基于突觸可塑性探討針刺防治認(rèn)知障礙的機(jī)制

崔佳節(jié) 陶利軍

認(rèn)知障礙(cognitive impairment,CI)又稱(chēng)認(rèn)知缺陷,是一種學(xué)習(xí)、記憶和思維判斷的異常,導(dǎo)致學(xué)習(xí)、記憶障礙,影響患者的社會(huì)功能和生活質(zhì)量,認(rèn)知能力的建立與突觸可塑性密切相關(guān)[1]。突觸可塑性是調(diào)節(jié)認(rèn)知功能的重要因素。在臨床上,針刺治療認(rèn)知障礙療效肯定具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前的研究表明,針刺治療認(rèn)知障礙相關(guān)疾病如阿爾茲海默病(Alzheimer disease,AD)、和卒中后認(rèn)知障礙(PSCI)等方面取得確切療效[2,3]。本文綜述了近年來(lái)基于突觸可塑性針刺防治認(rèn)知障礙性疾病研究中的進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了在學(xué)習(xí)、記憶和認(rèn)知等神經(jīng)生理過(guò)程中起重要作用的分子機(jī)制及可能的相互關(guān)系。

1 突觸可塑性概述

突觸是神經(jīng)元與效應(yīng)器細(xì)胞之間相互接觸的結(jié)構(gòu),也是信息傳遞的關(guān)鍵部位,具有高度選擇性和穩(wěn)定性。突觸可塑性是突觸在結(jié)構(gòu)和功能上產(chǎn)生較為持久改變的現(xiàn)象,通過(guò)調(diào)節(jié)突觸前基因表達(dá)和蛋白質(zhì)水平的變化,調(diào)控突觸的傳導(dǎo)和大腦高級(jí)功能。在生理?xiàng)l件下,這一過(guò)程與大腦發(fā)育、學(xué)習(xí)和與早期的記憶鞏固階段有關(guān)[4],在病理狀況下,它可能參與腦損害的恢復(fù)過(guò)程[5]。因此,研究突觸可塑性對(duì)一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治及藥物開(kāi)發(fā)具有重要意義。突觸的可塑性包括結(jié)構(gòu)和功能的可塑性2個(gè)方面。

2 針刺對(duì)突觸結(jié)構(gòu)可塑性的影響

突觸結(jié)構(gòu)的可塑性主要包括2個(gè)方面:突觸超微結(jié)構(gòu)變化和突觸相關(guān)蛋白的變化。

2.1 突觸超微結(jié)構(gòu)的變化 突觸超微結(jié)構(gòu)變化可影響突觸結(jié)構(gòu)的可塑性,主要包括:(1)突觸連接的形成與降解; (2)突觸相關(guān)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化;(3) 結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,如突觸間隙寬度和界面曲率等。宋長(zhǎng)明等[6]研究發(fā)現(xiàn),電針通過(guò)增加突觸數(shù)量,改善突觸超微結(jié)構(gòu),提高突觸可塑性改善大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力。樊竹等[7]研究發(fā)現(xiàn),頭穴叢刺法可通過(guò)使突觸后致密物厚度和突觸間隙寬度增加,改善突觸的形態(tài)、促進(jìn)神經(jīng)元的修復(fù)有助于突觸效能的傳遞。王慧等[8]研究發(fā)現(xiàn),電針治療組與模型組比較,大鼠海馬穿孔突觸百分?jǐn)?shù)提高,突觸前后膜、突觸間隙較清晰,突觸后致密物厚度增厚,提示電針可以通過(guò)調(diào)控突觸超微結(jié)構(gòu)變化,增強(qiáng)AD大鼠學(xué)習(xí)記憶能力。

2.2 突觸相關(guān)蛋白的變化

2.2.1 突觸素(synaptophysin,SYP):SYP與肌動(dòng)蛋白相結(jié)合后,運(yùn)輸突觸囊泡至突觸前膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)參與突觸的可塑性[9]。Zhao等[10]發(fā)現(xiàn),SAMP8小鼠腦微環(huán)境中突觸的數(shù)量和密度均有所降低,針刺可增加SAMP8小鼠海馬神經(jīng)元SYP的表達(dá),促進(jìn)損傷細(xì)胞恢復(fù),產(chǎn)生新的軸突和樹(shù)突增強(qiáng)突觸可塑性。Liu等[11]通過(guò)電針刺激MCAO模型大鼠百會(huì)、神庭穴,研究發(fā)現(xiàn)電針抑制了Jun 氨基末端激酶(JNK)和p38的激活,同時(shí)增強(qiáng)了缺血周?chē)鷧^(qū)域細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK1/2)的活化,上述信號(hào)通路的激活上調(diào)了Bcl-2/Bax的比例,抑制神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。

2.2.2 突觸后致密蛋白-95( postsynaptic density protein-95,PSD-95):有研究表明 PSD-95蛋白561位點(diǎn)絲氨酸磷酸化可以調(diào)節(jié)構(gòu)象開(kāi)關(guān)和樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)可塑性[12]。另有研究發(fā)現(xiàn),PSD-95的磷酸化對(duì)N-甲基-D-天門(mén)冬氨酸(NMDAR)依賴(lài)的長(zhǎng)時(shí)程抑制(long term depression,LTD)誘導(dǎo)至關(guān)重要,自噬可能誘導(dǎo)PSD-95在LTD期間的降解,在突觸可塑性中起關(guān)鍵作用[13]。PSD95是學(xué)習(xí)記憶功能的關(guān)鍵參與者,大鼠海馬發(fā)育過(guò)程中控制Dlg4/PSD95基因表達(dá),可以改善AD大鼠記憶缺陷,基因靶向確定可以為改善神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的記憶障礙提供潛在研究方向[14]。Zheng等[15]研究發(fā)現(xiàn),電針刺激誘導(dǎo)腦干5-羥色胺(5-HT)和去甲腎上腺素表達(dá),促進(jìn)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)分泌,調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)受體和PSD-95表達(dá),增強(qiáng)神經(jīng)保護(hù)作用。Cai等[16]研究發(fā)現(xiàn),電針治療顯著改善了5XFAD小鼠的學(xué)習(xí)和記憶功能,并通過(guò)上調(diào)PSD-95的表達(dá),抑制超微結(jié)構(gòu)降解來(lái)改善小鼠的突觸可塑性。

2.2.3 生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43 (growth associated protein,GAP-43):對(duì)突觸功能維持和遞質(zhì)釋放都起著關(guān)鍵作用,與突觸可塑性和記憶功能密切相關(guān)[17]。并可作為AD患者突觸功能障礙潛在的潛在生物標(biāo)志物[18]。徐磊等[19]通過(guò)電針刺激腦缺血模型大鼠內(nèi)關(guān)、水溝穴發(fā)現(xiàn),針刺通過(guò)增加缺血周?chē)又蠫AP-43蛋白的表達(dá),促進(jìn)大鼠神經(jīng)功能的恢復(fù)。韓清等[20]研究發(fā)現(xiàn),電針后大鼠海馬區(qū)的CAP-43含量明顯增多,提示電針能誘導(dǎo)MCAO大鼠模型神經(jīng)軸突再生和突觸功能重建。

2.2.4 腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF):是一種腦內(nèi)合成,對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常功能維持起重要作用的神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì),調(diào)節(jié)海馬突觸傳遞和突觸可塑性,改善受損的學(xué)習(xí)記憶能力,BDNF可以抑制tau磷酸化、減少Aβ等,可作為AD的診斷生物標(biāo)志物,具有潛在應(yīng)用前景[21,22]。Chen等[23]研究發(fā)現(xiàn),針刺與康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合可降低腦卒中患者的血流指數(shù),增加患者血清中BDNF的含量,促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)。Li等[24]采用頭針聯(lián)合運(yùn)動(dòng)療法觀察MCAO模型大鼠缺血區(qū)BDNF表達(dá),結(jié)果顯示針刺組BDNF含量顯著增加,提示電針通過(guò)使缺血區(qū)BDNF的表達(dá)增加來(lái)減少神經(jīng)元壞死和抑制細(xì)胞凋亡。Li等[25]研究發(fā)現(xiàn),針刺可能通過(guò)激活BDNF/TrkB信號(hào)通路改善創(chuàng)傷性腦損傷后的神經(jīng)恢復(fù)。與Pei等[26]所得研究結(jié)果相互印證,針刺可以通過(guò)調(diào)節(jié)海馬體中的BDNF/TrkB/Erk信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)改善SD大鼠的空間記憶障礙。

1.2.5 N-甲基-D-天門(mén)冬氨酸(N-methy-D-as-partic-acid,NMDA):NMDA受體是一種離子型的谷氨酸受體,主要分布在突觸后致密區(qū),在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育,學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中發(fā)揮重要的生理作用,可通過(guò)誘導(dǎo)LTP形成影響突觸可塑性[27]。Zhang等[28]研究發(fā)現(xiàn),MCAO模型組大鼠海馬體中GluN2B亞基的NMDA受體總體表達(dá)顯著增加,電針通過(guò)抑制GluN2B/m-Calpain/p38 MAPK促凋亡途徑抑制GluN2B受體的過(guò)度激活,阻斷NMDA受體介導(dǎo)的鈣離子內(nèi)流途徑同時(shí)抑制腦損傷大鼠海馬體中的p38 MAPK磷酸化,增加神經(jīng)元對(duì)腦缺血再灌注損傷的耐受性。D-絲氨酸(D-Ser)是一種生理性NMDA受體激動(dòng)劑,在海馬CA1區(qū)突觸經(jīng)典的NMDA受體依賴(lài)性LTP中有重要的作用并與突觸的可塑性密切相關(guān)[29]。血清 D-Ser水平作為AD的有價(jià)值且易于測(cè)定的生物標(biāo)志物,用來(lái)評(píng)估疾病進(jìn)展[30]。周穎等[31]研究發(fā)現(xiàn),電針治療抑制了D-Ser含量的波動(dòng)變化,使其呈現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢(shì),同時(shí)降低了NR1蛋白表達(dá)水平,提示電針治療通過(guò)穩(wěn)定缺血組織中D-Ser的波動(dòng)以及調(diào)控NR1表達(dá)變化,改善腦缺血模型大鼠的神經(jīng)功能缺損癥狀。

2.2.6 α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor,AMPA):AMPA受體介導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性突觸傳遞,由GluR1～GluR4組成的復(fù)合物。Wang等[32]研究發(fā)現(xiàn),電針作用于腦中動(dòng)脈閉塞誘導(dǎo)的認(rèn)知缺陷大鼠模型,通過(guò)激活5-HT1A受體和促進(jìn)PKA激酶活性可能導(dǎo)致 NMDA/AMPA受體磷酸化,使細(xì)胞內(nèi)鈣濃度增加,減輕MICD大鼠的腦組織損傷。內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)激活可以抵抗過(guò)度激活A(yù)MPAR引起的興奮性毒性,該效應(yīng)與大麻素受體(CB1R)有密切關(guān)系[33]。Liu等[34]研究發(fā)現(xiàn),電針組小鼠海馬體中的GluR2表達(dá)上調(diào),提示電針通過(guò)CB1R調(diào)節(jié)下游海馬神經(jīng)元GluR2的表達(dá),誘導(dǎo)腦缺血耐受作用來(lái)改善缺血性認(rèn)知障礙。

3 針刺對(duì)突觸功能可塑性的影響

突觸功能的可塑性是指被破壞的突觸傳遞功能被激發(fā),包括長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和(LTD),二者被公認(rèn)為是學(xué)習(xí)記憶活動(dòng)的生理基礎(chǔ),LTP的功能以合成和存儲(chǔ)新記憶為主,而LTD則是對(duì)記憶進(jìn)行整理、遺忘,并且可以調(diào)節(jié)LTP[35]。NMDAR和AMPAR是產(chǎn)生和維持LTP和LTD重要遞質(zhì),在突觸后去極化過(guò)程中激活突觸后NMDA受體,導(dǎo)致鈣離子濃度上升,是LTP的必要觸發(fā)因素,突觸后AMPAR的數(shù)量和性質(zhì)的變化也是突觸可塑性的基本機(jī)制[35,36]。

Yang等[37]研究發(fā)現(xiàn),針刺減少活性氧的產(chǎn)生,使NMDA 2A受體的表達(dá)增加,影響LTP的產(chǎn)生和維持,增加了神經(jīng)元的數(shù)量,改善MCAO模型大鼠的認(rèn)知障礙。He等[38]通過(guò)針刺中風(fēng)患者的曲池,內(nèi)關(guān)穴,發(fā)現(xiàn)針刺可以調(diào)節(jié)人類(lèi)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層興奮性和LTP樣可塑性,LTP樣可塑性可以通過(guò)針刺在不同的時(shí)間點(diǎn)操縱來(lái)調(diào)節(jié)人體皮層的可塑性,改善患者癥狀。

4 突觸可塑性與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞

星形膠質(zhì)細(xì)胞(AS)、小膠質(zhì)細(xì)胞(MG)以及少突膠質(zhì)細(xì)胞等是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中主要的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。在整個(gè)生命中不斷監(jiān)視神經(jīng)活動(dòng),塑造突觸可塑性。其與神經(jīng)元以及周?chē)难艿刃纬蓮?fù)雜的信息交換網(wǎng)絡(luò),通過(guò)支持神經(jīng)傳遞、神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生、維持細(xì)胞外離子平衡、絕緣軸突加速電信號(hào)傳導(dǎo)等,來(lái)影響CNS的穩(wěn)態(tài)和功能[39]。

4.1 AS負(fù)責(zé)CNS的穩(wěn)態(tài)和保護(hù),通過(guò)支持神經(jīng)遞質(zhì)代謝、突觸發(fā)生、消除和突觸可塑性來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的突觸連接,這些突觸可塑性有助于認(rèn)知處理,包括學(xué)習(xí)、記憶、情緒和行為[40,41]。AS與突觸通訊作用主要體現(xiàn)在AS通過(guò)釋放改變突觸功能的遞質(zhì)來(lái)促進(jìn)突觸可塑性[42]。膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)是星形膠質(zhì)細(xì)胞中間細(xì)絲的主要成分,腦損傷后GFAP的表達(dá)量增加,可作為AS的特征性標(biāo)志蛋白,因此研究GFAP在腦疾病中的變化及其臨床意義具有重要意義[43]。Liu等[44]研究發(fā)現(xiàn),在術(shù)后第1天通過(guò)GFAP免疫熒光染色評(píng)估POCD大鼠中星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量,模型大鼠GFAP陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞顯著增加,電針可以逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn),AMPA、NMDA等谷氨酸受體也在星形膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá),受體的成熟受AS的調(diào)控,可影響突觸的結(jié)構(gòu)與功能,使突觸傳遞效率下降[45,46]。當(dāng)腦組織發(fā)生缺血損傷時(shí),過(guò)量的谷氨酸積聚可導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡和壞死,AS上的興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1、2(EAAT1、EAAT2)可攝取突觸前神經(jīng)元釋放的谷氨酸,將突觸間隙的谷氨酸維持在較低濃度,避免發(fā)生興奮性氨基酸毒性,海馬體和皮層中星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酸循環(huán)受損是AD的一個(gè)特征,與認(rèn)知障礙有關(guān)[47]。有研究發(fā)現(xiàn),電針處理增加了大腦皮層中的EAAT2表達(dá),其可能通過(guò)提高EAAT2的表達(dá)來(lái)提高AS谷氨酸攝取功能,降低興奮性氨基酸毒性作用[48]。

4.2 MG MG和突觸處的神經(jīng)元之間存在密切關(guān)系,可能通過(guò)促進(jìn)突觸發(fā)生、調(diào)節(jié)突觸修剪、突觸消除和剝奪,影響突觸可塑性,在記憶和學(xué)習(xí)中起著復(fù)雜的作用[49]。改變MG的分枝狀,可導(dǎo)致突觸丟失和功能障礙[50]。MG對(duì)突觸可塑性的各種影響基于其促炎或抗炎作用以及小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)(靜止或激活)。在某些病理狀況下MG被異常激活并增加數(shù)量,遷移到炎性部位并分泌炎性因子,趨化因子和活性氧等促進(jìn)或抑制神經(jīng)元或突觸的損傷[51]。

核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3(NLRP3)是一種炎性小體,在MG中表達(dá)豐富。Hou等[52]針刺SAMP8模型大鼠百會(huì)、足三里穴,發(fā)現(xiàn)電針治療可通過(guò)NLRP3/Caspase-1信號(hào)通路來(lái)抑制NLRP3炎性小體相關(guān)蛋白的表達(dá),抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活,緩解其炎性反應(yīng)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi),Toll樣受體(TLR)主要由小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá),TLR4激活會(huì)上調(diào)神經(jīng)炎性并促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成[53]。miRNA在許多神經(jīng)炎性性疾病的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用,據(jù)報(bào)道,在VD患者和MCAO誘導(dǎo)的缺血性中風(fēng)大鼠中,miR-93的水平顯著升高,提示miR-93可能是缺血性腦損傷潛在的生物標(biāo)志物[54]。Wang等[55]研究發(fā)現(xiàn),針灸下調(diào)了海馬體小膠質(zhì)細(xì)胞中TLR4的表達(dá),針刺通過(guò)調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞中的TLR4/ MyD88/NF-κB途徑減輕腦缺血后神經(jīng)炎性反應(yīng),改善認(rèn)知功能。

5 突觸可塑性與自噬

自噬是一種由2層內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜組成的自噬溶酶體,將部分細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞中待降解的蛋白質(zhì)及細(xì)胞器包裹并溶解,選擇性自噬與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和疾病的發(fā)展密切相關(guān)[56]。自噬在突觸之前和之后以不同的方式調(diào)節(jié)突觸功能。雷帕霉素在突觸前末梢通過(guò)抑制mTOR信號(hào)通路,上調(diào)自噬反應(yīng)使突觸囊泡的數(shù)量減少,改變突觸前結(jié)構(gòu)影響突觸功能[57]。而在突觸后自噬可嚴(yán)格調(diào)控突觸后相關(guān)蛋白的表達(dá),Zhang等[58]觀察缺氧缺血對(duì)海馬神經(jīng)元缺氧-葡萄糖剝奪(OGD)模型和 MCAO 模型小鼠的自噬和突觸結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)缺血后出現(xiàn)功能性溶酶體儲(chǔ)存失調(diào)并伴有突觸功能障礙,表現(xiàn)為自噬短暫上調(diào)后出現(xiàn)溶酶體功能的紊亂,SYN1、SYT1、HPCA、TUBB3和 SNAP25等可塑性相關(guān)蛋白表達(dá)的減少和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)破壞的陸續(xù)發(fā)生。另有研究發(fā)現(xiàn)自噬可以通過(guò)直接降解突觸蛋白PSD-95,PICK1和SHANK3來(lái)調(diào)節(jié)突觸[59,60]。此外,突觸后受體,即γ-氨基丁酸A型(GABAA)受體和AMPA受體,已被證明會(huì)因自噬而降解[61,62]。提示自噬在突觸發(fā)育中扮演一個(gè)關(guān)鍵性角色。

BDNF是LTP的誘導(dǎo)劑,可以調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元中的自噬。研究發(fā)現(xiàn),抑制自噬可以改善小鼠因BDNF缺乏引起的LTP缺陷和記憶障礙,BDNF通過(guò)調(diào)控TrkB和PI3K/Akt途徑的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制體內(nèi)自噬[59,60]。另有研究表明,神經(jīng)元可以通過(guò)刺激PI3K-Akt-mTOR通路來(lái)抑制 NMDAR依賴(lài)的自噬,提示自噬對(duì) NMDAR依賴(lài)的突觸可塑性及大腦功能有一定影響[62,63]。當(dāng)線粒體自噬缺陷時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致突觸前線粒體功能障礙,損害突觸穩(wěn)態(tài)[64]。Yuan等[65]研究發(fā)現(xiàn),BNIP3 L/NIX參與了腦缺血再灌注誘導(dǎo)的線粒體自噬。鐘曉勇等[66]研究發(fā)現(xiàn),電針通過(guò)提高BNIP3L的表達(dá)激活線粒體自噬,減輕腦損傷和線粒體依賴(lài)的細(xì)胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn),電針可能通過(guò)調(diào)控Pink1/ Parkin通路和mTOR-ULK1/ FUNDC1軸,提高自噬清除率,改善線粒體功能并減少腦缺血再灌注中的神經(jīng)元損傷[67,68]。

綜上所述,針刺可以采取多途徑、多靶點(diǎn)來(lái)發(fā)揮腦保護(hù)的作用,且針刺具有操作簡(jiǎn)便易行、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)點(diǎn),值得推廣應(yīng)用。理解認(rèn)知過(guò)程與神經(jīng)突觸可塑性的關(guān)聯(lián),對(duì)大腦記憶、學(xué)習(xí)等生理活動(dòng)與精神思想活動(dòng)和情感心理活動(dòng)等的關(guān)系指明了發(fā)展新方向,并可對(duì)臨床相關(guān)疾病治療研究提供新思路。