星形膠質(zhì)細(xì)胞在聽(tīng)覺(jué)形成及聽(tīng)覺(jué)中樞重塑中的作用*

陳祖華 張志敏 綜述 楊琨 審校

星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocyte,Ast)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一類具有輻射狀星形突起的細(xì)胞群體，是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的主要類型。星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在以下方面：通過(guò)神經(jīng)元細(xì)胞間隙中離子濃度的改變調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性[1]；通過(guò)縫隙連接與神經(jīng)元相互作用，并分泌多種神經(jīng)活性物質(zhì)，促進(jìn)神經(jīng)元的發(fā)育[2]；利用神經(jīng)活性氨基酸載體，調(diào)控突觸間隙神經(jīng)遞質(zhì)的攝取與清除，維持神經(jīng)元間突觸傳遞效能[3]；誘導(dǎo)成年神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)發(fā)生及突觸形成[4]；參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)感覺(jué)信息處理[5]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞在聽(tīng)覺(jué)形成與聽(tīng)覺(jué)中樞重塑過(guò)程中有著不可或缺的作用。為此，本文對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞在聽(tīng)覺(jué)形成及聽(tīng)覺(jué)中樞重塑中的作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 促進(jìn)鳴禽類動(dòng)物聽(tīng)覺(jué)腦干的成熟

鳴禽類動(dòng)物低位腦干的聽(tīng)覺(jué)核團(tuán)由位于延髓的巨細(xì)胞核(nucleus magnocellularis, NM)、角狀核(nucleusamgularls,NA)及層狀核(nucleus laminavis,NL)組成，前兩者構(gòu)成聽(tīng)覺(jué)上行通路的第一級(jí)中繼站，后者則為第二級(jí)中繼站，它們是禽類聲源定位時(shí)計(jì)算雙耳時(shí)差的重合探測(cè)器，禽類通過(guò)巨細(xì)胞核與層狀核的雙向傳遞完成聽(tīng)覺(jué)傳入和聲源定位。膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)是星形膠質(zhì)細(xì)胞所特有的細(xì)胞骨架蛋白，是后者公認(rèn)的特征性標(biāo)記物，在大腦受?chē)?yán)重生理刺激及病理?yè)p害時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞快速增殖，GFAP大量堆積，引起反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞肥大，這一過(guò)程可持續(xù)存在于任何受損部位[1]；與此同時(shí)，GFAP也是星形膠質(zhì)細(xì)胞參與膠質(zhì)瘢痕形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。2008年Korn等[6]通過(guò)特異性抗體和組織學(xué)標(biāo)記的方法，探究雞胚腦干發(fā)育過(guò)程中膠質(zhì)細(xì)胞的空間表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)GFAP陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞主要沿層狀核的腹側(cè)分布，其滲入層狀核的時(shí)間介于突觸發(fā)生之后成熟之前，且多個(gè)GFAP陽(yáng)性細(xì)胞直接結(jié)合在巨細(xì)胞核—層狀核的軸突和髓鞘堿性蛋白上，由此可推測(cè)，星形膠質(zhì)細(xì)胞可促進(jìn)聽(tīng)覺(jué)腦干中髓鞘的發(fā)生，進(jìn)而促進(jìn)聽(tīng)覺(jué)通路的成熟。

2011年Korn等[7]在研究星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌因子對(duì)層狀核的調(diào)節(jié)作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，樹(shù)突形態(tài)改變與聽(tīng)覺(jué)腦干中星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)GFAP的時(shí)間相吻合，前者主要表現(xiàn)為層狀核外側(cè)部初級(jí)樹(shù)突的延長(zhǎng)；另外，行層狀核神經(jīng)元的單染重復(fù)成像可發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞條件培養(yǎng)液可引起初級(jí)樹(shù)突在數(shù)量上以拓?fù)浞旨?jí)的方式減少，這與觀察到的正常發(fā)育過(guò)程相似；該研究證實(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)分泌因子調(diào)節(jié)聽(tīng)覺(jué)腦干神經(jīng)元樹(shù)突的數(shù)目，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性。此外，層狀核神經(jīng)元在接收巨細(xì)胞核的興奮性傳入信號(hào)之余，還可接收來(lái)自上橄欖核的抑制性傳入信號(hào)，后者在成年動(dòng)物對(duì)聲源定位的準(zhǔn)確性中起到重要作用。最新研究發(fā)現(xiàn)[8]，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌因子可調(diào)節(jié)禽類層狀核抑制性突觸的分布，以囊泡γ-氨基丁酸(GABA)轉(zhuǎn)運(yùn)作為抑制性突觸前神經(jīng)末梢的標(biāo)記物，通過(guò)免疫熒光技術(shù)檢測(cè)胚胎發(fā)育過(guò)程中抑制性傳入信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)免疫熒光染色首次出現(xiàn)在第9天胚胎的層狀核中，其表達(dá)隨胚胎的發(fā)育而增加，在13～15天和16～17天之間出現(xiàn)熒光染色密度顯著增加，此時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育成熟，且開(kāi)始有GFAP表達(dá)；研究者進(jìn)一步將第13天的腦干神經(jīng)元與取自第16天腦干的星形膠質(zhì)細(xì)胞條件培養(yǎng)液共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)囊泡GABA轉(zhuǎn)運(yùn)位點(diǎn)的密度顯著增加，且與正常發(fā)育過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象相似；這表明GFAP陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可能通過(guò)分泌細(xì)胞因子促進(jìn)聽(tīng)覺(jué)腦干中抑制性通路的成熟。

2 參與聽(tīng)覺(jué)中樞的損傷與修復(fù)過(guò)程

2.1參與噪聲損傷后小鼠耳蝸腹側(cè)核變性 神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-3(neurotrophin-3,NT3)在維持成人耳蝸核(cochlear nucleus, CN)突觸的穩(wěn)定性中起到非常重要的作用，當(dāng)耳蝸核組織發(fā)生變性，突觸大量損失時(shí)，耳蝸神經(jīng)末梢NT3的濃度相應(yīng)減少。

Feng等[9]通過(guò)小鼠噪聲損害模型來(lái)探究噪聲引起聽(tīng)力損失和耳鳴的機(jī)制，他們選擇具有可塑性且與NT3分布相關(guān)的后腹核作為研究對(duì)象，通過(guò)觀察其體積變化，并同時(shí)運(yùn)用光密度分析、顯微聚類分析等方法檢測(cè)神經(jīng)的變性；在噪聲暴露后第1周，星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)目顯著增加，此時(shí)耳蝸神經(jīng)末梢NT3的表達(dá)水平下降；第4周時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞繼續(xù)增加，但NT3的表達(dá)量有所回升；到第8周時(shí)，NT3的表達(dá)水平繼續(xù)下降。另外，免疫熒光染色顯示，NT3和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間可能存在連接[9]。研究者由此推測(cè)，噪聲暴露后期，幸存的耳蝸神經(jīng)纖維形成側(cè)支，與失神經(jīng)支配的神經(jīng)元胞體發(fā)生接觸，此時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌NT3，以代償損傷導(dǎo)致的耳蝸核變性。

2.2參與聽(tīng)覺(jué)中樞相關(guān)疾病的病理代償機(jī)制

星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖是機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)其損傷的一種較為顯著的反應(yīng)，其增殖導(dǎo)致神經(jīng)或膠質(zhì)瘢痕的形成以及膠質(zhì)界膜的重構(gòu)，但并非所有膠質(zhì)細(xì)胞都會(huì)在損傷后即進(jìn)入增殖周期。蛋白酪氨酸磷酸化可見(jiàn)于星形膠質(zhì)細(xì)胞的增生和分化過(guò)程，并在很多系統(tǒng)的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)中起到重要的作用；蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,SHP-1)在造血系統(tǒng)細(xì)胞分化過(guò)程中起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，并與多種生長(zhǎng)因子的促有絲分裂作用有關(guān)。

Sekiya等[10]發(fā)現(xiàn)前庭神經(jīng)鞘瘤患者在外科手術(shù)后聽(tīng)力水平逐漸下降，在探討該現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制時(shí)，他們選擇性壓迫小鼠橋小腦角的聽(tīng)神經(jīng)軸突，同時(shí)監(jiān)測(cè)聽(tīng)神經(jīng)復(fù)合動(dòng)作電位和聽(tīng)性腦干反應(yīng)，并于第1周和第8周對(duì)顳骨進(jìn)行免疫組化分析處理；其研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械損傷后聽(tīng)神經(jīng)及耳蝸核均有反應(yīng)性的膠質(zhì)增生，星形膠質(zhì)細(xì)胞突起從過(guò)渡區(qū)向聽(tīng)神經(jīng)外周部位大量生長(zhǎng)，且在耳蝸核以及神經(jīng)元胞體周?chē)?，肥大的星形膠質(zhì)細(xì)胞突起十分豐富；與此同時(shí)，壓迫部位及其鄰近部位的聽(tīng)神經(jīng)橫徑顯著下降，并開(kāi)始萎縮；由此可推測(cè)，手術(shù)損傷后的進(jìn)行性反應(yīng)性膠質(zhì)增生可引起聽(tīng)覺(jué)通路的功能障礙，這可能是前庭神經(jīng)鞘瘤手術(shù)后進(jìn)行性聽(tīng)力損失的主要原因之一。

2.3參與去傳入損傷導(dǎo)致的聽(tīng)覺(jué)中樞神經(jīng)元重塑 細(xì)胞外基質(zhì)參與病變引起的神經(jīng)元纖維變性、軸突生長(zhǎng)和突觸形成等可塑性過(guò)程。星形膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)中存在埃茲蛋白(ezrin)、唾液酸(polysialic acid) 、基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloprotease-9,MMP-9)和基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloprotease-2,MMP-2)，這四種蛋白參與損傷后中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的變性與再生[11]。

Fredrich等[12]在研究MMP-2參與耳蝸病變后的突觸重塑時(shí)，通過(guò)單側(cè)耳蝸損毀，觀察到MMP-2的分布發(fā)生了改變；與此同時(shí)，耳蝸腹側(cè)核神經(jīng)元的數(shù)量也出現(xiàn)增加；MMP-2的積累和生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43(growth-associated protein 43,GAP-43)的表達(dá)在時(shí)間和空間上一致，在突觸后神經(jīng)元以及星形膠質(zhì)細(xì)胞的介導(dǎo)下，MMP-2可被轉(zhuǎn)移到新增的GAP-43陽(yáng)性突觸末梢的區(qū)域。該研究表明MMP-2在病變引起的聽(tīng)覺(jué)中樞重塑中起重要作用，并提示與GAP-43直接相關(guān)的軸突生長(zhǎng)和突觸協(xié)同作用有關(guān)。其進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，傳入神經(jīng)阻滯引起MMP-2再分配與成年大鼠耳蝸核GAP-43陽(yáng)性軸突的存在密切相關(guān)[13]。

在Lurie[14]的研究中，通過(guò)檢測(cè)耳蝸損毀后一周內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞中埃茲蛋白、唾液酸、MMP-9和MMP-2的表達(dá)，并在耳蝸損毀術(shù)前通過(guò)注射紅藻氨酸將腹側(cè)核神經(jīng)元破壞，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞可促進(jìn)GAP-43陽(yáng)性軸突側(cè)支的發(fā)生，從而重新支配被阻滯的耳蝸神經(jīng)核，該研究證實(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞重構(gòu)，在神經(jīng)變性和突觸聯(lián)系喪失后重新支配的過(guò)程中起促進(jìn)作用。

3 參與聽(tīng)覺(jué)中樞的信息處理

聽(tīng)覺(jué)同視覺(jué)一樣，是機(jī)體重要的感覺(jué)系統(tǒng)，其功能的正常依賴于完整的聽(tīng)覺(jué)外周和聽(tīng)覺(jué)中樞功能的存在。研究表明[6]，在高頻電流、機(jī)械、創(chuàng)傷以及受體激動(dòng)劑等作用下，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)會(huì)發(fā)生鈣離子升高的現(xiàn)象，與此同時(shí)，也可引起相應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元的電活動(dòng)。星形膠質(zhì)細(xì)胞在聽(tīng)覺(jué)中樞對(duì)信息的處理中發(fā)揮著重要作用。

N-甲基-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體是配體和電壓雙重依賴的離子通道，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的突觸傳遞和突觸可塑性調(diào)節(jié)中起著重要的作用。興奮性信號(hào)由內(nèi)毛細(xì)胞的突觸前、后膜，傳遞到螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元，再通過(guò)蝸神經(jīng)至耳蝸核-上橄欖核-外側(cè)丘系核-下丘-聽(tīng)皮層，最終產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)活動(dòng)。作為聽(tīng)覺(jué)信號(hào)傳導(dǎo)的重要受體，NMDA受體廣泛存在于聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)通路的各級(jí)神經(jīng)元[15]，并隨聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)育發(fā)生動(dòng)態(tài)變化[16]。王淑玉等[17]的研究表明，大鼠出生后早期的聽(tīng)覺(jué)剝奪降低了聽(tīng)皮層NMDA受體蛋白的表達(dá)，由此可以推測(cè)，NMDA受體的表達(dá)與聲刺激存在一定的相關(guān)性。張靜等[18]的研究表明，離體培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞膜上存在NMDA受體，其激活可以升高細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度，這可能是星形膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元相互作用的重要途徑。Wang等[19]在探究星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)的生理作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)可激活Na+-K+-ATP酶，引起細(xì)胞外鉀離子濃度短暫的下降，從而導(dǎo)致神經(jīng)元超極化，抑制興奮性突觸的活性，降低興奮性突觸后電流頻率，增加突觸傳遞效能。這表明星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)Ca2+依賴的細(xì)胞外K+的攝取，調(diào)控聽(tīng)覺(jué)中樞神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的活性。Pap等[20]人也發(fā)現(xiàn)在膽堿能刺激下，小鼠耳蝸初級(jí)星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度發(fā)生改變，表明星形膠質(zhì)細(xì)胞在小鼠耳蝸神經(jīng)核的膽堿能調(diào)節(jié)中起到一定作用。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的谷氨酸能夠激活突觸NR2A亞型NMDA受體，從而促進(jìn)了突觸后膜α-氨基-3-羧基-5-甲基惡坐-4-丙酸(α-aminocyclopentane-1,3-dicarboxylate,AMPA)受體的轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致膜電位增強(qiáng)，最終影響神經(jīng)元的可塑性[21]。

綜上所述，星形膠質(zhì)細(xì)胞在聽(tīng)覺(jué)形成以及聽(tīng)覺(jué)中樞重塑過(guò)程可促進(jìn)鳴禽類聽(tīng)覺(jué)腦干的成熟、參與聽(tīng)覺(jué)中樞的損傷與修復(fù)、調(diào)控聽(tīng)覺(jué)信號(hào)的處理，其相關(guān)研究正逐漸經(jīng)歷由低級(jí)到高級(jí)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就星形膠質(zhì)細(xì)胞在大鼠視皮層發(fā)育及視覺(jué)中樞可塑性的作用已達(dá)成共識(shí)，而其在哺乳類動(dòng)物聽(tīng)覺(jué)中樞尤其是在聽(tīng)皮層的發(fā)育及可塑性中的作用和具體機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

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