創傷后應激障礙的動物模型及其神經生物學機制

摘要 創傷后應激障礙是指個體由于經歷對生命具有威脅的事件或嚴重的創傷，導致癥狀長期持續的精神障礙。研究創傷后應激障礙的主要動物模型為條件性恐懼和應激敏感化模型。研究表明，創傷后應激障礙中長時程留存的恐懼性記憶、高喚醒等癥狀與大腦杏仁核、內側前額葉皮層和海馬三個腦區及下丘腦-垂體-腎上腺軸負反饋功能增強密切相關。其中杏仁核活動增強是條件性恐懼記憶獲得、保持和表達的關鍵神經基礎。內側前額葉皮層對杏仁核的去抑制及海馬向杏仁核傳遞的威脅性環境信息，促進創傷后應激障礙癥狀的出現。在經歷創傷應激后糖皮質激素受體的上調及多巴胺活動的增強是創傷后應激障礙產生的主要神經基礎。對創傷后應激障礙的藥物治療研究證明多巴胺D2受體在改善患者癥狀中的作用比較重要，但仍需作更深入的探索。

關鍵詞 創傷后應激障礙，恐懼條件化，敏感化，多巴胺，下丘腦-垂體-腎上腺軸。

分類號 B845

1 前言

創傷后應激障礙(posttraumatic stress disorder，PTSD)是指個體由于經歷對生命具有威脅的事件或嚴重的創傷，導致系列精神癥狀長期持續的精神障礙。美國精神障礙診斷統計分類手冊一第四版(DSM-Ⅳ)將PTSD歸在焦慮障礙中，并將其分為三種類型：急性(癥狀持續小于3個月)、慢性(癥狀至少持續3個月)、伴延遲起病(癥狀在應激后至少6個月才出現)。PTSD癥狀主要表現為對創傷事件的病理性重現(re-experiencing)、對創傷相關線索的回避(avoidance)、持續性的高喚醒(hyperarousal)，以及對創傷經歷的選擇性遺忘和情感麻木(emotional numbing)，患者因此而感到痛苦不堪。PTSD癥狀一般在遭受創傷后數日甚至數月后出現，病程可長達數年。PTSD動物模型研究發現經過創傷應激處理后的動物在生理和行為上表現出與PTSD患者很強的相似性，表現在下丘腦一垂體一腎上腺軸系統(hypothalamic-pituitary-adrenal axis.HPA axis)負反饋抑制增加、聽覺驚嚇反應(acoustic startle response，ASR)增強、條件性恐懼反應(conditioned fear response)持續保存、空間記憶受損等。其中多巴胺(DA)和糖皮質激素系統對這些癥狀具有重要的影響。

2 PTSD相關動物模型

PTSD動物模型主要是通過給予動物嚴重的創傷應激，測試動物行為和生理的變化，這種變化是應激強度(劑量)依賴的，并可持續較長時間或隨時間逐漸增強。研究主要集中于聯想性學習的恐懼條件化過程(fear conditioning)和非聯想性學習形成的敏感化行為(sensitization)。這是兩種不同的學習過程，前者與創傷記憶相聯結，表現為病理性重現、回避和對創傷線索的高度警覺反應等癥狀；后者則與創傷記憶沒有直接聯結，主要表現為高喚醒、易激惹、驚嚇反應增強、情感麻木及社會退縮等癥狀，二者具有不同的神經生物學基礎。由于PTSD是由系列精神癥狀構成的臨床實體，在基礎研究中，研究者一般通過單一動物行為模型探索某個“單一”癥狀的神經生物學機制，其中研究最多的是條件性恐懼記憶模型及敏感化模型的特異性的腦機制。

2.1 PTSD條件性恐懼動物模型

條件性恐懼是模擬PTSD防御性回避行為的一種動物模型，鑒于在這種模型下創傷事件和無關“中性”刺激之間有緊密的條件性聯系，因此此模型又常被認為是對PTSD病理性重現癥狀的模擬。其模型程序為典型的巴甫洛夫條件反射，即對動物進行不可逃避的電擊刺激(Us)與中性刺激(如燈光、聲音或訓練環境，CS)聯結匹配訓練。訓練后將動物重新暴露于訓練過的環境或條件線索下，動物表現出對該整體訓練環境(環境恐懼，contextual fear)和具體條件線索(線索恐懼，cued fear)的條件性恐懼反應。此模型能夠闡明PTSD動物對恐懼性刺激的情緒記憶編碼過程，因此常被用來研究條件性恐懼的獲得、保持與消退過程。

條件性恐懼可以通過動物的“凝固行為”(freezing behavior)來測量，動物除了呼吸之外全身僵住一動不動，不出現任何其他行為反應。除此之外此模型還會引起動物其他的行為和生理反應，如焦慮、內分泌和自主神經活動改變。有研究者發現PTSD患者腦內部分分子、細胞改變和解剖機制與條件性恐懼模型動物相似。但條件性恐懼模型還不足以對PTSD作出完全的模擬，動物模型是在嚴格控制創傷性質和水平的條件下實現的，而環境中威脅性刺激的性質和強度是難以控制的；并且，動物模型中重復暴露于創傷環境引起的消退過程能夠逆轉條件性恐懼，但暴露療法(臨床上的消退程序)針對人類PTSD患者的療效卻非常有限。

2.2 PTSD敏感化動物模型

PTSD的敏感化指重復暴露于同一個不可控的應激所導致的行為和神經內分泌反應增加，表現為對與創傷無關的刺激作出過度的生理和行為反應，這是生物體加強其防御反應的表現。敏感化是在創傷性應激時完成的一種非聯想性學習的結果，其源自不可控應激所激發的大腦神經環路的重新組織和新應對策略的形成。這種模型模擬了PTSD患者對創傷線索的驚嚇反應增強、對冗余信息(redundant information)習慣化失敗及對新異信息反應過度的癥狀，還反映出了PTSD患者對厭惡性刺激重新條件化能力的增加。單程短暫電擊(pre-shock)、社會應激(social stress，包括天敵應激、天敵氣味應激和暴露于攻擊性同類的社會挫敗應激)和單程長時應激(single prolonged stress paradigm，SPS)是PTSD行為敏感化常用的三種應激模式。個別時候會使用束縛應激(restrained stress)、母愛剝奪(maternal separation)或溺水應激(underwater stress)。

由創傷應激導致、時間依賴性增強的敏感化行為能夠模仿人類嚴重創傷事件后長期的行為和生理改變的關鍵特征。動物敏感化模型表現出的PTSD癥狀起因明確，其長期行為或生理改變的癥狀具有良好的表面效度和結構效度；此模型所導致的癥狀可以被抗焦慮藥和抗抑郁藥所改善，具有良好的預測效度。

3 PTSD相關神經機制

3.1 PTSD相關腦結構

對人和動物的研究表明杏仁核、海馬與內側前額葉皮層(medial prefrontal cortex，mPFC)在PTSD相關癥狀中具有重要作用，如社會挫敗應激能夠導致mPFC、外側杏仁核(LA)／基底外側杏仁核(BLA)／中央杏仁核(CeA)、中腦腹側被蓋區(VTA)的Fos陽性神經元表達的增加。杏仁核可能是影響PTSD癥狀的關鍵核團，在條件性恐懼的獲得、表達和消退中具有關鍵作用。人類腦成像研究表明PTSD患者的杏仁核活動增強，其中LA與BLA主要司感覺信息的輸入和處理，而CeA主要司恐懼行為的表達。BLA在PTSD癥狀中的作用更受關注，有研究者認為BLA體積較小的小鼠應激后會表現出較強的恐懼反應，HPA軸對地塞米松的抑制反應也更強。

最新研究認為海馬一杏仁核(特別是BLA)間神經聯系的突觸效能的長時程增強(long-term potentiation，LTP)可能是應激導致焦慮的神經基礎，也是條件性恐懼的神經基礎。長期束縛應激(chronic immobilization stress，CIS)(2h／天，共10天)導致大鼠海馬CA3區神經元樹突萎縮，BLA神經元樹突棘增加，動物焦慮水平提高，在高架十字迷宮(elevated plus maze，EPM)開放臂中的探索和冒險行為減少。直接損毀或失活海馬也能夠破壞條件性恐懼的獲，得與鞏固過程。這可能是因為在條件性恐懼的獲得與鞏固階段，海馬為BLA提供環境信息，如果在此階段損毀海馬則破壞條件性恐懼的獲得與鞏固；但是在長期或高強度的應激后，海馬向BLA傳遞的信息已經得到鞏固，即使海馬功能發生改變，恐懼記憶依然能夠得以保持。

mPFC與杏仁核有直接的突觸聯系，通過GABA能神經元抑制杏仁核的活動。mPFC能夠儲存有關過去經歷的記憶，是對應激信息認知的關鍵區域。已有應激經歷能夠改變mPFC的活動，從而改變對杏仁核的抑制能力，導致個體對PTSD的易感性發生變化。杏仁核、海馬、mPFC共同構成了PTSD癥狀神經環路的關鍵部分，三者之間的交互作用可能是PTSD發生及保持的神經基礎。

3.2 DA系統與PTSD

PTSD患者尿液與血漿中DA水平與PTSD的嚴重程度成正相關。DA是與記憶密切相關的一種神經遞質，而PTSD至少在部分程度上是一種與情緒記憶相關的精神障礙，因此DA系統和PTSD癥狀的相關性可以理解。研究者發現條件性恐懼記憶形成的不同階段都受到DA系統的調控。D1受體拮抗劑SCH 23390能夠阻斷條件性恐懼記憶的獲得，條件性恐懼訓練后注射DA受體激動劑能夠加強恐懼記憶的鞏固]，也能夠增強回避行為的提取：條件性聽覺刺激和恐懼相關環境能夠增加杏仁核細胞外DA的水平。但D1受體拮抗劑SCH 23390對條件性恐懼的表達無影響。需要注意的是，DA對記憶保持的作用似依賴于動物種系和記憶的類型，如選擇性D1受體激動劑SKF 38393與選擇性D2受體激動劑LY 17155能夠損害DBA/2小鼠的回避反應的保持，而增強C57BL/6小鼠恐懼反應的保持。

最近研究者通過精神興奮性藥物與創傷應激的交叉敏感化(cross-sensitization)現象也說明DA系統活動性改變是PTSD發生的可能機制之一。社會挫敗應激能夠增強大鼠對安非他明的行為敏感化效應，并能夠增加大鼠杏仁核與VTA的Fos陽性神經元的數量。安非他明通過增加DA的釋放起作用，因此多巴胺功能的增強可能促進了PTSD的發生。

解剖學研究表明多巴胺D1和D2受體在杏仁核均有高度表達。BLA內注射多巴胺D1受體拮抗劑SCH 23390能夠損害動物恐懼條件化的獲得與表達，D1受體激動劑SKF 38393則促進恐懼記憶的重建；抑制杏仁核多巴胺D2受體的活動能夠破壞動物的驚嚇反應，因此杏仁核D1與D2受體均與PTSD癥狀相關。

mPFC多巴胺在PTSD癥狀中的作用還不清楚，但mPFC多巴胺釋放的增加可能是條件性恐懼獲得過程的神經基礎，如微透析技術研究證明條件性恐懼獲得過程能夠增加mPFC多巴胺的水平。急性足底電擊也能夠激活中腦前額葉皮層多巴胺通路神經元的活動。mPFC與杏仁核內多巴胺系統的交互作用影響著條件性恐懼的獲得和表達，但二者之間的關系尚不清楚。條件性恐懼訓練能夠同時增加杏仁核與mPFC多巴胺代謝物二羥基苯乙酸(dihydroxyphenylacetic acid，DOPAC)的水平，說明條件性恐懼獲得過程中杏仁核與mPFC多巴胺活動均得到了加強。但Goldstein等發現通過損毀杏仁核抑制條件性恐懼反應，也能夠增加mPFC中多巴胺的代謝。這可能說明mPFC多巴胺活動在PTSD中的作用需要經過杏仁核才能得以表達，杏仁核DA神經元活動在PTSD癥狀中具有核心作用，但受mPFC多巴胺活動的調節。

3.3 HPA軸與PTSD

應激反應在進化中是為了應對、適應環境以保存種群，HPA軸的糖皮質激素在急性應激反應中的暫時性釋放能夠促使個體針對應激作出適應性的行為和神經生化反應，如當面對天敵的時候保持不動和高度警覺，從而降低受到天敵攻擊的危險。應激過后，糖皮質激素還能夠促進新信息的獲得與鞏固，以幫助個體預測新威脅的出現，但同時也可能參與到恐懼記憶異常的長期保持中這說明糖皮質激素系統功能的增加能夠促進PTSD癥狀的發展。糖皮質激素能夠促進條件性恐懼記憶的獲得和鞏固，但損害已獲得記憶的提取。Rashidy-Pour等人認為創傷引起的糖皮質激素水平升高可能通過影響個體對記憶的提取而使PTSD患者出現選擇性遺忘癥狀。

研究證明人類PTSD患者創傷后低血漿皮質醇可預測PTSD癥狀的出現。PTSD動物模型證明強烈應激能夠導致糖皮質激素受體(glucocorticoid receptors，GRs)的上調，SPS應激1個星期后動物海馬GRs表達升高、受體結合能力增加；足底電擊2個星期后海馬的GRs結合能力也顯著增加。利用抑制性躲避(inhibitory avoidance，IA)模型(一種被動躲避)讓大鼠學會躲避與足底電擊相匹配的條件刺激。訓練后給大鼠杏仁核注射糖皮質激素能夠加強IA的保持。而如果在IA模型訓練后將已鞏固的創傷記憶重新激活，然后立即阻止杏仁核GRs的活動則可以持久地破壞條件性恐懼的創傷記憶，很強的條件性恐懼線索也不能使這種記憶再表達。上述研究結果表明，杏仁核GRs功能增強可以促進恐懼記憶的鞏固和保持。最近研究者利用前腦GRs過度表達的動物也證明其焦慮行為增加，并且對可卡因的反應敏感性也增。

應激后GRs功能的增強可能是PTSD的病理基礎。大多數研究都證明PTSD患者的HPA軸負反饋功能增強，對動物的研究也得出了相似的結論。但仍有不少研究未能夠重復該結果，如短暫電擊2個星期后大鼠的促腎上腺皮質激素(ACTH)與皮質酮不論在夜周期(活躍期)與和光周期(非活躍期)與對照組均沒有差異：腎上腺重量和垂體ACTH含量也沒有變化，天敵應激后1個星期，大鼠基礎皮質酮水平和對照組相比也沒有顯著變化。社會挫敗應激后1個或3個星期，大鼠血漿ACTH對外源性促腎上腺皮質激素釋放激素(corticotropin releasing factor，CRF)抑制反應相對于對照組甚至降低，海馬、皮層和下丘腦的GRs結合能力也下降，表現出HPA軸負反饋抑制能力下降，這一結果與抑郁癥患者HPA軸反應更為相似。Yehuda認為PTSD與抑郁癥共病情況、樣本采集時間、PTSD的不同亞型等均能夠影響研究結果的不一致。如Hawk等發現在創傷后一個月被試的皮質醇水平上升，但六個月后就會恢復正常。Yehuda等也發現PTSD患者皮質醇24小時生理節律變化較大，早上比其他時候顯著低，能夠表現出PTSD患者的典型特征。最近研究者證明伴隨抑郁癥的PTSD患者在DEX-CRH測試中ACTH水平較低，而不伴隨抑郁癥的PTSD患者的HPA軸抑制能力則弱，二者具有不同的HPA軸反應。因此從I-IPA軸角度研究PTSD需要對應激的類型和激素測試時間有嚴格的界定。

3.4 DA系統與HPA軸的交互作用與PTSD

DA能神經元上有豐富的GRs受體表達，糖皮質激素急性處理能夠增加大鼠大腦多巴胺的釋放，而腎上腺切除則產生相反的結果。基于多巴胺與糖皮質激素在恐懼記憶中的重要作用，Pakdel與Rashidy-Pour假設多巴胺對糖皮質激素具有中介性調節作用。他們利用IA模型訓練大鼠學會躲避電擊，24小時后測試大鼠記憶的保持。測試前30分鐘外周注射皮質酮能夠損害大鼠記憶的提取。但如果在皮質酮注射前30分鐘給予多巴胺D2受體拮抗劑舒必利(sulpiride)則能夠削弱低劑量皮質酮(1mg/kg)對記憶提取的影響，而Dl受體拮抗劑SCH23390則沒有此作用。上述實驗表明糖皮質激素和多巴胺D2受體之間在記憶提取上存在交互作用，糖皮質激素的作用通過D2受體的活動性介導。但是由于Pakdel與Rashidy-Pout的研究采取的是腹腔給藥，所以并不能確定糖皮質激素與多巴胺D2受體交互作用的具體腦區。由于mPFC多巴胺系統在信息加工中又具有重要作用，且mPFC具有高濃度的GRs表達，Pakdel與Rashidy-Pout在他們已有研究的基礎上，仍利用IA模型研究mPFC多巴胺與糖皮質激素的交互作用。與他們上一個實驗不同的是多巴胺D2受體拮抗劑舒必利采取mPFC內給藥，糖皮質激素(1mg/kg)仍采取腹腔給藥。結果發現D2受體拮抗劑能夠削弱糖皮質激素導致的記憶提取受損程度，這說明mPFC可能是DA與糖皮質激素交互作用的重要腦區。Mizoguchi等總結認為前額葉皮層內DA釋放減少、HPA軸功能失調、記憶受損是同時存在的，前額葉皮層內糖皮質激素反應不足是其誘導原因。腎上腺切除能夠上調前額葉皮層的D1受體，減少DA的釋放。且這種影響并不是通過改變VTA多巴胺的合成實現的。可能腎上腺切除導致了前額葉皮層糖皮質激素功能不足，進而引起DA功能的變化及個體行為的改變。

此外，BLA是恐懼條件化學習中不可缺少的核團，有一定濃度的GRs表達，同時和恐懼條件化的表達有重要關系，因此mPFC多巴胺的影響也可能通過BLA而實現，但此類研究證據還不充分，需要做進一步的研究。

4 PTSD的藥物治療

PTSD的治療目前還缺乏特異性藥物。一般情況下，抗抑郁藥五羥色胺(5-HT)重攝取抑制劑(SSRIs)是治療PTSD的首選藥物，其中最常用的是帕羅西汀(paroxetine)。其改善PTSD患者的癥狀療效可能是通過減少DA釋放，上調多巴胺D2受體而實現，多巴胺D2受體可能是PTSD藥物治療作用的靶點。然而到目前為止，抗抑郁藥在治療PTSD上的臨床應用價值還不完全肯定。其他抗抑郁藥也常被用來治療PTSD，如5-HT與去甲腎上腺素重攝取抑制劑文拉法新(venlafaxine)和DA與NA重攝取抑制劑安非他酮緩釋劑(bupropion sustained release，SR)，但療效并不確切。

部分抗焦慮藥也會被用來治療PTSD，并且具有一定的療效。苯二氮卓類藥物(benzodiazepine，BDZ)咪達唑侖(midazolam，MDZ)能夠破壞條件性恐懼記憶。還有研究者也證明低劑量安定(Diazepam)和抗癲癇藥2-丙基戊酸鈉(valproate)能夠減少小鼠的凝固行為和焦慮癥狀。苯二氮卓類藥物與抗癲癇藥一般都能夠增加GABA與GABAA受體相結合的能力，增強GABA能神經傳遞功能和突觸后抑制效應，減少多巴胺的釋放。雖然抗焦慮藥對改善動物的恐懼和焦慮行為有一定的影響，但此類藥物在臨床上治療PTSD的療效還需要進一步驗證。

對動物的研究證明非典型抗精神病藥(如氯氮平、奧氮平)與典型抗精神病藥(如氟哌啶醇、氯丙嗪)能夠抑制條件性恐懼的獲得。抗精神病藥一般都能夠阻斷D2/4受體，因此降低多巴胺系統的功能是抗精神病藥治療PTSD的可能機制。

5 小結

PTSD是由嚴重創傷引起的精神障礙，暴力、臺風、洪水、車禍等災難都可以給人類帶來巨大的精神創傷。PTSD的治療方法多種多樣，心理治療常用暴露療法，藥物治療首選SSRIs，但效果都尚待進一步確認，這可能是由于目前對PTSD的神經生物學機制研究不夠深入造成的。條件性恐懼模型和行為敏感化模型是常用的兩類PTSD動物模型。條件性恐懼模型使研究者能夠深入探索恐懼記憶的獲得、表達和消退的神經生物學基礎，而敏感化動物模型則能夠使我們理解PTSD患者為什么會對溫和的應激作出過度的行為反應。對這兩類動物模型的研究使研究者認識到杏仁核、mPFC及海馬是與PTSD相關的三個關鍵腦區。杏仁核活動增強、內側前額頁皮層對杏仁核的去抑制及通過海馬向杏仁核傳遞的威脅性環境信息促進了創傷后應激障礙癥狀的出現。創傷應激引起的糖皮質激素和多巴胺在這三個腦區中活動的相互作用是PTSD產生的重要神經生化基礎。

目前研究者致力于通過各種途徑消除PTSD患者的條件性恐懼記憶，但臨床中這種記憶非常難以消退。如果能夠整合各個方面的研究結果，找出與PTSD癥狀相關的關鍵神經機制，則能夠對治療PTSD提供巨大的幫助，其中應激導致的行為敏感化與條件性恐懼記憶之間可能存在共同的神經基礎，這種將行為敏感化和恐懼條件化結合起來進行的研究模式應該受到進一步重視。