精神分裂癥N400缺陷形成及消退中BDNF介導(dǎo)的神經(jīng)可塑性機(jī)制研究新進(jìn)展

上海交通大學(xué)附屬精神衛(wèi)生中心神經(jīng)生理室 陳興時(shí)溫州市第七人民醫(yī)院精神科 林小東

精神分裂癥在精神病學(xué)領(lǐng)域研究突破極少，因此近年來(lái)學(xué)科交叉研究被寄予厚望。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（National Science Foundation of China，NSFC）（2012）提出，NSFC將鼓勵(lì)臨床與基礎(chǔ)結(jié)合，鼓勵(lì)臨床醫(yī)生基于疾病現(xiàn)狀提出科學(xué)問(wèn)題，采用精神病理學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)、腦影像學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等交叉研究方法，從多個(gè)層次和多個(gè)角度進(jìn)行整合醫(yī)學(xué)研究（integrated medicine）。

目前學(xué)界普遍認(rèn)為，認(rèn)知損害這一固有癥狀在精神分裂癥病程中十分穩(wěn)定，其出現(xiàn)早于精神病性癥狀，也是獨(dú)立于陽(yáng)性和陰性癥狀之外的另一個(gè)核心癥狀[1]。本文作者前一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金研究提示：事件相關(guān)腦電位（event related potentials，ERP）中的聽(tīng)P300和N400是參與本病認(rèn)知缺損的關(guān)鍵因素之一[2]。定量化ERP可直觀地度量患者認(rèn)知功能缺損程度。在另一項(xiàng)目中，本文作者發(fā)現(xiàn)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）信號(hào)通路是本病認(rèn)知缺損形成過(guò)程中的重要分子基礎(chǔ)。然而還有疑問(wèn)未明，目前未知該通路是否參與精神分裂癥患者ERP的形成。上述兩個(gè)項(xiàng)目完成，催生了新的想法，即下一步通過(guò)整合臨床醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)和腦電生理學(xué)對(duì)精神分裂癥認(rèn)知性電位N400缺損的病理機(jī)制追根溯源。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)

精神分裂癥作為重要腦部疾病，已經(jīng)成為全球神經(jīng)生物學(xué)研究的主攻目標(biāo)。美國(guó)國(guó)立精神衛(wèi)生研究院（NIMH）現(xiàn)任主席Insel[3]指出：“經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的研究后，精神分裂癥成為臨床難題的根本原因是病因和發(fā)病機(jī)制至今不明。藥物治療近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)已有廣泛的應(yīng)用，然而并沒(méi)有多少證據(jù)表明這些治療已經(jīng)明顯改善多數(shù)精神分裂癥患者的結(jié)局。當(dāng)我們把精神分裂癥作為晚期出現(xiàn)精神病的神經(jīng)發(fā)育性障礙，并立足于疾病潛在的可預(yù)防階段時(shí)（特別是認(rèn)知），目前這些不能令人滿意的結(jié)局也許將會(huì)改變”。多學(xué)科交叉研究是學(xué)科發(fā)展的必然。

聚焦多學(xué)科交叉，交叉點(diǎn)又在何處？近年本病在以下的神經(jīng)通路缺陷環(huán)節(jié)上的證據(jù)逐漸清晰，成為研究本病發(fā)病機(jī)制的重要靶點(diǎn)（見(jiàn)圖1）[4-10]。然而對(duì)本病的信息調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)非完善。

圖1 精神分裂癥發(fā)病機(jī)制的重要靶點(diǎn)

臨床基礎(chǔ)研究如何從認(rèn)知領(lǐng)域入手？研究靶點(diǎn)上，本文作者在既往研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)ERP家族中選擇 N400成份發(fā)生的神經(jīng)發(fā)育假說(shuō)，探索N400缺陷形成中BDNF信號(hào)通路的作用機(jī)制。

N400：N400由美國(guó)學(xué)者Kutas和Hillyard在國(guó)際著名權(quán)威刊物《Science》上首先報(bào)道[11]。此后發(fā)現(xiàn)，在對(duì)詞和圖畫進(jìn)行命名、閱讀非預(yù)期詞、刺激詞在語(yǔ)音和拼寫方面發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，也可記錄到N400。Stekelenburg等[12]利用磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)對(duì)健康人的N400發(fā)生源進(jìn)行的研究顯示前額葉皮質(zhì)與N400關(guān)系密切，該區(qū)域結(jié)構(gòu)完整性可有效預(yù)測(cè)被試者N400相關(guān)認(rèn)知功能水平，提示N400發(fā)生源存在具體的解剖區(qū)域。最近一項(xiàng)針對(duì)精神分裂癥患者的腦影像研究顯示N400缺陷的發(fā)生源位于前額葉皮質(zhì)，提示N400缺陷可能是精神分裂癥內(nèi)表型（endophenotype）[13]。因此，N400作為一種精神分裂癥獨(dú)立表型，其潛在價(jià)值及敏感性已受到國(guó)際學(xué)術(shù)界高度重視[2,10]?，F(xiàn)有證據(jù)均提示該區(qū)域的神經(jīng)發(fā)育異?？赡苁蔷穹至寻Y的重要病因之一。因此，解析N400變化可為探索精神分裂癥發(fā)生機(jī)制提供重要線索[4,13]。

BDNF：BDNF在大腦發(fā)育中的作用毋庸置疑，現(xiàn)有神經(jīng)影像學(xué)研究均一致顯示BDNF在多數(shù)精神疾病腦發(fā)育異常中具有極其重要的作用。Meta分析顯示BDNF是精神分裂癥認(rèn)知缺陷最重要的易感因子[14]。關(guān)于BDNF通路在語(yǔ)言發(fā)展及N400改變中的作用機(jī)制，目前已經(jīng)逐漸清晰起來(lái)，近來(lái)有研究報(bào)道，體育鍛煉可以改善個(gè)體的語(yǔ)言學(xué)習(xí)功能及N400，其機(jī)制可能是通過(guò)影響B(tài)DNF含量起作用的[15]。另一項(xiàng)新近研究表明，通過(guò)多感覺(jué)通道的刺激可以改變腦卒中患者的語(yǔ)言功能和N400，可能也與BDNF含量改變有關(guān)[16]。

因此，N400與BDNF已成為腦電生理學(xué)和遺傳學(xué)中探索精神分裂癥認(rèn)知領(lǐng)域中具有代表性的指標(biāo)，以及當(dāng)前精神分裂癥發(fā)病機(jī)制研究中的新亮點(diǎn)[17,18]。目前研究相對(duì)一致的結(jié)果是BDNF是精神分裂癥認(rèn)知缺陷的生物學(xué)基礎(chǔ)，本文作者在前期研究中使用漢語(yǔ)成語(yǔ)進(jìn)行的腦電生理學(xué)研究顯示中國(guó)精神分裂癥患者普遍存在N400缺陷。這是否提示BDNF是精神分裂癥N400缺陷的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)？為此我們將對(duì)精神分裂癥N400缺陷形成中的BDNF通路作用機(jī)制進(jìn)行研究。

二、針對(duì)存在問(wèn)題提出解決方案

1. N400解決方案：人類依靠語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行思維，可以說(shuō)語(yǔ)言是思維的載體和工具。人類語(yǔ)言構(gòu)成的基本要素包括語(yǔ)音、詞匯和語(yǔ)法。語(yǔ)言的進(jìn)化與人類發(fā)展和民族演化密不可分，不同民族或地域的人均有特殊或不同的可理解性，從而形成多種語(yǔ)言和語(yǔ)系。特別需要指出的是，國(guó)際上常用的N400刺激物是以拼音語(yǔ)言特別是英語(yǔ)為目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，這種刺激范式與我國(guó)的慣用語(yǔ)文及生活習(xí)俗并不適應(yīng)。作為藏漢語(yǔ)系的一支，漢語(yǔ)與西方的印歐語(yǔ)系的語(yǔ)法存在明顯的不同，比如，漢語(yǔ)較印歐語(yǔ)系復(fù)雜，其文字為象形文字。漢字以形、音、義進(jìn)行表征，因不同筆畫的相互配置而有不同的構(gòu)形，不同的構(gòu)形形成不同的象形或形聲，有各自的發(fā)音和字義。漢字既可獨(dú)立成詞，又可集合成詞。通常兩個(gè)漢字組成一個(gè)詞，表達(dá)一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的概念。在漢語(yǔ)中，有機(jī)組合的四個(gè)漢字構(gòu)成成語(yǔ)，具有高于普通詞的表現(xiàn)力和現(xiàn)實(shí)概括力，可表達(dá)更為豐富的內(nèi)容。在漢語(yǔ)中，字的發(fā)聲有四聲之別，這與西方拼音文字明顯不同。國(guó)人通過(guò)選用適當(dāng)?shù)淖?、詞和成語(yǔ)組成語(yǔ)句，遵循漢語(yǔ)的語(yǔ)音、語(yǔ)法，配以俗語(yǔ)、諺語(yǔ)、俚語(yǔ)、成語(yǔ)的應(yīng)用，即可表述個(gè)體的思想和傳遞情感，顯示漢語(yǔ)具有高度的表現(xiàn)力和文學(xué)魅力。因此，漢語(yǔ)和英語(yǔ)的感知、理解機(jī)制，尤其是在理解語(yǔ)言時(shí)兩側(cè)大腦半球活動(dòng)的機(jī)制方面可能會(huì)有較大差異。世界上約1/6的人口，即10多億人口是以漢語(yǔ)作為母語(yǔ)。因此，通過(guò)運(yùn)用漢語(yǔ)特別字、詞和成語(yǔ)等設(shè)計(jì)創(chuàng)制出來(lái)的彩圖成語(yǔ)N400作為刺激材料，用于精神分裂癥發(fā)病的腦機(jī)制研究有較高的臨床和科研價(jià)值。

為了有利于研究成果的精神科應(yīng)用，增強(qiáng)科學(xué)研究的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，需要我們采用新的研究工具及創(chuàng)新的研究思路。這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)一些更為精巧的視、聽(tīng)雙分離實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)患者不同認(rèn)知功能缺損之間的重要證據(jù)[19]。

2. 認(rèn)知缺陷靶基因解決方案：Meta分析結(jié)果顯示BDNF是與精神分裂癥認(rèn)知缺陷關(guān)聯(lián)度最高的基因[4,6]。BDNF生理學(xué)效應(yīng)主要通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)觸發(fā)下游信號(hào)通路改變，影響特定腦區(qū)內(nèi)神經(jīng)元遷徙、突觸可塑性等異化神經(jīng)發(fā)育過(guò)程，導(dǎo)致精神分裂癥認(rèn)知缺損表型，因此我們本次研究著重探討B(tài)DNF信號(hào)通路。

BDNF的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路主要有2條，分別為絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）信號(hào)通路和磷酸肌醇-3-3激酶（phosphoinositide-3-Kinase, PI3K）/絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶信號(hào)通路。其中，MAPK通路在BDNF生理功能中起主要作用。MAPK通路在信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中起著極為重要的作用，控制著細(xì)胞的多種生理過(guò)程，如細(xì)胞發(fā)生、發(fā)育、凋亡等。細(xì)胞外信號(hào)通路由胞外調(diào)節(jié)激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase, ERK 1/2）負(fù)責(zé)[20]。胞內(nèi)外信號(hào)通路在不同刺激下發(fā)揮不同的作用[21]。雖然現(xiàn)有研究已明確BDNF信號(hào)傳導(dǎo)途徑，但這兩者在認(rèn)知缺陷發(fā)生和演化過(guò)程中的作用及其機(jī)制仍不明了，如：精神分裂癥認(rèn)知缺陷發(fā)生以及藥物療效究竟通過(guò)哪條通路起效？其中原因之一在于缺乏從前臨床過(guò)度到臨床研究的有效研究手段。轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)為解決這一困惑提供了有效的途徑。

3. 神經(jīng)可塑性解決方案：神經(jīng)可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的細(xì)胞機(jī)制。腦內(nèi)信息處理并非只是神經(jīng)元間化學(xué)物質(zhì)的傳遞與存儲(chǔ)，而是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜作用。神經(jīng)元可塑性對(duì)神經(jīng)環(huán)路的建立和控制腦的認(rèn)知功能及復(fù)雜行為具有重要作用。在宏觀上表現(xiàn)為腦功能、行為表現(xiàn)及精神活動(dòng)改變。在微觀上，表現(xiàn)為神經(jīng)元突觸、神經(jīng)環(huán)路的微細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的變化。突觸是神經(jīng)元之間的連接，是神經(jīng)信息傳遞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是神經(jīng)可塑性變化的敏感部位。突觸可塑性是指突觸在形態(tài)和功能上的改變，表現(xiàn)為突觸的反復(fù)活動(dòng)引致突觸傳遞效率的增強(qiáng)（易化）或降低（抑制），如長(zhǎng)時(shí)程突觸增強(qiáng)（long term potentiation, LTP）及長(zhǎng)時(shí)程突觸抑制（long term depression, LTD）[4,10]。

目前，研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)可塑性與精神分裂癥的關(guān)系多以神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子相關(guān)基因作為生物學(xué)標(biāo)志。然而，多項(xiàng)研究結(jié)果存在不一致性，其中原因之一在于神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子作為間接證據(jù)，無(wú)法直觀地呈現(xiàn)神經(jīng)可塑性在精神分裂癥發(fā)生進(jìn)程不同階段的狀態(tài)。對(duì)此，我們?cè)谏虾＝煌ù髮W(xué)醫(yī)工交叉項(xiàng)目的支持下，與廣州潤(rùn)杰醫(yī)療儀器有限公司共同開(kāi)發(fā)了一種評(píng)價(jià)人腦神經(jīng)可塑性新型技術(shù)—經(jīng)顱磁刺激/腦電圖技術(shù)（transeranidl magnetic stimnlation-electroencephalograph，TMS-EEG）。該技術(shù)利用單脈沖TMS在瞬時(shí)干預(yù)腦皮層連接功能中的有效性，將TMS設(shè)置為靶腦區(qū)簇神經(jīng)元的刺激模式[22]。同時(shí)，我們利用EEG收集TMS刺激后的神經(jīng)元反應(yīng)信號(hào)，該技術(shù)將TMS與EEG兩種手段結(jié)合來(lái)記錄TMS誘發(fā)電位，可以反映刺激后大腦的瞬間變化。由于目前 EEG時(shí)間分辨率已達(dá)到毫秒級(jí)，且空間分辨率也逐漸提高，目前已經(jīng)發(fā)展到64導(dǎo)或128導(dǎo)的高分辨率腦電。因此，EEG可覆蓋全腦，該技術(shù)對(duì)于腦區(qū)聯(lián)接以及腦網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)可塑性的狀況進(jìn)行直觀評(píng)估。在預(yù)初實(shí)驗(yàn)中，我們采用自編配對(duì)關(guān)聯(lián)刺激模式利用EEG記錄到TMS誘發(fā)的人腦前額葉皮質(zhì)LTP數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了臨床研究精神分裂癥患者腦皮質(zhì)神經(jīng)可塑性的可能。

4. 臨床藥物解決方案：主要參與者在前期動(dòng)物研究中發(fā)現(xiàn)在使用N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-Methyl-D-Aspartate Receptor，NMDAR）受體拮抗劑構(gòu)建的精神分裂癥模式動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)其認(rèn)知缺陷明顯，前額葉皮質(zhì)厚度顯著降低，并伴有LTP受損。經(jīng)過(guò)奧氮平治療后，類似缺陷可逆轉(zhuǎn)[4,23]。臨床研究顯示首發(fā)精神分裂癥患者外周血中BDNF含量顯著低于正常對(duì)照者，經(jīng)奧氮平治療2周后患者血液中的BDNF含量可顯著增加，與認(rèn)知改善呈線性關(guān)系。以上證據(jù)表明奧氮平對(duì)認(rèn)知缺陷的療效可能與改善神經(jīng)可塑性有關(guān)。因此，奧氮平作為工具藥物有助于研究精神分裂癥認(rèn)知缺陷的形成和逆轉(zhuǎn)機(jī)制。

三 、應(yīng)用前景

精神病學(xué)領(lǐng)域的瓶頸與醫(yī)學(xué)其他領(lǐng)域有很大差異，在那些領(lǐng)域中，診斷性和預(yù)防性的檢驗(yàn)更加完備。在精神病學(xué)這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，我們擁有一批發(fā)展比較完善的篩查方法和層次分明的臨床診斷工具，以及很多癥狀評(píng)估量表。但是那些在精神疾病診斷中加入生物標(biāo)記檢測(cè)的嘗試卻總是曇花一現(xiàn)。本文作者在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)（translational medicine）上已積累不少前期工作。我們的研究目標(biāo)之一是將標(biāo)準(zhǔn)化N400及TMS-EEG轉(zhuǎn)化成臨床應(yīng)用，即緊密結(jié)合臨床實(shí)踐工作中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因而科學(xué)研究離患者很“近”，應(yīng)用前景較好。

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