神經(jīng)元樹突棘病理學(xué)改變的研究進展

趙凱冰，臧建峰，崔占軍

1.開封大學(xué) 醫(yī)學(xué)部，河南 開封 475000；2.河南大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 開封475000

在大腦多數(shù)神經(jīng)元的樹突上都覆蓋有一些小的突起，稱為樹突棘。它是構(gòu)成眾多神經(jīng)元之間發(fā)生突觸連接的主要部位，也是神經(jīng)元興奮性突觸信息輸入的關(guān)鍵部位。樹突棘的分布和結(jié)構(gòu)在很多疾病包括各種形式的智力障礙性疾病中都會發(fā)生相應(yīng)的改變。一些研究人員發(fā)現(xiàn)許多不同的神經(jīng)系統(tǒng)智力障礙性疾病，其樹突棘的病理改變卻是相似的，基于這一現(xiàn)象，有人［1］提出多種類型的智力障礙是由于一個共同的原因即那些應(yīng)該具有許多樹突棘的神經(jīng)元形成樹突棘的能力低下所引起，樹突棘的這種病理改變可能會導(dǎo)致神經(jīng)元之間信息的傳遞出現(xiàn)障礙。

樹突棘的病理改變是多種因素共同作用的結(jié)果。樹突棘具有若干不同的功能［2-4］，對由于疾病、損傷以及實驗等所導(dǎo)致的極端條件下樹突棘改變的研究有助于我們理解樹突棘的這些重要的功能。作為形成突觸、進行細胞之間信息傳遞的主要部位，樹突棘在腦內(nèi)神經(jīng)元之間的連接中至關(guān)重要。隨著疾病的發(fā)展，樹突棘的形態(tài)亦發(fā)生相應(yīng)的改變，從而對腦功能產(chǎn)生明顯的影響。了解病理條件下樹突棘改變的可塑性，非常有助于我們理解大腦在學(xué)習(xí)、記憶過程中正常突觸的可塑性。

由于樹突棘是借助于光學(xué)顯微鏡就能看到的罕見的神經(jīng)元之間連接的結(jié)構(gòu)，因此得到了廣泛的研究［5-6］。在現(xiàn)有的研究條件下，一般的疾病對樹突棘結(jié)構(gòu)及分布的影響在光學(xué)顯微鏡下變化不明顯，只有非常嚴(yán)重的疾病才能導(dǎo)致中樞神經(jīng)組織的退化，例如重度營養(yǎng)不良、腦水腫時，在常規(guī)的電子顯微鏡下即可觀察到樹突棘結(jié)構(gòu)有明顯的變化。

1 樹突棘的正常生理狀態(tài)

1.1 樹突棘的形態(tài)結(jié)構(gòu)

神經(jīng)元樹突上突起的形態(tài)多種多樣，F(xiàn)iala 等［7］認定了九種中樞神經(jīng)系統(tǒng)中從神經(jīng)元樹突上發(fā)出的突起形成了突觸特化結(jié)構(gòu)。這些突起中既有單一的樹突棘，也有復(fù)雜的形成多個突觸的突起。單一的樹突棘是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要神經(jīng)元上的最常見的、數(shù)量最多的類型，也是病理學(xué)研究的焦點所在，本綜述主要圍繞單一的樹突棘進行。

單一的樹突棘通常包括一個球狀的頭和與樹突相連的狹窄的柄兩部分。樹突棘的柄部直徑、長度、體積和表面積會在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的變化，巨大樹突棘（通常稱蘑菇狀樹突棘）的頭部直徑可達1.0 μm，一般的樹突棘頸部的直徑是100～200 nm，有一些樹突棘頸部狹窄，其直徑只有40～50 nm，單一樹突棘在神經(jīng)氈密集區(qū)的長度一般小于2.0 μm。

1.2 樹突棘的發(fā)育

神經(jīng)元的樹突并不是一開始就有樹突棘。新形成的樹突缺乏樹突棘樣的突起，其形成的突觸也較少。在突觸形成早期，樹突上開始出現(xiàn)動態(tài)的指狀的突起，這些突起稱為絲狀偽足，它們可以和另一神經(jīng)元的軸突或軸突的絲狀偽足之間相互作用，逐漸形成新生的突觸［8-9］。此時的絲狀偽足具有高度的能動性，其全長可在10 min 內(nèi)完成伸展和收縮的運動［9-10］，絲狀偽足的長度一般要超過2.0 μm，其內(nèi)部布滿密集的肌動蛋白。

在絲狀偽足形成突觸的部位經(jīng)常會出現(xiàn)球狀的頭部，在一條絲狀偽足上可以出現(xiàn)多個球狀的頭部，形成多個突觸。因此，早期的樹突棘經(jīng)常形成多個突觸聯(lián)系，使得突觸發(fā)生期樹突棘的密度明顯增加。有報道［11］顯示，出生后15 d 海馬CA1 區(qū)錐體細胞的樹突上的樹突棘的密度是成年期的2 倍。隨著年齡的增長，樹突棘的密度相對降低，到成熟期穩(wěn)定于一定的水平。

1.3 樹突棘的超微結(jié)構(gòu)

人們對樹突棘內(nèi)的細胞器的研究相對較少，主要是因為這些結(jié)構(gòu)只能通過電子顯微鏡來觀察到。樹突棘中很少有線粒體，但可以觀察到其他的細胞器，比如許多樹突棘內(nèi)都有多聚核糖體［12-13］，有些樹突棘內(nèi)還有吞噬小泡，可能與細胞吞噬現(xiàn)象和細胞膜循環(huán)有關(guān)。在較大的樹突棘中偶爾可發(fā)現(xiàn)多泡體［14］，在一些樹突棘內(nèi)還出現(xiàn)了滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，小腦蒲肯野細胞樹突棘內(nèi)滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)比較常見［15］。樹突棘內(nèi)的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與樹突內(nèi)的網(wǎng)狀組織是相延續(xù)的［16］。較大的樹突棘內(nèi)所包含的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)往往具有特征性的分層結(jié)構(gòu)稱為棘器［17-18］。

樹突棘表面積、體積和突觸前小泡的數(shù)量都與所形成的突觸面積高度相關(guān)，而樹突棘的長度和柄部直徑與突觸大小無關(guān)［15，19-20］。突觸面積大約是棘頭表面積的10%～17%［7，15］，因此，大的樹突棘可形成較大的突觸。

2 樹突棘的病理變化

在通常情況下樹突棘的某些病理方面的改變比較常見，尤其是樹突棘的缺失和延長這兩種情況常見于先天性神經(jīng)發(fā)育不全、營養(yǎng)不良、酗酒、中毒和海綿狀腦病中。在不同的疾病情況下出現(xiàn)相似的樹突棘改變，提示我們是否存在共同的致病原因。例如，精神發(fā)育遲滯的樹突棘病理學(xué)是否與去分化的樹突棘病理學(xué)有相似的病因？

出現(xiàn)上述情況的原因可能是樹突和樹突棘固有的發(fā)育缺陷。這一假說將大多數(shù)智力低下患者的樹突棘病理解釋為病變神經(jīng)元的功能異常。但這種樹突棘的特征性改變模式在很多的病理條件下都被發(fā)現(xiàn)，所以不能簡單認為這些改變僅僅代表突觸后細胞的發(fā)育失敗。

在另一種假設(shè)中，在智力低下等出現(xiàn)的樹突棘病理學(xué)特征主要是由于傳入神經(jīng)元軸突的丟失所致。與急性去分化一樣，失去軸突突觸的樹突棘會收縮，樹突棘密度會降低。在某些情況下，樹突棘可能通過與神經(jīng)膠質(zhì)或非軸突終末成分的低親和力突觸樣連接而穩(wěn)定。受影響神經(jīng)元附近較低密度的軸突也可能刺激樹突棘的伸長，以到達更遠的軸突，從而形成新的突觸。

2.1 樹突棘密度改變

2.1.1 樹突棘密度降低

許多病理狀態(tài)都可導(dǎo)致樹突棘密度降低。樹突棘缺失通?？赡苁怯捎谠跇渫患吓c之形成突觸的軸突的缺失引起的，這種情況的樹突棘缺失一般發(fā)生在突觸前神經(jīng)元軸突缺失的幾天之內(nèi)，而且樹突棘缺失后很少發(fā)生恢復(fù)［21］。這種不可復(fù)性樹突棘缺失在大多數(shù)智力低下的患者中很明顯，尤其常見于產(chǎn)前感染、營養(yǎng)不良和毒素暴露的患者，樹突棘密度降低也多見于發(fā)育性疾病、酒精暴露、癲癇、朊病毒病和神經(jīng)退行性疾病。以上這些特定的病理情況可明顯減少神經(jīng)元的數(shù)量，從而出現(xiàn)突觸前神經(jīng)元軸突輸入的數(shù)量和可用性的嚴(yán)重下降，導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元樹突棘的大量丟失。在一些進行性加重的疾病中，樹突棘損傷是從軸突變性開始的，之后才可以檢測到神經(jīng)元的損傷［22-25］。此外，在沒有突觸前神經(jīng)元軸突輸入丟失的情況下，樹突棘也可能出現(xiàn)丟失。例如，在發(fā)情周期期間，海馬CA1 區(qū)錐體細胞頂端樹突上的樹突棘密度減少30%，可能與體內(nèi)雌激素的水平有關(guān)［26］。

2.1.2 樹突棘密度升高

疾病或損傷導(dǎo)致樹突棘密度增加的情況相對不多見，但也時有發(fā)生。在大腦許多區(qū)域正常的發(fā)育過程中，突觸數(shù)量會顯著增加，樹突棘密度相應(yīng)增加，然后選擇性修剪到正常成熟水平［27］。若破壞這種發(fā)育性修剪可能會導(dǎo)致樹突棘密度異常增加。例如，卵巢切除會破壞視覺皮層發(fā)育性突觸的修剪［28］，同樣對死于嬰兒猝死綜合征的尸體解剖中可現(xiàn)其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、迷走神經(jīng)核和延髓腹外側(cè)部的樹突棘密度過高，似乎代表著發(fā)育性突觸修剪的失?。?9-32］。同樣阿爾茨海默?。?3］和脆性X 綜合征［34］患者樹突棘密度增加的原因也可能是發(fā)育性突觸修剪的失敗。

發(fā)育過程中復(fù)雜的環(huán)境也可導(dǎo)致枕皮質(zhì)和海馬CA1 區(qū)錐體細胞上的樹突棘和突觸密度增加［35］。但復(fù)雜的環(huán)境不會增加胎兒酒精綜合征患者的樹突棘密度［35］。一些可導(dǎo)致樹突棘密度降低的因素，如胎兒酒精綜合征等，也降低了樹突棘由于復(fù)雜環(huán)境刺激導(dǎo)致密度增加的可能性。

2.2 樹突棘體積改變

研究表明，樹突棘的形態(tài)不僅依賴于傳入軸突（與樹突棘形成突觸的突觸前成分）的結(jié)構(gòu)完整性，而且還依賴于它們的功能完整性。為了證明以上觀點，研究者設(shè)計了視覺剝奪的實驗，通過瞼裂閉合完成的視覺剝奪的實驗顯示視覺皮層樹突棘密度的變化［36-40］。一些研究［39，41-42］表明，出生后就進行視覺剝奪會出現(xiàn)突觸和樹突棘體積減小，顯然，在視皮層沒有形成正常水平的功能性突觸的情況下，視覺剝奪會導(dǎo)致視皮層神經(jīng)元樹突棘體積減小，而樹突棘的數(shù)量保持相對不變。另外一些研究［43］顯示，在視皮層突觸形成過程中進行視覺剝奪會減少樹突狀突起的運動，而不會減少突起的大小或密度。還有一些研究［44-45］報道，精神分裂癥患者的紋狀體和唐氏綜合征嬰兒的運動皮質(zhì)中，神經(jīng)元樹突棘體積會減小。

2.3 樹突棘形態(tài)改變

許多智力低下的患者其主要神經(jīng)元大多出現(xiàn)樹突和樹突棘形態(tài)的扭曲。樹突棘出現(xiàn)異常的增長和曲折，有時還伴有多發(fā)性腫脹或出現(xiàn)增大的頭部等。一般來說，出現(xiàn)這種形態(tài)改變的樹突棘可能是對相應(yīng)軸突丟失的一種反應(yīng)。這種扭曲的樹突棘的形態(tài)與神經(jīng)元的早期發(fā)育狀態(tài)相似，其中樹突顯示出長的絲狀突起，有時伴有多個梭狀突起。這種智力低下時出現(xiàn)的類似于神經(jīng)元早期的發(fā)育過程狀態(tài)的細長樹突棘［8，46］的可能的機制是：在受影響的樹突附近出現(xiàn)軸突的密度降低，從而激發(fā)了類似于在神經(jīng)元發(fā)育過程中所見到的代償機制。在這種機制中，樹突棘拉長并蛇形穿過神經(jīng)氈以便到達更遠的軸突，形成突觸。

2.4 異位樹突棘

若樹突棘出現(xiàn)在通常沒有樹突棘存在的地方，可能表示神經(jīng)元處于一種持續(xù)的或追溯的發(fā)育狀態(tài)。與樹突絲狀體一樣，胞體棘突只在發(fā)育早期的一些神經(jīng)元上才能發(fā)現(xiàn)［47］。如橄欖腦橋小腦萎縮［48］、胎兒酒精綜合征［49］、門克斯?。?0］、局灶性皮質(zhì)發(fā)育不良［51］和傳染性海綿狀腦?。?2］等疾病中，浦肯野神經(jīng)元在異常發(fā)生之后出現(xiàn)胞體棘突。

異位樹突棘的其他原因包括異常的神經(jīng)支配模式和代謝儲存障礙等。實驗性癲癇的軸突萌動亦可導(dǎo)致齒狀回顆粒細胞上樹突棘異常［53］。此外，顆粒細胞胞體棘突可在癲癇發(fā)作開始后3 h 內(nèi)出現(xiàn)［54-55］，神經(jīng)節(jié)瘤?。?6］和鞘氨醇髓鞘脂肪?。?7］中發(fā)現(xiàn)異位樹突和棘突從軸突小丘處萌生。異位棘突的病因多種多樣，但一些異位棘突的出現(xiàn)可能表明代償性突觸形成是對軸突輸入喪失的一種反應(yīng)。

2.5 樹突棘細胞器的改變

在某些病理情況下樹突棘細胞器也會出現(xiàn)改變，目前在這一方面的研究程度遠落后于疾病中樹突棘分布情況的改變。棘器是在許多樹突棘中發(fā)現(xiàn)的一種細胞器，因此受到了研究人員廣泛的關(guān)注，它主要是由滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)構(gòu)成。缺氧／缺血使突觸后密度增加［58］，在去分化后的樹突棘中也觀察到了更高密度的核糖體［59］。在水腫狀態(tài)時偶爾可觀察到樹突棘棘器和細胞骨架的變化，水腫組織中常見的病理表現(xiàn)是樹突和樹突棘的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹和空泡化［60-61］。這種情況也見于慢性酒精濫用的浦肯野神經(jīng)元樹突棘。除了腫脹外，樹突棘棘器還可能變得細小或萎縮。還有研究發(fā)現(xiàn)，接受麻醉的動物的樹突棘棘器也會有減少。樹突棘細胞器的改變是由多種原因引起的，較常見情況是突觸后細胞的損傷所致。另外，突觸前谷氨酸過度釋放引起的興奮性毒性損傷可能也是主要因素。

3 樹突棘研究過程中存在的問題

通過各種方法獲取的研究數(shù)據(jù)絕大多數(shù)的人體組織來自死亡后材料，基本是用快速高爾基染色法分析。高爾基染色技術(shù)廣泛應(yīng)用于人與動物實驗中，適用于做出樹突棘密度的定性、定量分析。然而高爾基染色的不均勻性和光鏡下計數(shù)樹突棘的困難，無疑會導(dǎo)致一些實驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。因此，在這種情況下，為防止樹突棘的不完全染色或計數(shù)，得到可靠的結(jié)論，應(yīng)始終準(zhǔn)備對照組進行充分的比較。即便如此，樹突棘數(shù)量的微小增加或減少也很難被光學(xué)顯微鏡準(zhǔn)確檢測到。同樣的利用普通光學(xué)顯微鏡研究觀察樹突棘，用于量化樹突棘形狀、樹突棘頭部大小、樹突棘柄的長度和直徑以及突觸的大小、形狀和分布的變化，存在精準(zhǔn)性的問題。很少有更合適的三維技術(shù)被應(yīng)用到樹突棘觀察的這些問題上，因此，許多發(fā)現(xiàn)仍有爭議。

樹突棘研究中存在的另一個問題是研究對象死亡后腦組織的停藥和固定之間的時間間隔問題，若固定時間延遲會給神經(jīng)元的狀態(tài)帶來較大的改變。當(dāng)然，活檢材料由于固定迅速，肯定保存的會更好。無論如何，我們都必須考慮幾分鐘的缺氧以及可能的機械損傷的因素，因為它可能對樹突棘結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負面影響。

4 結(jié)語

目前研究的樹突棘病理分類主要有兩種類型。其中一種病理學(xué)表現(xiàn)為神經(jīng)元連接中斷，這種病理最常見的特征是樹突棘丟失和光鏡下常見的樹突棘形態(tài)紊亂；另一種病理學(xué)類型是樹突棘所在的神經(jīng)元損傷或改變，這種病理學(xué)的特點是樹突棘的超微結(jié)構(gòu)改變，如局部腫脹等，有時甚至可以用光學(xué)顯微鏡看到。

鑒于樹突棘在主要神經(jīng)元興奮性輸入中的中心地位，樹突棘病理學(xué)正在成為神經(jīng)病理學(xué)中一個異常重要的分支。研究樹突棘的病理學(xué)改變無疑將有助于進一步了解樹突棘的正常功能和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制。