缝隙连接通讯与认知功能障碍关系的研究进展

朱有厚（综述），王 飞（审校）

同济大学附属同济医院神经外科，上海 200065

缝隙连接是细胞间普遍存在的连接方式，它介导相邻细胞间电偶联以及小分子物质的胞间转移，这种信息交流和物质交换方式被称为缝隙连接通讯[1]。现已证实在机体组织中均存在缝隙连接，这对维持细胞之间的功能具有重要作用，因此缝隙连接和心脑血管疾病以及中枢神经系统疾病有密不可分的关系。中枢神经系统损伤后引起的认知功能障碍主要有以下几种机制：（1）主管认知功能的脑解剖学部位直接受损；（2）损伤部位通过缝隙连接通讯间接影响脑认知功能的关键部位；（3）缝隙连接通讯从认知功能形成机制上直接参与认知功能障碍的形成。

1 缝隙连接的结构

缝隙连接在质膜上常以“斑块”的形式出现，每个斑块中含有数百至数千个缝隙连接通道。电镜下显示缝隙连接是由两个相邻质膜上相对应的半通道（连接子）组成，两者间隔仅为2～3 nm。连接子（connexon）是由缝隙连接蛋白（connexin，Cx）6个亚蛋白构成的六边形中空管道，直径约1.5 nm，它的数量影响缝隙连接通讯的功能[2]。研究表明缝隙连接通道能够使相邻细胞之间的小分子（＜1 000）双向被动扩散，如无机盐、环磷酸腺苷(cAMP)、环磷酸鸟苷(cGMP)、1，4，5—三磷酸肌醇(IP3)、氧气、核苷酸、氨基酸、葡萄糖、维生素及部分激素等通过，而阻止大分子蛋白质和核酸通过[3]。缝隙连接蛋白在中枢神经系统中广泛表达，与机体认知功能有密切关系的海马部位主要表达Cx36。

2 缝隙连接蛋白在中枢神经系统中的表达及功能调节

2.1 缝隙连接蛋白在中枢神经系统中的表达

中枢神经系统的各个区域中都有缝隙连接的表达。现已证实脑内特异性细胞类型只表达特异缝隙连接蛋白。成年脑组织星形胶质细胞主要表达Cx43，同时还有Cx40、Cx30；少突胶质细胞主要是Cx32、Cx35；神经元中Cx26、Cx32、Cx36有较丰富的表达，海马组织也包括在其中[4]。

2.2 缝隙连接的功能及调节

参与胞间信息传递：GJ具有阻抗低、传导快、延搁时间短的特点。如某一细胞受到刺激，其膜信号发生改变并通过GJ迅速将调节信号传递给相邻细胞，此同步化机制对完成整体功能有重要作用[5]。缓冲毒性物质：受损害细胞通过GJ向邻近细胞排出毒物，降低对细胞的损害。周围细胞借助GJ向该部分细胞提供营养，协助其功能恢复。若细胞受损害过于严重或其毒物浓度过高，GJ通道关闭而限制毒物扩散[6]。

Ca2+和pH值是最早发现调控GJ的因子。Ca2+可直接结合连接蛋白使GJ导通性降低；pH值下降可引起GJIC减低。Spray等发现当pH值低于6.6时，电偶联逐渐降低，当细胞内pH恢复，GJ电导性亦随之恢复[7]。提高细胞外K+浓度或用谷氨酸激动剂引起膜电位改变，上调Cx43电偶联，增加GJIC。实验表明缺氧、NO和外源性花生四烯酸都可减少星形胶质细胞间的GJIC，提示GJ通透性可能受神经元及内皮细胞释放的内源性物质调控[8]。

3 认知功能障碍与缝隙连接通讯的关系

临床研究发现，认知功能障碍是脑损伤后常见反应之一。国内动物实验也证实了这一点，具有代表性的是章建军等[9]通过建立大鼠慢性脑缺血模型来观察大鼠认知功能变化与缝隙连接蛋白的关系。实验表明缺血组较对照组在水迷宫实验中寻找平台潜伏期时间明显延长，之前实验还证实前者海马区缝隙连接蛋白在转录和翻译水平明显低于后者。这些均提示着颅脑损伤后细胞间GJIC发生改变，这会直接或者间接与脑的认知功能相关区域产生影响，从而影响认知功能。

3.1 中枢神经系统的损伤导致GJIC的变化与认知功能障碍的关系

邻近脑认知区域脑组织损伤会引起组织缺血、缺氧、脑内pH变化、炎性介质产生等，GJIC通过自身变化并将上述微环境的改变信号传至与之临近的海马等对认知起重要作用的区域，并引起该部位间接损伤，从而导致认知功能的障碍。支持这一观点的前提是损伤发生在与主管认知区域临近的脑组织。

Orellana等[10]认为脑组织星形胶质细胞借助GJIC可使凋亡信号在半暗带区内传播，并且动物实验显示缺血、缺氧时细胞间GJIC仍保持开放状态，而这一状态则更有利于有害信号向临近健康组织传播，一旦有害信号波及到主管认知区域临近的脑组织，就会一起该部位损伤，从而导致认知功能改变。Rami[11]认为梗死区濒死细胞通过GJIC，使得缺血损伤逐步扩大；并且实验发现易受缺血损伤的海马CA1、CA2区具有更高密度GJ。因此他们提出抑制细胞间缝隙连接通讯，可以减少神经元的损害，特别是海马等高度敏感的部位。然而也有学者认为临近脑组织可借助GJIC稀释缺血区的有害物质，有利于物质重新分配，阻断细胞间缝隙连接通讯会加重该部位脑组织的损害[12]，但该观点强调的只是加重对受损部位脑组织本身的影响，对与之临近的脑组织并没有明显改变。

主管认知区域临近的脑组织损伤后，受伤脑组织微环境的变化会引起乳酸堆积。前面提到缝隙连接对Ph改变十分敏感[13]；当主管认知区域临近脑组织损伤引起局部乳酸堆积，导致pH改变，胞间GJIC会将这一信号传至周围健康脑组织，引起周围脑组织的损害[14]；如果该部位是主管认知的区域，必然会引起机体认知功能的改变。

主管认知区域临近脑组织受损后，由于局部微环境的改变必然导致炎症因子的产生，炎性因子除了对GJ本身有一定的影响外，GJIC的变化还可以将该信号外传至脑认知区域引起脑组织损伤。大量实验已证实影响GJIC的有白细胞介素、肿瘤坏死因子、一氧化氮，而其中有些因子是脑组织损伤后的经常性因子。Forger等[15]通过动物实验研究发现，正常大鼠皮层＜5%的小胶质细胞表达Cx43，而伴随针刺损伤后，大约60%的小胶质细胞表达Cx43，体外原代培养的大鼠小胶质细胞染料偶联实验也证实小胶质细胞的激活与Cx43表达和GJIC相关，并在细胞培养液中检测到炎性因子。干扰素联合内毒素原代培养的小鼠小胶质细胞，导致染料偶联率增高，提示小胶质细胞的缝隙连接蛋白除自身表达以外，还通过炎症介质影响胶质细胞GJIC；Marandykina等[16]认为炎性因子影响偶联增强的GJIC可以进一步将损伤信号传播，引起周围组织损伤，之前许多实验证实在创伤早期阻断缝隙连接通讯，可以显著减少创伤早期炎性介质的释放从而对创伤早期起保护作用

神经变性疾病与缝隙连接分子结构变化的关系目前还未阐明。Takeuchi等[17]以阿尔茨默海病大鼠模型做了一项研究，用缝隙连接通道蛋白阻滞剂的作用，动物行为学实验表明实验组的记忆认知能力明显高于对照组，而实验组脑组织中β蛋白定量也较对照组有所减少。虽然其中的具体分子学机制还未阐明，但这都提示适时阻断缝隙连接通讯可以改善神经变性疾病症状。

3.2 缝隙连接通讯与认知功能形成机制的关系

机体认知功能形成和状态维持是一个极为复杂的过程，它由多种细胞因子及神经神经递质参与，并通过神经网络将不同神经认知结构域的信息整合，最终在个体中表现学习、记忆、理解、判断、执行等能力。从宏观方面讲，认知功能的形成是在大脑的特定的部位，如额叶、基底核、颞叶，特别是海马部位，但这些部位在认知形成和维持中并不是孤立存在的［19］；从微观层面来说，认知功能形成的物质基础是脑认知结构域神经元的电活动信号，而信号之间的整合和传导则借助神经递质和细胞因子（多巴胺、乙酰胆碱、三磷酸肌醇、Ca2+、K+等），通过神经网络及信号传导途径来完成［20］。不同的神经网络及信号转导途径对信息汇总起重要作用。因此，以上任何一个环节出现问题都会导致认知功能障碍。

现已证实缝隙连接直接参与了脑认知功能的过程。目前公认的观点是海马振荡信号（ripple振荡）让神经元放电同步化，使分散在大脑中的活动集合起来，参与脑的认知功能。海马震荡的物质基础是海马组织的缝隙连接通讯，换句话说是缝隙连接通讯通过介导海马神经网络振荡而参与了认知处理的过程。

Hormuzdi等[18]认为尽管在脑海马中兴奋性或者抑制性化学连接足以产生节律性振荡活动，这种节律性震荡是脑活动的普遍现象，但是无规律的微弱的活动是无法被记录下来的，在没有缝隙连接参与时，这种震荡活动的精度和力度都会明显减弱，缝隙连接组成的电偶联具有滤波器特性，能在不同基础频率水平同步化神经元群活动，从而使神经元活动更为有效。这就提示在认知功能过程是GJIC和化学性突触协同完成的，后者负责产生基础震荡，前者主要是加强调整、整合震荡信号。目前研究做多的是超快的ripple振荡，这些振荡被认为在多种认知过程中，包括记忆形成、感知觉和其他高级功能中起重要作用。

神经元的基础快速放电对产生ripple振荡是必须的，但是缝隙连接对ripple的产生也及其重要，实验证实海马脑片中缝隙连接抑制剂可以阻断ripple振荡，在体外大鼠海马脑片CA1/CA3区记录到的振荡，也可以被氟烷这种缝隙连接阻滞剂阻断［21-22］；Marcela[23]通过动物实验提示Cx36基因敲除的小鼠的ripple振荡没有受损，但是却能够被缝隙连接的阻滞剂破坏。越来越多的动物实验证实Cx36基因敲除小鼠通过行为学分析发现小鼠感觉运动能力和学习记忆过程受损；在实验中用缝隙连接阻断剂生胃酮对大鼠水迷宫中的空间学习能力的影响，同样发现发现生胃酮能显著降低大鼠在空间记忆任务中的学习能力［24］。这些结果有力证实了阻断缝隙连接通讯可以降低机体认知功能。

4 小结

缝隙连接通讯对认知功能的作用存在两面性，根据脑认知功能发生机制，在正常情况下阻断缝隙连接可直接降低认知功能，而脑损伤后阻断缝隙连接通讯则可以改善认知功能。脑损伤后损伤区濒死的细胞，可通过缝隙连接通讯使有害信号由损伤区传播到临近脑组织，这对病灶部位的细胞是有利的，但有时却连累了周围脑认知功能区域，这将导致机体认知功能障碍，因此，从这角度讲适时阻断缝隙连接通讯可以减少认知功能损害。

综上所述，关于是否可以通过阻断缝隙连接通讯减少对认知功能的影响，目前尚有争议。虽然缝隙连接对认知功能存在两面性，但是可以肯定的是缝隙连接通讯确实参与了脑认知动能的活动。我们还需要进一步研究缝隙连接参与认知功能活动的具体机制，适时调节缝隙连接通讯，改善认知功能障碍患者的症状，为提高生活质量提供重要依据。

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