性激素對兩性學習記憶能力影響機制的差異

秦亞涵，潘盈佳 綜述，孫支唐 審校

(1.山西醫科大學第一臨床醫學院，山西 太原 030002；2.山西醫科大學第二醫院神經內科，山西 太原 030002)

學習記憶能力是大腦高級功能最重要的組成成分，目前認為學習與記憶的建立主要基于長時程增強(LTP)[1]，性激素作為獨立影響因素參與這一過程[2]。性激素還是調節神經元增殖分化、突觸形成、神經遞質釋放和神經膠質細胞生長的重要神經營養因子，探索雌激素在神經細胞發育及凋亡中的作用機制可能是未來探尋其與腦疾病關系的一個新方向。現有的研究集中于單獨對雌雄激素進行研究，不利于橫向比對性激素對學習記憶的影響。本文綜合目前的研究進展，從學習記憶的關鍵步驟入手，分別對比了兩性激素對神經元、突觸可塑性和膠質細胞的作用機制，總結出學習記憶能力的性別差異，并提出了目前研究中存在的問題和以后的改進方向，以期推進本領域研究發展。

1 性激素對神經元的保護作用

性激素是類固醇激素，有大量數據顯示雌激素具有神經保護作用[3]。雌二醇 (E2)通過結合雌激素受體α(ERα)、雌激素受體β(ERβ)和G蛋白偶聯雌激素受體(GPER 30或GPER 1)發揮其生物學效應[4]。神經元衍生雌二醇(NDE2)由雄激素前體在芳香化酶的作用下而合成，該酶位于男女大腦神經元的突觸和突觸前終末[5]。LU 等[5]證明NDE2對LTP的正常表達、突觸可塑性及男女大腦的認知功能都必不可少。在男性神經系統中，睪酮可以通過腦芳香酶轉化為雌激素[6]，通過雌激素受體(ER)來介導信號傳遞；也可以通過其非芳香性代謝物二氫睪酮(DHT)激活雄激素受體(AR)[7]。這就使得雄激素和雌激素的神經保護作用既存在交叉又存在不同。需要注意的是，雖然兩者可有相似的作用結果，由于激素受體類型和分布濃度的差異，它們的作用途徑有著很大不同。

1.1性激素的抗神經細胞損傷作用 軸突損傷會導致大鼠的認知和記憶功能下降，性激素可減緩軸突損傷并促進軸突再生。XIA等[8]發現，雌激素可通過調節PI3K/Akt/CDK5/Tau通路促進軸突再生及改善軸突功能，高劑量雌激素治療顯著改善了軸突纖維損傷狀況，并促進了軸突再生經典標志物——神經絲蛋白200的表達。而雄激素軸突保護作用的機制可能為通過促進熱休克蛋白釋放來減弱應激反應。FARGO等[9]發現，雄激素治療可減弱倉鼠面神經軸突變性術后突觸剝離，使軸突再生率和整體功能恢復率顯著增加。雖然這些研究推斷雄激素可減輕軸突損傷，但雄激素是否在神經退行性疾病中具有同樣的保護作用尚不清楚[10]。此外，研究發現雌激素可以活化蛋白激酶通路PI3K/AKT,抑制促凋亡蛋白Bax表達，增加促細胞存活因子Bcl-2的表達從而促進神經元存活[11]。雄激素在腦缺血中的神經保護作用也與PI3K/Akt信號通路有關，該通路通過上調抗凋亡成分(如Bcl-2和Bcl-xL)改善神經元存活率。雄激素還通過AR依賴性信號級聯反應刺激絲裂原激活蛋白激酶/細胞外信號調節蛋白激酶(MAPK/ERK)途徑，抑制促凋亡蛋白Bad的磷酸化，減少細胞凋亡[12]。此外，CHOI等[13]的研究表明，雌激素可通過其在腦中的代謝產物4-OH-E1下調p53促凋亡基因表達，提高超氧化物歧化酶(SOD)的活力保護神經元[14]。而采用雄激素替代治療方法后，相關SOD的基因表達并無明顯改變[15]。

1.2性激素對炎性反應的抑制作用 多發性硬化、阿爾茲海默病(AD)和帕金森病等疾病均與大腦慢性炎癥關系密切[16]，炎性反應對學習記憶等認知功能有負面作用。在雌性動物腦內，E2可激動ERα，通過作用于核因子-κB抑制脂多糖(LPS)介導的信號傳導，抑制促炎分子的表達[7]；E2還可激動ERβ，通過降低小鼠海馬組織內炎癥因子和核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NLRP3)炎性小體水平，改善卵巢去勢小鼠的抑郁樣行為[17]。DHT除了可激動ERβ產生作用外，還可通過抑制環氧合酶2(COX-2)和NO合成酶的表達，顯著抑制PGE2和NO的產生；抑制LPS所誘發的促炎因子釋放，從而避免激活的小膠質細胞導致神經元損傷[18]。

1.3性激素的神經營養作用 腦源性神經營養因子(BDNF)通過增加突觸連接和神經可塑性[19]，在記憶建立過程中起著關鍵作用[20-21]。BDNF和神經生長因子(NGF)可營養膽堿能神經元,減少AD發生。現在人們一致認為，雌激素通過以下4種不同的機制調節BDNF的表達：(1)直接誘導BDNF表達；(2)對BDNF啟動子進行表觀遺傳學修飾；(3)調節主要轉錄因子環磷腺苷效應元件結合蛋白(CREB)的活性；(4)通過神經元間活動間接控制BDNF表達[20]。E2與NGF具有相同的受體，這表明中樞膽堿能神經元存活、分化以及再生依賴于NGF和E2雙重調節[22]。對于雄激素而言，腦組織NGF的表達可因雄激素干預而增加[23]。睪酮既可通過激動AR又可通過激動ER影響大腦中的BDNF水平，低劑量的睪酮增加了紋狀體中的總BDNF，而高劑量增加了海馬體中的總BDNF,二者都對空間記憶能力有積極影響。值得注意的是，睪酮和BDNF表達之間的信號通路可能隨著年齡的增長而退化[24]。

1.4性激素通過鈣離子介導的作用 細胞內鈣超負荷會造成線粒體損傷。研究發現，線粒體鈣失調會導致神經元樹突亞致死性萎縮，是慢性神經退行性疾病發生發展的重要機制[25]。于向沉[26]發現在嚙齒動物的大腦中，E2通過激活皮質神經元和海馬的L型電壓門控鈣通道，促使Ca2+快速內流，進一步激活Src/ERK/CREB/Bcl2信號級聯通路來發揮神經保護和營養作用。E2還能通過抑制N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，顯著降低神經元內游離Ca2+濃度，進而減輕NMDA所介導的細胞內鈣超負荷所引起的神經毒性[27]。特定的雌激素受體調節分子還能控制線粒體Ca2+的流出，調節線粒體呼吸鏈酶的磷酸化作用[28]。然而，雄激素對中樞神經系統細胞內Ca2+水平的影響研究較少。CARTERI等[15]的研究表明，嚴重創傷性腦損傷(TBI)后短期補充睪酮可以維持正常的線粒體Ca2+正常轉運，減少細胞凋亡。

1.5性激素的抗氧化作用 大腦脂質含量豐富，對能量需求高但抗氧化能力弱，因此更易受到過度氧化的損害，腦氧化損傷與阿爾茲海默病、帕金森病等密切相關[29]，對認知和記憶有著不容小覷的負面影響。大量研究表明，雌性大鼠比雄性大鼠有著更強的維持體內氧化還原穩態的能力[30]。在線粒體中，雌激素通過mERα、mERβ活化MAPK和NF-κB信號通路，促進線粒體超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化酶1基因的表達，減少活性氧的產生[28]。E2和雌酮還能夠通過提高線粒體膜電位(MMP)、ATP水平，以及增加基礎呼吸和MnSOD活性來改善原代神經元培養物和人神經母細胞瘤細胞中的生物能量和抗氧化防御[31]。睪丸激素也有改善線粒體功能的作用，其機制可能為睪酮能誘導線粒體膜電位降低，增加抗氧化酶的活性和表達，以及增強2個大腦區域中線粒體呼吸復合物活動[32]。此外，雄激素還可通過減少脂質過氧化物的生成，增加缺氧缺血性腦損傷大鼠腦組織中超氧化物歧化酶(SOD)的表達，提高抗氧化能力等機制抑制缺氧缺血后神經細胞的凋亡[30]。

2 性激素對突觸傳遞的影響

2.1性激素在LTP信號轉導通路各環節中的性別差異 E2信號轉導的具體分子機制現仍未可知，但其中一些環節雌雄激素表現出的差異已有跡可循。OBERLANDER 等[33]發現雌性和雄性分別以不同的機制增加突觸前谷氨酸的釋放概率和突觸后膜對谷氨酸的敏感性，從而對突觸傳遞產生不同的影響。在雌性體內，E2通過ERβ增加突觸前谷氨酸釋放概率，通過GPER 1增加突觸后對谷氨酸的敏感性；而在雄性體內，E2通過ERα增加谷氨酸釋放概率，通過ERβ增加谷氨酸敏感性。 此外，蛋白磷酸化酶A(PKA)、MAPK、Rho激酶(ROCK)、酪氨酸蛋白激酶(Src)和鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是參與LTP的5種關鍵激酶。測試PKA抑制如何影響LTP的實驗表明，盡管兩性間高頻刺激誘導和配對誘導的LTP大小相同，但PKA僅在雌二醇誘導的突觸增強中為必需的激酶，對雄性來說PKA并不必要[37]。MAPK、Src和ROCK都是啟動所必需的分子，CaMKⅡ是兩性表達這些分子和維持突觸增強的必要條件[34]。E2誘導的突觸增強需要L型鈣通道和內源鈣釋放2條途徑的鈣源，而雄性只需要兩條途徑之一則足以產生等量效應[35]。雖然在分子信號方面存在性別差異，但不同機制在男性和女性中匯聚到的功能端點是相同的[34]。總之，傳導通路的差異并未造成LTP實質性結果的改變，傳導機制的差異不是影響男女學習記憶能力的因素。

2.2LTP通路閾值在兩性的差異 LE等[36]的研究發現，在嚙齒動物中，青春期前的雌性能迅速編碼空間信息并表達低閾值LTP，在兩個空間記憶任務中表現出超強的記憶力，而雄性卻未能學會這些任務。青春期后這種記憶差異現象被逆轉，雄鼠表現出較低的LTP閾值且較快地完成記憶任務，雌鼠表現出更高的LTP閾值。CORNELL等[37]認為青春期前隨著年齡的增加，ERα表達增加，女性不同的LTP閾值導致了女性在信息加工和學習記憶特征方面的性別差異。TANAKA等[38]發現，絕經期后隨著年齡的增長，ERα丟失，ERα/ERβ相對比值減少，雌性開始出現記憶力減退癥狀。以上研究提示，青春期雌性LTP閾值增高可能是ERα/ERβ比值相對減少所致，其具體機制仍有待研究。雄性青春期LTP功能增強的原因不涉及這些機制。

2.3性激素促進樹突棘的建立 使用雌激素、雌激素受體激動劑或選擇性雌激素受體調節劑的急性治療可促進成年海馬腦片的LTP，影響CA1錐體神經元樹突棘的數目和形狀，降低海馬CA3區神經元的棘密度。在海馬體介導的恐懼調節范式中，ER基因敲除的雄性也表現出記憶障礙[38]，以上實驗表明激動雌激素受體能夠促進突觸的建立。睪丸切除術后，圣基茨和黑臉猴多達40%的棘突觸體積密度喪失[39]。基于性腺切除和DHT補充的雄激素不敏感大鼠的研究表明，AR介導維持CA1區和前額皮質正常脊柱突觸密度，并增加海馬腦片的CA3樹突棘[7]。隨后，研究表明雄激素替代可恢復雄性海馬在手術性腺切除術后降低的棘突觸密度，用睪酮治療的去卵巢雌性大鼠也報道了類似的效果[39]。越來越多的證據表明，海馬神經元能合成雌激素和雄激素。E2、睪酮、DHT和皮質酮的海馬水平為5～15 nmol/L，這些激素水平足以調節突觸可塑性[40]。但在對壓力刺激做出反應時，與雌性相比，雄性表現出更高的海馬CA1樹突棘密度[39]，說明盡管雄性和雌性大鼠CA1突觸對睪酮的反應性質相似，其潛在機制很可能并不相同。

3 性激素對神經膠質細胞的影響

3.1性激素對小膠質細胞的調節 小膠質細胞是一類通過免疫保護，調控突觸連接，促進組織修復和營養交換來維持腦內穩態的細胞。雌激素通過減輕炎性反應，維持線粒體存活，促進Aβ肽的去除及調控增殖等機制調節小膠質細胞的活動，使其發揮預防神經退行性疾病的功能[41]。此外，從成年小鼠中分離出的小膠質細胞具有不同的性別特性和功能。在健康幼鼠中，雄性小膠質細胞表達了更多的炎癥生物標志物，而雌性小膠質細胞表達了更多神經保護表型。隨著年齡的增長，雌性大腦中小膠質細胞的激活程度要高于年齡相當的雄性，證明性別對AD的發展有一定的影響[41]。此外，GPR30在神經元和膠質細胞中表達，參與調節神經元和小膠質細胞的活動和功能。 PAN等[42]發現GPR30激動劑G1能改善雌性大鼠的記憶功能，其拮抗劑G15抑制雌性大鼠的記憶功能；急性腦損傷后女性神經功能的恢復好于男性，進一步佐證GPR30與認知功能有關。YANG等[18]證明，DHT改善了小鼠因LPS所致的空間和學習障礙。DHT通過抑制LPS誘導的BV2細胞和原代小膠質細胞中促炎癥因子的釋放，從而保護SH-SY5Y神經元免受活化小膠質細胞所致的炎癥損傷[43]。這些發現表明，雌激素和雄激素替代療法可能是一可以改善神經炎癥相關疾病中的認知和行為功能的治療策略。

3.2性激素對少突膠質細胞的調節 少突膠質細胞是中樞神經系統的髓鞘細胞，對神經回路的形成起著至關重要的作用[41]。髓鞘是脊椎動物神經系統中的一種基本細胞結構，其能顯著提高神經的信息處理速度和能量利用效率[44]，動態髓鞘的形成伴隨著大腦成熟和學習活動的全程。少突膠質前體細胞的增殖和分化有助于運動學習和獲取新的運動技能[43]，ER信號能增強髓鞘相關基因表達[43]。雖然類固醇激素對兩性髓鞘都必不可少，但睪酮和雌二醇在不同發育階段會男性和女性大腦產生的不同影響；PATEL等[45]認為這與年齡及不同大腦結構對激素影響的敏感性和反應性存在性別差異有關。YANG等[46]發現，在中青年Long-Evans大鼠的腦白質體積、有髓纖維體積和髓磷脂體積方面存在性別差異；雄性幼鼠的腦白質中髓鞘的體積、有髓神經纖維的體積和腦白質體積均顯著大于雌性幼鼠。然而，中年大鼠的情況與之相反。雄性大鼠腦白質內有髓纖維總長度的年齡相關變化和腦白質體積明顯高于雌性大鼠。上述結果為神經退行性疾病中白質變化的相關研究提供了基礎數據。

3.3性激素對星型膠質細胞的調節 星形膠質細胞是哺乳動物大腦中含量最豐富的膠質細胞[47]，通過調節神經傳遞、代謝物和活性氧，參與多種神經內分泌和代謝性疾病的過程[41]。星形膠質細胞是雌激素的靶點，同時表達ERα和ERβ，GPR30激動劑G1被證明可以防止活性星形膠質細胞丟失，促進芳香化酶和腦源性E2水平顯著提高，提高認知功能[48]。性激素對星形膠質細胞的影響是多方面的，E2能抑制或逆轉腫瘤壞死因子α、血管緊張素原、白細胞介素6等炎癥因子引起的炎性損傷[47]。WANG等[49]在去卵巢的雌性前腦神經元特異性芳香化酶敲除的雌性小鼠中發現其星形膠質細胞發生了活化和芳構化，其海馬E2水平降低，認知功能障礙加重。在完整的雄性小鼠身上也觀察到類似的結果。雌激素對星形膠質細胞的一些影響存在兩性異形。例如，E2能刺激星型膠質細胞提高胞質Ca2+水平，但是這種刺激對雄性的影響較小。此外，E2僅增加成年女性星形膠質細胞細胞膜上ERα的數量[47]。這些結果支持星形膠質細胞以兩性異形的方式對激素做出反應的假設。

4 結 論

性激素的作用涉及腦中多種多樣的功能，包括神經保護和抗炎作用、調節突觸可塑性、LTP、學習記憶、損傷誘導的反應性膠質增生和星形膠質細胞表型等。盡管在闡明大腦中性激素的作用方面取得了這些顯著的進展，但在學習記憶機制領域仍有許多問題需要進一步研究。突觸間信息的傳遞方面，雌激素和雄激素對突觸的建立作用顯著，它們可經腦內轉化變為相同配體E2作用于雌激素受體，然而卻又以不同的轉導機制產生不同效應；雄激素還可以作用于AR，而其產生的效應又可以被E2 R通路替代。有關E2在大腦中對突觸可塑性的作用，存在著相互矛盾的報道。但可以確定的是，性激素對學習記憶能力的發揮和增強有著激素性別依賴性和年齡依賴性。因此，未來關于E2在大腦中的作用和功能的研究應同時包括兩性，并盡可能進行直接比較，以便更好地闡明E2在學習記憶能力中的作用和作用的性別差異。另外，性激素缺乏與認知障礙疾病之間的緊密聯系也推動了激素替代療法應用于絕經后婦女和AD患者的研究。未來的研究還應包括雄激素功能調節劑的使用，因為雄性激素及其衍生物通過不同方式加速神經退行性進程。只有更好地了解這些因素，才能設計出個性化的預防策略和治療方法，以應對人口老齡化背景下認知功能障礙性疾病患病率不斷上漲的困境。