圍神經(jīng)元網(wǎng)調(diào)控大腦可塑性

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神經(jīng)元的覆蓋物負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)突觸的變化，它們舉足輕重，與記憶、精神障礙、孤獨(dú)癥、阿爾茨海默病以及成癮息息相關(guān)。

1898年，杰出的意大利醫(yī)生和病理學(xué)家卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）發(fā)表了一篇有關(guān)“神經(jīng)細(xì)胞”結(jié)構(gòu)的里程碑式文章。文中涉及如今仍以他的名字命名的高爾基體，此外，他還描述了一種“纖弱的覆蓋物”，它們覆蓋著神經(jīng)元細(xì)胞體，并隨著樹突延伸。同年，另一位意大利學(xué)者阿圖羅·多納吉奧（Arturo Donaggio）觀測到如今被稱作圍神經(jīng)元網(wǎng)（PNNs）的覆蓋物存在一些開口，他正確地猜測到：神經(jīng)元的軸突終末正是通過這些開口與相鄰的神經(jīng)元形成突觸。

然而在那之后，科學(xué)界卻忽視了PNNs，尤其是高爾基的“勁敵”圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾（Santiago Ram ó n y Cajal，二者之后分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）在實(shí)驗(yàn)中將PNNs作為組織學(xué)上的人工偽像而剔除。直到20世紀(jì)70年代，由于組織學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和免疫組織化學(xué)技術(shù)的問世，研究者確認(rèn)PNNs存在于許多脊椎動(dòng)物（包括人類）腦和脊髓的某些神經(jīng)元周圍。

PNNs由細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）分子組成，嬰兒出生后開始形成，標(biāo)志著所謂“腦可塑性提升的關(guān)鍵時(shí)刻”的結(jié)束。在出生后的一段時(shí)間內(nèi)，外界環(huán)境對神經(jīng)元回路的接通有著深遠(yuǎn)影響，并影響到機(jī)體的技能和行為，譬如語言、感覺處理和情緒特質(zhì)的發(fā)展。但是到了幼年和青年時(shí)期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸固定下來，以保證個(gè)體可以保持這些習(xí)得功能。過去的15年間，累積的證據(jù)提示PNNs通過穩(wěn)定神經(jīng)元間已經(jīng)存在的連接，抵抗外來軸突形成新的連接，促進(jìn)了許多腦區(qū)的固定化過程。

神經(jīng)元細(xì)胞有限的可塑性導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的許多病癥是不可恢復(fù)的，像中風(fēng)、脊髓損傷和神經(jīng)退行性疾病，因而以PNNs為靶點(diǎn)增強(qiáng)CNS的修復(fù)能力前景光明。此外，PNNs在記憶過程中的重要調(diào)節(jié)作用也逐漸被認(rèn)識。

PNNs還可能在CNS正常功能中起到支撐作用。實(shí)驗(yàn)中反復(fù)觀察到這層“外衣”出現(xiàn)在高活躍性的神經(jīng)元周圍，因此研究者假設(shè)這一結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)緩沖性的、充滿負(fù)電荷的環(huán)境，以控制鈉離子、鉀離子和鈣離子等的擴(kuò)散，作為一個(gè)高效的陽離子交換器來保持神經(jīng)元活性。PNNs還存在保護(hù)神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激的能力，它們限制了過量活性氧對神經(jīng)元功能和生存的不良影響。確實(shí)如此，在PNNs受到酶促降解后，神經(jīng)元會對氧化壓力更加敏感。

過去20年中，人們在闡明PNNs結(jié)構(gòu)和功能方面取得了許多進(jìn)步，確定了它們在CNS可塑性方面的作用，并研發(fā)出操縱PNNs的方法，以提升可塑性、記憶力和CNS的修復(fù)能力。但PNNs在腦中確切的作用方式以及它們在生理和病理?xiàng)l件下重塑的精確機(jī)制仍不明晰。

PNNs與可塑的腦

PNNs結(jié)束腦可塑性關(guān)鍵時(shí)期的作用現(xiàn)在已建立了較為完備的機(jī)制。2010年，我和我的同事們就通過基因敲除去除了小鼠PNN成分之一的連接蛋白，觀察到小鼠表現(xiàn)出PNNs形成程度的下降，且在成熟后依然保持著年幼時(shí)的腦可塑性。

另一個(gè)證據(jù)是患有弱視的大鼠，弱視這一神經(jīng)發(fā)育疾病的病因是：在視覺發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期雙眼發(fā)出的神經(jīng)信號不均衡。左右眼輸入的信號在初級視覺皮質(zhì)中的神經(jīng)元首次匯聚時(shí)相競爭，在皮質(zhì)的生理和結(jié)構(gòu)上就會表現(xiàn)出兩只眼信號的相對強(qiáng)度。這意味著，當(dāng)一只眼睛喪失了視覺信號輸入——可能因?yàn)橄忍煨园變?nèi)障——之后，大鼠就喪失了這只眼睛的皮質(zhì)反應(yīng)，而健側(cè)眼睛的信號輸入會被上調(diào)，最終導(dǎo)致了視覺缺陷。成熟后，由于可塑性關(guān)鍵期已結(jié)束，即使弱視的病因被根除，視覺缺陷將不會被治愈。將成熟大鼠的視覺皮質(zhì)的PNNs移除，卻有治療弱視的效果。

在一些特殊情況，比如足夠的環(huán)境刺激下，成年期腦會重獲一定程度的可塑性，PNNs在其中表現(xiàn)出重要的中介作用。患有弱視的成熟大鼠如果被養(yǎng)在一個(gè)有很多玩具、梯子和跑步輪的籠子中，會表現(xiàn)出視覺皮質(zhì)中PNNs的減少。若沒有其他干預(yù)條件，患病大鼠在2～3周后有恢復(fù)正常視力的趨勢。

2016年，我和我的同事們記錄了前庭系統(tǒng)中PNNs與可塑性的相似關(guān)系，前庭系統(tǒng)監(jiān)測頭部的位置和加速度，穩(wěn)定凝視和身體姿勢，并有助于自體運(yùn)動(dòng)知覺。內(nèi)耳前庭受體受到永久損傷的小鼠通常表現(xiàn)出不能保持體態(tài)和平衡，但隨著時(shí)間積累會有所好轉(zhuǎn)。這種好轉(zhuǎn)是隨著腦干中調(diào)節(jié)前庭功能的區(qū)域中PNNs的減少而開始的，且這之后PNNs會在體態(tài)和平衡加強(qiáng)后完全重塑。

除了這些感官缺陷恢復(fù)的例子，成年期腦在一般學(xué)習(xí)過程中也會表現(xiàn)出恢復(fù)可塑性的趨勢，最近的證據(jù)指向了PNNs在記憶形成和保留中的作用。在嚙齒類動(dòng)物中，外顯性記憶——能夠被有意識地回憶起的信息——能夠通過一種“新物體認(rèn)知測驗(yàn)”來評估，測驗(yàn)中動(dòng)物在同時(shí)面對熟悉的物體和新的陌生物體時(shí)，會花更長的時(shí)間摸索新物體。這類記憶需要大腦皮質(zhì)中一個(gè)特定區(qū)域的突觸可塑性。缺乏連接蛋白的變異小鼠，其PNNs減少，會表現(xiàn)出對熟悉物體更久的記憶，而通過細(xì)菌酶硫酸軟骨素酶ABC進(jìn)行PNN降解后，也有類似的結(jié)果。這兩個(gè)例子中，移除PNNs都促進(jìn)了對突觸可塑性的誘導(dǎo)。

除了阻止記憶形成外，PNNs還可能是阻止記憶消除的原因。年幼個(gè)體可以通過消退訓(xùn)練——一種涉及將恐懼誘發(fā)刺激和中性情境相關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)形式——來永久性地消除恐懼記憶，而成熟個(gè)體則對這種消除有所抵抗，并依舊表現(xiàn)出恐懼行為。這些行為的基礎(chǔ)是杏仁核，在杏仁核中，成熟動(dòng)物會有PNNs，而年幼動(dòng)物沒有。有趣的是，對成熟小鼠通過硫酸軟骨素酶ABC處理杏仁核致PNN降解后，能夠通過消退訓(xùn)練消除恐懼記憶的關(guān)鍵時(shí)期又會再次出現(xiàn)。除此之外，許多皮質(zhì)區(qū)域中的PNNs近期被證實(shí)在儲存恐懼記憶中有重要作用，而移除PNNs會干擾這類記憶的儲存。

現(xiàn)如今，硫酸軟骨素酶ABC在移除實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的PNNs中被廣泛運(yùn)用，但是這一操作缺乏特異性，因?yàn)樵诮到釶NNs的細(xì)胞外基質(zhì)分子的同時(shí)，它還影響到了CNS組織。研究者在尋找更精細(xì)的手段來操縱動(dòng)物模型的PNNs，由此進(jìn)一步理解PNNs在調(diào)節(jié)腦可塑性中的作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)元可塑性的精細(xì)調(diào)校。此外，行為學(xué)研究已經(jīng)充分證實(shí)了PNNs在調(diào)節(jié)腦可塑性中的作用，但其背后分子學(xué)機(jī)制的細(xì)節(jié)部分仍然未被探明。最近，有關(guān)PNNs構(gòu)成的研究正為這一問題提供線索，對人們有所啟示。

意大利神經(jīng)學(xué)家卡洛·貝斯塔（Carlo Besta）1910年染制的狗脊髓細(xì)胞，并于1998年在《神經(jīng)科學(xué)動(dòng)態(tài)》上再發(fā)表，圖中可見PNN的多邊形結(jié)構(gòu)

PNN結(jié)構(gòu)與其對腦可塑性的控制

不少ECM分子在PNNs中表現(xiàn)出較其他細(xì)胞外區(qū)域更高的濃度。PNN結(jié)構(gòu)的支柱是透明質(zhì)酸，透明質(zhì)酸上還結(jié)合著硫酸軟骨素蛋白多糖（CSPGs）。這種連接正是由連接蛋白穩(wěn)定的。CSPGs則由核心蛋白和附加糖鏈組成，糖鏈中不同的硫酸鹽化形式為多種多樣的分子和受體提供了特異性結(jié)合位點(diǎn)，影響著CSPG的功能。

PNNs控制神經(jīng)元可塑性的機(jī)制之一就是通過CSPGs和同源蛋白Otx2的交互作用。同源蛋白作為胚胎發(fā)育時(shí)有關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子，控制組織脊椎動(dòng)物腦分化為不同的區(qū)域。許多同源蛋白還作為旁分泌信號因子在細(xì)胞間穿梭。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，減少視覺皮質(zhì)神經(jīng)元對Otx2的“捕獲”，即阻止其結(jié)合CSPGs，會抑制PNNs的組裝，進(jìn)而增加可塑性，促進(jìn)患有弱視的成年期動(dòng)物視力的恢復(fù)。同時(shí)，2016年的一項(xiàng)研究證明了Otx2在調(diào)節(jié)PNNs對初級聽覺皮質(zhì)中經(jīng)驗(yàn)依賴的“音高地圖” （依據(jù)聲音頻率響應(yīng)的神經(jīng)元空間排列）形成的影響，以及聲學(xué)偏好的獲得（這一過程由內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)調(diào)節(jié)）二者中的作用。

另一個(gè)調(diào)節(jié)PNN控制的可塑性的可能機(jī)制是依賴軸突引導(dǎo)分子——腦信號蛋白3A，它結(jié)合在CSPG上，在成熟生物腦不同的神經(jīng)元集群的PNNs中都有很高的濃度。近期的研究表明在PNN糖類上培養(yǎng)的神經(jīng)元只能生長出較短的神經(jīng)突，而這種抑制作用在腦信號蛋白3A的作用下會有所加強(qiáng)。但是腦信號蛋白3A結(jié)合于PNNs的作用仍是未知的。PNNs可能直接通過神經(jīng)元上CSPGs受體產(chǎn)生交互作用，正如CNS損傷后常見的那樣：CSPGs在患處的表達(dá)被上調(diào)并結(jié)合于特異性受體，以抑制突觸的再生長。無論如何，至今都沒有明確證據(jù)證明包繞有PNN的神經(jīng)元或突觸存在CSPG受體。盡管PNNs影響神經(jīng)元可塑性的確切機(jī)制并不明晰，這一影響的效果已有詳盡的記錄。研究者正逐漸將PNNs作為潛在靶向目標(biāo)，通過加強(qiáng)可塑性來治療各種疾病，如弱視、神經(jīng)退行性疾病、精神分裂癥及成癮的精神障礙。

PNN結(jié)構(gòu)：PNN由硫酸軟骨素蛋白多糖（CSPGs）組成，圖中可見其核心蛋白和側(cè)面一定數(shù)量的糖鏈。CSPGs結(jié)合于由膜結(jié)合酶分泌的透明質(zhì)酸，連接蛋白穩(wěn)定著透明質(zhì)酸和CSPGs間的交互作用。Sema3A和Otx2結(jié)合在CSPGs的糖鏈上，肌腱蛋白R是幾個(gè)CSPGs間的交叉連接蛋白，協(xié)助PNN的大分子組裝

PNN靶向治療疾病

發(fā)現(xiàn)PNNs在記憶中作用的同時(shí)，PNNs與藥物相關(guān)記憶有關(guān)的證據(jù)也逐漸積累。與過去藥物使用相關(guān)的環(huán)境因素（比如人或者場景）能夠作為藥物尋找行為的強(qiáng)烈誘因，并導(dǎo)致成癮的發(fā)展。因此打斷這種關(guān)聯(lián)性在成癮治療中可能有一定幫助。

嚙齒動(dòng)物的研究表明背側(cè)小腦皮質(zhì)的PNNs可能與可卡因相關(guān)記憶的形成和保持有重要關(guān)系，而在海洛因自身給藥后，前額葉皮質(zhì)中的PNNs有所減少，但再次暴露于海洛因相關(guān)因素后會立刻增加。與之相反，前額葉皮質(zhì)中PNNs的降解會降低大鼠對可卡因記憶獲得和保持，而在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物暴露于嗎啡、可卡因或海洛因之后，杏仁核中PNNs的降解能夠抑制藥癮的再發(fā)。總而言之，PNNs表現(xiàn)出形成和/或保持藥物相關(guān)記憶的關(guān)聯(lián)性，因此可作為靶點(diǎn)來減弱導(dǎo)致藥癮再發(fā)的記憶帶來的影響。

用實(shí)驗(yàn)方法降解PNNs也展現(xiàn)出了在治療各種形式腦損傷方面的前景。嚙齒類動(dòng)物研究證明了通過硫酸軟骨素酶來降解PNNs會誘導(dǎo)新軸突分支和突觸的形成，這就可以幫助在中風(fēng)、心理創(chuàng)傷和脊髓受損后恢復(fù)一些特定功能。在阿爾茨海默病的小鼠模型中，該病會影響記憶形成，而通過腦內(nèi)硫酸軟骨素酶注射可以成功恢復(fù)形成新記憶的能力，甚至在當(dāng)神經(jīng)功能障礙已經(jīng)擴(kuò)散且細(xì)胞開始死亡的情況下也有效果。

有時(shí)并非PNNs的存在會導(dǎo)致問題，而是PNNs的結(jié)構(gòu)異常。比如說，研究者觀察到阿爾茨海默病患者負(fù)責(zé)復(fù)雜認(rèn)知功能的腦區(qū)，如額葉皮質(zhì)和內(nèi)嗅皮質(zhì)中出現(xiàn)PNNs密度的下降或形態(tài)的退化，這說明存在PNN異常的神經(jīng)元可能更容易走向死亡。在精神分裂癥患者的腦尸檢結(jié)果中也能夠觀察到異常的PNNs，與情感學(xué)習(xí)和聯(lián)想感官信息處理有關(guān)的部位，如杏仁核、內(nèi)嗅皮質(zhì)和前額葉皮質(zhì)中尤為明顯。研究者們認(rèn)為編碼CSPGs、腦信號蛋白3A和其他一些正常ECM組分如整合素和重塑酶的基因變異，會帶來精神分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)。而神經(jīng)元在失去PNNs后，會對氧化應(yīng)激帶來的興奮毒性效應(yīng)更加敏感，而這一興奮毒性效應(yīng)被認(rèn)為是精神分裂癥的可能機(jī)制。還有一些其他精神疾病可能與PNN異常有關(guān)。比如，基因?qū)W研究已經(jīng)確認(rèn)了一些ECM和PNN調(diào)控分子，包括腦信號蛋白3A、透明質(zhì)酸表面受體CD44和Otx2，它們的異常可能是導(dǎo)致孤獨(dú)癥的病理因素。類似的還有，郁躁癥患者的尸檢結(jié)果顯示，與杏仁核內(nèi)PNNs相關(guān)的特定糖類或蛋白質(zhì)含量都有顯著下降。科學(xué)家認(rèn)為編碼CSPG神經(jīng)聚糖的基因發(fā)生變異可能是郁躁癥的風(fēng)險(xiǎn)因素之一。同樣，進(jìn)行了神經(jīng)聚糖基因敲除后的小鼠會表現(xiàn)出狂躁的行為，這一點(diǎn)也增強(qiáng)了結(jié)論的可信度。更進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)是，重度抑郁癥患者、處于抑郁狀態(tài)的郁躁癥患者、精神分裂癥患者和孤獨(dú)癥患者的血液樣本中都存在基質(zhì)降解酶含量的升高。

另一種可能被PNNs狀態(tài)影響的腦部疾病是癲癇，其特征是神經(jīng)活性模式的異常，并導(dǎo)致了驚厥、情感和感覺異常，以及失去意識。在癲癇的動(dòng)物模型中可以觀察到PNNs的減少，研究者們推測這會恢復(fù)突觸重組的能力，而這一現(xiàn)象可能緊隨痙攣發(fā)作而發(fā)生。相反地，PNN異常可能會導(dǎo)致痙攣更易發(fā)生。比如說，在缺乏幫助合成透明質(zhì)酸的酶的小鼠中，可以觀察到癲癇活動(dòng)性的增加。

盡管許多問題尚未明了，研究的的確確證明了以PNNs為靶向來治療一些腦部疾病有光明的前景。但至今為止，尚沒有一種作用于PNNs的化合物被選作藥物候選，因?yàn)檫@些化合物的作用都過于寬泛，因此科學(xué)家們?nèi)栽谂ρ邪l(fā)能夠精準(zhǔn)作用于PNN的特定物質(zhì)。同時(shí)，發(fā)明無創(chuàng)的、精準(zhǔn)靶向人類特定腦區(qū)PNNs的方法仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，研究者希望這能夠?yàn)槲磥硌邪l(fā)各類療法鋪路。