检测和量化细胞外水平和动力学释放和清除在2-100 Hz。传感器的尺寸也减小了，在某些情况下，它由单个电极上的几个微传感器组成。在制造过程中，对微传感器应用各种排斥层可以增加选择性，以避免记录内源性电活性分子，从而防止对感兴趣的分析物的检测的干扰。电化学生物传感器的设计随着最近细针式探针的应用而不断发展，这种探针提高了亚区域和小原子核的空间分辨率。酶修饰电极和快速扫描循环伏安法被显著用于快速神经递质动力学的空间监测。快速扫描循环伏安法使用三角波电压以及高扫描速率(300 V s-1)的碳纤维电极。微电极通过减去大的本底电流来测量循环伏安图作为氧化和还原峰的特征。其他生物传感器使用基于酶的微电极与电流检测，提供更好的分辨率和最小的侵袭/组织损伤的优势。恒定电位的应用可氧化或降低感兴趣的分析物，这取决于其内在的电化学特性，以检测与微电极周围生物组织的电活性呈线性关系的电流。虽然大多数传统的神经递质遵循基本的michael - menten动力学预测，但也可以发生非经典的包括自发事件、准旁分泌作用、异步细胞外溢出、转运体、受体和通道介导的释放。这些与化学传递相关的非经典和微妙的变化需要新的数据分析方法和系统的神经药理学挑战来提高与行为相关性的关联。尽管如此，技术的发展允许微创方法直接监测和操纵神经化学传输，测量空间离散传输中行为相关回路的快速瞬态波动 (数量、时间和动力学)。

脑损伤回路和行为疾病: 触须桶效应

  弥漫性TBI病理是广泛损伤，导致分子，结构和功能改变，并导致回路功能中断。神经回路的主要和次要损害是病理学的基础，决定观察到的行为输出。因此，评估它们在解剖学上的联系对于理解TBI诱导的病理改变功能是至关重要的。其中一个突出的例子是大鼠的体感丘脑皮层回路的触须桶回路(WBC)。啮齿动物的白质处理来自肌层触须的感觉信息，通过丘脑皮层和皮质丘脑回路评估空间和结构信息。触须体感是啮齿类动物的主要感觉形态，并由大脑处理的大部分区域所代表，类似于人类的触觉、视觉和听觉。每根触须都为感觉整合准备了包括有多个浅、深振动神经的大滤泡，这些神经与躯体上不同的三叉神经突起相关。三叉神经原投射到原感觉核(PrV)，到丘脑腹侧后内侧核(VPM)的枪管，再到在第4层(S1BF)形成离散簇的初级体感觉皮层，后者构成了“桶”场的基础。每根须的躯体地形定位使得WBC在研究回路重组方面具有重要价值，这一点从WBC研究周围神经损伤反应、发育模式、神经编码和神经计算中的神经可塑性的历史中就可以得到证明。由于啮齿类动物视力不佳，在环境探索中主要依赖于触须功能，因此该回路为评估TBI诱导的纵向回路中断以及在行为病态中表现出来的代偿事件提供了理想模型。

WNT)中对须刺激产生迟发性、持久性的感觉敏感性。通过三次连续5分钟的手触须刺激来评估大鼠对触觉刺激的行为反应。受伤和未受伤的假性大鼠对刺激的态度是矛盾的，而TBI导致回避、躲避和攻击性增强，在4周后显著，并在损伤后的8周内保持存在。对触须刺激的过敏反应会因FPI后升高的颅内压(ICP)而加重，同时伴有神经体细胞膜损伤和穿孔。WNT已经成为一种可重复的方法，用于测量各个实验室、损伤模型和啮齿类动物的回路异常。WNT中观察到的TBI诱导的感觉超敏可与脑损伤幸存者通常经历的视觉和听觉超敏相似，这是一种优秀的体内模型，可以从纵向评估TBI后的适应性回路重组如何导致迟发性行为的发病率。

  使用触须桶回路作为TBI诱导的行为相关回路中的神经传递的理想模型，显示了高敏感的谷氨酸与WNT反应的严重程度相关。在麻醉动物中，中度FPI后，使用谷氨酸选择性MEAs的电化学方法记录了触须桶回路(谷氨酸能回路)传递的实时钾(KCl)诱发的谷氨酸释放。局部应用等渗KCl溶液去极化微电极附近的突触端，引起谷氨酸的释放。损伤后28天，S1BF和VPM丘脑中诱发的谷氨酸浓度显著增加，背侧和内侧VPM有强烈的反应。Sham大鼠和28天FPI大鼠的谷氨酸清除动力学和谷氨酸转运体基因表达相似，说明KCl诱发的谷氨酸释放增加并非细胞外间隙谷氨酸清除缓慢所致。此外，KCl诱发的损伤动物的谷氨酸释放对电位门控钙通道抑制剂ω-conotoxin更敏感，这表明KCl诱发的谷氨酸释放增加是起源于突触前的。VPM(和S1BF)反应与WNT评估的感觉超敏程度相关，提示回路功能的改变影响行为反应。本研究强调了体内电化学如何被用于分离与行为病态相关的神经传递方面，但它也受到麻醉动物评估的限制。当突触前机制被暗示时，在清醒的大鼠中复制这些研究可以提供行为诱导的谷氨酸信号，这将提供关于信号如何变化的额外信息(增加的谷氨酸释放，增加浓度，振荡信号等等)。

      以前以神经传递的形式对神经通路功能障碍对创伤后发病率的影响的研究依赖于微透析技术获得的测量结果。微透析涉及植入一个带有1 - 2mm半透膜的探针(用于大鼠和小鼠)，用于提取人工脑脊液中的细胞外神经递质。探测器和插管注入引起300 - 500 微米之内的组织损伤。神经递质通常受到严格调控，产生细胞外浓度的短通量。每个样本每1-10分钟采集一次，不能检测许多神经递质的快速释放和摄取。透析探针直径较大(150 ~ 400 um)，持续注入人工脑脊液，可导致采样区域的神经递质稀释。微透析提供了关于自由行为动物中多种神经递质及其代谢物、肽和激素的信息，它有很多优点，也有这些缺点。基因编码神经活动指标和双光法的最新进展提供了神经递质释放和神经元活动的无创可视化。此外，微透析技术已用于人类患者，以评估创伤后大脑中的氨基酸浓度。然而，这些技术缺乏关于细胞外空间中神经递质数量的信息，特别是影响突触后反应的振幅和持续时间的神经递质清除的动力学。电化学生物传感器解决了时间动力学问题，提高了空间分辨率，减少了组织损伤(与微透析相比)，并能够评估神经递质释放和清除的近实时动态，但牺牲了评估多个目标的能力。

电化学生物传感器在体内监测神经化学信号

  在这几十年里，神经化学测量主要依赖于微透析，平行发展的方法，以提高分辨率在秒和亚秒的时间尺度上测量。这种发展是必要的，因为神经递质信号转导后的一连串事件涉及到广泛的空间和时间尺度。最初，研发出的微电极以碳纤维为基础，重现性低，不适合测量不能氧化或还原的分子，如谷氨酸盐、GABA和ACh。过去几年来在制造含有单个以上微电极的电化学生物传感器(微电极阵列;已日益显示是一个有效的工具的神经传递检测。MAEs已经作为一个接口开发了用于测量神经递质的电流计量酶基生物传感器，包括大脑细胞外空间的电活性和非电活性神经递质的测量。有几种独特的类型MEAs目前被用于评估神经化学信号——在大小、阵列数量、材料等方面有所不同。多传感器的结合可以提高空间分辨率(以微米为单位)，并对周围实质造成最小的组织损伤。酶生物传感器在大脑研究中具有广泛的应用前景。酶基微电极阵列是监测化学信号的一种更好的实用工具，它们克服了与低时间分辨率相关的限制，并在较高的采样率下提供持续的体内监测。他们的检测下限提供了涉及突触事件和神经递质溢出的近实时测量化学信号。MEA结合电流法被用来测量谷氨酸，GABA，腺苷，ACh，乳酸和葡萄糖。非电活性神经化学物的检测是通过将氧化酶固定在合适的聚合物膜上的电极表面，结合过氧化氢的电流检测作为报告分子。铂或其合金由于具有良好的电催化活性，常被用作电极记录表面材料。重要的是，在微电极表面有牛血清白蛋白存在的情况下，通过戊二醛酶固定化聚合物来实现体内生物传感。MEA被用于监测阿尔茨海默病、癫痫、应激、衰老和动物模型中细胞外谷氨酸的短暂变化创伤性脑损伤。MEAs的微缩使立体定位降低到感兴趣的离散解剖区域，并允许长期的神经递质记录。MEAs的一个限制是，它们可能会由于失去排斥层而失去灵敏度。然而，发现这种损失是短暂的，因此并不妨碍对数据的解释。根据MEA的设计，与微透析相比，他们还限制了可以测量的细胞外分析物的数量。多边环境协定报告了由几个变量形成的当前变化，包括适当的准备和成功使用前的校准。干扰物和代谢物的测量可以通过MEA的表面修饰以及使用自参照技术来克服。未来植入电极的设计和制造需要改进技术来解决这些限制。

走向未来:自由移动动物的记录

  在清醒的、自由活动的动物体内使用电流测量法的电化学记录允许评估行为任务期间的实时神经递质变化。由于大脑区域的深度和记录自由行为的动物的需要，这仍然是一个挑战，但是微电极制造的进步允许探测化学事件为长期的实验。一些研究已经开始使用这种方法来研究与进食、寻求奖励、睡眠觉醒、成瘾和注意缺陷多动行为等定义明确、可量化的行为相关的自发性神经化学事件。继续研究包括创伤性脑损伤在内的其他疾病模型的动态神经递质变化和行为，将有助于我们对创伤后神经信号的理解。这些记录也可以同步到行为的视频记录，将行为与电流测量的记录联系起来。直接评估的神经传递提供同步测量与其他测量的神经元活动与毫秒的精度。新兴的方法包括设计能够同时评估神经电活动和局部场电位(LFPs)的微电极。神经化学信息与电生理方法的整合将大大扩展我们对回路-神经递质关系的理解。此外，整合方法已经被一些研究验证，这些研究为两者提供了关键的见解。

  体内评估的进展使我们能够深入了解在麻醉和清醒的动物中诱发动作电位放电的阈值事件的本质。具体地说，直接测量大脑化学信号时，结合其他生理方法，通过复杂的观察工作和随意的操作研究来操纵神经元活动，可以提供有价值的信息。结合光遗传学或化学遗传方法，靶向神经系统推断出神经递质事件和行为之间的因果关系。光遗传学结合体内电化学评估已经被证明对研究麻醉动物海马和额叶皮质中的谷氨酸信号有效。当应用于现有的行为模型时，这对于研究体内疾病的回路水平机制尤其重要，因为输出措施可以为未来的临床转化提供帮助。代谢和血管反应的变化是神经活动恢复脑内稳态改变组织氧合的结果。这些变化形成了神经成像方法的基础，如功能性磁共振成像。代谢性脑疾病改变氧利用和组织氧缺乏，从而破坏神经回路。虽然无创神经成像方法具有很大的临床优势，但观察到的反应受到血流动力学反应和有限的空间分辨率等其他因素的影响。陶瓷基铂MEAs已被用于麻醉大鼠脑内pO2变化的体内记录，其对氧还原具有良好的电催化活性，且检测限低。在最近的一项概念验证实验中，我们的实验室证实，在外伤后1天mFPI后，触须桶回路的耗氧量和LFPs显著降低，这意味着可以采用其他方法监测TBI后行为相关回路功能的变化。

  非人类灵长类和猪的记录表明，在细胞外空间对行为相关神经递质信号的电化学分析方面取得了非凡的进展。2013年，一种新型的结合伏安检测的无线传感装置在晚期PD中被展示。研究的重点是进一步的小型化生物传感器，以记录突触水平，提高时间分辨率，更准确地记录释放/再摄取的改变，提高选择性(区分神经递质)和信噪比，并增加可同时记录的目标数量。一些策略也被开发出来如生物相容性，衰减植入后的异物反应，增加寿命，提高性能和分辨率，减少系带伪影(例如，无线)，并增加多组电极的灵活性，以最小化在插入过程中的组织损伤，。然而，这些方法尚未合并成一个单一的MEA。虽然临床应用的局限性仍然存在，但这项技术的发展正迅速走向这样一个阶段:植入的好处和从记录中获得的信息将超过对患者的风险。

外周对神经传递和PCSs的影响

      在这篇综述中，我们关注的是脑损伤后神经递质信号改变的主要机制——神经回路重组和功能障碍。下面的部分旨在说明最近在介导神经传递方面的外周影响，这些影响可能与体内神经递质监测的治疗和应用有关。

神经内分泌和神经免疫的相互作用

  新兴研究报道，相当一部分TBI患者(高达25%)报告慢性内分泌失调，涉及生长激素、性腺、甲状腺、肾上腺和抗利尿激素。激素受体位于神经元上，可以影响神经回路的功能。然而，关于神经内分泌失调对TBI诱导的PCSs相关神经化学信号传导的影响的研究很少。例如，在实验性TBI后，HPA轴的慢性失调可能与基线循环糖皮质激素水平的变化以及以性别特异性的方式对压力的反应有关。糖皮质激素受体位于每一种细胞类型上，调节神经传递和神经炎症反应。随着对神经内分泌-免疫相互作用的日益认识，基于小胶质细胞的反应状态提出了小胶质细胞对内分泌失调的潜在贡献。由免疫介导的中枢神经胶质细胞(尤其是小胶质细胞)引起的增强的神经炎症反应可能为类似抑郁症的特征奠定了基础。

  关于人脑结构和神经精神疾病易感性的性别差异已经有文献记载。然而，它们在PCSs的持续和发展方面的作用还没有得到充分的探索。研究表明许多神经递质存在性别差异，包括血清素能、胆碱能和肾上腺素能系统。研究结果还表明，包括雌激素和孕酮在内的性激素介导了TBI后育龄妇女的不良预后。众所周知，卵巢激素对突触传递具有调节作用，调控突触前神经递质释放或突触后受体作用可能是TBI术后影响的靶点。

  多器官反应对急性和慢性创伤性脑损伤的影响已得到越来越多的支持。脑与全身生理的相互作用，包括脑损伤后身体器官的功能，可间接影响神经递质系统或调节因子。创伤性脑损伤的后遗症导致代谢和肠功能的显著改变，影响周围系统。创伤性脑损伤幸存者常报告胃肠功能障碍，如肠通透性增加、胃排空减少和肠收缩力减弱。肠-脑轴的两条交互路线是通过迷走神经和肠道微生物群。迷走神经刺激目前正在进行临床前和临床评估，以改善运动、认知、水肿、炎症和血脑屏障破坏。胃肠道疾病会破坏微生物群(肠道细菌)，积累的数据表明，微生物群是影响大脑功能、行为和宿主生理的双向肠-脑轴的关键调节器。临床前报告显示TBI后微生物群失调。然而，与PCSs的联系还没有被研究。有证据表明，与神经传递相关的行为受到微生物群的影响，某些细菌具有产生神经递质和/或神经递质的前体的能力。已发现几种细菌，包括双歧杆菌和乳酸菌产生GABA，乳酸菌产生DA，乳酸菌产生ACh和Escherichia spp产生5-HT，而它们对大脑功能的影响正在慢慢被阐明。特别是，众所周知，肠道微生物可以调节大脑中合成5-羟色胺所必需的色氨酸代谢。肠道也可以作为一个内分泌器官通过生产微生物神经代谢物。具体来说，GABA是由某些共生微生物直接或间接产生，影响肠-脑相互作用。

  轻度创伤性脑损伤可通过改变氧化还原稳态增强肝脏炎症标志物，考虑到这些标志物对脑和机体之间的相互作用具有广泛的影响，促炎因子通过被破坏的血脑屏障泄漏可加重脑损伤病理。TBI可通过增加促炎趋化因子表达和细胞凋亡促进心血管危险因素。脾脏是一个重要的淋巴器官，由交感神经纤维支配，交感神经纤维与脾脏免疫细胞接触形成神经免疫链。增强的促炎水平被认为是弥漫性脑损伤的急性反应。交感神经系统的神经递质与免疫细胞表面的受体结合，在脾脏的微环境生态位内，免疫细胞受体与神经递质结合，对神经末梢产生作用。

      在这篇综述中,我们讨论了基于临床和实验证据的急性和慢性轻度创伤性脑损伤后的病理生理反应, 神经递质系统的改变，这是导致回路缺失的基础，可以损害和/或补偿使神经元对损伤作出反应的过程。TBI诱导的神经递质系统的改变被认为是PCSs发展的关键，而这些神经递质系统构成了大多数神经元表达的核心机制。多种体内电化学测量与提高分辨率提供了直接量化和特征动态实时神经递质信号机制的窗口，可在行为期间操作，以提供重要的病理生理学的回路功能的细节。随着干扰工具应用的进展，可以更直接地调节参与自由行为和定义行为的动物体内对神经递质信号的控制(详见图1)。考虑到在疾病状态(包括TBI)中调节神经化学信号尚未满足的临床需求，电化学表征的未来可以完全适应于应用行为干预，使神经递质信号正常化。损伤导致急性和慢性神经功能缺陷，创伤性脑损伤后的回路修复和重新连接导致了自适应不良回路的形成。损伤后的特征模式为损伤相关的代谢或神经功能缺失后的神经过程和细胞体的病理生理提供了潜在的背景。TBI诱导的神经反应损伤演变成回路中断，导致脑震荡后症状(PCSs)的发展。神经递质系统是神经回路的重要组成部分(也受外周系统组成部分的影响)，调节许多在脑外伤后受损的行为功能。对这些神经递质变化的评估可以了解脑损伤回路的重要方面，并成为调节的潜在目标。采用不同方法记录细胞外神经递质水平的实验研究提供了评估神经递质信号变化的方法，其中测量采用高空间和时间分辨率。将显示慢性行为缺陷的临床相关脑损伤模型与能够实时监测行为相关回路中的神经递质的体内技术相结合，为理解脑损伤导致的神经递质信号的代偿性变化提供了一种强大而创新的方法。在实验模型中，使用干扰工具可以更直接地调节参与自由行为和定义行为的动物体内对神经递质信号的控制。这种方法可以用来理解药物干预对治疗的影响，改变了TBI后的神经递质传递。