第七节 病理状态下的神经生物力学
神经组织生物力学性质正常时，仅有轻微的张力作用于其中。在病理状态下，来自椎管、硬脊膜甚至脊髓、神经根自身的异常作用力可能引起脊髓及附属结构的高张力。在这种情况下，脊柱运动，尤其是头颈的屈伸旋转活动有可能损伤神经，或造成异常的神经刺激征象。当脊柱处于最大功能位时，异常神经应力刺激征象更为明显。脊柱在最大屈伸位所产生的异常应力可集中在应力的中心部，也可出现在远离作用力的部位。应当注意的是，一些患者即使有广泛性的神经组织病理性改变，但临床上并没有临床表现，患者呈隐匿性发病。在此基础上，轻微的创伤即可刺激原有的损伤病灶，加重其病理性损害，从而出现临床症状。
一、脊髓的病理动力学
研究显示，脊髓的某一处出现瘢痕或在较大幅度的体位变化时所出现的张力增加，可对整个脊髓产生影响。前屈与前屈旋转时，体位变化与脊髓所受的张力呈正比。
1.病理性张力可传递至全脊髓及脊神经
为研究头颈部屈伸运动对脊髓移动的影响，采用了暴露椎管的方法。切除从颈椎至骶骨的椎板，从后部暴露整条椎管；将1枚大头针经过硬脊膜垂直地插入颈髓，使之保持轻微的张力。当颈椎被极度后伸时，全脊髓仅有几个厘米的移动。但当颈椎前屈时，脊髓移动的幅度随着颈椎前屈幅度的增加而增加，张力可传至整个脊髓。即便是脑神经和延髓，也有小幅度的移动。而后，再用大头针插入到骶髓和骶神经，做脊柱的从后伸到前屈位的运动，也可观察到脊髓的运动。在最大前屈位时，后脑以及后颅窝内的脑神经均有轻微，但却是明确的移动。这项研究表明，来自脊髓外的病理性张力可传递至脊髓及其脊神经。
2.局部瘢痕对脊髓运动和应力的影响
脊髓局部瘢痕形成后，对脊髓的正常运动造成一个束缚性张力，但这种束缚性张力仅在脊柱极度扭转时产生，在正常脊柱运动时并不出现。当脊髓局部瘢痕形成后，脊柱出现较小的运动即可在脊髓内产生较大的张力变化，这相当于脊髓在没有瘢痕时较大的脊柱扭曲所产生的张力变化。为研究脊髓的局部瘢痕对脊髓移动的影响，将10%的氢氧化钠溶液涂抹在一段10cm长的颈髓背侧面，利用氢氧化钠的腐蚀作用造成脊髓背侧组织的瘢痕收缩的模型，使脊髓局部组织的张力增加。数分钟后，由于氢氧化钠的碱性腐蚀作用脊髓收缩，相对硬脊膜的位置有所上升，脊髓的截面积较前增粗变圆。但颈椎从中立位向前轻度前屈时，由于局部瘢痕的牵拉作用，未涂抹氢氧化钠部分颈髓的伸展较正常情况下提前。以后以脑部和腰骶段脊髓为观察点，发现以脊髓局部瘢痕为中心，其两端的后脑和腰骶段脊髓向其远侧有2~3cm的收缩移动。脊髓局部瘢痕所产生的异常牵拉对与脊髓相连的脊神经根无影响。
在最大前屈位脊髓过渡至坚韧状态时，颈脊髓内部可能产生临界性的牵拉力，造成神经纤维断裂、出血或血管内血浆的渗出等病理性改变。在炎症或创伤时，血浆渗出物进入神经组织内致使脊髓组织瘢痕形成，造成部分颈脊髓变硬。由于脊髓组织的瘢痕形成，即便在正常范围内的活动，当脊髓被拉伸变直或短缩变宽时，神经纤维被撕裂，造成继发性的创伤。因此，脊髓束内的局限性病变或硬化性病变，可导致颈脊髓内产生异常的应力，以致在脊髓被拉伸延长时容易产生创伤性损伤。
此外，如果齿状韧带及其附着物长期受到异常应力的影响，可能会使其体积和强度增加，这种改变常见于脊柱畸形时。异常的病理性应力作用于神经根可使附着于神经根上的软膜组织结构发生改变，致使其弹性功能下降，甚至可能形成瘢痕，造成永久性的损害。同样可使脊髓内出现异常的病理性应力，导致患者在正常的脊柱屈伸活动范围内，也需要脊髓等神经组织中的皱褶展平拉伸，以适应脊柱伸展的需要。如此在颈椎的最大前屈位时，病理性张力可使神经根，甚至脊髓组织受到累积性的伤害，而慢性渐进性的神经伤害不易激发机体的保护性反应，更具隐秘性和危险性。
3.整体应力的叠加性
临床上发现，脊髓局部病变时在远离病灶区域组织常出现受损的症状。神经病理学研究进一步显示，脊髓中的纤维和脊神经受压刺激是出现这种现象的主要原因。现有的资料表明，一般性的刺激即可对中枢神经纤维构成较大的牵拉力，然而可影响整条脊髓的异常张力是造成上述现象的重要原因。有时异常张力作用于神经组织，由于神经根受刺激出现变性，产生无菌性炎症，加之椎体为一刚体，造成椎管内空间狭小。因此在这种情况下，即便是一个很小的椎间盘突出可能也会大大增加腰神经根的张力，出现严重的坐骨神经痛症状。另一方面，腰段病变所致的异常可能会造成位于后颅窝处脑神经的张力升高，虽然这种张力升高的幅度有限，一般不足以产生临床症状。但如果是蛛网膜炎或骨赘所致的脊髓局部瘢痕，可造成脊髓局部组织内张力异常升高，最终出现临床症状。
颈椎前屈时，即使是强力的屈曲脊柱造成的张力增加也不会造成脊髓的过度伸展拉长，因而不会产生病理性的牵拉。然而在颈椎出现病理性后凸成角的病例中，由于成角时常伴有一定程度的椎体向前滑脱，因此患者颈椎做前屈动作时，产生一个异常的张力作用于脊髓的腹侧，加之颈椎前屈时椎管后壁的牵拉，对患者的硬脊膜和脊髓产生一个病理性的牵拉力。Gooding等进行了一项重要的研究，他们在两个节段同时压迫脊髓，造成脊髓的损伤累加作用。研究发现，2个节段同时轻度压迫脊髓的效应与1个节段的脊髓慢性压迫相似。研究结果显示：损伤的中枢神经组织对张力累加作用的耐受能力有限。
正常状态下的脊髓和椎管的协调运动是相互依存的，体位的改变以及日常生活中的脊柱运动必须与脊髓的变形对称一致。一旦这种协调关系受到破坏，都将或多或少地影响脊髓的正常生理功能。临床上，破坏这种协调关系的原因有：椎管内肿瘤、椎间盘突出或膨出、骨赘，或者是脊椎的轻微病变，如脊柱小关节的错位等。有时在常规X线片上可能无法观察到脊椎关节错位，患者也无明确的症状和体征，但这种长期结构上的改变可产生慢性积累性损伤作用。
4.神经组织和支持、保护组织的互动性
正常的神经功能有赖于神经保护性外膜及其支持结构的完整和正常。如果脊髓外的组织结构，像硬脊膜或椎骨失去其正常的活动和保护功能，那么在某些情况下神经组织必将受累。同样脊髓的悬吊装置-齿状韧带发生损伤，也会出现相似的脊髓损害。神经组织的病理性改变不仅能使本身的功能发生变化，也可影响脊髓周围组织的功能。炎症、退变、瘢痕形成或新生物组织的病理性改变，可能会造成相邻正常组织结构生物力学性质发生改变，累及脊髓和脊神经根的运动功能。异常的病理性牵拉力可通过韧带传至脊髓，例如椎管前壁的凸起可向后顶起后面的脊髓，使脊髓的位置上升。在这种情况下，最靠近凸起处两侧的脊髓和齿状韧带所受到的张力最大，而远离凸起部位的脊髓组织，则因距受损部位较远而所受的张力较小。
二、神经根的病理动力学
有研究显示，脊神经根与神经根袖之间无活动性。在神经根皱褶和伸展等变性活动中，根袖与脊神经根为一整体同时移动，所以脊神经根的病理性变化常累及神经根袖。
1.颈椎运动与神经根张力
研究证实，颈椎运动时，因颈椎间盘退变所致的颈椎成角可使硬脊膜与椎弓以及椎板之间产生病理性的张力，损伤神经根周围的组织，病变累及神经根袖而出现根袖纤维化。如果这种病理性张力未被及时消除，则可逐渐影响根袖内的神经组织。在颈椎的前屈过程中，脊神经根被紧紧地抵压在椎弓根的下缘，使神经根根袖与椎弓根之间的摩擦增加。如果这种摩擦长期存在或摩擦剧烈，可使神经根袖出现无菌性炎症，甚至形成局部瘢痕，这种瘢痕挛缩可造成脊髓周围的张力增加。
也有人认为，颈椎侧弯时神经根在神经根袖内移动，由于神经根与神经根袖之间的长期摩擦，使得神经根袖发生纤维化。但大多数研究证实，神经根与根袖之间的相对位移极小，运动时两者同时变形，神经根在神经根袖内不发生轴向位移。因此，在神经根与根袖之间不大可能出现摩擦。发生在颈部硬膜外间隙的炎症和纤维化很少见，但在颈椎病和神经根周围纤维化时，可能会导致颈部肌肉的纤维化。
2.瘢痕与神经根异常应力
由于慢性炎症和瘢痕形成，在神经根袖内出现纤维化和神经根粘连，粘连使得神经根和硬脊膜的弹性及可塑性降低。因此，在颈椎的前屈过程中，神经根及其根袖不是按正常方式进行伸展，因而产生异常应力。这一慢性损伤过程，可刺激受累神经间隙内的神经胶质细胞增生，而增生的神经胶质细胞反过来又可加重神经损伤，形成恶性循环。神经根袖的纤维化主要是导致颈椎前屈时对神经根的牵拉损伤，临床上出现根性症状，并可使脊髓承受额外的张力。
3.颈椎成角与神经根张力
病理解剖学研究证实，颈椎成角对硬脊膜、神经根袖和神经根的张力均有一定的影响。颈椎前屈时，上位椎体在下位椎体上向前下方滑移，此时后部椎间隙增宽，造成椎间关节轻度错位。由于颈椎小关节后部间隙增宽，使得关节囊被拉伸，椎弓分离，神经根袖被椎弓上缘抬高。由于神经根向上移位，减少了硬脊膜的张力，从而降低了神经近头侧的张力，同时下位3个神经根出现向下倾斜的趋势。当上位椎体向前出现一定程度的倾斜时，颈椎前屈的椎体向前和向下轻微的移动导致了椎间关节的错位，关节囊受到牵拉、椎弓根间分离及倾斜椎体的椎弓根向前向上轻度移位，使得硬膜和神经根袖受到牵拉，被抵在上位椎弓根上。硬膜病变导致的张力异常升高，造成颈神经根向上移动的能力减弱，最下方的颈神经根向下倾斜的程度同时增加。
三、脑神经病理动力学
临床常可发现，有时头颈部活动可出现1根或多根下位脑神经受累的临床症状，这是因为后脑、延髓和脊髓是一个连续的有机整体，后颅窝内组织结构的异常可引起相应脑神经以及其他部位神经受压或牵张的症状。脊柱前屈时，后脑和脊髓同时被牵拉，前屈时被拉伸最明显的部位是在延髓的背侧，而寰枕关节、后颅窝和颈椎的椎板间隙也受到较大的牵拉力。由于第5至第11脑神经在后颅窝内，处于后脑的神经根和穿出颅孔的神经干两点固定，因此在颈椎前屈过程中，位于这两固定点之间的脑神经被拉直，脑神经由此变得僵硬。同样神经及神经周围组织的生物力学性质也影响着神经根的松弛和拉伸。颈髓蛛网膜炎使得1条或多条脑神经或脊神经出现不同程度的变硬缩短，在颈椎前屈时更容易牵拉颈部的脊神经、血管和自主神经。
由于这种异常的牵拉力对神经纤维来讲是一种病理性刺激，脑、脊髓或神经根遇受一个突然的牵拉力作用时，可出现各种临床症状。更为重要的是，后颅窝处神经组织的异常可能会产生对后脑、延髓以及脊神经的异常牵拉力。当头颈部在做各种运动、而患者同时又存在颈髓蛛网膜炎时更为明显。另外，颈椎的骨性异常也会对中枢神经构成异常的牵拉力，1条或多条脑神经及其营养血管内的病理性张力增高可引发感觉神经、运动神经和自主神经的刺激症状，如颈椎前屈时由于三叉神经受到异常的牵拉可能激发三叉神经痛的疼痛扳机点或出现口唇周围麻木，其他症状的发生机制也基本相似。
上述研究提示，脊柱错位不仅是椎体轻微的移位触及或影响脊神经，从而妨碍或扰乱某一脊神经的传递功能。错位还可包括远离损伤节段的软组织，使神经组织的正常弹性功能发生改变，因而影响了整个脊神经、后组脑神经乃至整个脊髓、脑干和后脑的正常生理功能。