不同抑郁模型對海馬突觸可塑性的影響

趙楊

（上海賽默羅德生物科技有限公司，上海）

0 引言

抑郁癥是一種情緒障礙疾病，覆蓋世界總?cè)丝诘奈宸种唬哂袠O高的致殘率。在美國每年約有3500 萬人會經(jīng)歷抑郁的困擾，近幾十年來抑郁癥的患病率還在持續(xù)上升[1]，終生患病率約為16%，其中女性患者約為男性患者的兩倍[2]。僅2000 年，美國對抑郁癥的經(jīng)濟投入已經(jīng)達到了831 億美元[3]。抑郁癥患者常常會伴有心理、軀體缺陷，表現(xiàn)為情緒低落、無助、注意力不集中、自殘甚至自殺[4]。在眾多表現(xiàn)中情緒低落和對愉悅活動的興趣減弱（快感缺乏癥）是抑郁狀態(tài)的核心[5]。由于受抑郁癥影響的人口范圍正在逐步擴大，因此，對抑郁癥的防治研究越來越引起人們的關(guān)注[6]。

抑郁的發(fā)病過程受神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控，特別是突觸的功能、結(jié)構(gòu)和可塑性。當中樞神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)境發(fā)生改變時，神經(jīng)元突觸可塑性會被迅速調(diào)節(jié)以適應(yīng)復(fù)雜的腦功能變化。大腦中神經(jīng)元的突觸可塑性代表了學(xué)習(xí)和記憶的細胞機制，其主要表現(xiàn)形式為長時程增強（Long-term potentiation,LTP）和長時程抑制(Long-term depression,LTD)[7]。這種功能在短期和長期記憶中至關(guān)重要，其潛在機制已與包括抑郁癥在內(nèi)的多種神經(jīng)生物學(xué)疾病聯(lián)系在一起[8]。

在這里，我們收集了近5 年的抑郁癥模型和突觸可塑性的相關(guān)文獻，這些文獻證明了不同抑郁模型中的突觸可塑性變化存在差異，而對突觸可塑性的研究可能有助于理解抑郁疾病的病理進展。

1 嚙齒動物抑郁癥模型

由于抑郁癥的發(fā)病涉及多種因素，包括遺傳、環(huán)境和社會心理因素等，而且也沒有一個明確的生物指標能將所有抑郁模型完全概括，這對抑郁模型的建立具有挑戰(zhàn)性[9]。至今為止，仍沒有一種動物模型能夠完美地再現(xiàn)人類觀察到的抑郁樣表型。所以下面根據(jù)不同抑郁模型的機制探討與海馬突觸可塑性的關(guān)系。

1.1 嗅球切除抑郁模型

嗅球切除術(shù)模型（Olfactory bulbectomy,OBX）是通過手術(shù)方法切除小鼠或大鼠的嗅球，使其產(chǎn)生社交和認知功能障礙的一種抑郁癥的造模方法[10]。有臨床報告顯示，重度抑郁癥患者會患有嗅覺障礙，這可能歸因于下丘腦-垂體-腎上腺（Hypothalamicpituitary-adrenal，HPA）軸的慢性活動亢進伴隨糖皮質(zhì)激素水平升高[11]。另一方面，OBX 可導(dǎo)致皮質(zhì)-海馬-杏仁核回路中5-羥色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）和去甲腎上腺素（Norepinephrine,NE）濃度降低的從而影響諸如運動、覓食和回避等行為[12]。除此之外，OBX 可通過激活海馬中的幾種記憶相關(guān)蛋白激酶（包括糖原合酶激酶3β（Glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β），蛋白激酶A（Protein kinase A ,PKA））來誘導(dǎo)海馬依賴型情節(jié)性記憶缺陷，主要表現(xiàn)在對海馬CA1 區(qū)神經(jīng)元突觸間隙增大、棘突數(shù)量減少和對LTP 的抑制作用[13]。在研究抗抑郁藥氟西汀對成年C57 小鼠嗅覺損傷后齒狀回神經(jīng)元的影響過程中發(fā)現(xiàn)，模型小鼠齒狀回區(qū)域的神經(jīng)元數(shù)量和神經(jīng)發(fā)生明顯減少，CA1和CA3 區(qū)域的LTP 作用減弱以及CA1 區(qū)神經(jīng)元萎縮[14]，氟西汀不僅可以使預(yù)期的抑郁癥狀態(tài)好轉(zhuǎn)，而且還可以改善嗅覺敏銳度、記憶力并恢復(fù)受損的神經(jīng)發(fā)生[15]。值得注意的是神經(jīng)發(fā)生是維持神經(jīng)突觸可塑性以應(yīng)對內(nèi)部和外界環(huán)境挑戰(zhàn)的關(guān)鍵機制[16]。有研究人員用橙皮苷通過降低OBX 模型小鼠海馬中白介素1β（IL-1β）和白介素6（IL-6）水平，來改善模型小鼠在Morris 水迷宮實驗中的認知障礙，并有助于維持海馬CA1 區(qū)神經(jīng)元突觸可塑性[17]。總體來說，OBX 不僅是抑郁癥造模的可行方法，在抑郁表現(xiàn)產(chǎn)生的同時也伴隨著認知功能的損傷和海馬體中神經(jīng)元突觸可塑性的改變

1.2 早期社會壓力抑郁模型

早期社會壓力模型（Early life stress model），是在嚙齒動物幼崽出生后的早期，經(jīng)歷不同生活應(yīng)激而造成的抑郁模型，包括虐待、母嬰分離、照料者喪失等[18]。通過對產(chǎn)后發(fā)育早期階段的經(jīng)驗，大腦和免疫系統(tǒng)可能會逐漸擴展其功能范圍，以最大程度使個體適應(yīng)不同的刺激[19]。但是過早的承受這些負面的生活應(yīng)激，極易對新生兒產(chǎn)生心理創(chuàng)傷，這些心理創(chuàng)傷會影響新生兒的免疫系統(tǒng)并導(dǎo)致腦部功能可塑性受損[20]。有研究表明，對BALB / cByj新生幼鼠從出生0～21 天，每天與母鼠分離1 小時進行早期社會壓力造模，造模結(jié)束后幼崽血漿中皮質(zhì)酮水平升高，同時還伴隨海馬突觸成熟和突觸修剪的損害，海馬神經(jīng)元軸突生長變緩，樹突棘變少，嚴重影響海馬發(fā)育[21]。對出生25 天后的Sprague-Dawley 大鼠幼崽進行單次長時間的應(yīng)激（束縛2 小時、20 分鐘強迫游泳和2～3 分鐘乙醚麻醉）后，幼崽會有焦慮和抑郁的表現(xiàn)，更重要的是伴隨海馬依賴的短時記憶受損，突觸可塑性降低[22]。另外，經(jīng)歷過早期社會壓力的模型小鼠體內(nèi)免疫功能會受到損傷，存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質(zhì)細胞激活，釋放大量促炎因子如IL-6、IL-1β等產(chǎn)生神經(jīng)毒性，神經(jīng)毒性會導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)生減少、突觸形成變慢、突觸修剪異常[23]以及海馬突觸可塑性中LTP 受損[24]。所以早期社會壓力抑郁模型也可以通過免疫途徑影響神經(jīng)元突觸可塑性。

1.3 習(xí)得性無助抑郁模型

習(xí)得性無助（Learned happiness,LH）定義為無法擺脫不可控制的厭惡事件所導(dǎo)致的無能為力的心理狀態(tài)。應(yīng)對各種環(huán)境壓力是大腦的一項基本功能，但是，持續(xù)的壓力通常會導(dǎo)致多種精神障礙，包括抑郁癥、人格分裂等。當動物遭受了不可避免的且不可預(yù)測的足部電擊可使嚙齒動物產(chǎn)生無助感，模擬出快感缺乏，求生欲降低、情緒低落等抑郁樣表型[24]。在對雌性和雄性6 周大的昆明鼠進行習(xí)得性無助造模并用中藥越鞠丸進行抗抑郁治療后，海馬中PKA-CREB 信號通路激活伴隨NMDA 信號抑制，增強突觸傳遞功能，改善突觸可塑性損傷[25]。在雄性C57 小鼠經(jīng)過不可避免的足底電擊刺激后，海馬體中編碼P2rx7 的mRNA 下調(diào)和齒狀回中脊柱突觸密度降低，P2rx7 受體與神經(jīng)元突觸長時程增強過程中Ca2+內(nèi)流有關(guān)，其表達降低會導(dǎo)致海馬CA3-CA1 突觸長時程增強受損，突觸可塑性降低[26]。除了功能上的改變，這種抑郁模型也會伴隨著海馬體積變小、神經(jīng)發(fā)生減少以及樹突棘密度降低，這些形態(tài)學(xué)上的改變也意味著習(xí)得性無助模型動物會伴隨著認知功能的損傷[27]。另外，抑郁的形成往往涉及多個腦區(qū)和不同的神經(jīng)環(huán)路，包括海馬-海馬、海馬-杏仁核環(huán)路等，習(xí)得性無助可導(dǎo)致基底外側(cè)杏仁核與腹側(cè)海馬CA1 環(huán)路中興奮性單突觸功能減弱，AMPA 受體下調(diào)，削弱了突觸可塑性，使表現(xiàn)出不逃避足底電擊的絕望行為[28]?？傊?，習(xí)得性無助抑郁模型在用于研究情緒障礙與記憶之間機制關(guān)系方面更為多見。

1.4 慢性束縛應(yīng)激模型

慢性束縛應(yīng)激模型（Chronic restraint stress model,CRS）與習(xí)得性無助實驗類似，連續(xù)21 天，每天將嚙齒動物束縛于狹小的空間中（1～6 小時）[29,30]。CRS 造模結(jié)束的動物會出現(xiàn)典型的抑郁樣表現(xiàn)包括反應(yīng)遲鈍、精力呆滯、食欲不振、皮毛無光澤、快感缺乏等[31]，同時可伴隨HPA 軸興奮和糖皮質(zhì)激素水平升高[32]。在對成年Long Evans 大鼠進行超過4 周的慢性束縛應(yīng)激后，海馬總體積變小，樹突萎縮，其中腹側(cè)海馬CA3 錐體神經(jīng)元萎縮、可塑性降低更為明顯，可能是由于DG 區(qū)相關(guān)的谷氨酸興奮性毒性導(dǎo)致[33]。有研究表明造模結(jié)束后的CRS 小鼠在Morris 水迷宮測試中空間學(xué)習(xí)記憶能力降低[34]，海馬CA1 區(qū)神經(jīng)元凋亡，樹突棘密度、突觸素、突觸可塑性降低，氟西汀治療后可改善對應(yīng)指標[35]。CRS 還顯示出可誘導(dǎo)不同大腦區(qū)域神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的變化,在海馬中，CRS 會導(dǎo)致興奮性和抑制性電流平衡改變，DG 區(qū)顆粒細胞突觸興奮增強，從而影響突觸可塑性，抑制LTP[36]。對懷孕小鼠進行慢性束縛，可有效減少后代海馬突觸中NR1 和NR2B NMDA 受體亞基的表達，從而導(dǎo)致海馬依賴性空間記憶減弱、NMDA 受體介導(dǎo)的LTP 受損和LTD 增強，其原因可能與前腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（ Precursor of brain-derived neurotrophic factor,pro-BDNF）的增加和BDNF 的轉(zhuǎn)化程度低有關(guān)[37]。雖然CRS 作為抑郁模型操作簡單便捷，但實驗動物可能會對長期被束縛的環(huán)境適應(yīng)而出現(xiàn)造模失敗，對于不同品系的動物，該實驗方案可能還需改進。

1.5 慢性不可預(yù)測的輕度刺激模型

慢性不可預(yù)測的輕度刺激模型（Chronic unpredictablemild stress,CUMS）是給予實驗動物每天1～2 種輕度刺激（束縛、潮濕環(huán)境、晝夜顛倒、禁水禁食等）每兩天的刺激不重復(fù)，持續(xù)1～2 月不等，模擬出類似于人類在日常生活中可能遇到的壓力源，從而在脆弱的個體中誘發(fā)抑郁癥[38]。CUMS 可引起多種典型抑郁行為，包括快感缺乏、攻擊性增強、絕望行為等，生化指標如糖皮質(zhì)激素、IL-6、C-反應(yīng)蛋白（CRP）、和腫瘤壞死因子α（TNF-α）濃度升高，這些都是與抑郁相關(guān)的炎性生物標志物[39]。炎癥因子過表達可產(chǎn)生神經(jīng)炎癥，神經(jīng)炎癥是影響突觸可塑性，抑制LTP 的重要因素之一[40]。同時有研究發(fā)現(xiàn)運用藥物激活海馬CA1 區(qū)缺氧誘導(dǎo)因子1（ Hypoxia-inducible factor-1,HIF-1）途徑，促進突觸后密度蛋白95（Postsynaptic density, PSD95）表達，增加樹突生長后可改善CUMS 誘導(dǎo)的抑郁行為和認知功能損傷，同時可增強CA1 區(qū)突觸可塑性[41]。在CUMS 誘導(dǎo)的抑郁模型中突觸可塑性的損傷是逐漸形成的，并且實驗動物種屬之間還是有差別的。SD 大鼠3周就出現(xiàn)抑郁樣行為，并在CA1 和CA3 區(qū)錐體細胞樹突棘密度降低，而C57 小鼠在改進的實驗設(shè)計中需要8 周才會出現(xiàn)抑郁行為伴有LTP 誘導(dǎo)受損及基礎(chǔ)突觸傳遞降低[42]。盡管CUMS 模型已被廣泛使用并且證明有效，研究藥物作用于突觸形態(tài)及可塑性上效果明顯，但它既麻煩又耗時，而且行為結(jié)果可能不會完全一致。

1.6 社會隔離抑郁模型

社會隔離抑郁模型（Social isolation）是通過將實驗動物孤立起來單獨飼養(yǎng)1～2 個月，杜絕與其他動物的社交行為，從而達到抑郁癥造模的目的[43]。嚙齒動物的是群居動物，社交生活與人類類似，來自人類和非人類動物研究表明，社交孤立會提高對社會威脅的敏感性，促進交感神經(jīng)緊張和HPA 軸激活，同時還伴隨著調(diào)節(jié)免疫力、睡眠能力的相關(guān)基因表達降低。HPA 軸激活，糖皮質(zhì)激素釋放增加，這一過程受大腦回路調(diào)節(jié)，糖皮質(zhì)激素可參與神經(jīng)元細胞的發(fā)生、分化、凋亡和突觸傳遞[44]。社會隔離的動物模型表明社交因素可導(dǎo)致糖皮質(zhì)激素抵抗，影響海馬突觸功能，樹突異常分化[45]。還有研究表明對于青春期（出生后20～22 天）的C57 小鼠進行社會隔離，其成年后更容易誘導(dǎo)海馬CA1 區(qū)LTP，并且青春期社會隔離還增加了海馬中BDNF 的表達，可以理解為青春期的隔離動物對孤獨的恐懼記憶[46]。在對SD 大鼠進行社會隔離的研究中發(fā)現(xiàn)，社會隔離導(dǎo)致海馬CA1 區(qū)AMPA 受體亞基GluA2 的蛋白表達水平顯著下調(diào)，LTP 下降，突觸可塑性降低[47]。成年后缺乏社交技能也可能會助長酗酒和藥物濫用風(fēng)險[48]，青少年社會隔離的Long-Evans 大鼠會導(dǎo)致酒精成癮有關(guān)的表型，由于腹側(cè)海馬是介導(dǎo)情緒行為的神經(jīng)回路必不可少的部分，在腹側(cè)海馬CA1記錄到興奮性突觸傳遞增強但是LTP 水平降低[49]?？傮w來說，社會隔離模型對HPA 軸的影響是顯而易見的，但是突觸可塑性方面略有不同，這可能跟模型動物的品系有關(guān)。

1.7 慢性社交失敗應(yīng)激模型

慢性社交失敗應(yīng)激模型（Chronic social defeat stress，CSDS）可選用雄性2～3 個月之間C57BL / 6J 小鼠與雄性3～5 個月大CD-1 小鼠每天處在同一環(huán)境中社交10 分鐘然后分開，持續(xù)10天左右[50]。由于每天受到CD-1 小鼠的攻擊，C57 小鼠會出現(xiàn)社交回避和快感缺乏等抑郁表型，涉及的腦區(qū)多與海馬、杏仁核、伏隔核和前額葉皮質(zhì)有關(guān)，強調(diào)對于恐懼的情感回饋[51]和腦區(qū)節(jié)律的變化[52]。對抑郁癥和焦慮癥患者進行腦電圖（EEG）客觀測量睡眠指標時發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)患者都患有睡眠障礙，而CSDS 可有效的模擬出抑郁癥患者的睡眠變化，模型小鼠除了會伴有典型抑郁表現(xiàn)外，還會出現(xiàn)晝夜節(jié)律異常或敏感的皮質(zhì)酮反應(yīng)[53]。由于CSDS 模型導(dǎo)致的失眠可觀察到前額葉皮質(zhì)和海馬體積萎縮、突觸數(shù)量減少、樹突棘長度變短，還會使NMDA 受體NR2A 亞基數(shù)量選擇性增加和NR1A / NR2B 比例增加，從而損害小鼠海馬CA1區(qū)的LTP 并促進LTD[54]。同樣，在對7 周大的雄性C57BL / 6J 小鼠進行CSDS 造模后，可觀察到對新物體識別的記憶障礙同時伴有PSD-95、突觸素等突觸可塑性標記蛋白降低[55]。還有研究認為CSDS 會導(dǎo)致恐懼調(diào)節(jié)障礙，可能是因為皮質(zhì)醇水平升高以劑量依賴性方式引起海馬和杏仁核神經(jīng)發(fā)生降低和神經(jīng)突觸可塑性損傷從而導(dǎo)致對恐懼的記憶障礙[56]。該模型雖然也已廣泛用于抑郁疾病研究和抗抑郁藥物的開發(fā)中，但應(yīng)該考慮造模過程中對動物的傷害性過大以及動物性別選擇上有明顯的局限。

1.8 見證失敗抑郁模型

在青春期經(jīng)歷或目睹創(chuàng)傷事件會增加精神疾病的風(fēng)險，極易形成創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（Posttraumatic stress disorder,PTSD）和抑郁相關(guān)的精神疾病[57]。PTSD 患者會表現(xiàn)過度激動、社交回避、侵入性記憶、焦慮、抑郁和認知功能損傷，可由親身經(jīng)歷創(chuàng)傷事件或目睹創(chuàng)傷事件而觸發(fā)[58]。常用的PTSD 的造模方法為改進的CSDS方法，雄性C57 小鼠在目睹其他小鼠遭受攻擊后的創(chuàng)傷事件后，會導(dǎo)致焦慮和抑郁樣行為增強，表現(xiàn)為糖水偏好降低和在高架十字迷宮開放臂停留時間縮短[59]。在對兒童創(chuàng)傷導(dǎo)致情感障礙的磁共振成像（MRI）研究中發(fā)現(xiàn)，兒童創(chuàng)傷后海馬和背外側(cè)前額葉皮質(zhì)減少，杏仁核反應(yīng)增加，同時受創(chuàng)傷的兒童海馬體積隨著年齡的增長而降低，這些結(jié)構(gòu)變化與情境調(diào)節(jié)、情緒調(diào)節(jié)和恐懼記憶有關(guān)[60]。在研究PTSD 有關(guān)的神經(jīng)回路與恐懼神經(jīng)回路的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，PTSD 患者前額葉皮質(zhì)和海馬的激活減少，在恐懼記憶消退過程中突觸可塑性受損[61]。還有研究表明SD 大鼠PTSD 模型中負責(zé)空間記憶的海馬可塑性降低，CA1 區(qū)LTP 受損，但是負責(zé)對恐懼反饋的基底外側(cè)杏仁核LTP 增強，其中海馬LTP 受損可能與應(yīng)激后釋放的糖皮質(zhì)激素有關(guān)[62]。當然HPA 軸在PTSD 中影響突觸可塑性只是一方面，炎癥表達增加[63]、PSD95 水平下調(diào)[64]、BDNF 下降[65]都是影響PTSD 模型海馬突觸可塑性的因素。

1.9 藥物誘導(dǎo)抑郁模型

除了以上介紹的物理誘導(dǎo)抑郁模型的方法外還有化學(xué)誘導(dǎo)方法，比如通過長期服用皮質(zhì)酮誘導(dǎo)抑郁癥樣模型[66]。皮質(zhì)酮可使5-HT 水平降低[67]，BDNF 水平下降，海馬CA1 區(qū)神經(jīng)元增殖降低，突觸可塑性損傷[68]。該模型動物在Morris 水迷宮測試中顯示學(xué)習(xí)記憶能力受損。色氨酸通過犬尿氨酸和5-HT 途徑的代謝與抑郁癥有關(guān)[69]，色氨酸經(jīng)氧化脫核后可轉(zhuǎn)變?yōu)?-HT 的前體物質(zhì)。5-HT 的不足會導(dǎo)致海馬依賴的學(xué)習(xí)記憶及海馬突觸可塑性受損[70]。用色氨酸耗竭技術(shù)（比如攝入大量中性氨基酸）使5-HT水平降低可達到抑郁癥造模的作用[71]?？傊幬镎T導(dǎo)的抑郁模型是涉及與HPA 軸激素水平相關(guān)的誘導(dǎo)方法，對突觸可塑性的抑制也是由于激素水平變化對突觸形態(tài)和功能的影響導(dǎo)致的。

2 展望

盡管多種抗抑郁藥的應(yīng)用代表了抑郁癥治療的不斷進步，但新型抗抑郁藥的研發(fā)仍充滿挑戰(zhàn)。抑郁癥的發(fā)病因素和機制多種多樣，選擇適合的動物疾病模型來研究不同的抑郁發(fā)病機制和開發(fā)抗抑郁藥是十分必要的。另外如果能在抑郁癥疾病機制中發(fā)現(xiàn)明確的生物標志物，那么對于疾病治療和新藥開發(fā)都會大有裨益。了解不同抑郁模型和海馬突觸可塑性的關(guān)系，有助于拓展我們理解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新維度。

表1 不同抑郁模型與海馬突觸可塑性的關(guān)系