家畜認知功能及其調(diào)控機制

遲長安，彭思祺，申長慶，王世成，涂靜怡，肖 雄，邱小燕*

(1.西南大學動物科學技術(shù)學院，重慶 400715； 2.西南大學動物醫(yī)學院，重慶 400715)

1 家畜認知功能及認知障礙概述

認知(cognition)是個體認識客觀世界的信息加工活動。廣義的認知包括感知、學習、記憶和決策，簡言之，就是個體通過一系列活動，如感覺、知覺、記憶、思維、想象和語言等獲取知識的能力或過程，這個過程就是認知過程。對動物而言，動物認知是指動物受到環(huán)境變化的刺激或應(yīng)激時，動物個體做出的關(guān)聯(lián)性學習和記憶，并做出適當?shù)臎Q定與反應(yīng)的能力。家畜的認知功能和認知學習行為也逐漸被研究，前期采用目前國際上公認并廣泛使用的羊認知功能的行為學表型測試方法——“認知識別測試”以及“左右空間Y-型測試”發(fā)現(xiàn)澳洲美利奴羊具有良好的認知識別能力，隨后研究發(fā)現(xiàn)，同群測試羊中大概有15%～20%的個體具有認知功能障礙，且認知障礙對其母性表達、繁殖性能和生產(chǎn)性能具有重要影響，近期在白絨山羊上開展的認知行為相關(guān)研究也獲得了類似的結(jié)論。除了羊，目前國內(nèi)外在豬、牛、馬等多種動物個體上也進行了認知識別相關(guān)研究。

家畜認知功能的調(diào)控非常復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，與認知功能關(guān)系較密切的腦區(qū)為前額葉皮質(zhì)和海馬。Gueniot等和Farfara等研究表明，認知障礙個體中，腦的損害是多位點、多層次的，涉及血腦屏障、血管、神經(jīng)元，即所謂的“神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)”。另外，最新研究表明，線粒體功能異常包括氧化應(yīng)激、Ca紊亂、動力學損傷及自噬缺陷，以及表觀遺傳修飾包括DNA修飾、組蛋白修飾和mRNA翻譯等均可能通過對大腦認知區(qū)域基因表達的改變等從而對認知功能的調(diào)控發(fā)揮重要作用。因此，本文就近年來國內(nèi)外在牛、羊、馬、豬等多個物種個體上進行的認知識別研究及其對畜牧生產(chǎn)和繁殖性能的影響進行綜述，并從“神經(jīng)血管單元”、表觀遺傳修飾和線粒體功能等方面對認知功能的調(diào)控機制進行了較為全面的闡述，為家畜認知行為和認知功能的深入研究提供重要的參考。

2 家畜認知功能及認知障礙的國內(nèi)外研究進展

2.1 牛的認知及認知障礙

2.1.1 牛認知功能的表型測試裝置 牛認知功能的測試裝置如圖1所示，走廊盡頭是一扇膠合板門(A、B之間)，門上有一扇23 cm×28 cm小窗戶?！芭嘤?xùn)師”留在門后面，門向識別測試區(qū)域敞開。該競技場遠端膠合板屏障高出地面40 cm，在初始培訓(xùn)期間，喂料箱被放置在A，在識別測試階段，喂料箱被放置在B。蓋子是可操作目標，懸掛在與眼睛水平的位置。用斜線標記的區(qū)域為“訓(xùn)練區(qū)”。測試牛在多次訓(xùn)練后是否能建立辨別食物的認知。

圖1 牛認知識別測試裝置的平面設(shè)計圖[15]Fig.1 Schema of cow cognitive recognition test apparatus[15]

2.1.2 牛認知功能的表型測試方法 被測試牛首先需為最后的識別測試任務(wù)做準備，包括4個主要步驟：1)習慣化：通過讓小母牛連續(xù)2 d進入訓(xùn)練小巷來完成，然后開始日常訓(xùn)練。在訓(xùn)練區(qū)內(nèi)放置一個飼料箱(圖1)，并記錄接近該區(qū)域的延遲時間，接近時間定義為小母牛頭朝著該方向穿過距離大門約1 m的小巷一側(cè)柱子的時間；2)點擊器訓(xùn)練：當牛接近飼料箱時，培訓(xùn)師用響片發(fā)出信號，表示將提供食物獎勵。在牛經(jīng)歷至少20對“咔嗒”與“谷物”的配對之后，開始學習操作反應(yīng)；3)操作性反應(yīng)和可變間隔訓(xùn)練：使用透明的藍色塑料蓋(8.25 cm×15.5 cm)，懸掛在牛眼睛水平的繩子上，作為目標。牛用嘴觸碰繩子或蓋子會得到獎勵，每次點擊后會得到最多10次谷物獎勵。一旦建立這一反應(yīng)，就引入了可變間隔(variable interval， VI)訓(xùn)練，這樣牛第一次觸到蓋子就會得到獎勵，之后就有一個沒有獎勵的間隔。引入可變間隔隨機產(chǎn)生，范圍為20～40 s，平均30 s (VI-30)；4)識別測試：一旦牛熟悉了VI-30訓(xùn)練，牛就被訓(xùn)練通過敞開的大門進入競技場，在那里進行識別測試以獲得獎勵。

從操作性反應(yīng)開始，所有牛在進入小巷時最多有6 min的時間接近訓(xùn)練區(qū)。如果他們未能進入訓(xùn)練區(qū)，他們將被送回原地。當牛完成訓(xùn)練后，引入辨別性刺激。這些刺激是牛必須從飼料箱上推開蓋子，由純白色塑料制成或覆蓋著一層紅色泡沫。它們的顏色和質(zhì)地都各不相同，紅色的泡沫蓋總是表示箱子里有谷物，因此是“正確的選擇”，而普通的白色蓋放在裝有稻草的箱子上，是“不正確的選擇”。以做出正確選擇與否以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標，統(tǒng)計分析認知識別能力的差異。

2.1.3 牛認知障礙對繁殖和生產(chǎn)性能的影響 研究表明，牛的認知障礙對其產(chǎn)奶性能、壽命和生產(chǎn)性能都具有不良影響。Neja等提取了11 629頭波蘭荷爾斯坦-弗里斯牛的產(chǎn)奶性能和壽命等數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，認知功能正常的牛在產(chǎn)乳性能方面更好，壽命也較認知障礙的牛要長。Choudhary等研究發(fā)現(xiàn)，穆拉水牛認知功能障礙導(dǎo)致卵巢循環(huán)性的恢復(fù)延遲，且體重、身體狀況和產(chǎn)奶量都有所下降。Vann等研究發(fā)現(xiàn)，牛的認知障礙對后代的性情、體重、日增重和母性表達均有不良影響。

認知障礙除了影響牛的繁殖性能和泌乳性能外，對其生產(chǎn)性能和胴體性能也有很大的影響。Bruno等研究發(fā)現(xiàn)，牛的認知障礙影響飼養(yǎng)牛的日增重和日增重指數(shù)。Olson等研究發(fā)現(xiàn)，與認知障礙的肥育母牛相比，認知正常的肥育母牛生長效率更快、飼料效率更高和胴體品質(zhì)更好。Cooke等研究發(fā)現(xiàn)，認知障礙的內(nèi)洛爾肉牛生長速度減慢，血漿皮質(zhì)醇濃度升高，青春期發(fā)育受阻。Braga等研究發(fā)現(xiàn)，認知障礙的內(nèi)洛爾公牛在日常飼養(yǎng)中表現(xiàn)出更大的行為反應(yīng)性，在面對壓力時有更強烈的應(yīng)激反應(yīng)。隨后Sant Anna等研究發(fā)現(xiàn)，與認知正常的內(nèi)洛爾公牛相比，認知障礙的內(nèi)洛爾公牛其胴體肉質(zhì)更差。White等研究發(fā)現(xiàn)，認知障礙對婆羅門牛的骨骼肌線粒體功能有一定的影響，但其內(nèi)在聯(lián)系還需要進一步研究。Caroline等研究發(fā)現(xiàn)，在放牧系統(tǒng)中，認知障礙影響內(nèi)洛爾牛的進食行為和生長性能。

2.2 羊的認知及認知障礙

2.2.1 羊認知功能的表型測試裝置 采用目前國際上廣泛使用的羊認知功能的行為學測試方法-“視覺認知識別測試(visual discrimination test)”和“空間認知識別及顛倒測試(spacial Y-test and reversal test)”。

2.2.1.1 視覺認知識別測試裝置：羊的視覺認知識別測試裝置(圖2)由2個相鄰的測試區(qū)(灰色和白色區(qū)域； 2.4 m×7.2 m)組成。測試裝置四周均用遮光布與外界隔離。每個測試小區(qū)域中間有隔板(圖2)，隔板末端的門可以向左右關(guān)閉(圖2虛線)，每個測試小區(qū)域中分別有兩種“刺激”(代表兩種顏色“藍色”和“黃色”裝有食物豆子的桶和空桶；顏色不同，但形狀一樣，一個裝有豆子，一個為空桶)。本測試目的在于測試羊在通過多次訓(xùn)練后是否能建立顏色與食物的聯(lián)系認知。

2.2.1.2 空間認知識別及顛倒測試裝置：空間識別測試裝置(圖3)由3個臂組成(A、B和C)，測試裝置四周均用遮光布與外界隔離。將裝有食物的盆放在B或C臂末端。本測試目的在于測試羊在通過多次訓(xùn)練后是否能建立左右與食物的聯(lián)系認知，從而記住哪個方向代表食物，進而在變化方向后即如原來左邊有食物，變?yōu)橛疫呌惺澄?顛倒識別，reversal learning)時，是否又能將右邊與食物聯(lián)系起來的這種左右空間識別認知能力。

2.2.2 羊認知功能的表型測試方法

2.2.2.1 視覺認知識別測試方法：被測試羊從“入口門”(圖2)進入。開始的訓(xùn)練階段是：先將“藍色”與食物相聯(lián)系，即如圖2第一個測試小區(qū)域(灰色區(qū)域)左邊“刺激”即藍色裝豆子桶，右邊“刺激”即黃色空桶，被測試羊在進入后，會面臨選擇，如果羊跑向左邊藍色桶，則立即將中間的鐵柵欄關(guān)閉，使羊在正確區(qū)域待上1 min，保證羊能吃到藍色桶的豆子；如果羊在進入后，錯跑向了右邊黃色空桶，同樣立即將中間的鐵柵欄向右關(guān)閉，給予1 min，讓羊發(fā)現(xiàn)右邊黃色桶中無豆子。羊完成第一個識別后，進入第二個測試小區(qū)域(圖2，白色區(qū)域)完成下一個識別，識別原理和過程同上。以整個一套(8次)測試中，被測試羊能6次直接跑向正確一邊，即要達到75%正確率視為羊?qū)W會了這種識別，具有簡單認知識別能力。以做出錯誤選擇的次數(shù)以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標，統(tǒng)計分析認知識別能力的差異。

圖2 視覺認知識別測試裝置的平面設(shè)計圖[1](根據(jù)Morton和Avanzo研究[2]改造而成)Fig.2 Schema of visual discrimination test apparatus[1] (based on Morton and Avanzo[2])

上述顏色識別完成后進行顛倒測試，即將原先“藍色桶裝豆子”顛倒改變成“黃色桶裝有豆子”，測試羊在一定數(shù)量訓(xùn)練后能不能將原先建立起來的藍色與食物的認知聯(lián)系轉(zhuǎn)變成黃色與食物的認知聯(lián)系，學會標準和統(tǒng)計指標同上。

2.2.2.2 空間認知識別及顛倒測試方法：被測試羊從“入口門”(圖3)進入，在通道(圖3中A臂)末端將會面臨左右(圖3中B臂和C臂)的選擇。開始的訓(xùn)練階段是：先將裝有食物的盆放在左邊B臂末端(C臂末端為空桶)。被測試羊在進入后，會看見B臂和C臂末端的桶，面臨選擇，允許被測試羊在3個臂之間來回走動(以每個臂的虛線為準判斷進入哪一個臂)。被測試羊如能連續(xù)4次跑向正確一邊(如裝食物盆在左邊，即左邊B臂為正確選擇)，視為羊?qū)W會了這種識別，具有簡單的左右認知記憶能力；反之，被測試羊?qū)W不會，其左右認知記憶功能障礙。以正確選擇前走錯臂的次數(shù)和做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標，分析認知能力的差異。

圖3 左右空間的識別記憶測試(Y-test)平面圖[1]Fig.3 Schema of the Y-maze apparatus[1]

上述左右識別記憶測試完成后進行顛倒測試，即將原先“左邊B臂放食物”顛倒改變成“右邊C臂放食物”，測試羊在一定數(shù)量訓(xùn)練后能否將原先建立起來的左邊與食物的認知聯(lián)系轉(zhuǎn)變成右邊與食物的認知聯(lián)系，經(jīng)過一定數(shù)量的反復(fù)訓(xùn)練(次數(shù)會比之前的稍多，因為要有一個發(fā)現(xiàn)原來的認知聯(lián)系錯誤，糾正，然后建立相反方向的認知過程)，學會標準和統(tǒng)計指標同上。

2.2.3 羊認知障礙對繁殖和生產(chǎn)性能的影響 研究表明，羊的認知障礙對其繁殖性能包括同期發(fā)情率、懷多胎比率以及后代存活率等方面都具有不良影響。前期研究發(fā)現(xiàn)，認知障礙的中國美利奴羊的排卵率和懷多胎比率顯著低于認知正常羊；認知障礙羊的母性表達包括對出生后羔羊的舔舐時間、允許羔羊的吮吸時間等均顯著低于認知正常羊，且認知障礙羊的后代死亡率顯著高于認知正常羊。Hart等研究發(fā)現(xiàn)，認知正常的母羊具有較高的同期發(fā)情排卵率和孿生率，在產(chǎn)后最初6 h內(nèi)，其初乳更黏稠，且免疫球蛋白G濃度更高、乳糖比例更大、乳脂濃度更低。Pajor等研究發(fā)現(xiàn)，認知障礙的母羊在產(chǎn)奶期產(chǎn)奶量較低，且斷奶前增重和斷奶體重較認知正常的母羊更低，且認知正常母羊的羔羊比認知障礙母羊的羔羊更平靜，具有更好的育肥性能。隨后又發(fā)現(xiàn)在育肥結(jié)束時，認知正常的羔羊皮質(zhì)醇濃度低于認知功能障礙的羔羊，且膽固醇和葡萄糖較低，日增重顯著增高。Gavojdian等研究發(fā)現(xiàn)，認知正常的杜泊羊母羊比認知障礙母羊更多產(chǎn)，活體重更高，母羊的小崽體型更大，出生至斷奶羔羊生長速度更快。

認知障礙除了影響羊繁殖性能和母性表達外，對羊的生產(chǎn)性能也有很大的影響。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，認知正常的湖羊，其羔羊的干物質(zhì)消化率較高，血清TNF-α水平較低, 總抗氧化能力、總超氧化物歧化酶活性、屠宰率、腰橫截面積、肌纖維密度、肉的最終pH以及羔羊育肥結(jié)束時體重和日增重均高于認知障礙的湖羊

2.3 馬的認知及認知障礙

2.3.1 馬認知功能的表型測試裝置 馬的認知識別測試裝置(圖4)由兩個面板(140 cm×90 cm×3 cm)組成，被放置在一個小圍欄中。在面板表面有兩個洞：右邊是一個黃色圓圈，左邊是一個藍色三角形(從動物的角度來看)，操作者(圖4中“人1”)手持有兩個胡蘿卜片，作為獎勵插入其中，被測試動物識別選擇。另一個操作員(圖4中“人2”，總是在動物的左邊)帶領(lǐng)馬至面板前面1.5 m，馬可以自由地從兩只手中選擇一只。

圖4 馬的認知測試模型[32]Fig.4 Schema of horse cognitive recognition test apparatus[32]

2.3.2 馬認知功能的表型測試方法 馬在兩個面板前(圖4)，在藍色三角形和黃色圓圈之間進行選擇。所有操作員停止任何互動，盡可能減少對馬做出選擇的影響。每匹馬都習慣于兩個面板，有一個預(yù)定的獎勵設(shè)置(當動物對設(shè)備或操作者表現(xiàn)出積極反應(yīng)時，就會給予獎勵)。在第一次(學習)和第二次(回憶)階段，訓(xùn)練馬面臨區(qū)分兩個幾何圖形并選擇黃色圓圈(通常在馬的右邊)。在第三次中，馬必須選擇相反的顏色圖形(顛倒；當位于馬的左邊的藍色三角形成為新的正確選擇)。第二次和第三次在同一天連續(xù)進行，從第一次后的2～3周連續(xù)進行。如果馬在2 min內(nèi)成功連續(xù)做出4個正確選擇，則被認為通過測試，具有這種認知識別能力，以做出正確選擇與否以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標，統(tǒng)計分析認知識別能力的差異。

2.4 豬的認知及認知障礙

2.4.1 豬認知功能的表型測試裝置 豬食物獎勵與顛倒學習測驗裝置(圖5)采用T型迷宮。獎勵的食物碗(直徑18 cm)只含有壓碎的香蕉或含有壓碎的香蕉和草莓醬。目的在于測試豬是否具有學習認知能力。

圖5 食物獎勵與顛倒學習測驗裝置平面設(shè)計圖[39]Fig.5 Schema of food reward and reverse learning test apparatus[39]

2.4.2 豬認知功能的表型測試方法 被測試豬在5 d的時間內(nèi)進行12次食物獎勵試驗，包括訓(xùn)練個體將隨機選擇的T型迷宮手臂(圖5)與食物獎勵(即用壓碎的香蕉作為誘餌的熟悉食物碗)相關(guān)聯(lián)。食物獎勵的位置在所有試驗中保持一致。為了盡量減少視覺和嗅覺的影響，在T型迷宮的對側(cè)臂(即錯誤臂)放置一個先前含有食物獎勵的非誘餌碗。在每次試驗中，豬通過位于中心的門進入迷宮，并記錄找到誘餌碗所需時間。如果豬在進入迷宮180 s內(nèi)找到食物獎勵，而沒有進入不正確的手臂，則認為豬“成功”識別了T型迷宮。在找到食物之前進入迷宮錯誤臂的個體被記錄為“不成功”。如果食物獎賞在進入迷宮后180 s內(nèi)未找到，則該個體被視為“未通過”試驗，給予180 s的最大潛伏期，并由一名研究人員輕輕引導(dǎo)其走向誘餌碗。為了確保豬持續(xù)測試的動力，從第六次試驗開始，在豬已經(jīng)習慣于圍欄中的新獎勵后，在食物碗中添加草莓醬(除了壓碎的香蕉)。

之后進入顛倒學習試驗，誘餌碗被重新定位到之前不正確的迷宮臂，而非誘餌碗被放置在之前正確的位置。同樣，記錄豬只發(fā)現(xiàn)帶誘餌碗所需的時間，進入第一只手臂的時間，進入每個手臂的次數(shù)。以做出正確選擇次數(shù)以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標，統(tǒng)計分析學習認知識別能力的差異。

2.4.3 豬認知障礙對繁殖和生產(chǎn)性能的影響 研究表明，豬的認知障礙對其繁殖性能及生產(chǎn)性能都具有不良影響。D’Eath等研究發(fā)現(xiàn)，與認知正常母豬相比，認知障礙的母豬在遇到陌生個體后表現(xiàn)出的攻擊性行為增加，導(dǎo)致皮膚損傷及生產(chǎn)性能的下降，嚴重影響豬的福利和經(jīng)濟效益。Yoder等研究了4 774頭白切斯特公豬、杜洛克公豬、長白豬、約克郡公豬和小母豬的核心群體來估計認知的品種差異及其與生產(chǎn)性能的關(guān)系，結(jié)果表明，不同品種豬的認知水平不同，認知障礙的豬體肥胖，腰深寬大，對瘦肉率有不利的影響，且生長較慢。認知障礙對豬與人類的互動行為方面也有所影響。Rault研究發(fā)現(xiàn)，認知正常的豬，腦脊液中含有更高濃度的催產(chǎn)素(OXT)，且與人類有更積極的互動，豬的福利方面較認知障礙豬也更好。

3 家畜認知功能的調(diào)控機制

3.1 “神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)對認知功能的調(diào)控

認知障礙個體中，腦的損害是多位點、多層次的，研究發(fā)現(xiàn)“神經(jīng)血管單元”(包括血腦屏障、血管、神經(jīng)元)對認知功能具有非常重要的調(diào)節(jié)作用。

3.1.1 認知障礙與血腦屏障的損傷 研究表明，若血腦屏障的屏障功能和轉(zhuǎn)運功能受損，個體對葡萄糖、鈉、鉀、膽堿和胰島素等重要物質(zhì)的通透性增加，引起腦微循環(huán)的血流動力學、微血管生化物質(zhì)以及神經(jīng)遞質(zhì)活性改變，甚至微血管閉塞，進而影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，最終影響認知功能。Takechi等在小鼠上的研究發(fā)現(xiàn)，血腦屏障的破壞或損傷導(dǎo)致小鼠認知功能障礙，Geng等也得出類似結(jié)論。血腦屏障的特異性結(jié)構(gòu)是血管內(nèi)皮細胞及其緊密連接，緊密連接由細胞骨架蛋白、跨膜蛋白和胞質(zhì)附著蛋白共同組成?？缒さ鞍装?種膜蛋白：閉鎖蛋白(occludin)、封閉蛋白(claudin)和黏著分子(junctional adhesive molecule, JAM)；胞質(zhì)附著蛋白有閉合小環(huán)蛋白ZO-1、ZO-2和ZO-3三種。研究顯示，血腦屏障被破壞時，緊密連接蛋白Occludin、Claudin-5、ZO-1等的表達均降低。因此，增加Occudin、Claudin-5、ZO-1等的表達，修復(fù)血腦屏障緊密連接有可能成為認知障礙治療或改善的有效途徑。

3.1.2 認知障礙與血管功能的損傷 研究表明，認知障礙的腦損傷修復(fù)過程中，神經(jīng)血管單元的多種細胞之間相互作用共同參與神經(jīng)血管的重塑。在外周血中存在一種細胞，是血管新生的重要物質(zhì)，稱為內(nèi)皮祖細胞(endothelial progenitor cells, EPCs)，可進一步分化為內(nèi)皮細胞而參與受損害血管內(nèi)皮的修復(fù)與血管新生。研究表明，認知障礙個體中存在EPCs數(shù)量的減少以及增殖能力、黏附能力和血管形成能力的下降。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，增加EPCs的數(shù)量可提高小鼠的認知功能。低氧誘導(dǎo)因子-1ɑ(hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1ɑ)和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)被認為是EPCs遷移增殖、血管新生重構(gòu)過程中起重要作用的2個因子。HIF-1ɑ是哺乳動物組織細胞在缺氧/缺血條件下產(chǎn)生的一種核轉(zhuǎn)錄因子，VEGF是HIF-1ɑ的下游靶基因。Zhu等研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1ɑ和VEGF能特異性促進內(nèi)皮細胞有絲分裂，增加血管通透性，促進EPCs增殖和新生血管形成。因此，增加EPCs數(shù)量及VEGF的表達來促進血管新生也有可能成為認知障礙治療或改善的有效途徑。

3.1.3 認知障礙與神經(jīng)元的損傷 神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)除了血腦屏障、血管，還有一個非常重要的構(gòu)成就是神經(jīng)元。眾多關(guān)于認知障礙的研究都表明，認知功能損傷的同時往往伴隨前額葉皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元的損傷。在小鼠/大鼠上的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)炎性因子(Fas-L、IL-6、iNOS、TNF-ɑ、MMP-9、MCP-1)和神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF、BDNF)參與神經(jīng)元的損傷和修復(fù)。那么神經(jīng)炎性因子或營養(yǎng)因子是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)元的可塑性和數(shù)量從而影響神經(jīng)元功能的呢？研究表明，神經(jīng)元突觸的可塑性與認知功能密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element-binding protein, CREB)參與認知和記憶相關(guān)蛋白的表達及新突觸生成，在神經(jīng)元再生和突觸形成等方面具有重要的調(diào)節(jié)作用。PI3K/PKB/CREB是CREB激活通路中非常重要的一條信號通路，PI3K(磷脂酰肌醇-3-羥激酶)活化后可激活PKB(蛋白激酶B)，使CREB磷酸化，增加突觸可塑性基因及相關(guān)蛋白的表達。研究表明，神經(jīng)營養(yǎng)因子通過PI3K/PKB信號通路參與神經(jīng)元細胞凋亡的調(diào)控，從而影響認知和學習記憶等相關(guān)功能。

3.2 表觀遺傳修飾對認知功能的調(diào)控

表觀遺傳失調(diào)可能導(dǎo)致大腦認知區(qū)域基因表達的改變，是認知功能障礙疾病的關(guān)鍵病理生理基礎(chǔ)之一。與認知功能調(diào)控相關(guān)的表觀遺傳修飾包括DNA修飾、組蛋白修飾和mRNA翻譯(micro-RNAs)等。

因此，DNA甲基化和羥甲基化在神經(jīng)元分化和功能過程中協(xié)調(diào)基因組結(jié)構(gòu)和基因表達水平，從而在大腦發(fā)育和記憶形成中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，它們的損傷與神經(jīng)發(fā)育密切相關(guān)，對認知障礙疾病的改善和治療有著至關(guān)重要的作用。

3.2.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾作為基因表達的表觀遺傳調(diào)控的一個主要機制，已經(jīng)成為探索治療認知功能障礙神經(jīng)退行性疾病病理基礎(chǔ)的研究熱點。乙酰化是組蛋白共價修飾的重要調(diào)節(jié)方式之一。研究表明，組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDACs)能使組蛋白的賴氨酸殘基去乙酰化造成組蛋白的低乙?；?，抑制核小體結(jié)構(gòu)的充分打開，從而抑制基因的轉(zhuǎn)錄。前期研究發(fā)現(xiàn)，HDACs引起神經(jīng)細胞組蛋白去乙?；?，造成組蛋白的低乙?；种屏松窠?jīng)細胞存活相關(guān)基因或突觸可塑性相關(guān)基因的表達，進而導(dǎo)致了記憶和認知功能缺損等一系列的病理變化。I類HDACs，尤其是HDAC1、HDAC2和HDAC8是抑制神經(jīng)炎癥，預(yù)防和治療認知功能障礙的潛在治療靶點。HDACs抑制劑(histone deacetylase inhibitors, HDACis) 由于能抑制組蛋白去乙酰化從而恢復(fù)或增加組蛋白乙?；剑虼擞型糜谡J知障礙的神經(jīng)疾病治療。近年來，幾種 HDACis包括丙戊酸(VPA)、丁酸(SB)、曲古菌素A(TSA)、伏立諾他(SAHA)、苯基丁酸鈉(NaPB)在國內(nèi)外已經(jīng)被應(yīng)用于認知損害性疾病模型中，且發(fā)現(xiàn)對認知損傷具有一定的恢復(fù)和改善效應(yīng)。Okado研究發(fā)現(xiàn)，類鋅指轉(zhuǎn)錄抑制物(POK家族)的許多重要分子，包括RP58(也稱為Znf238、Znp238和Zbtb18)，通過染色質(zhì)重塑和組蛋白去乙?；{(diào)節(jié)神經(jīng)元產(chǎn)生、遷移和成熟的各種生理過程。

因此，組蛋白修飾尤其是乙?；揎椩谡J知功能調(diào)控中發(fā)揮重要作用，組蛋白去乙?；敢种苿〩DACi為認知障礙疾病的治療提供了新的表觀遺傳機制和潛在的治療策略。

3.2.3 mRNA翻譯 研究表明，mRNA的降解或翻譯是通過與microRNAs相互作用而實現(xiàn)的。microRNAs(miRNAs)是一類新的短(18～25個核苷酸)單鏈非編碼RNA，參與基因表達的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。研究表明，miRNA對細胞生長、細胞凋亡、癌癥和與衰老相關(guān)的認知功能障礙具有調(diào)控作用。Liu等對認知障礙鼠側(cè)腦室注射miR-134-5p拮抗劑，發(fā)現(xiàn)其可以阻止突觸蛋白的丟失和認知功能障礙表型的形成。Wu等研究發(fā)現(xiàn)，認知障礙小鼠的miR-181a表達下降，過表達miR-181a可改善認知障礙。Sun等研究了miR-144在體內(nèi)外對認知功能的影響，發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)抑制miR-144可使神經(jīng)功能得到改善，尤其是認知功能障礙的改善；在體外，miR-144敲除通過增強細胞活力、抑制caspase-3活性以及降低認知相關(guān)蛋白水平來保護神經(jīng)元損傷。Tang等研究表明，miR-192-5p表達水平的上調(diào)改善認知障礙，增強認知功能。因此，miRNAs調(diào)控基因表達是治療或改善認知障礙的另一個有效途徑。

3.3 線粒體對認知功能的調(diào)控

3.3.1 線粒體氧化應(yīng)激和ATP缺失 研究表明，認知障礙疾病中的線粒體功能障礙來自于神經(jīng)元ATP水平的下降，與過量的自由基ROS產(chǎn)生有關(guān)，因此ROS的異常導(dǎo)致線粒體功能障礙是認知障礙疾病發(fā)病機制的重要因素。線粒體ATP合成酶是控制ATP產(chǎn)生、細胞信號和命運等細胞功能的關(guān)鍵樞紐。Cunnane等發(fā)現(xiàn),線粒體ATP合成酶由ATP酶抑制因子1(IF1)調(diào)節(jié)，Esparza-Moltó等通過在小鼠神經(jīng)元中切除或過度表達IF1來控制線粒體功能和線粒體活性氧(mtROS)的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)IF1劑量可以調(diào)節(jié)線粒體代謝、突觸功能和認知，IF1的消融會損害記憶，而IF1的過度表達會增強突觸傳遞和學習能力。因此，阻斷ROS恢復(fù)ATP合成酶的活性，可以成為改善線粒體功能從而治療認知功能障礙性疾病的新策略。

3.3.2 線粒體Ca紊亂 研究表明，Ca在重要的神經(jīng)元過程如分泌、代謝調(diào)節(jié)、突觸可塑性、增殖和凋亡中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。Diaz-Juarez等研究發(fā)現(xiàn)，游離線粒體鈣濃度是激活線粒體呼吸鏈復(fù)合物和ATP生成的基礎(chǔ)，且可調(diào)節(jié)關(guān)鍵線粒體脫氫酶的活性，線粒體Ca除了可調(diào)節(jié)參與三羧酸循環(huán)(TCA)的Ca敏感脫氫酶的活性從而直接控制ATP合成的作用之外，線粒體基質(zhì)中過多的Ca濃度會升高線粒體活性氧水平，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的開放，釋放細胞色素c到細胞質(zhì)中，最終觸發(fā)內(nèi)源性凋亡，因此細胞Ca穩(wěn)態(tài)對認知功能至關(guān)重要。Kostic和Sekler發(fā)現(xiàn)，線粒體Ca單轉(zhuǎn)運蛋白(MCU)及關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子線粒體Ca攝取蛋白(MICU1、MICU2和MICU3)、MCU調(diào)節(jié)亞單位b(MCUb)、必需MCU調(diào)節(jié)因子(EMRE)和線粒體Ca單轉(zhuǎn)運蛋白調(diào)節(jié)因子1(MCUR1)在介導(dǎo)線粒體Ca穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。

Zhang等研究表明，下調(diào)MCU相關(guān)信號通路，抑制神經(jīng)元的凋亡，可以實現(xiàn)腦保護作用。Calvo-Rodriguez等以神經(jīng)元線粒體為靶點研究發(fā)現(xiàn)，在腦β-淀粉樣變性轉(zhuǎn)基因小鼠模型中線粒體Ca水平升高與斑塊沉積和神經(jīng)元死亡相關(guān)，Aβ積累通過線粒體Ca單轉(zhuǎn)運體(MCU)復(fù)合物誘導(dǎo)體內(nèi)線粒體Ca過載，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。Fross等研究表明，抑制鈣蛋白酶激活可防止神經(jīng)元細胞骨架蛋白斷裂和神經(jīng)元細胞死亡，表明鈣蛋白酶激活是外周神經(jīng)退行性病變的關(guān)鍵執(zhí)行者。因此，線粒體鈣(Ca)動力學作為校準細胞能量學和生存功能的關(guān)鍵決定因素之一，是研究認知功能障礙疾病的重要機制，而MCU復(fù)合物抑制和阻斷mPTP的激活可能成為認知功能障礙疾病新的治療方法。

3.3.3 線粒體動力學損傷及自噬缺陷 線粒體在形狀、大小、數(shù)量和位置上是處于動態(tài)變化中的。線粒體的質(zhì)量和穩(wěn)態(tài)通過裂變(分裂)和融合維持，裂變與融合是線粒體生物學和質(zhì)量控制的基本方式。Stanga等研究表明，線粒體動力學缺陷(如裂變和/或融合過程的紊亂)可導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。在線粒體動力學的中心階段，動力相關(guān)GTP酶(GTPases)驅(qū)動線粒體分裂和融合，維持線粒體分裂和融合之間的平衡。裂變由GTPases動力相關(guān)蛋白-1(Drp1)和動力蛋白-2(Dyn2)執(zhí)行，而GTPase蛋白絲裂分裂蛋白-1(Mfn1)、絲裂分裂蛋白-2(Mfn2)和視神經(jīng)萎縮1型(OPA1)蛋白促進聚變。Duboff等研究發(fā)現(xiàn),Drp1向線粒體的募集是裂變的關(guān)鍵步驟，而Drp1向線粒體的定位募集受到肌球蛋白II調(diào)控。因此，調(diào)控線粒體分裂和融合可以成為改善線粒體功能,治療認知功能障礙的新策略。

同時，線粒體的不斷更新對于維持健康線粒體的數(shù)量至關(guān)重要。Cai和Jeong研究發(fā)現(xiàn)，線粒體數(shù)量和大小增加的過程是通過一種線粒體自噬機制完成的，線粒體自噬是一種選擇性的自噬，是線粒體質(zhì)量數(shù)量控制的關(guān)鍵途徑，有缺陷的線粒體被隔離成自噬體進行隨后的溶酶體降解。線粒體自噬功能障礙影響細胞的蛋白質(zhì)穩(wěn)定，從而對記憶和認知造成損傷，與衰老和許多認知功能障礙類疾病密切相關(guān)。PTEN (磷酸酶-張力蛋白)誘導(dǎo)的激酶蛋白1(PINK1)-Parkin(E3泛素連接酶)介導(dǎo)的線粒體自噬是研究最廣泛的線粒體吞噬途徑，當線粒體因細胞應(yīng)激而受損時，其內(nèi)膜發(fā)生持續(xù)去極化，導(dǎo)致線粒體膜電位的丟失，穩(wěn)定線粒體外膜(OMM)中的PINK1。PINK1磷酸化Mfn2(絲裂分裂蛋白-2)，然后刺激泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)，反過來，將Parkin招募到線粒體外膜(OMM)，進一步促進了受損的線粒體被吞噬，形成線粒體吞噬體，最后通過溶酶體去除，維持線粒體質(zhì)量控制。因此，穩(wěn)定線粒體中的PINK1，促進受損線粒體降解，維持線粒體健康與更新有望成為認知功能障礙治療的新方向。

4 總結(jié)與展望

國內(nèi)外越來越多的研究開始關(guān)注家畜認知行為和認知功能。目前，已在豬、馬、牛、羊上開展了認知相關(guān)的研究，雖然表型測試裝置和方法有細微區(qū)別，但測試原理大致一樣，均是通過食物誘導(dǎo)，訓(xùn)練并測試動物將食物與左右空間、物體顏色、形狀等的聯(lián)系識別和認知記憶能力，且家畜的認知障礙均影響其繁殖性能、生產(chǎn)性能和動物福利。

家畜認知功能的調(diào)控非常復(fù)雜，本文從“血管神經(jīng)單元”、表觀遺傳修飾和線粒體三方面較為全面地闡述了認知功能的調(diào)控機制(圖6)。但認知障礙致病因素及發(fā)病機制非常復(fù)雜，還有待更深入的研究來揭開復(fù)雜的認知功能調(diào)控過程。

圖6 認知功能的調(diào)控機制Fig.6 Regulation mechanisms of cognitive function