基于突觸可塑性探討針刺防治認知障礙的機制

崔佳節 陶利軍

認知障礙(cognitive impairment,CI)又稱認知缺陷,是一種學習、記憶和思維判斷的異常,導致學習、記憶障礙,影響患者的社會功能和生活質量,認知能力的建立與突觸可塑性密切相關[1]。突觸可塑性是調節認知功能的重要因素。在臨床上,針刺治療認知障礙療效肯定具有獨特的優勢。目前的研究表明,針刺治療認知障礙相關疾病如阿爾茲海默病(Alzheimer disease,AD)、和卒中后認知障礙(PSCI)等方面取得確切療效[2,3]。本文綜述了近年來基于突觸可塑性針刺防治認知障礙性疾病研究中的進展,重點介紹了在學習、記憶和認知等神經生理過程中起重要作用的分子機制及可能的相互關系。

1 突觸可塑性概述

突觸是神經元與效應器細胞之間相互接觸的結構,也是信息傳遞的關鍵部位,具有高度選擇性和穩定性。突觸可塑性是突觸在結構和功能上產生較為持久改變的現象,通過調節突觸前基因表達和蛋白質水平的變化,調控突觸的傳導和大腦高級功能。在生理條件下,這一過程與大腦發育、學習和與早期的記憶鞏固階段有關[4],在病理狀況下,它可能參與腦損害的恢復過程[5]。因此,研究突觸可塑性對一些神經系統疾病的防治及藥物開發具有重要意義。突觸的可塑性包括結構和功能的可塑性2個方面。

2 針刺對突觸結構可塑性的影響

突觸結構的可塑性主要包括2個方面:突觸超微結構變化和突觸相關蛋白的變化。

2.1 突觸超微結構的變化 突觸超微結構變化可影響突觸結構的可塑性,主要包括:(1)突觸連接的形成與降解; (2)突觸相關亞細胞結構的變化;(3) 結構參數的變化,如突觸間隙寬度和界面曲率等。宋長明等[6]研究發現,電針通過增加突觸數量,改善突觸超微結構,提高突觸可塑性改善大鼠空間學習記憶能力。樊竹等[7]研究發現,頭穴叢刺法可通過使突觸后致密物厚度和突觸間隙寬度增加,改善突觸的形態、促進神經元的修復有助于突觸效能的傳遞。王慧等[8]研究發現,電針治療組與模型組比較,大鼠海馬穿孔突觸百分數提高,突觸前后膜、突觸間隙較清晰,突觸后致密物厚度增厚,提示電針可以通過調控突觸超微結構變化,增強AD大鼠學習記憶能力。

2.2 突觸相關蛋白的變化

2.2.1 突觸素(synaptophysin,SYP):SYP與肌動蛋白相結合后,運輸突觸囊泡至突觸前膜釋放神經遞質參與突觸的可塑性[9]。Zhao等[10]發現,SAMP8小鼠腦微環境中突觸的數量和密度均有所降低,針刺可增加SAMP8小鼠海馬神經元SYP的表達,促進損傷細胞恢復,產生新的軸突和樹突增強突觸可塑性。Liu等[11]通過電針刺激MCAO模型大鼠百會、神庭穴,研究發現電針抑制了Jun 氨基末端激酶(JNK)和p38的激活,同時增強了缺血周圍區域細胞外調節蛋白激酶(ERK1/2)的活化,上述信號通路的激活上調了Bcl-2/Bax的比例,抑制神經元細胞凋亡。

2.2.2 突觸后致密蛋白-95( postsynaptic density protein-95,PSD-95):有研究表明 PSD-95蛋白561位點絲氨酸磷酸化可以調節構象開關和樹突棘結構可塑性[12]。另有研究發現,PSD-95的磷酸化對N-甲基-D-天門冬氨酸(NMDAR)依賴的長時程抑制(long term depression,LTD)誘導至關重要,自噬可能誘導PSD-95在LTD期間的降解,在突觸可塑性中起關鍵作用[13]。PSD95是學習記憶功能的關鍵參與者,大鼠海馬發育過程中控制Dlg4/PSD95基因表達,可以改善AD大鼠記憶缺陷,基因靶向確定可以為改善神經系統疾病導致的記憶障礙提供潛在研究方向[14]。Zheng等[15]研究發現,電針刺激誘導腦干5-羥色胺(5-HT)和去甲腎上腺素表達,促進腦源性神經營養因子(BDNF)分泌,調節神經遞質受體和PSD-95表達,增強神經保護作用。Cai等[16]研究發現,電針治療顯著改善了5XFAD小鼠的學習和記憶功能,并通過上調PSD-95的表達,抑制超微結構降解來改善小鼠的突觸可塑性。

2.2.3 生長相關蛋白-43 (growth associated protein,GAP-43):對突觸功能維持和遞質釋放都起著關鍵作用,與突觸可塑性和記憶功能密切相關[17]。并可作為AD患者突觸功能障礙潛在的潛在生物標志物[18]。徐磊等[19]通過電針刺激腦缺血模型大鼠內關、水溝穴發現,針刺通過增加缺血周圍皮層中GAP-43蛋白的表達,促進大鼠神經功能的恢復。韓清等[20]研究發現,電針后大鼠海馬區的CAP-43含量明顯增多,提示電針能誘導MCAO大鼠模型神經軸突再生和突觸功能重建。

2.2.4 腦源性神經營養因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF):是一種腦內合成,對中樞神經系統正常功能維持起重要作用的神經調節蛋白質,調節海馬突觸傳遞和突觸可塑性,改善受損的學習記憶能力,BDNF可以抑制tau磷酸化、減少Aβ等,可作為AD的診斷生物標志物,具有潛在應用前景[21,22]。Chen等[23]研究發現,針刺與康復訓練相結合可降低腦卒中患者的血流指數,增加患者血清中BDNF的含量,促進神經功能的恢復。Li等[24]采用頭針聯合運動療法觀察MCAO模型大鼠缺血區BDNF表達,結果顯示針刺組BDNF含量顯著增加,提示電針通過使缺血區BDNF的表達增加來減少神經元壞死和抑制細胞凋亡。Li等[25]研究發現,針刺可能通過激活BDNF/TrkB信號通路改善創傷性腦損傷后的神經恢復。與Pei等[26]所得研究結果相互印證,針刺可以通過調節海馬體中的BDNF/TrkB/Erk信號傳導來改善SD大鼠的空間記憶障礙。

1.2.5 N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methy-D-as-partic-acid,NMDA):NMDA受體是一種離子型的谷氨酸受體,主要分布在突觸后致密區,在神經系統發育,學習和記憶過程中發揮重要的生理作用,可通過誘導LTP形成影響突觸可塑性[27]。Zhang等[28]研究發現,MCAO模型組大鼠海馬體中GluN2B亞基的NMDA受體總體表達顯著增加,電針通過抑制GluN2B/m-Calpain/p38 MAPK促凋亡途徑抑制GluN2B受體的過度激活,阻斷NMDA受體介導的鈣離子內流途徑同時抑制腦損傷大鼠海馬體中的p38 MAPK磷酸化,增加神經元對腦缺血再灌注損傷的耐受性。D-絲氨酸(D-Ser)是一種生理性NMDA受體激動劑,在海馬CA1區突觸經典的NMDA受體依賴性LTP中有重要的作用并與突觸的可塑性密切相關[29]。血清 D-Ser水平作為AD的有價值且易于測定的生物標志物,用來評估疾病進展[30]。周穎等[31]研究發現,電針治療抑制了D-Ser含量的波動變化,使其呈現穩定的下降趨勢,同時降低了NR1蛋白表達水平,提示電針治療通過穩定缺血組織中D-Ser的波動以及調控NR1表達變化,改善腦缺血模型大鼠的神經功能缺損癥狀。

2.2.6 α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor,AMPA):AMPA受體介導中樞神經系統興奮性突觸傳遞,由GluR1～GluR4組成的復合物。Wang等[32]研究發現,電針作用于腦中動脈閉塞誘導的認知缺陷大鼠模型,通過激活5-HT1A受體和促進PKA激酶活性可能導致 NMDA/AMPA受體磷酸化,使細胞內鈣濃度增加,減輕MICD大鼠的腦組織損傷。內源性大麻素系統激活可以抵抗過度激活AMPAR引起的興奮性毒性,該效應與大麻素受體(CB1R)有密切關系[33]。Liu等[34]研究發現,電針組小鼠海馬體中的GluR2表達上調,提示電針通過CB1R調節下游海馬神經元GluR2的表達,誘導腦缺血耐受作用來改善缺血性認知障礙。

3 針刺對突觸功能可塑性的影響

突觸功能的可塑性是指被破壞的突觸傳遞功能被激發,包括長時程增強(LTP)和(LTD),二者被公認為是學習記憶活動的生理基礎,LTP的功能以合成和存儲新記憶為主,而LTD則是對記憶進行整理、遺忘,并且可以調節LTP[35]。NMDAR和AMPAR是產生和維持LTP和LTD重要遞質,在突觸后去極化過程中激活突觸后NMDA受體,導致鈣離子濃度上升,是LTP的必要觸發因素,突觸后AMPAR的數量和性質的變化也是突觸可塑性的基本機制[35,36]。

Yang等[37]研究發現,針刺減少活性氧的產生,使NMDA 2A受體的表達增加,影響LTP的產生和維持,增加了神經元的數量,改善MCAO模型大鼠的認知障礙。He等[38]通過針刺中風患者的曲池,內關穴,發現針刺可以調節人類初級運動皮層興奮性和LTP樣可塑性,LTP樣可塑性可以通過針刺在不同的時間點操縱來調節人體皮層的可塑性,改善患者癥狀。

4 突觸可塑性與神經膠質細胞

星形膠質細胞(AS)、小膠質細胞(MG)以及少突膠質細胞等是中樞神經系統(CNS)中主要的神經膠質細胞。在整個生命中不斷監視神經活動,塑造突觸可塑性。其與神經元以及周圍的血管等形成復雜的信息交換網絡,通過支持神經傳遞、神經系統的發生、維持細胞外離子平衡、絕緣軸突加速電信號傳導等,來影響CNS的穩態和功能[39]。

4.1 AS負責CNS的穩態和保護,通過支持神經遞質代謝、突觸發生、消除和突觸可塑性來調節神經元網絡的突觸連接,這些突觸可塑性有助于認知處理,包括學習、記憶、情緒和行為[40,41]。AS與突觸通訊作用主要體現在AS通過釋放改變突觸功能的遞質來促進突觸可塑性[42]。膠質纖維酸性蛋白(GFAP)是星形膠質細胞中間細絲的主要成分,腦損傷后GFAP的表達量增加,可作為AS的特征性標志蛋白,因此研究GFAP在腦疾病中的變化及其臨床意義具有重要意義[43]。Liu等[44]研究發現,在術后第1天通過GFAP免疫熒光染色評估POCD大鼠中星形膠質細胞的數量,模型大鼠GFAP陽性星形膠質細胞顯著增加,電針可以逆轉這一現象。

研究發現,AMPA、NMDA等谷氨酸受體也在星形膠質細胞中高表達,受體的成熟受AS的調控,可影響突觸的結構與功能,使突觸傳遞效率下降[45,46]。當腦組織發生缺血損傷時,過量的谷氨酸積聚可導致神經元凋亡和壞死,AS上的興奮性氨基酸轉運體1、2(EAAT1、EAAT2)可攝取突觸前神經元釋放的谷氨酸,將突觸間隙的谷氨酸維持在較低濃度,避免發生興奮性氨基酸毒性,海馬體和皮層中星形膠質細胞谷氨酸循環受損是AD的一個特征,與認知障礙有關[47]。有研究發現,電針處理增加了大腦皮層中的EAAT2表達,其可能通過提高EAAT2的表達來提高AS谷氨酸攝取功能,降低興奮性氨基酸毒性作用[48]。

4.2 MG MG和突觸處的神經元之間存在密切關系,可能通過促進突觸發生、調節突觸修剪、突觸消除和剝奪,影響突觸可塑性,在記憶和學習中起著復雜的作用[49]。改變MG的分枝狀,可導致突觸丟失和功能障礙[50]。MG對突觸可塑性的各種影響基于其促炎或抗炎作用以及小膠質細胞的狀態(靜止或激活)。在某些病理狀況下MG被異常激活并增加數量,遷移到炎性部位并分泌炎性因子,趨化因子和活性氧等促進或抑制神經元或突觸的損傷[51]。

核苷酸結合寡聚化結構域樣受體3(NLRP3)是一種炎性小體,在MG中表達豐富。Hou等[52]針刺SAMP8模型大鼠百會、足三里穴,發現電針治療可通過NLRP3/Caspase-1信號通路來抑制NLRP3炎性小體相關蛋白的表達,抑制小膠質細胞的激活,緩解其炎性反應。在中樞神經系統內,Toll樣受體(TLR)主要由小膠質細胞表達,TLR4激活會上調神經炎性并促進神經膠質瘢痕形成[53]。miRNA在許多神經炎性性疾病的發病機制中起著關鍵作用,據報道,在VD患者和MCAO誘導的缺血性中風大鼠中,miR-93的水平顯著升高,提示miR-93可能是缺血性腦損傷潛在的生物標志物[54]。Wang等[55]研究發現,針灸下調了海馬體小膠質細胞中TLR4的表達,針刺通過調節小膠質細胞中的TLR4/ MyD88/NF-κB途徑減輕腦缺血后神經炎性反應,改善認知功能。

5 突觸可塑性與自噬

自噬是一種由2層內質網膜組成的自噬溶酶體,將部分細胞質及細胞中待降解的蛋白質及細胞器包裹并溶解,選擇性自噬與細胞穩態和疾病的發展密切相關[56]。自噬在突觸之前和之后以不同的方式調節突觸功能。雷帕霉素在突觸前末梢通過抑制mTOR信號通路,上調自噬反應使突觸囊泡的數量減少,改變突觸前結構影響突觸功能[57]。而在突觸后自噬可嚴格調控突觸后相關蛋白的表達,Zhang等[58]觀察缺氧缺血對海馬神經元缺氧-葡萄糖剝奪(OGD)模型和 MCAO 模型小鼠的自噬和突觸結構的影響,發現缺血后出現功能性溶酶體儲存失調并伴有突觸功能障礙,表現為自噬短暫上調后出現溶酶體功能的紊亂,SYN1、SYT1、HPCA、TUBB3和 SNAP25等可塑性相關蛋白表達的減少和蛋白質穩態破壞的陸續發生。另有研究發現自噬可以通過直接降解突觸蛋白PSD-95,PICK1和SHANK3來調節突觸[59,60]。此外,突觸后受體,即γ-氨基丁酸A型(GABAA)受體和AMPA受體,已被證明會因自噬而降解[61,62]。提示自噬在突觸發育中扮演一個關鍵性角色。

BDNF是LTP的誘導劑,可以調節海馬神經元中的自噬。研究發現,抑制自噬可以改善小鼠因BDNF缺乏引起的LTP缺陷和記憶障礙,BDNF通過調控TrkB和PI3K/Akt途徑的信號轉導抑制體內自噬[59,60]。另有研究表明,神經元可以通過刺激PI3K-Akt-mTOR通路來抑制 NMDAR依賴的自噬,提示自噬對 NMDAR依賴的突觸可塑性及大腦功能有一定影響[62,63]。當線粒體自噬缺陷時可能會導致突觸前線粒體功能障礙,損害突觸穩態[64]。Yuan等[65]研究發現,BNIP3 L/NIX參與了腦缺血再灌注誘導的線粒體自噬。鐘曉勇等[66]研究發現,電針通過提高BNIP3L的表達激活線粒體自噬,減輕腦損傷和線粒體依賴的細胞凋亡。有研究發現,電針可能通過調控Pink1/ Parkin通路和mTOR-ULK1/ FUNDC1軸,提高自噬清除率,改善線粒體功能并減少腦缺血再灌注中的神經元損傷[67,68]。

綜上所述,針刺可以采取多途徑、多靶點來發揮腦保護的作用,且針刺具有操作簡便易行、經濟、安全的優點,值得推廣應用。理解認知過程與神經突觸可塑性的關聯,對大腦記憶、學習等生理活動與精神思想活動和情感心理活動等的關系指明了發展新方向,并可對臨床相關疾病治療研究提供新思路。