丰富环境促进缺氧缺血性脑损伤神经可塑性的研究进展①

吕富岩，张雷红，宫兆帅，苑爱云

青岛市妇女儿童医院神经康复科，山东青岛市266034

围产期缺氧缺血性脑损伤(hypoxic-ischemic brain damage,HIBD)是由各种原因引起的脑缺氧缺血所致，常危及生命，幸存者常遗留运动障碍、认知障碍、癫痫等神经系统后遗症，给家庭和社会造成极大负担。随着抢救技术提高，HIBD患儿存活率增加，但致残率并未降低。

未成熟脑较成人有更高的神经可塑性，而脑功能重塑受病理生理及环境因素的共同影响。丰富环境干预是改善脑功能重塑重要而有效的手段之一，因低风险、低成本、无创性，已经成为神经科学领域的研究热点。

1 丰富环境与HIBD

丰富环境是针对啮齿类动物习性制备的动物实验模型环境，最早由Hebb提出[1]。他在研究中发现，暴露于丰富环境中的大鼠，水迷宫实验成绩明显提高，提示丰富环境可显著改善大鼠的学习记忆能力。1978年丰富环境首次被正式定义：丰富环境是指存在多个干预因子的环境，是复杂的无生命物与社会刺激的复合体，不仅提供了运动机会和多感官刺激，而且赋予动物个体间社交活动的可能[2]。

丰富环境的动物饲养笼较常规饲养笼大，多为85×85×75 cm大笼，每笼8～12只大鼠，笼内放置不同颜色及形状的物体，如柠檬、树叶、木板、斜坡、秋千、管道、转笼和玩具等。笼中摆放的物品每日更换位置，玩具每周更换2次。常规标准饲养环境笼舍小，相对“贫瘠”，无特殊刺激物品，仅放置水、食物和垫料。

相比标准环境，丰富环境下动物居住条件具有复杂性和新颖性的特征。丰富环境作为一个动物实验模型，被广泛用于研究环境对脑发育、认知和脑损伤后神经修复的影响。Birch等[3]发现，丰富环境干预的正常大鼠记忆力较未干预者高，并能抑制大鼠衰老过程中记忆力下降。对HIBD大鼠的研究发现[4-8]，与标准环境相比，丰富环境可显著提高HIBD大鼠的学习记忆能力、运动平衡协调能力及环境适应能力。

丰富环境在动物饲养环境中增加了学习经历、身体活动、感觉输入及社交活动等，可能通过调控突触可塑性相关蛋白、凋亡相关因子、自噬相关因子等，增强突触的形态及功能，促进HIBD后神经功能重塑。

2 丰富环境与突触可塑性

2.1 突触的形态及功能

突触可塑性是未成熟脑神经可塑性的重要表现[9]，包括功能和形态的可塑性。海马区突触连接在接受一定量强化刺激后，有在较长时间内维持高于刺激前的突触效能增强现象，即长时程增强(long-term potentiation,LTP)，电生理表现为场兴奋性突触后电位(field excitatory postsynaptic potential,fEPSP)增强。LTP可诱导突触大小、数量及功能改变。树突棘作为突触后形态结构，是神经元信息交换的主要位点，海马锥细胞树突棘的结构和功能被认为是学习记忆的细胞基础。

动物实验表明，丰富环境干预可通过促进海马区LTP，提高fEPSP，促进神经功能重塑，并提高脑损伤后学习及记忆能力的恢复[10-12]。Malik等[11]发现，丰富环境干预3周后，HIBD大鼠损伤侧大脑皮层厚度及树突棘数量均显著增加。

何种丰富环境干预强度效果最佳存在争议。每天1 h、每周6 d、持续9周的方案可改善HIBD大鼠认知，抑制海马神经元树突棘丢失，但不能逆转海马萎缩[13]；有学者认为，丰富环境的数量及强度并非越多越好[14]。丰富环境干预的机制及干预强度，以及对HIBD大鼠认知及海马突触形态、功能的影响及分子基础，均有待进一步明确。

2.2 突触可塑性相关蛋白

丰富环境对HIBD的修复作用已得到公认，并发现丰富环境对未成熟脑可塑性的积极影响可能与促进突触相关分子的表达相关[3,9,15]。

突触素作为突触重塑的特异性标志物，参与突触囊泡转运和神经递质释放，可准确反映突触的分布和密度。研究发现[3]，丰富环境干预的正常大鼠记忆力及海马突触素表达明显较未干预者高，且呈时间依赖性；长期间歇丰富环境干预可抑制大鼠衰老过程中记忆力下降。本课题组预实验亦发现，丰富环境干预(每天12 h，连续14 d)可增强HIBD幼鼠海马区突触素的表达，但HIBD后不同丰富环境干预强度对大鼠认知及突触素的影响尚不清楚。

成纤维细胞生长因子2(fibroblast growth factor 2,FGF-2)是一种神经元营养因子，也可调节突触可塑性和轴突分支，受到高度关注[16]。FGF-2可通过突触可塑性提高正常脑的学习能力及损伤脑的记忆恢复[17]。丰富环境可促进大脑FGF-2表达[9]，但干预强度对HIBD大鼠海马FGF-2表达的影响目前研究较少。

脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是脑发育的关键分子，通过与其特异性受体TrkB结合发挥作用，参与突触重塑及学习记忆。BDNF受诸多因子调节，最重要的是环磷腺苷反应元件结合蛋白(cAMP responsive element binding protein,CREB)。CREB作为细胞核内第三信使之一，在应激刺激后可诱导Ser-133位磷酸化，激活转录，进而调节BDNF的表达。CREB对巩固LTP和长期记忆也起重要作用。生理剂量的BDNF对记忆有促进作用，过高或过低BDNF打破了抑制性和兴奋性神经传递的平衡，对学习记忆产生消极作用。有研究发现[18]，过表达BDNF的转基因小鼠在成年后出现空间学习障碍，内源性BDNF慢性增加亦可促进海马齿状回苔藓纤维芽生，进而干扰突触重塑。丰富环境可明显促进HIBD大鼠海马BDNF表达[15,19]，但过度丰富环境干预是否会造成BDNF过表达，从而对突触重塑及认知产生负面影响，尚未可知。

3 丰富环境与细胞凋亡

神经元凋亡途径参与未成熟脑的可塑性[20-21]。Bcl-2和Bax是经典的凋亡抑制基因及凋亡促进基因[22-23]。对成年大鼠的研究表明，丰富环境干预可下调凋亡促进蛋白Bax表达[21]，上调凋亡抑制蛋白Bcl-2表达[20]，促进衰老大鼠海马神经发生[21]。本课题组研究发现，丰富环境干预可显著提高HIBD大鼠缺血缺氧侧海马Bcl-2的表达，抑制Bax表达。但丰富环境干预后未成熟脑海马神经元凋亡调控基因的表达变化及其确切机制尚不清楚。宫阳阳等[24]发现，丰富环境干预后，HIBD大鼠损伤侧海马神经细胞内尼氏小体增多，提示丰富环境干预可以促使未死亡的神经元通过尼氏小体重现，逐步恢复代谢，参与轴突修复和生长，促进脑功能重塑。

4 丰富环境与细胞自噬

自噬指细胞利用溶酶体、吞噬泡降解自身受损的细胞器和大分子物质的过程[25-26]，被称为Ⅱ型程序性死亡。自噬具有两面性，基础水平的自噬是细胞的自我保护机制，但自噬过度可导致代谢应激、细胞死亡等灾难性后果。

缺氧缺血等应激性刺激可诱导神经元自噬，自噬过程受多种自噬相关蛋白调控。Beclin-1是自噬启动的关键分子，可调节其他自噬蛋白定位至前自噬体膜上，是自噬重要的正调节因子。微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1light chain 3,LC3)是自噬体膜的标记物，LC3-Ⅰ通常存在于胞浆中，自噬激活时向LC3-Ⅱ转化并转移到自噬体膜；LC3-Ⅱ水平及LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值可提示自噬活性[27]。P62是自噬的底物，反映自噬潮的情况，其水平与自噬活性负相关。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)可调节神经系统生理功能，包括突触重塑、记忆及细胞自噬等[28]。正常状态下，mTOR1处于激活状态，直接抑制自噬，是自噬的负性调控因子。雷帕霉素作为mTOR1抑制剂，可激活自噬。

生理状态下，自噬参与记忆及突触发育的调控[25,29]。对神经系统病理状态下自噬的研究多集中于神经系统退行性疾病及精神类疾病，且认为自噬对突触可塑性及认知功能有保护作用[25,30]。Otabe等[31]对抑郁症大鼠模型的研究发现，电刺激可通过增加海马区自噬、提高BDNF的表达，改善突触可塑性。Takahashi等[30]对创伤性应激障碍大鼠的研究发现，丰富环境干预2周后，海马区LC3-Ⅱ、BDNF表达显著增加，且大鼠麻木回避行为随之改善，说明丰富环境干预可通过增加海马区自噬改善大鼠的精神行为。

自噬在HIBD中作用却存在矛盾的观点。Lu等[32]对7日龄大鼠海马脑片的体外研究发现，糖氧剥夺后，海马脑片自噬体增加、LC3-Ⅱ表达增高；加用自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤后，自噬体形成及LC3-Ⅱ水平降低，脑损伤明显减轻，认为海马区自噬上调可加重损伤。Xu等[33]发现，抑制自噬可降低HIBD后大鼠海马区损伤。Au等[17]亦发现，缺氧诱导的自噬可加重未成熟大鼠小脑浦肯野细胞损伤，抑制自噬可促进浦肯野细胞存活，并改善大鼠平衡功能。而Papadakis等[34]却发现，缺氧缺血诱导的自噬可通过增加神经元对缺氧的耐受性，发挥保护作用。自噬在HIBD中的作用有待进一步研究，而丰富环境干预是否对HIBD海马区自噬产生影响，鲜有报道。

5 小结

丰富环境对HIBD的修复作用已得到公认，并发现丰富环境可能通过调控突触可塑性(突触相关分子、突触的形态及功能)、神经元凋亡及细胞自噬过程，改善HIBD后神经可塑性，促进HIBD后神经功能修复。丰富环境作为基础实验模型，为临床丰富环境康复方案的制定提供了理论基础；丰富环境作为一种低风险、低成本、无创性康复手段，在临床康复中必将拥有良好的应用前景。但目前对丰富环境干预的时机及丰富环境干预强度的选择存在争议，而且自噬调控在不同病理生理状态下存在两面性。未来研究需进一步阐明丰富环境干预强度对HIBD大鼠海马区自噬、突触可塑性的影响及内在机制，探索最佳丰富环境干预强度，从而为临床康复方案制定提供参考。

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