應激對認知功能的影響及相關機制研究

董一筱，張 釗，陳乃宏1,

(1. 天津中醫藥大學中藥學院，天津 030619；2. 中國醫學科學院藥物研究所神經科學中心，天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室，北京 100050)

認知是個體獲得和整理周圍環境信息的過程，包括感知、注意力、學習、記憶等。學習和記憶分別是信息、經驗的獲取以及儲存重現過程，是認知的核心組成，可以反映認知機能。學習和記憶含義不同，但在功能和發生機制上密切相關。學習記憶是一個復雜的生理生化過程，需多種遞質協同作用，同時也涉及神經元放電模式改變、長時程增強(long-term potentiation，LTP)等神經可塑性活動。

應激這一概念在20世紀30年代由加拿大內分泌學家Hans Selye提出，指應激誘因(環境、精神及心理變化)刺激下，生物體內環境穩定狀態破壞，產生一系列的非特異性全身性反應[1]。應激是一種調節機體生理、心理及行為的方式，能在危急境遇下高效分配機體生理心理資源，提高適應及生存能力。然而，應激也會讓人過度焦慮，損害身心健康，甚至導致器質性損傷和疾病。具體效應的不同，往往在于應激程度的差異。短暫輕微的應激能提高谷氨酸水平，增強神經可塑性，強化工作記憶等。而急性、劇烈的應激則會導致谷氨酸受體、突觸蛋白表達抑制，決策等工作記憶功能受損。長期慢性的應激會造成前額葉皮層(prefrontal cortex，PFC)錐體神經元萎縮、樹突棘丟失、認知功能損傷。雖然不同程度的應激誘發的機體響應，以及對認知的影響不同，但應激反應的誘發過程卻大致相同，均通過兩套激素相關系統的激活，及一系列下游機制來產生。然其具體機制及產生效應存在明顯的差別，本文將從遞質及激素水平改變、下游信號通路成分變化及相關基因表達等層面，對不同程度應激下應激反應對認知功能的影響進行討論。

1 應激反應的程度對認知功能的影響

目前尚無經典的根據應激程度區分應激的方法，人們主要通過應激反應強度及應激作用效果是正面還是負面，將不同程度的應激分為良性應激和劣性應激兩大類[2]。

1.1 良性應激良性應激即生理性應激，指持續時間短，應激源輕微的應激過程。良性應激對個體損傷輕微，通常還有一定的認知增強作用，如考前的緊張狀態能讓人在考場更專注。實驗模型如Karsdorp等[3]采用冷水浸手臂的冷加壓應激(cold pressor task，CPT)。Porcelli等[4]通過fMRI研究顯示，CPT能增強被試者PFC信號，提高PFC神經元放電水平，改善個體工作記憶任務的表現。良性應激的動物模型有Luine等[5]采用的適度束縛應激，將大鼠每天束縛6 h，連續13 d后進行八臂迷宮測試，前8次探索的正確選擇次數高于對照組。此外，Salehi等[6]用低溫(19 ℃)Morris水迷宮處理大鼠，也觀察到應激組行為學表現優于25 ℃水溫的非應激組。

1.2 劣性應激劣性應激也叫病理性應激，包括應激源劇烈的急性應激，或持續時間長的慢性應激。其產生的應激反應有損傷作用，如應激性消化系統潰瘍、認知受損等。動物模型如Yang等[7]采用不可預知性足底電擊造成小鼠習得性絕望。輕度應激持續時間較長也會對個體造成損傷，Luine等[5]將大鼠每天束縛6 h，處理21 d后，八臂迷宮測試中表現出空間記憶受損，海馬神經元出現樹突萎縮；Su等[8]采用晝夜顛倒、禁食24 h等慢性不可預知性輕度應激處理小鼠4周后，小鼠出現抑郁樣行為，同時血清和海馬中IL-1β等炎性因子水平升高。

這兩種應激類型沒有絕對區分，個體接受的是哪種應激除了取決于應激強度和時間以外，也與個體對應激的接受能力有關[2]。

2 應激反應通路

應激源刺激個體后通過一系列激活機制產生應激反應，讓個體更好地適應環境。腦橋藍斑核(nucleus ceruleus，LC)對應激高度敏感。應激狀態下LC激活后，其上的去甲腎上腺素(noradrenaline，NE)能神經元向其他腦區的投射激活交感-腎上腺髓質系統(sympathetico-adrenomedullary system，SAMS)，隨后下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPAA)也被激活，兩條通道共同產生下游效應，即應激反應的雙通道激活[9]。

2.1 SAMS通路的激活LC下行NE能投射激活交感神經，產生加快心率、舒張骨骼肌血管等應對應激的外周作用，同時交感神經節前纖維產生乙酰膽堿，結合腎上腺髓質嗜鉻細胞上的N型ACh受體，激活嗜鉻細胞產生酪氨酸-β-羥化酶，大量合成、分泌腎上腺素等兒茶酚胺類激素，進一步加強交感神經作用，并作用下游通路來影響認知。

2.2 HPA軸通路的激活由于下丘腦室旁核上行纖維與杏仁核、海馬等邊緣系統結構存在聯系，同時LC也有直達下丘腦室旁核的NE能投射，故藍斑產生的NE能神經沖動也激活下丘腦室旁核神經元，促使下丘腦分泌促腎上腺皮質激素釋放激素作用垂體，使其分泌促腎上腺皮質激素，激活HPA軸，腎上腺皮質分泌糖皮質激素(glucocorticoid，GC)，調節機體產生應激反應。

應激反應產生需要一系列介導過程，以下將分別討論應激通路中的相關分子及其作用，并闡述不同應激反應對認知產生不同效應的機制。

3 神經遞質

3.1 腎上腺素正常情況下，腎上腺素不能通過血腦屏障，應激發生時，腎上腺素通過迷走神經上行纖維激活腦干相關核團的NE能神經元，產生中樞作用。Lalumiere等[10]研究顯示，情緒喚醒訓練后電刺激大鼠迷走神經上行纖維能產生記憶增強現象。說明腎上腺素作用下，迷走神經會進一步激活上行中樞系統中學習記憶相關結構。迷走神經上行纖維和孤束核(nuclei tractus solitarii，NTS)存在神經聯系，同時在LC、下丘腦、邊緣系統等中樞系統結構中存在廣泛投射，能將迷走神經的信號中繼至這些結構。還有研究顯示，大鼠腎上腺素的內源性釋放或NTS注射，都能誘導杏仁核釋放NE，增強記憶鞏固作用，進一步證明了應激下腎上腺素的認知改善功能。

3.2 NENE影響認知時，其濃度和認知功能間存在“倒U”關系，即水平過高或過低均損害認知，這與其作用受體不同有關。

3.2.1良性應激下NE效應 Li等[11]研究發現，良性應激下腦內NE濃度升至最佳水平，該水平的NE能激活獼猴PFC神經元突觸后膜上的α2A受體(α2AR)。α2AR激活主要發生在代表與當前目標任務相關的特征的神經元上，通過Gi蛋白介導胞內cAMP降低。其介導的環核苷酸門控陽離子通道(hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated channels，HCN)激活的作用減弱[12]。有證據表明，cAMP主要通過對HCN通道的作用來調節神經元及神經網絡放電，進而調節工作記憶。樹突棘上的HCN關閉后，通過HCN外流的Na+、K+等陽離子形成的外向Ih電流減弱，神經元超極化水平降低。使接受目標相關特征神經元網絡輸入的神經元放電水平增強，神經元調節促進目標導向的工作記憶增強。此狀態處于“倒U”曲線中間位置。

3.2.2劣性應激下NE效應 劣性應激時中樞系統中的NE濃度高于最適水平，處于“倒U”曲線右端。高水平NE激活PFC中的α1受體及β受體，損傷PFC功能。

α1受體的激活通過Gq蛋白介導蛋白激酶C(PKC)活化。Birnbaum等[13]研究表明，PKC激動劑注入大鼠或猴子的PFC均能模擬劣性應激所致的工作記憶障礙，反之，PKC抑制劑能阻斷α1受體激動所致的認知損傷。這些證據說明PKC能介導工作記憶損傷。另外，Ca2+釋放也會開啟胞體上的小電導Ca2+激活K+通道(SK通道)，產生Isk電流，抑制神經元放電，進一步損傷認知功能。

β受體激活通過Gs蛋白介導胞內cAMP水平升高，激活蛋白激酶A(PKA)。盡管PKA能夠誘導LTP，調節神經可塑性，產生記憶鞏固作用。但cAMP也會介導交換蛋白(RAPGEF3)及HCN通道的激活，樹突棘上的HCN激活后Na+、K+等陽離子外流，產生外向Ih電流，神經元超極化[14]。PKA的激活還會調節K+通道Kv7的開放，K+外流產生超極化M電流，進一步抑制神經元放電，損傷認知功能。

Ca2+釋放雖能誘導神經元產生去極化電流ICAN，促進神經元正常放電，而PKC的激活和高水平cAMP又會抑制ICAN。整體上表現為神經元放電抑制，導致神經元功能障礙，學習記憶損傷[15]。

3.3 多巴胺(dopamine，DA)

3.3.1應激下的多巴胺效應 DA對認知的作用亦存在“倒U”關系，應激介導PFC上的DA釋放，并對其受體產生不同程度的激活作用。D1受體(D1R)的適度或過度激活均通過Gs蛋白介導胞內cAMP升高，但不同神經元D1R激活程度也不同。Funahashi等[16]用猴子進行動眼神經延遲反應任務(oculomotor delayed response task，ODR)，發現在基于目標的工作記憶任務中，代表目標方向的神經元激活，非目標方向特征的神經元則被抑制。進一步研究顯示這由于不同的神經元D1R激活程度不同。D1R激活主要發生在代表其他外界干擾特征的神經元上，高水平cAMP使DA能神經元樹突棘上HCN通道開啟，通過HCN外流的Na+、K+等陽離子形成的外向Ih電流增強，神經元超極化水平升高，無關放電受抑制，目標相關放電分辨率升高，學習記憶增強。

劣性應激情況下，DA水平過高導致D1R無細胞選擇性地過度激活，在ODR中表現為代表所有方向的神經元活動均被抑制。而當DA水平過低，沒有足夠的D1R激活時，代表非目標相關特征的神經元活動未能被抑制，會干擾正常的工作記憶[15]。

3.3.2應激下參與DA影響認知過程的相關基因 有證據顯示，兒茶酚-O-甲基轉移酶(catechol-O-methyl transferase，COMT)基因rs4680位點的多態性會導致COMT蛋白上相應位點纈氨酸(Val)突變為甲硫氨酸(Met)，造成COMT酶活性降低，PFC中DA代謝能力隨之降低。高水平的DA增加了應激下機體發生認知損傷的可能。近期，Crum等[17]對rs4680位點基因型不同人的研究還發現，雖然Met/Met基因型的個體會經歷更高水平的社會心理壓力，但進行建設性心態干預操作后，其積極情緒增加、認知改善水平要比Val/Val個體更明顯。證明COMT基因變異可以改變心態干預對應激反應的調節能力。此外，低應激條件下，Met/Met型個體在認知任務中表現優于Val/Val個體，而應激下過量DA涌入PFC會抑制正常的認知加工。這可能是應激下的認知改善存在個體差異的原因之一。建設性心態干預后表現出更加明顯的作用則可能也與高水平DA有關。

Fig 1 Difference in downstream mechanism ofneurotransmitters under different stress intensity

A: Eustress condition; B: Distress condition.

3.3.3NE和DA的相互作用 一般認為良性應激過程中DA和NE存在互補作用。NE激活α2A受體，增加代表目標相關的神經網絡放電；DA激活D1R，降低與目標無關的神經網絡放電。兩種機制共同增強PFC功能，抑制和當前任務無關的內在想法，提高個體注意力，使之在工作記憶任務中表現更佳，改善認知。

3.4 5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)5-HT也參與應激影響認知的作用。個體遭受應激后，突觸間5-HT水平升高會降低個體對厭惡性刺激的反應。一般認為這是腦中5-HT激活突觸后5-羥色胺2A受體(5-HT2AR)所致。Carhart-Harris等[18]在針對5-HT1AR和5-HT2AR的研究中提出，二者參與應激對認知影響的效應互補。5-HT1AR介導應激的被動應對，提高個體的應激承受力，緩和應激下個體的壓力和情緒反應，提高壓力調節能力。而5-HT2AR介導應激的主動應對，即面對應激時旨在改變處境的積極靈活應對，增強神經可塑性。良性應激時5-HT首先與中腦及邊緣系統等處的5-HT1AR結合，介導神經細胞超極化，抑制放電，降低應激敏感性，抑制劣性應激反應。應激加重時，盡管5-HT2AR水平不變，但一定程度上能改變其與配體的親和力，并進一步激活下游NLGN、CamK1g等即早基因表達。在PFC上表達水平更高的5-HT2AR去極化激活神經元，產生興奮作用。5-HT2AR在興奮性Glu能錐體神經元樹突上具有較高的表達水平，5-HT2AR激活也會導致皮層Glu能神經元激活，產生依賴NMDAR的神經可塑性，在一定程度上改善認知，使個體靈活應對應激。

4 GC介導應激對認知的影響

腎上腺皮質分泌的GC進入海馬和杏仁核等腦區神經元后，能與鹽皮質激素受體(mineralocorticoid receptor，MR)和糖皮質激素受體(glucocorticoid receptor，GR)結合。GC的作用也呈“倒U”型，水平過低或過高均對認知有不利影響。非應激狀態下，糖皮質激素主要結合與其親和力較高的MR。而GC水平過低時則會產生神經損傷作用。我們課題組研究發現，小鼠腎上腺切除后，糖皮質激素水平的下降會降低學習記憶任務中的表現，同時海馬齒狀回還發現有神經退行性變性[19]。

4.1 良性應激狀態下GC的作用良性應激時，高濃度糖皮質激素在結合MR達飽和后，能結合親和力相對較低的GR。此時，細胞質中的GR會從GR-熱休克蛋白Hsp90復合物中解離，GC-GR復合體進入細胞核，特異性結合到其所調控的認知、神經可塑性相關基因的糖皮質激素反應元件(glucocorticoid responsive element，GRE)上，如結合到血清/糖皮質激素調節激酶(serum/glucocorticoid regulated kinase，SGK)基因啟動子上游的GRE上，調控此類基因的表達，改善認知。而人FK506結合蛋白5(human FK506 binding protein 5，FKBP5)[20]和核受體亞家族3C組成員1(nuclear receptor subfamily 3 group C member 1，NR3C1)等調節GR復合體入核效率和GR功能的基因，也會對應激下的認知改善造成影響[21]。這些基因在上游調節GR的活性，或在GR下游產生作用，共同影響認知功能。

在PFC或基底外側杏仁核(basolateral amygdala，BLA)中，GC能阻斷突觸間隙的兒茶酚胺轉運體，提高突觸間隙NE水平，增強NE作用。同時GC和GR負反饋作用于HPA軸，降低HPA軸激活程度。位于下丘腦室旁核神經元上的GR激活，能抑制CRH的產生，一般認為其機制涉及激活的GR入核，并作用于CRH基因啟動子上的負性糖皮質激素反應元件(nGRE)，進而抑制下丘腦CRH轉錄[22]。

4.2 劣性應激狀態下GC的作用當劣性應激作用機體時，會有大量的GR長期處于激活狀態，造成受體脫敏，負反饋作用鈍化[19]。慢性應激作用下，持續長時間、高水平的GC會導致神經元死亡。有研究發現，大鼠持續GC暴露會使海馬神經元退行性變性，并出現抑郁樣癥狀。

4.3 GC上游相關因子作用研究顯示，GR的伴侶蛋白之一FKBP5會影響HPA軸調節。FKBP5結合在熱休克蛋白Hsp90上，調控GR敏感性及GR-GC復合體入核效率。Guidotti等[23]研究發現，FKBP5基因高表達時，大鼠腹側海馬和PFC上GR的配體親和力和核轉運效率均下降，個體也會對應激損傷更加敏感。編碼GR的NR3C1基因能調控GR功能，其存在的諸多單核苷酸多態性也會改變GR活性，并影響個體的應激反應及應激對認知的改善作用。如Bcl1-rs41423247導致指向他人的軀體攻擊和庫欣綜合征患者GC敏感性升高，同時也增加個體對社會應激的GC反應程度；ER22/23EK-rs8169導致GC抵抗，社會應激壓力下GC反應程度降低；N363S-rs6195也會導致應激下GC反應程度升高。此外，NR3C1基因啟動子區甲基化也會對應激及認知造成影響。

4.4 GC下游調控GR是一種配體誘導的轉錄因子，活化后能通過轉錄激活或轉錄抑制作用調控基因轉錄。Li等[24]研究發現應激下小鼠PFC中SGK1水平升高。SGK是一種由血清或GC刺激激活的即早基因，編碼一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。GC激活增強SGK1蛋白的胞質定位。研究發現，SGK能夠增加非洲爪蟾卵母細胞質膜蛋白質豐度，如Glu1亞基、上皮Na+、Ca2+通道等。說明應激下SGK能增加細胞離子通道和轉運蛋白的水平。進一步研究顯示，SGK1能夠調節NMDAR和AMPAR在神經元上的轉運，調節膜表面NMDAR和AMPAR的數量，進而導致Glu能傳遞增強。這一過程需要Rab4和Rab5蛋白的參與。Rab蛋白參與囊泡形成、囊泡內容物的選擇、運輸及在靶位點的融合。Rab4則直接參與GC引起的PFC神經元上NMDAR、AMPAR轉移的增強，它通過SGK依賴的機制激活，控制早期內體轉運至細胞表面的循環過程。由于PFC是實現工作記憶的重要腦區，同時研究發現，阻斷應激下SGK的表達會阻止Glu能傳遞增強，并進一步干擾工作記憶改善。因此GR激活SGK誘導的PFC上NMDAR、AMPAR轉運水平升高，可能是介導應激下認知改善的原因之一[21]。

還有證據指出，SGK1能夠磷酸化激活IκB激酶α(IκKα)，通過NF-κB通路，上調NMDAR亞基NR2A、NR2B的表達，進一步誘導LTP，產生記憶改善作用[25]。

5 小結與展望

應激對認知的影響具有雙重性，良性應激能改善認知，而劣性應激則會導致認知損傷。應激首先導致NE、DA、5-HT等遞質水平升高。不同的應激程度下，激素水平差異導致激活的受體種類及程度不同，這些受體通過下游信號通路對神經元放電產生調節作用，改善或損傷認知功能。糖皮質激素作用于受體，會通過GRE及促進下游SGK等蛋白轉錄的基因組途徑，作用囊泡相關蛋白，促進Glu等遞質釋放等機制，參與對認知的調控。此外，還有COMT、FKBP5、NR3C等諸多參與應激影響認知功能的基因異常或過度表達均會對認知造成影響。基于上述總結，我們對應激程度差異及其作用機制差異有了更深入了解，為利用良性應激改善認知水平，尋找促智藥的潛在靶點提供理論基礎；另一方面，通過研究劣性應激對認知的損傷，可為臨床治療抑郁、創傷性應激障礙，改善焦慮等應激相關疾病提供新的思路和策略。