精神分裂癥動(dòng)物模型發(fā)病機(jī)制研究*

李永豐 陳帥 喬海法 楊曉航

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院針?biāo)幗Y(jié)合創(chuàng)新中心，陜西 咸陽 712046)

精神分裂癥終生患病率約為1%。該病的癥狀復(fù)雜多樣，包括陽性癥狀、陰性癥狀以及認(rèn)知障礙等。雖然，陽性癥狀可以用抗精神病藥治療，但陰性癥狀和認(rèn)知缺陷易復(fù)發(fā)。因此，對(duì)精神分裂癥新的治療需深入了解病理生理機(jī)制。隨著研究深入發(fā)現(xiàn)神經(jīng)環(huán)路異常形成和功能失?？赡苁侵饕?，但精神分裂癥背后神經(jīng)環(huán)路異常的本質(zhì)仍不清楚，研究動(dòng)物模型會(huì)更有利于對(duì)機(jī)制的理解，多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)可用于動(dòng)物模型研究神經(jīng)環(huán)路功能。動(dòng)物模型可檢測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)因素(如基因突變)對(duì)神經(jīng)環(huán)路的影響，或者對(duì)疾病病理生理進(jìn)行檢測(cè)。多種精神分裂癥動(dòng)物模型已揭示該疾病相關(guān)遺傳和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素以及病理生理機(jī)制，行為特征到疾病癥狀的失調(diào)，了解行為障礙潛在機(jī)制，在整體解剖學(xué)、神經(jīng)元形態(tài)學(xué)水平、神經(jīng)遞質(zhì)、腦結(jié)構(gòu)功能等方面進(jìn)行研究。神經(jīng)結(jié)構(gòu)、功能的改變是如何影響神經(jīng)環(huán)路的功能，即它是如何傳遞和處理信息并最終控制行為，神經(jīng)環(huán)路功能障礙可能是行為異因素。因此，用各種電生理方法去研究動(dòng)物模型中神經(jīng)環(huán)路功能，目的是研究精神分裂癥動(dòng)物模型神經(jīng)環(huán)路功能障礙以及有關(guān)應(yīng)用，總結(jié)現(xiàn)有精神分裂癥模型的生理功能的共同生理機(jī)制，為未來研究提供新理論基礎(chǔ)。

1 動(dòng)物模型在精神分裂癥研究中的作用

動(dòng)物模型研究中，環(huán)境和遺傳因素都會(huì)增加精神分裂癥的發(fā)病率。該病是神經(jīng)發(fā)育障礙疾病(與神經(jīng)退行性疾病相反)，成年后出現(xiàn)神經(jīng)環(huán)路功能障礙。然而，神經(jīng)環(huán)路功能障礙仍不清楚，多項(xiàng)研究已揭示患者大腦整體結(jié)構(gòu)細(xì)微變化，包括腦室增大和皮質(zhì)厚度減少，以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變。精神分裂動(dòng)物模型在靜止和任務(wù)執(zhí)行過程中，大腦網(wǎng)絡(luò)激活都存在異常，且與疾病癥狀的嚴(yán)重程度直接相關(guān)。動(dòng)物模型記錄神經(jīng)環(huán)路的變化，揭示神經(jīng)元及突觸連接的精細(xì)結(jié)構(gòu)，單個(gè)神經(jīng)元或大型神經(jīng)元群的活動(dòng)被精確檢測(cè)。多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)可檢測(cè)完整大腦的神經(jīng)元活動(dòng)水平，從而使神經(jīng)環(huán)路的功能與行為輸出直接相關(guān)，光遺傳學(xué)方法操控神經(jīng)元活動(dòng)在時(shí)間精度和特定細(xì)胞類型上成為可能，從而獲得神經(jīng)環(huán)路對(duì)行為調(diào)控的了解，在各種神經(jīng)環(huán)路如何調(diào)節(jié)認(rèn)知行為和動(dòng)物模型中神經(jīng)環(huán)路功能障礙取得重大進(jìn)展[1]，但不可能涵蓋精神分裂癥所有的癥狀。因此，本文采用幾種不同模型：①建立模型，使動(dòng)物暴露于某些遺傳或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素中，這些因素使個(gè)體容易患上該疾病，被認(rèn)為具有“結(jié)構(gòu)效度”。人類中發(fā)現(xiàn)基因突變可在小鼠以相對(duì)較高的相似性重建，因此遺傳小鼠模型可被認(rèn)為具有良好的結(jié)構(gòu)有效性，特別是在突變與疾病風(fēng)險(xiǎn)大幅增加有關(guān)的情況下，例如母體感染[2]；②據(jù)患者觀察到的異常情況，如多巴胺(dopamine，DA)受體表達(dá)增加，重建該病可能的病理生理機(jī)制，是否是疾病過程或者是治療的副作用，在動(dòng)物身上對(duì)它們進(jìn)行建模揭示疾病癥狀的潛在因果作用；③神經(jīng)發(fā)育模型在出生前或出生后不久干擾神經(jīng)發(fā)育，并檢測(cè)對(duì)成年后功能的影響，是精神分裂癥神經(jīng)發(fā)育障礙的前提。盡管不同的精神分裂癥建模方法在結(jié)構(gòu)效度方面有所不同，但它都檢驗(yàn)特定疾病相關(guān)干擾對(duì)神經(jīng)環(huán)路和行為的影響，疾病癥狀很可能是多種遺傳和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素共同作用的結(jié)果。精神分裂癥動(dòng)物模型顯示出該疾病的外在表現(xiàn)被稱為“表面效度”。同時(shí)，顯示出疾病的“內(nèi)表型”，在精神分裂癥患者中發(fā)現(xiàn)的異常，如表現(xiàn)出受損的“前脈沖抑制(prepulse inhibition，PPI)”，它衡量的是一種聲音抑制對(duì)隨后響聲的驚嚇反應(yīng)的能力。雖然電生理內(nèi)表型反映了行為障礙，但也有其它異常，包括腦結(jié)構(gòu)(例如，腦室擴(kuò)大)或電生理現(xiàn)象。

2 神經(jīng)環(huán)路功能障礙的生理機(jī)制

動(dòng)物模型研究通常集中在一個(gè)或幾個(gè)大腦區(qū)域，而選擇研究哪個(gè)大腦區(qū)域通常由兩個(gè)因素決定：①精神分裂癥患者大腦區(qū)域功能失調(diào)集中在海馬(Hippo-campus，Hip)和內(nèi)側(cè)前額葉(medial prefrontal cortex，mPFC)并發(fā)現(xiàn)患者其結(jié)構(gòu)和功能存在異常；②觀察到異常行為可能表明特定大腦區(qū)域的功能障礙。動(dòng)物模型的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可在幾個(gè)不同的層次檢查神經(jīng)環(huán)路的功能，可從單個(gè)神經(jīng)元突觸功能的改變到行為變化，所有藥物治療都直接影響突觸傳遞。在體外檢測(cè)到的異常如何影響完整大腦的功能并導(dǎo)致行為異常是復(fù)雜的，在體內(nèi)測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，最好是在清醒行為的動(dòng)物中是至關(guān)重要的。揭示神經(jīng)元是如何對(duì)感覺刺激做出反應(yīng)，以及神經(jīng)活動(dòng)在大腦區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的協(xié)調(diào)，在執(zhí)行任務(wù)的動(dòng)物身上檢測(cè)可將大腦活動(dòng)異常與行為障礙直接聯(lián)系起來，并可與患者腦電活動(dòng)進(jìn)行比較。然而，最終在體內(nèi)檢測(cè)到的異?？赡苁窃诜肿铀缴习l(fā)現(xiàn)的異常結(jié)果，而這些異?？稍隗w外更好地檢測(cè)到。因此，充分理解精神分裂癥動(dòng)物模型中神經(jīng)環(huán)路功能障礙，需要整合兩個(gè)層次的分析結(jié)果。在每個(gè)分析層次上，電生理分析可用于檢查神經(jīng)環(huán)路功能的不同方面，并揭示動(dòng)物模型中的“電生理表型”。離體腦片檢測(cè)神經(jīng)元如何將突觸輸入轉(zhuǎn)換為動(dòng)作電位(action potential,AP)輸出。細(xì)胞突觸輸入的強(qiáng)度可通過刺激突觸前傳入或量化自發(fā)突觸電流來測(cè)量?？梢詼y(cè)量興奮性和抑制性反應(yīng)，同時(shí)興奮性和抑制性輸入的比率可被量化。短期可塑性是通過突觸前刺激來評(píng)估，短期可塑性會(huì)強(qiáng)烈影響到突觸傳遞信息的方式[3]。神經(jīng)元興奮性去極化釋放AP的程度是衡量突觸反應(yīng)如何導(dǎo)致神經(jīng)元輸出的重要指標(biāo)。最后，通過檢測(cè)神經(jīng)元對(duì)各種感覺刺激的反應(yīng)來直接反應(yīng)神經(jīng)元對(duì)感覺信息的處理，區(qū)分局部群體中神經(jīng)元之間的局部同步性和不同腦區(qū)神經(jīng)元之間的投射同步性。局部同步性通常通過電極記錄的電生理信號(hào)中振蕩的振幅或“頻率”來測(cè)量。這種振蕩反映了電極附近局部神經(jīng)元群體的同步性，既可在靜息狀態(tài)下測(cè)量(自發(fā)振蕩)，也可在刺激反應(yīng)時(shí)測(cè)量(誘發(fā)振蕩)。相比之下，投射同步性是通過計(jì)算不同記錄地點(diǎn)振蕩的一致性來衡量的，這反映了不同腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)。在精神分裂癥患者中，通過腦電或者眼電測(cè)量的局部和遠(yuǎn)程同步性均被干擾。在細(xì)胞水平上，可通過單個(gè)神經(jīng)元AP如何與局部或投射的振蕩同步或鎖相方式來測(cè)量同步性，遠(yuǎn)程和局部同步可以在不同的頻率下發(fā)生(δ、θ、β，γ)。

3 癥遺傳因素的生理機(jī)制

遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素會(huì)增加患病風(fēng)險(xiǎn)，尤其是相關(guān)基因在小鼠模型中[4]：①22q11.2微缺失綜合征(22q11.2 deletion syndrome，22Q11DS)，表現(xiàn)為頭面部畸形、心血管缺陷和智力殘疾，約30%攜帶者患有精神分裂癥，成為最大的遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素[5]。22Q11DS小鼠表現(xiàn)出精神分裂癥相關(guān)的行為異常，還發(fā)現(xiàn)恐懼條件反射[6]，工作記憶和逆向?qū)W習(xí)受損[7]，但空間學(xué)習(xí)，新物體識(shí)別不受影響，提示22Q11DS小鼠存在選擇性認(rèn)知障礙。22Q11DS小鼠mPFC環(huán)路功能的研究發(fā)現(xiàn)mPFC淺層[6]投射神經(jīng)元數(shù)量減少，其程度與逆反學(xué)習(xí)障礙有關(guān)。22Q11DS小鼠中的輸入較弱[8]，且長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long term potentiation，LTP)功能受損[6]。在Zdhhc8和Dgcr8基因缺失小鼠中觀察到類似的異常，兩個(gè)基因都位于22q11.2區(qū)域，并顯示出工作記憶障礙[8]。Zdhhc8小鼠淺層和深層之間[8]的連接較少，并且早期Dgcr8中LTP受損。綜上提示22Q11DS擾亂了mPFC的突觸傳遞和可塑性。22Q11DS動(dòng)物mPFC神經(jīng)元對(duì)Hip的θ振蕩在兩個(gè)區(qū)域之間同步性降低，但mPFC神經(jīng)元對(duì)局部θ節(jié)律及Hip的θ振蕩的振幅未受到影響，表明22Q11DS小鼠的Hip神經(jīng)元和mPFC神經(jīng)元能夠維持局部同步活動(dòng)，而這兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的投射同步受到選擇性的損害，并表明這種疾病的遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素可能通過破壞大腦的遠(yuǎn)程同步性而導(dǎo)致認(rèn)知障礙，但導(dǎo)致長(zhǎng)期同步性缺陷仍不清楚[8]。22Q11DS區(qū)域敲除單一基因的小鼠Zdhhc8中Hip-mPFC同步性受損，表明22Q11DS小鼠的投射缺陷最終可能是由遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)連接中斷引起，且在精神分裂癥患者中被觀察到[9]。22Q11DS小鼠中連接聽覺丘腦和聽覺皮質(zhì)的突觸，以及抗精神病藥物對(duì)其的調(diào)節(jié)作用，突觸之間傳遞功能降低，但視覺和軀體感覺皮層中丘腦皮質(zhì)突觸并未受到影響，聽覺丘腦皮層突觸敏感性增加，22Q11DS中氟哌啶醇和氯氮平促進(jìn)突觸傳遞，而野生型小鼠則未改變[10]。與多巴胺D2受體(dopamine D2 receptor，D2R)拮抗劑作用一致，22Q11DS缺陷聽覺丘腦中D2R增加是聽覺丘腦皮質(zhì)突觸對(duì)抗精神病藥物敏感性增加的必須。正常小鼠聽覺丘腦中D2R的過度表達(dá)PPI缺陷，與22Q11DS小鼠中的情況相類似。②精神分裂癥-1(disrupted in schizophrenia-1,DISC1)基因突變由染色體平衡易位導(dǎo)致DISC1基因缺失引起,在早期神經(jīng)發(fā)育、突觸形成和維持中發(fā)揮作用。已建立幾種不同小鼠系：小鼠系被命名為Disc1Tm1Kara，其內(nèi)源性DISC1基因突變與人類突變相似；命名為Disc1tr，為轉(zhuǎn)基因過量表達(dá)[11]，但Disc1tr小鼠在工作記憶和其它認(rèn)知任務(wù)中未受到損害，表現(xiàn)出與抑郁相關(guān)行為[12]，表明人類的DISC1突變與精神分裂癥和抑郁癥都有關(guān)，DISC1模型研究主要在Hip和mPFC。Disc1Tm1Kara小鼠HipCA3-CA1通路中表現(xiàn)出正常的突觸傳遞和短期可塑性，但LTP的初始階段受損，齒狀回-CA3通路短期可塑性降低，突變小鼠齒狀回顆粒細(xì)胞的興奮性降低，但突觸傳遞和LTP正常；CA1神經(jīng)元在CA3輸入的LTP增強(qiáng)，而從內(nèi)嗅皮層輸入的LTP則受損[13]，結(jié)果與Kvajo等人記錄腹側(cè)海馬 (ventral hippocampus，vHPC)相反，其Hip亞區(qū)在功能上是不同的。Holley等[14]記錄來自Disc1Tm1Kara和Disc1tr小鼠2/3層神經(jīng)元的自發(fā)突觸后電流，且都觀察到自發(fā)興奮電流的頻率增加。早期發(fā)育過程中選擇性敲除mPFC皮層2/3層錐體神經(jīng)元中的DISC1，導(dǎo)致成年后行為障礙，Sauer等[12]在清醒狀態(tài)下記錄了失眠癥的mPFC，觀察到θ和γ頻率范圍內(nèi)局部場(chǎng)電位(local field potential，LFP)振蕩的頻率降低。mPFC中小清蛋白(parvalbumin,PV)神經(jīng)元數(shù)量減少，與錐體神經(jīng)元形成較弱的抑制性連接，同時(shí)接受較少的興奮性輸入。表明突觸異常可能是γ振蕩強(qiáng)度降低原因?？傊煌腄ISC1模型結(jié)果表明mPFC的興奮與抑制之間的平衡發(fā)生了變化，這可能是由于PV陽性中間神經(jīng)元缺陷所致。DISC1模型中也研究Hip-mPFC相互作用，但都集中在成年動(dòng)物身上，新生的Disc1Tm1Kara小鼠子宮內(nèi)暴露使母體免疫激活(Maternal immune activation，MIA)，此研究模擬基因與環(huán)境的相互作用，很有可能是這種疾病的病因[15]。僅暴露于兩種危險(xiǎn)因素小鼠中Hip和mPFC之間的協(xié)調(diào)性受損。相反，發(fā)現(xiàn)Disc1tr小鼠Hip-mPFC同步性正?？赡芊从沉诉@些小鼠的工作記憶缺陷[16]；③神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1(Neuregulin 1，NRG1)編碼基因的多態(tài)性增加了精神分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)。NRG1-ErbB信號(hào)已被發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)發(fā)育和可塑性的幾個(gè)方面發(fā)揮重要作用[17]。PV神經(jīng)元ERbB4基因特異性敲除小鼠表現(xiàn)出精神分裂癥中的電生理異常行為，包括PPI和工作記憶受損[15]。PV神經(jīng)元興奮性突觸較少，但接受更多興奮性輸入，并有更高的自發(fā)放電率，反映了內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制[18]。ErbB4雜合子小鼠中發(fā)現(xiàn)從軀體感覺皮層記錄到神經(jīng)元自發(fā)放電率增加[19]?？傊Y(jié)果表明興奮與抑制比率增加可能是NRG1突變的一個(gè)重要結(jié)果。在PV神經(jīng)元特異性ERbB4基因敲除小鼠中，發(fā)現(xiàn)麻醉下Hip和mPFC的LFP振蕩在較寬的頻率范圍內(nèi)增強(qiáng)[18]，NRG1雜合子小鼠軀體感覺皮層神經(jīng)元對(duì)感覺刺激反應(yīng)良好，“信噪比”較低，這是由于基線放電率增加[19]；④其它遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素，染色體15q13.3上的微缺失是精神分裂癥相關(guān)結(jié)構(gòu)變異之一，小鼠[20]其微缺失導(dǎo)致患病風(fēng)險(xiǎn)增加10倍，mPFC自發(fā)γ振蕩幅度增加，而40 Hz刺激誘發(fā)的聽覺穩(wěn)態(tài)反應(yīng)選擇性降低。前腦選擇性敲除鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶基因(calcineurin knocked out，CN-KO)的小鼠mPFC中γ振蕩減少[21]。短期突觸可塑性僅僅在高刺激頻率(>40Hz)時(shí)發(fā)生改變，對(duì)Hip功能的影響也已被研究[22]。研究發(fā)現(xiàn)CN-KO小鼠Hip的γ和θ振蕩未改變，而尖波的頻率和振幅選擇性增加，尖波是發(fā)生在行為靜止期間HipLFP的快速振蕩，在尖波過程中，Hip區(qū)細(xì)胞通常在環(huán)境中的特定位置活躍[23]。

4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素影響的生理機(jī)制

孕期感染使患精神分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)增加數(shù)倍，懷孕小鼠注射聚肌胞苷酸會(huì)導(dǎo)致后代結(jié)構(gòu)和行為異常，包括認(rèn)知缺陷和潛在抑制[24]。因此，MIA已成為研究精神分裂癥離散環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素(病毒感染)擾亂神經(jīng)環(huán)路并導(dǎo)致精神疾病的常用動(dòng)物模型。MIA對(duì)Hip-mPFC環(huán)路影響已被研究。Dicker等人在MIA子代中觀察到Hip-mPFC同步性受損，兩區(qū)域之間的LFP均降低，mPFC神經(jīng)元對(duì)Hip的θ振蕩的相位鎖定減少。MIA動(dòng)物mPFC神經(jīng)元放電頻率增加，Hip和mPFC的LFP振蕩未受到影響，這表明mPFC神經(jīng)元對(duì)局部θ節(jié)律的相位鎖定減少，同步性選擇性影響[25]?？傊?，MIA模型研究表明精神分裂癥的環(huán)境和遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素會(huì)破壞長(zhǎng)期同步性。

5 病理模型的生理機(jī)制

N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)拮抗劑(如氯胺酮)使用亞麻醉劑量時(shí)，會(huì)引起并加劇精神分裂癥癥狀。單次注射氯胺酮會(huì)導(dǎo)致自發(fā)γ振蕩幅度顯著增加，相反，刺激誘發(fā)γ振蕩(相對(duì)于基線測(cè)量)幅度降低[26]，表明氯胺酮直接作用于大腦皮層環(huán)路。氯胺酮增加mPFC錐體神經(jīng)元頻率，與氯胺酮導(dǎo)致大腦不同區(qū)域谷氨酸釋放增加一致[27]。急性注射氯胺酮檢測(cè)mPFC錐體神經(jīng)元和假定中間神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)只有錐體神經(jīng)元放電頻率增加，而中間神經(jīng)元放電頻率降低，表明氯胺酮抑制中間神經(jīng)元放電，從而抑制錐體神經(jīng)元，中間神經(jīng)元功能減退與NMDAR拮抗劑的精神效應(yīng)及神經(jīng)環(huán)路有關(guān)。

皮質(zhì)-邊緣中間神經(jīng)元[28]或PV神經(jīng)元[29]選擇性敲除NMDAR基因能直接檢測(cè)到異常行為，抑制中間神經(jīng)元敲除NMDAR的小鼠，其Hip、體感皮層和聽覺皮層自發(fā)γ振蕩幅度增強(qiáng)，刺激誘發(fā)γ頻率降低[28]，觀察到軀體感覺皮層自發(fā)放電增加[29]，之間同步性降低。Hip錐體神經(jīng)元的放電率以及編碼動(dòng)物空間位置能力降低，PV神經(jīng)元特異性NMDARs敲除小鼠工作記憶、目標(biāo)識(shí)別和恐懼條件反射受損，空間參考記憶正常[29]，運(yùn)動(dòng)量和焦慮癥增加，而PPI卻降低，表明NMDAR功能減退會(huì)導(dǎo)致發(fā)育障礙。中間神經(jīng)元在精神分裂癥病理生理中具有重要作用，但錐體神經(jīng)元也可能起到作用，記錄了錐體神經(jīng)元選擇性敲除NMDAR小鼠[30]。

DA失調(diào)患者紋狀體中D2R數(shù)量增加。紋狀體選擇性D2R過度表達(dá)(dopamine D2 receptor overexpression，D2ROE)轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)工作記憶、動(dòng)機(jī)等行為存在缺陷，而PPI和空間參考記憶未受到影響。D2ROE模型重要特征是D2ROE基因表達(dá)是有條件的，提示只能在發(fā)育過程中表達(dá)，而不在成年期，逆轉(zhuǎn)了動(dòng)機(jī)缺陷，但未逆轉(zhuǎn)認(rèn)知缺陷，表明后者是由于D2R過度表達(dá)所致，記錄D2ROE小鼠mPFC皮層腦片，發(fā)現(xiàn)興奮和抑制平衡發(fā)生變化，興奮性輸入增加，抑制性輸入減少。D2R敏感性降低從而使D2ROE小鼠mPFC神經(jīng)元對(duì)DA能刺激敏感性較低，提示D2ROE小鼠mPFC興奮/抑制比增加。腹側(cè)被蓋區(qū)DA能神經(jīng)元活性在D2ROE小鼠中被檢測(cè)到，麻醉D2ROE小鼠DA神經(jīng)元以較低頻率放電，較少爆發(fā)放電[31]。雖減少簇放電對(duì)認(rèn)知表現(xiàn)的影響尚未確定，但放電模式與不同行為功能有關(guān)。

中背丘腦(Mediodorsal thalamus,MD)與mPFC相互聯(lián)系，功能成像研究表明在精神分裂癥患者中激活會(huì)減少，Parnaudeau等[32]使用藥物遺傳學(xué)方法抑制小鼠MD神經(jīng)元活性，導(dǎo)致工作記憶和逆反學(xué)習(xí)受損。此外，正常情況下工作記憶與MD神經(jīng)元對(duì)mPFC的β波振蕩增加有關(guān)。然而，在工作記憶過程中，抑制MD選擇性阻止了MD-mPFC的β波活動(dòng)同步性增加。相反，MD和mPFC振蕩均不受影響。

6 神經(jīng)發(fā)育因素誘發(fā)精神分裂癥的生理機(jī)制

生理遺傳和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素可通過破壞正常神經(jīng)發(fā)育過程發(fā)揮其病理效應(yīng)，因此，被認(rèn)為是神經(jīng)發(fā)育模型；另一類模型試圖直接干擾神經(jīng)發(fā)育，使成年之后出現(xiàn)類似疾病和行為異常動(dòng)物模型。雖不能模擬已知的精神分裂癥病因，但可闡明神經(jīng)發(fā)育障礙導(dǎo)致精神分裂癥如何影響神經(jīng)環(huán)路功能：①新生兒腹側(cè)海馬損傷(neonatal ventral hippocampal lesion，NVHL)模型是最早的神經(jīng)發(fā)育模型之一，部分異常只有在成年時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。但成年動(dòng)物進(jìn)行損傷不會(huì)導(dǎo)致行為異常，這表明損傷并不是關(guān)鍵因素，而是破壞了神經(jīng)發(fā)育。表明NVHL改變前額皮層神經(jīng)元對(duì)DA能的刺激反應(yīng)，正常動(dòng)物電刺激腹側(cè)被蓋區(qū)會(huì)抑制mPFC錐體神經(jīng)元，這種效應(yīng)可通過刺激抑制性中間神經(jīng)元來介導(dǎo)。相反，NVHL動(dòng)物mPFC神經(jīng)元受到DA刺激而興奮，清醒NVHL動(dòng)物中mPFC神經(jīng)元對(duì)獎(jiǎng)賞預(yù)測(cè)刺激反應(yīng)增強(qiáng)。體外實(shí)驗(yàn)表明，DA是由D1R激活興奮性增強(qiáng)以及D2R激活興奮性降低引起。D2R激活可通過中間神經(jīng)元作用來介導(dǎo)，D2R激活增加成年動(dòng)物中間神經(jīng)元放電，但NVHL動(dòng)物中間神經(jīng)元放電不變。NVHL動(dòng)物對(duì)DA異常反應(yīng)僅在成年期出現(xiàn)，此時(shí)mPFC對(duì)DA調(diào)節(jié)發(fā)生重要變化。NVHL動(dòng)物中，DA介導(dǎo)mPFC活動(dòng)的調(diào)節(jié)，并為成年后出現(xiàn)行為異常提供基礎(chǔ)。Cabungcal等[33]發(fā)現(xiàn)青春期mPFC的PV陽性中間神經(jīng)元發(fā)育增加，而NVHL動(dòng)物中卻未發(fā)生。NVHL動(dòng)物PV神經(jīng)元氧化應(yīng)激增加，在中間神經(jīng)元亞型中未觀察到，抗氧化劑治療使成年期PV細(xì)胞數(shù)量恢復(fù)到正常水平，逆轉(zhuǎn)先前研究中觀察到的mPFC神經(jīng)元對(duì)DA激動(dòng)劑和DA刺激的異常反應(yīng)，逆轉(zhuǎn)感覺信息處理和行為缺陷。氧化應(yīng)激是精神分裂癥中間神經(jīng)元功能障礙的潛在原因，對(duì)疾病治療具有潛在意義[34]。Lee等[35]在被動(dòng)回避中記錄了Hip、mPFC的神經(jīng)元活動(dòng)，要求注意遠(yuǎn)端線索而忽略環(huán)境中局部線索，研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)照組動(dòng)物完成這項(xiàng)任務(wù)過程中，Hip的θ波同步性(左右Hip之間測(cè)量)大大增加，并與行為表現(xiàn)相關(guān)。然而，NVHL動(dòng)物θ波同步性降低，可能是其行為表現(xiàn)受損的原因，NVHL動(dòng)物Hip、mPFC同步性也受損，即使不受被動(dòng)回避任務(wù)調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)在青春期進(jìn)行認(rèn)知訓(xùn)練可扭轉(zhuǎn)同步性和行為方面的缺陷，從而為新的治療策略帶來希望；②精神分裂癥另一個(gè)神經(jīng)發(fā)育模型是給懷孕大鼠注射甲基氧化偶氮甲醇醋酸酯(methylazoxymethanol acetate，MAM)，從而導(dǎo)致后代出現(xiàn)神經(jīng)和行為異常，MAM效果取決于使用期間的妊娠天數(shù)。妊娠15 d給藥會(huì)導(dǎo)致腦部異常，而在妊娠17 d給藥會(huì)引起與精神分裂癥患者相似的更細(xì)微的大腦結(jié)構(gòu)變化。MAM動(dòng)物治療后動(dòng)物DA神經(jīng)元活性增加[36]，下調(diào)PV減少了VHPC中PV神經(jīng)元的數(shù)量，增加DA群體活動(dòng)[37]。相反，將神經(jīng)元間前體細(xì)胞移植到MAM動(dòng)物vHPC可逆轉(zhuǎn)vHPC的過度活動(dòng)和行為損傷[38]。因此，這些結(jié)果表明MAM模型中vHPC的解除抑制是一種重要的病理生理機(jī)制，這與精神分裂癥患者中發(fā)現(xiàn)Hip過度活躍的影像研究一致[39]。MAM動(dòng)物DA活動(dòng)增加伴隨著mPFC神經(jīng)元對(duì)DA反應(yīng)改變。對(duì)照組DA刺激減少了前額皮質(zhì)神經(jīng)元放電，但在MAM動(dòng)物中卻增加，這與NVHL模型相似。在MAM動(dòng)物mPFC和vHPC中，潛在抑制范式期間條件刺激誘發(fā)的β/γ振蕩降低。相反自發(fā)γ振蕩不受影響。慢振蕩是慢波睡眠對(duì)鞏固記憶很重要[40]。精神分裂癥患者中觀察到慢波睡眠數(shù)量選擇性減少，而快速眼動(dòng)睡眠時(shí)間未受影響[41]。MAM動(dòng)物mPFC和Hip之間表現(xiàn)為高頻振蕩同步性降低，兩個(gè)區(qū)域記錄的棘波之間相互關(guān)聯(lián)減少。

7 討論與展望

總結(jié)遺傳和環(huán)境因素誘發(fā)不同精神分裂癥動(dòng)物模型的生理機(jī)制，其共性問題是常見功能障礙模式。闡明基本的病理生理機(jī)制：①興奮和抑制之間的平衡是神經(jīng)環(huán)路的關(guān)鍵特征，研究表明患者興奮性神經(jīng)元的抑制性輸入減少。同時(shí)，抑制性傳遞減少，不同的模型中PV神經(jīng)元數(shù)量減少[12]，興奮性神經(jīng)元的抑制性突觸輸入減少[12]，某些情況下興奮性傳遞增加[14]。興奮/抑制平衡的變化可以反映局部環(huán)路以外的變化，如MAM模型vHPC活動(dòng)增加，DA能活動(dòng)水平增強(qiáng)，而vHPC活動(dòng)又是由該區(qū)域PV神經(jīng)元活動(dòng)減少所引起[37]。興奮/抑制失衡由神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常引起，在MAM和NVHL模型中，mPFC對(duì)DA能刺激的反應(yīng)是興奮而不是抑制，其可能是由于DA能影響mPFC抑制性中間神經(jīng)元變化[42]。在刺激誘發(fā)振蕩的研究中得到類似結(jié)果[28]，類似于精神分裂癥患者腦電圖中觀察到對(duì)感覺刺激反應(yīng)降低的信噪比。在行為任務(wù)中，較高放電頻率會(huì)干擾信息編碼，在執(zhí)行基于價(jià)值決策任務(wù)的NVHL動(dòng)物中，mPFC神經(jīng)元在預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果時(shí)呈現(xiàn)期間過度活躍[43]?？赏ㄟ^細(xì)胞類型特異性光遺傳方法改變興奮/抑制平衡，是否可以用于恢復(fù)興奮/抑制平衡和逆轉(zhuǎn)行為損傷將是未來研究的一個(gè)重要目標(biāo)；②突觸可塑性變化可在短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生。短期可塑性發(fā)生在重復(fù)的突觸前刺激過程中，它反映突觸強(qiáng)度變化。22Q11DS[10]、DISC1[16]、NRG1和磷酸酶[21]模型短期可塑性均發(fā)生改變。短期可塑性主要在Hip，對(duì)mPFC[6]和聽覺皮質(zhì)[10]測(cè)驗(yàn)，所有都未影響基線突觸傳遞，提示短期可塑性缺陷并不是整體突觸功能障礙[33]。已在多種遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素模型中觀察到Hip長(zhǎng)期可塑性受損。然而，Hip長(zhǎng)期可塑性改變通常是微弱的，只有在某些刺激下才會(huì)明顯，空間學(xué)習(xí)和記憶依賴于Hip的長(zhǎng)期可塑性，在這些相同模型中基本上是完整的。然而，LTP和神經(jīng)元發(fā)育的分子機(jī)制之間存在著顯著重疊。長(zhǎng)期可塑性受損也有可能是神經(jīng)發(fā)育機(jī)制受損的反映，觀察到區(qū)域間同步性和遠(yuǎn)程連通性的缺陷也可能是長(zhǎng)期可塑性受損的結(jié)果；③精神分裂癥患者神經(jīng)同步性存在異常[44]，雖證據(jù)表明，精神分裂癥患者兩種形式同步性均被打亂，但可能反映不同潛在機(jī)制，并可能受到疾病各種危險(xiǎn)因素和病理生理機(jī)制的不同影響；④細(xì)胞外記錄LFP振蕩來自記錄電極附近神經(jīng)元協(xié)調(diào)活動(dòng)，被認(rèn)為是局部同步性測(cè)量，包括在γ頻率(30-80 Hz)的范圍內(nèi)[44]。最常見的是NMDAR功能減退模型，單次氯胺酮或其它NMDA拮抗劑使嚙齒動(dòng)物和人類自發(fā)γ振蕩幅度增加數(shù)倍[45]。在對(duì)特定神經(jīng)元亞群中敲除NMDAR小鼠研究中獲得類似結(jié)果[30]，自發(fā)γ振蕩升高在NRG1突變[18]和15q13.3微缺失[20]。并非所有模型都表現(xiàn)出自發(fā)γ振蕩增加，有些模型表現(xiàn)出減少[12]，也發(fā)現(xiàn)刺激誘發(fā)的γ振蕩減少[28]。PV陽性中間神經(jīng)元在γ振蕩產(chǎn)生中起核心作用，研究發(fā)現(xiàn)減少對(duì)PV神經(jīng)元興奮性輸入的動(dòng)物模型表現(xiàn)出自發(fā)γ振蕩增加[18]，而在另一項(xiàng)研究中，這與減少γ振蕩有關(guān)[12]。PV神經(jīng)元興奮度降低可能會(huì)導(dǎo)致γ振蕩增加，如從PV神經(jīng)元敲除ErbB4受體接收興奮性突觸數(shù)量減少，但作為代償，會(huì)導(dǎo)致接收興奮性輸入頻率增加，并增加體外放電率[18]。因此，干擾PV神經(jīng)元功能，在未來研究中記錄其神經(jīng)元及亞型(如錐體神經(jīng)元)非常重要[46]。敲除錐體神經(jīng)元上NMDAR后，γ振蕩升高[30]，可能需要重新考慮PV神經(jīng)元功能障礙在γ振蕩異常中的獨(dú)特作用[30]。在一些研究中γ振蕩增加，但在其它疾病研究卻未發(fā)現(xiàn)[47]。相比不同刺激模式和認(rèn)知任務(wù)下γ振蕩幅度，均表明患者誘發(fā)振蕩減少[47]。雖然研究都集中在γ振蕩上，但研究發(fā)現(xiàn)慢振蕩(<10 Hz)振幅會(huì)升高，其影響對(duì)γ頻率范圍具有選擇性[20]。雖較慢γ振蕩背后機(jī)制不清楚，但可能是精神分裂癥神經(jīng)環(huán)路功能的重要環(huán)節(jié)。Duan等[48]通過光遺傳刺激丘腦連結(jié)核，并向Hip和mPFC投射，這導(dǎo)致工作記憶的可逆缺陷。Cho等[49]發(fā)現(xiàn)Dlx5/6+/-小鼠PV神經(jīng)元興奮性降低，γ振蕩發(fā)生改變，且mPFC的γ振蕩減弱，增強(qiáng)了Dlx5/6+/-小鼠γ振蕩完全逆轉(zhuǎn)了表現(xiàn)缺陷，提示中間神經(jīng)元功能障礙是精神分裂癥γ振蕩異常的核心，而γ振蕩異常又被認(rèn)為是導(dǎo)致認(rèn)知障礙的原因[49]；⑥精神分裂癥患者除局部同步性外，腦區(qū)之間的投射同步性也會(huì)受到干擾[50]，表明精神分裂癥是由大腦區(qū)域之間的異常相互作用或“連接障礙”引起。研究只檢測(cè)了Hip和mPFC之間的同步性，且發(fā)現(xiàn)患者Hip和mPFC也存在結(jié)構(gòu)和功能異常，Hip和mPFC之間的功能連通性中斷。在動(dòng)物模型研究中發(fā)現(xiàn)Hip和mPFC之間的同步性降低，由于遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素[8]、母體免疫激[24]或神經(jīng)發(fā)育障礙。在麻醉[18]、睡眠和清醒動(dòng)物中均觀察到同步性受損。但Disc1tr小鼠中，Hip-mPFC同步性卻正常[12]。尤其是功能磁共振成像來測(cè)量動(dòng)物模型的功能連接[51]，可對(duì)比患者和動(dòng)物模型的測(cè)量結(jié)果，并有望在未來研究中應(yīng)用；⑦DA信號(hào)異常被認(rèn)為在精神分裂癥中起核心作用，“DA假說”起初基于D2R拮抗劑在治療精神分裂癥陽性癥狀方面的療效以及DA激動(dòng)劑加劇癥狀所提出[52]，突觸前DA釋放增加，紋狀體中突觸后DA受體密度增加，表明總體上處于高DA狀態(tài)。MAM模型中DA神經(jīng)元數(shù)量增加，由vHPC過度活動(dòng)引起，DA神經(jīng)元會(huì)對(duì)不可預(yù)測(cè)的獎(jiǎng)賞刺激做出反應(yīng)，但對(duì)厭惡刺激或其它應(yīng)激也有響應(yīng)。精神分裂癥患者導(dǎo)致一種“異常興奮”的狀態(tài)[53]。22Q11DS小鼠丘腦中D2R增加，與精神分裂癥患者相似，小鼠丘腦皮質(zhì)突觸對(duì)D2R拮抗劑敏感性增加[10]，其它模型中也觀察到mPFC的DA能調(diào)節(jié)異常。NVHL和MAM模型中DA刺激反應(yīng)興奮mPFC神經(jīng)元，而非抑制。在清醒行為NVHL動(dòng)物mPFC神經(jīng)元基于獎(jiǎng)賞任務(wù)中，預(yù)期DA神經(jīng)元活躍時(shí)期也表現(xiàn)出神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)?？傊?，表明不同精神分裂癥動(dòng)物模型的DA突觸后反應(yīng)存在失調(diào)。

總之，還需要從行為角度來理解神經(jīng)環(huán)路缺陷。任務(wù)和疾病癥狀相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路活動(dòng)可提供相關(guān)證據(jù)。此外，有必要在行為和神經(jīng)環(huán)路缺陷之間建立因果聯(lián)系，如逆轉(zhuǎn)神經(jīng)環(huán)路缺陷或在正常動(dòng)物中重建神經(jīng)環(huán)路缺陷[49]。同時(shí)中醫(yī)關(guān)于精神分裂癥的治療表現(xiàn)顯著：①針灸對(duì)其誘發(fā)的思維、幻覺、錯(cuò)覺、妄想和認(rèn)知障礙等治療效果明顯；②中醫(yī)藥治療精神分裂癥療效確切，其不僅可減小藥物用量和不良反應(yīng)，還可提高患者治療依從性和生活質(zhì)量；③中西醫(yī)結(jié)合治療精神分裂癥療效明顯，不良反應(yīng)少，中西醫(yī)結(jié)合療效優(yōu)于單純的西藥治療，可減少抗精神病藥物的用量，并提高療效和患者服藥的依從性，減少精神分裂癥患者的復(fù)發(fā)率，有利于患者更好回歸社會(huì)。但其缺乏深入的機(jī)制研究，尤其是理論依據(jù)，因此本綜述可為其研究提供新的思路，為中醫(yī)研究精神分裂提供理論基礎(chǔ)，從因果關(guān)系上闡述改善神經(jīng)環(huán)路缺陷而導(dǎo)致行為異常，揭秘中醫(yī)治療疾病的神經(jīng)功能障礙基礎(chǔ)。