外周神經(jīng)網(wǎng)-調(diào)控神經(jīng)精神疾病的雙刃劍

王 佳，惲 琪，馬思飛，宋黃戎，郭美娜，胡沿每，錢進(jìn)軍，張維寧

(1. 江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院，生物化學(xué)檢驗(yàn)教研室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇大學(xué)第四人民醫(yī)院，神經(jīng)內(nèi)科，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

1 引言

近年來研究發(fā)現(xiàn)許多精神疾病如精神分裂癥、雙相情感性精神障礙、抑郁癥、自閉癥和成癮[1]都伴隨細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)成分的異常。ECM占大腦容積的20%，它在神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞之間的聯(lián)系中發(fā)揮重要作用。ECM結(jié)構(gòu)和功能的了解對(duì)于認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶這類大腦高級(jí)生物學(xué)功能的研究非常重要。ECM有3種主要的類型：①“松弛型”ECM：存在于整個(gè)大腦和脊髓；②細(xì)胞膜結(jié)合分子；③包圍在大腦和脊髓特定神經(jīng)元周圍的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)-外周神經(jīng)網(wǎng)(perineuronal nets，PNNs)。本文重點(diǎn)闡述包圍在大腦和脊髓特定神經(jīng)元周圍的PNNs的基本結(jié)構(gòu)、功能及其在腦功能紊亂中的作用。

2 PNNs的組成、發(fā)育及成熟

PNNs由4種ECM成分組成：①透明質(zhì)酸及其合成酶(hyaluronan synthases，HASs)； ②硫酸軟骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)如蛋白聚糖、神經(jīng)黏蛋白、聚蛋白聚糖、短蛋白聚糖；③黏蛋白(tenascins)；④透明質(zhì)酸和軟骨素連接蛋白(link protein，LP)。LP連接CSPGs至HASs骨架繼而穩(wěn)定PNNs的構(gòu)象。

PNNs以不同的速度在大腦和脊髓發(fā)育過程中形成且分布不均。PNNs在成年嚙齒類動(dòng)物的皮層成熟最早，不同皮層之間存在差異性。神經(jīng)元通過鉀離子和鈣離子介導(dǎo)的神經(jīng)沖動(dòng)電傳導(dǎo)，以及谷氨酸受體(NMDA受體及鈣通透性AMPA受體)的激活促進(jìn)PNNs的發(fā)育和成熟。PNNs的形成也標(biāo)志著神經(jīng)突觸可塑性的降低和臨界期的結(jié)束。

3 PNNs參與神經(jīng)突觸可塑性介導(dǎo)的記憶調(diào)控

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)記憶存儲(chǔ)在大腦的方式是通過大量神經(jīng)元的突觸來完成。突觸的功能和結(jié)構(gòu)隨著神經(jīng)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化而發(fā)生持久改變的特性，突觸數(shù)量也會(huì)隨之相應(yīng)的增強(qiáng)與減弱，許多科學(xué)家一致認(rèn)同突觸可塑性是學(xué)習(xí)記憶最基本的神經(jīng)機(jī)制。

外界重復(fù)刺激引起神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響突觸的傳遞效率，認(rèn)知活動(dòng)發(fā)生時(shí)，神經(jīng)元突觸功能或結(jié)構(gòu)的修飾過程即為神經(jīng)突觸可塑性。可塑性發(fā)生于出生后神經(jīng)發(fā)育的關(guān)鍵臨界期。感覺、運(yùn)動(dòng)、語言及心理學(xué)能力都是在關(guān)鍵臨界期獲得，與神經(jīng)突觸可塑性密切相關(guān)。在此期間，大腦皮層神經(jīng)環(huán)路將適應(yīng)外界環(huán)境發(fā)生解剖學(xué)、功能學(xué)的改變。關(guān)鍵臨界期后，特別是成年后神經(jīng)環(huán)路和突觸已建立完善，大腦結(jié)構(gòu)往往不再發(fā)生變化，可塑性也將非常有限。神經(jīng)可塑性不僅依賴于神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞功能的正常，還取決于包裹在神經(jīng)元外的PNNs。近十年來，PNNs以其在視覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和軀體感覺系統(tǒng)中對(duì)臨界期可塑性的調(diào)控而得到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。目前普遍認(rèn)為，成年期成熟的PNNs包裹在小清蛋白陽性中間能神經(jīng)元(parvalbumin positive interneurons，PV+INs)周圍[2]，限制了神經(jīng)突觸的可塑性，發(fā)育成熟的PV+INs的PNNs通過3種機(jī)制抑制神經(jīng)突觸的可塑性：①作為物理屏障抑制突觸信號(hào)的輸出；②PNNs上CSPGs成為抑制性分子的特異結(jié)合位點(diǎn)；③限制突觸受體活動(dòng)性。因此，靶向干預(yù)PNNs調(diào)控神經(jīng)突觸的可塑性,進(jìn)而逆轉(zhuǎn)神經(jīng)生物學(xué)疾病所伴隨的認(rèn)知障礙將具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

PNNs在神經(jīng)發(fā)育、突觸發(fā)生及突觸可塑性中的調(diào)控作用已經(jīng)得到了廣泛驗(yàn)證，大量研究發(fā)現(xiàn)，降解PV INs的PNNs可使神經(jīng)突觸恢復(fù)為幼齡的可塑性狀態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)受損神經(jīng)元的軸突發(fā)生和功能再生。雖然PNNs早已被發(fā)現(xiàn)，但直至最近其在學(xué)習(xí)、記憶、精神分裂癥、衰老、老年癡呆癥、癲癇、自閉癥和藥物成癮中的重要作用才被大量研究[3,4]。

3.1 PNNs在衰老中的作用隨著年齡的增加，記憶也將隨之衰退。記憶隨著年齡的增長而退化通常被認(rèn)為是由于突觸數(shù)量的減少引起的，然而，最新的研究發(fā)現(xiàn)，PNNs的降解通過神經(jīng)可塑性機(jī)制誘導(dǎo)神經(jīng)突觸數(shù)量增加，增加記憶能力。18個(gè)月的老年小鼠開始出現(xiàn)記憶減退，而在其鼻周皮層(perirhinal cortex，PrC)微注射軟骨素酶(Ch-ABC)可以增加老年鼠的物體記憶能力，在其海馬微注射Ch-ABC可以增加老年鼠的位置記憶能力[5]，PrC為嚙齒動(dòng)物記住熟悉事物、辨別新事物的興趣腦區(qū)，因此，調(diào)控PNNs，增加神經(jīng)突觸的可塑性，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病靶向藥物研發(fā)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 PNNs在記憶中的作用記憶與神經(jīng)可塑性密切相關(guān)，那么干預(yù)PNNs是否會(huì)影響記憶？J.W.F.實(shí)驗(yàn)室近年來致力于研究嚙齒動(dòng)物的認(rèn)知、記憶與皮層中間能神經(jīng)元PNNs的關(guān)系，正常情況下，嚙齒動(dòng)物對(duì)新事物的偏好遠(yuǎn)超過對(duì)熟悉事物的偏好。然而，當(dāng)向小鼠PrC微注射Ch-ABC，降解該腦區(qū)的PNNs或通過分子生物學(xué)技術(shù)干擾PNNs的形成，會(huì)引發(fā)小鼠對(duì)熟悉事物的記憶時(shí)間明顯延長：從12 h增至96 h，記憶能力變強(qiáng)意味著可塑性的增加，為了解釋其生物學(xué)機(jī)制，Caroni實(shí)驗(yàn)室觀察了記憶過程中突觸形態(tài)的改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)記憶任務(wù)導(dǎo)致腦區(qū)PV+中間神經(jīng)元的抑制性突觸數(shù)量增加，減少γ-氨基丁酸能神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生，促進(jìn)皮層興奮性[6]。Ch-ABC治療后，海馬和PrC腦區(qū)出現(xiàn)大量新生的遲發(fā)型PV+神經(jīng)元，提示PNNs的去除可能促進(jìn)記憶的恢復(fù)和加強(qiáng)，該結(jié)果對(duì)于記憶障礙的研究具有非常重要的意義。

3.3 PNNs在阿爾茨海默病中的作用PNNs對(duì)記憶的影響不僅限于衰老這類正常的生理情況，PNNs與阿爾茨海默病這一神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生密切相關(guān)[7]。過表達(dá)突變型tau蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠，能夠模擬人類阿爾茨海默病所伴隨的tau病變和癡呆癥狀，小鼠會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)元纖維纏結(jié)和tau蛋白過磷酸化，3個(gè)月后神經(jīng)元出現(xiàn)明顯營養(yǎng)不良，4個(gè)月后神經(jīng)元開始凋亡。向該模型小鼠的PrC腦區(qū)微注射Ch-ABC，溶解該腦區(qū)的PNNs后發(fā)現(xiàn)這些阿爾茨海默病的模型小鼠恢復(fù)了物體記憶能力，甚至達(dá)到正常對(duì)照組水平[5]。這些干預(yù)是如何實(shí)現(xiàn)記憶恢復(fù)，可能的機(jī)制為：①Ch-ABC可以使軸突發(fā)生旁路途徑，使神經(jīng)環(huán)路繞過受tau蛋白作用發(fā)生病理改變且功能失調(diào)的神經(jīng)元。②PNNs的移除可能促進(jìn)記憶的恢復(fù)，因?yàn)槭チ薖NNs的阻隔，新生的抑制性突觸更容易接近PV+神經(jīng)元，從而減少GABA能神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)皮層回路的抑制作用[8]。

3.4 PNNs在成癮模型中的作用成癮是一種精神疾病，由藥物誘發(fā)的快感記憶被認(rèn)為是尋找毒品及復(fù)吸最主要的原因[9]。可卡因誘導(dǎo)的PNNs的神經(jīng)可塑性調(diào)控在可卡因成癮的人類[10]和嚙齒類動(dòng)物模型中[11]都有報(bào)道。

紋狀體，包括伏隔核、尾狀核和殼核與獎(jiǎng)勵(lì)和激勵(lì)行為密切相關(guān)。PNNs在成癮模型小鼠整個(gè)紋狀體的表達(dá)均增加[12]；腹側(cè)蒼白球作為邊緣系統(tǒng)的重要成分在動(dòng)機(jī)行為和藥物尋找中至關(guān)重要[13]，該區(qū)域PNNs在成癮模型中表達(dá)大幅度增加，使其成為調(diào)控PNNs，進(jìn)而干預(yù)動(dòng)機(jī)行為的一個(gè)潛在的靶向腦區(qū)，然而迄今為止，這方面的研究還很少。

目前，PNNs在成癮模型中興趣腦區(qū)的研究只限于大、小鼠的杏仁核、前額葉皮層以及小腦[14]。杏仁核位于前額葉皮層和腹側(cè)紋狀體之間[15]，是介導(dǎo)應(yīng)激和誘導(dǎo)復(fù)吸毒行為的關(guān)鍵腦區(qū)。杏仁核內(nèi)PNNs的表達(dá)在不同個(gè)體間存在明顯差異。最近一項(xiàng)關(guān)于大鼠杏仁核在成癮模型作用的研究表明，暴露于藥物(嗎啡、可卡因和海洛因)之后，通過Ch-ABC降解杏仁核腦區(qū)的PNNs，會(huì)抑制隨后復(fù)吸(復(fù)發(fā))的尋毒行為[16]。

初次給予海洛因后，前額葉皮層PNNs的結(jié)構(gòu)蛋白減少，但重新暴露于海洛因后卻會(huì)迅速升高[11]。B.A.S.實(shí)驗(yàn)室也重點(diǎn)研究了可卡因?qū)η邦~葉皮層中PNNs的影響，發(fā)現(xiàn)單次注射可卡因2 h后PNNs水平降低；然而每天注射1次，連續(xù)5 d后，PNNs水平反而顯著增高。該結(jié)果與另一特異性腦區(qū)-島狀皮質(zhì)接受重復(fù)乙醇暴露后PNNs的免疫反應(yīng)性增加相一致[17]。PNNs免疫反應(yīng)性的下降與未成熟PNNs(可塑性增加)相關(guān)，此時(shí)PNNs尚未發(fā)育完全，神經(jīng)突觸處于可塑性狀態(tài)，對(duì)于可卡因的記憶尚可干預(yù)；而PNNs免疫反應(yīng)性增加與成熟的PNNs(可塑性下降)相關(guān)，隨著可卡因的連續(xù)注射，PNNs發(fā)育完全，可塑性的臨界期關(guān)閉，形成對(duì)可卡因強(qiáng)大、持續(xù)的記憶，也是尋找毒品和復(fù)發(fā)最主要的原因。因此，從初次接觸到重復(fù)接觸成癮藥物使PNNs免疫反應(yīng)性經(jīng)歷了先下降后增加的變化趨勢(shì)[8]。此外，Donato等[6]發(fā)現(xiàn)可卡因不僅可以誘導(dǎo)PNNs免疫反應(yīng)的改變，也可以引起PV免疫反應(yīng)改變，即PNNs和PV存在某種相互調(diào)控途徑，可卡因暴露可以通過調(diào)控PNNs進(jìn)而影響PV+中間能神經(jīng)元GABA能神經(jīng)遞質(zhì)的輸出。可卡因調(diào)控PV/PNNs的生物學(xué)機(jī)制可能涉及自由基失衡說。可卡因促進(jìn)神經(jīng)元產(chǎn)生大量的活性氧、自由基，而外周神經(jīng)網(wǎng)可以抑制自由基對(duì)PV神經(jīng)元的損傷。總之，PNNs的變化是快速的，PNNs免疫反應(yīng)性的變化(增加或減少)取決于藥物種類、藥物暴露程度和停藥時(shí)間，但這些動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 PNNs通過神經(jīng)元的保護(hù)功能參與精神性疾病的調(diào)控

PNNs主要包裹在發(fā)育成熟的PV+INs周圍，特別是在其胞體和軸突近端突觸間隙處存在，形成特殊的屏障，抵制活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的攻擊。PNNs氨基葡聚糖的重要成分-硫酸軟骨素和透明質(zhì)酸具有聚陰離子特性，該特征使PNNs周圍聚集大量的陰離子。其陽離子結(jié)合易感性使PNNs可以結(jié)合Fe2+，減少羥基自由基(·OH)的生成(Fe2+通過Fenton反應(yīng)可以催化H2O2生成具有更強(qiáng)催化活性的·OH)。PNNs正是通過這種中和或結(jié)合的方式清除神經(jīng)元周圍的ROS，維持微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，發(fā)揮神經(jīng)元的保護(hù)功能。

在精神分裂癥中，PNNs的破壞特別明顯，杏仁核、內(nèi)嗅皮層和前額葉皮層中CSPG標(biāo)記的PNNs明顯減少[18]。這些相互關(guān)聯(lián)的腦區(qū)參與情緒相關(guān)的學(xué)習(xí)、記憶及感覺信息門控，興趣腦區(qū)PNNs破壞伴隨著CSPG表達(dá)的改變。人類單核苷酸多態(tài)性分析及死后腦組織樣本調(diào)查發(fā)現(xiàn)，精神分裂癥的易感基因涉及PNNs的重要成分，如CSPGs、外分泌糖蛋白reelin、semaphorin 3A、整合素和重組酶(如金屬蛋白酶)。雙相情感障礙和重癥抑郁癥患者的前額葉皮層、海馬和小腦以及血液中Reelin表達(dá)明顯下降。S.B.實(shí)驗(yàn)室對(duì)于雙相情感障礙患者死后腦組織研究結(jié)果表明杏仁核的PNNs明顯減少[19]。大量研究表明，自閉癥伴隨著ECM異常，全基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)ECM和PNNs調(diào)節(jié)分子的異常，包括ECM重組酶、Reelin、semaphorin 3A和4D、透明質(zhì)酸表面受體CD44和參與PNNs形成的轉(zhuǎn)錄因子Otx-2。PNNs的外分泌糖蛋白R(shí)eelin與自閉癥病理生理學(xué)機(jī)制的相關(guān)性得到了深入的調(diào)查，F(xiàn)atemi等[20]發(fā)現(xiàn)自閉癥患者的額葉、頂葉和小腦皮層Reelin及其信號(hào)通路的改變。

在發(fā)育和成年期間，PNNs分子及其細(xì)胞表面受體介導(dǎo)廣泛的突觸調(diào)節(jié)功能，影響樹突棘、突觸結(jié)構(gòu)、突觸可塑性以及谷氨酸能和GABA能神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。PNNs的研究對(duì)于闡明精神障礙類疾病突觸傳遞異常提供了一個(gè)新的切入點(diǎn)，PNNs異常引起的突觸結(jié)構(gòu)和功能的破壞：樹突棘、突觸前和突觸后調(diào)節(jié)元件的丟失，以及谷氨酸能突觸信號(hào)和GABA能抑制神經(jīng)元功能的破壞[21]介導(dǎo)了精神疾病的發(fā)生[22]。

包繞在PV+INs周圍的PNNs，通過間接調(diào)控PV+INs進(jìn)而參與了精神障礙疾病中谷氨酸能、GABA能神經(jīng)元所介導(dǎo)的興奮性/抑制性平衡，此外，PV+INs作為快閃放電神經(jīng)元可同時(shí)與數(shù)百個(gè)錐體神經(jīng)元通過化學(xué)突觸和電突觸聯(lián)系，通過對(duì)椎體神經(jīng)元輸出信息的整合，參與調(diào)節(jié)皮層網(wǎng)絡(luò)的同步化活動(dòng)，即γ震蕩。γ震蕩不需要任何適應(yīng)期，以范圍在每秒30～80HZ的頻率投射，從而在多種高級(jí)腦功能活動(dòng)如認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮重要作用。失去PNNs保護(hù)的PV+INs在ROS的攻擊下受損，γ震蕩異常導(dǎo)致精神分裂癥患者的信息處理異常和認(rèn)知障礙，這與所觀察到的精神分裂癥[23]或自閉癥患者PV神經(jīng)元數(shù)目減少相一致[24]。

5 局限性和未來研究方向

研究PNNs在神經(jīng)可塑性方面的貢獻(xiàn)通常的做法是注射Ch-ABC溶解該特定腦區(qū)的PNNs，然而該方法存在一定的局限性，Ch-ABC不僅降解了包圍在大腦和脊髓特定神經(jīng)元周圍的PNNs，也降解了存在于整個(gè)大腦和脊髓的“松弛型”ECM，因此PNNs的作用并不完全清楚。關(guān)于PNNs對(duì)視覺皮層的作用已經(jīng)被充分證明，Carulli課題組發(fā)現(xiàn)條件性敲除軟骨連接蛋白的小鼠PNNs減少，而“松弛型”ECM不變，該條件性敲除鼠可以一直維持青年期視覺的可塑性。許多重要的分子參與了PNNs的靶向調(diào)控。Otx-2作為PNNs的一重要調(diào)控靶點(diǎn)在加速PNNs的成熟及維持PNNs的穩(wěn)定中具有重要意義。靶向調(diào)控PNNs也可以調(diào)控信號(hào)素semaphorin 3A或通過神經(jīng)元穿透素-2(neuronal pentraxin 2，NARP-2)激活谷氨酸受體調(diào)節(jié)PV神經(jīng)元興奮。靶向調(diào)控PNNs在改善神經(jīng)生物學(xué)疾病方面具有潛在的應(yīng)用前景。移除PNNs能否通過外界重復(fù)刺激增加神經(jīng)突觸的可塑性，如脊髓損傷后的康復(fù)運(yùn)動(dòng)能否靶向調(diào)控PNNs抑制環(huán)境刺激誘發(fā)的恐懼記憶或藥物上癮還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 總結(jié)

綜上所述，PNNs是一把雙刃劍，它既可以保護(hù)神經(jīng)元免于氧化應(yīng)激的損傷，也將導(dǎo)致成年期神經(jīng)可塑性的喪失。PNNs分子機(jī)制的研究對(duì)于神經(jīng)生物學(xué)疾病的早期預(yù)防、靶向治療具有重要的指導(dǎo)意義。

(致謝：本課題是在江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院行為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，感謝課題組肖栩、薛程、李曉輝、周漾同學(xué)參與了本課題的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)。)