精神分裂症N400缺陷形成及消退中BDNF介导的神经可塑性机制研究新进展

上海交通大学附属精神卫生中心神经生理室 陈兴时温州市第七人民医院精神科 林小东

精神分裂症在精神病学领域研究突破极少，因此近年来学科交叉研究被寄予厚望。国家自然科学基金委员会（National Science Foundation of China，NSFC）（2012）提出，NSFC将鼓励临床与基础结合，鼓励临床医生基于疾病现状提出科学问题，采用精神病理学、神经心理学、脑影像学、神经生物学等交叉研究方法，从多个层次和多个角度进行整合医学研究（integrated medicine）。

目前学界普遍认为，认知损害这一固有症状在精神分裂症病程中十分稳定，其出现早于精神病性症状，也是独立于阳性和阴性症状之外的另一个核心症状[1]。本文作者前一项国家自然科学基金研究提示：事件相关脑电位（event related potentials，ERP）中的听P300和N400是参与本病认知缺损的关键因素之一[2]。定量化ERP可直观地度量患者认知功能缺损程度。在另一项目中，本文作者发现脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）信号通路是本病认知缺损形成过程中的重要分子基础。然而还有疑问未明，目前未知该通路是否参与精神分裂症患者ERP的形成。上述两个项目完成，催生了新的想法，即下一步通过整合临床医学、遗传学和脑电生理学对精神分裂症认知性电位N400缺损的病理机制追根溯源。

一、国内外研究现状及学术动态

精神分裂症作为重要脑部疾病，已经成为全球神经生物学研究的主攻目标。美国国立精神卫生研究院（NIMH）现任主席Insel[3]指出：“经过一个世纪的研究后，精神分裂症成为临床难题的根本原因是病因和发病机制至今不明。药物治疗近半个世纪以来已有广泛的应用，然而并没有多少证据表明这些治疗已经明显改善多数精神分裂症患者的结局。当我们把精神分裂症作为晚期出现精神病的神经发育性障碍，并立足于疾病潜在的可预防阶段时（特别是认知），目前这些不能令人满意的结局也许将会改变”。多学科交叉研究是学科发展的必然。

聚焦多学科交叉，交叉点又在何处？近年本病在以下的神经通路缺陷环节上的证据逐渐清晰，成为研究本病发病机制的重要靶点（见图1）[4-10]。然而对本病的信息调控机制的认识还远非完善。

图1 精神分裂症发病机制的重要靶点

临床基础研究如何从认知领域入手？研究靶点上，本文作者在既往研究成果基础上，针对ERP家族中选择 N400成份发生的神经发育假说，探索N400缺陷形成中BDNF信号通路的作用机制。

N400：N400由美国学者Kutas和Hillyard在国际著名权威刊物《Science》上首先报道[11]。此后发现，在对词和图画进行命名、阅读非预期词、刺激词在语音和拼写方面发生错误时，也可记录到N400。Stekelenburg等[12]利用磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）技术对健康人的N400发生源进行的研究显示前额叶皮质与N400关系密切，该区域结构完整性可有效预测被试者N400相关认知功能水平，提示N400发生源存在具体的解剖区域。最近一项针对精神分裂症患者的脑影像研究显示N400缺陷的发生源位于前额叶皮质，提示N400缺陷可能是精神分裂症内表型（endophenotype）[13]。因此，N400作为一种精神分裂症独立表型，其潜在价值及敏感性已受到国际学术界高度重视[2,10]。现有证据均提示该区域的神经发育异常可能是精神分裂症的重要病因之一。因此，解析N400变化可为探索精神分裂症发生机制提供重要线索[4,13]。

BDNF：BDNF在大脑发育中的作用毋庸置疑，现有神经影像学研究均一致显示BDNF在多数精神疾病脑发育异常中具有极其重要的作用。Meta分析显示BDNF是精神分裂症认知缺陷最重要的易感因子[14]。关于BDNF通路在语言发展及N400改变中的作用机制，目前已经逐渐清晰起来，近来有研究报道，体育锻炼可以改善个体的语言学习功能及N400，其机制可能是通过影响BDNF含量起作用的[15]。另一项新近研究表明，通过多感觉通道的刺激可以改变脑卒中患者的语言功能和N400，可能也与BDNF含量改变有关[16]。

因此，N400与BDNF已成为脑电生理学和遗传学中探索精神分裂症认知领域中具有代表性的指标，以及当前精神分裂症发病机制研究中的新亮点[17,18]。目前研究相对一致的结果是BDNF是精神分裂症认知缺陷的生物学基础，本文作者在前期研究中使用汉语成语进行的脑电生理学研究显示中国精神分裂症患者普遍存在N400缺陷。这是否提示BDNF是精神分裂症N400缺陷的神经生物学基础？为此我们将对精神分裂症N400缺陷形成中的BDNF通路作用机制进行研究。

二、针对存在问题提出解决方案

1. N400解决方案：人类依靠语言来进行思维，可以说语言是思维的载体和工具。人类语言构成的基本要素包括语音、词汇和语法。语言的进化与人类发展和民族演化密不可分，不同民族或地域的人均有特殊或不同的可理解性，从而形成多种语言和语系。特别需要指出的是，国际上常用的N400刺激物是以拼音语言特别是英语为目标而设计的，这种刺激范式与我国的惯用语文及生活习俗并不适应。作为藏汉语系的一支，汉语与西方的印欧语系的语法存在明显的不同，比如，汉语较印欧语系复杂，其文字为象形文字。汉字以形、音、义进行表征，因不同笔画的相互配置而有不同的构形，不同的构形形成不同的象形或形声，有各自的发音和字义。汉字既可独立成词，又可集合成词。通常两个汉字组成一个词，表达一个或多个相应的概念。在汉语中，有机组合的四个汉字构成成语，具有高于普通词的表现力和现实概括力，可表达更为丰富的内容。在汉语中，字的发声有四声之别，这与西方拼音文字明显不同。国人通过选用适当的字、词和成语组成语句，遵循汉语的语音、语法，配以俗语、谚语、俚语、成语的应用，即可表述个体的思想和传递情感，显示汉语具有高度的表现力和文学魅力。因此，汉语和英语的感知、理解机制，尤其是在理解语言时两侧大脑半球活动的机制方面可能会有较大差异。世界上约1/6的人口，即10多亿人口是以汉语作为母语。因此，通过运用汉语特别字、词和成语等设计创制出来的彩图成语N400作为刺激材料，用于精神分裂症发病的脑机制研究有较高的临床和科研价值。

为了有利于研究成果的精神科应用，增强科学研究的国际竞争力，需要我们采用新的研究工具及创新的研究思路。这就需要我们设计一些更为精巧的视、听双分离实验来发现患者不同认知功能缺损之间的重要证据[19]。

2. 认知缺陷靶基因解决方案：Meta分析结果显示BDNF是与精神分裂症认知缺陷关联度最高的基因[4,6]。BDNF生理学效应主要通过级联反应触发下游信号通路改变，影响特定脑区内神经元迁徙、突触可塑性等异化神经发育过程，导致精神分裂症认知缺损表型，因此我们本次研究着重探讨BDNF信号通路。

BDNF的细胞内信号传导通路主要有2条，分别为丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）信号通路和磷酸肌醇-3-3激酶（phosphoinositide-3-Kinase, PI3K）/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶信号通路。其中，MAPK通路在BDNF生理功能中起主要作用。MAPK通路在信号网络中起着极为重要的作用，控制着细胞的多种生理过程，如细胞发生、发育、凋亡等。细胞外信号通路由胞外调节激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase, ERK 1/2）负责[20]。胞内外信号通路在不同刺激下发挥不同的作用[21]。虽然现有研究已明确BDNF信号传导途径，但这两者在认知缺陷发生和演化过程中的作用及其机制仍不明了，如：精神分裂症认知缺陷发生以及药物疗效究竟通过哪条通路起效？其中原因之一在于缺乏从前临床过度到临床研究的有效研究手段。转化医学为解决这一困惑提供了有效的途径。

3. 神经可塑性解决方案：神经可塑性是学习和记忆的细胞机制。脑内信息处理并非只是神经元间化学物质的传递与存储，而是神经网络的复杂作用。神经元可塑性对神经环路的建立和控制脑的认知功能及复杂行为具有重要作用。在宏观上表现为脑功能、行为表现及精神活动改变。在微观上，表现为神经元突触、神经环路的微细胞结构与功能的变化。突触是神经元之间的连接，是神经信息传递的关键结构，是神经可塑性变化的敏感部位。突触可塑性是指突触在形态和功能上的改变，表现为突触的反复活动引致突触传递效率的增强（易化）或降低（抑制），如长时程突触增强（long term potentiation, LTP）及长时程突触抑制（long term depression, LTD）[4,10]。

目前，研究发现神经可塑性与精神分裂症的关系多以神经营养因子相关基因作为生物学标志。然而，多项研究结果存在不一致性，其中原因之一在于神经营养因子作为间接证据，无法直观地呈现神经可塑性在精神分裂症发生进程不同阶段的状态。对此，我们在上海交通大学医工交叉项目的支持下，与广州润杰医疗仪器有限公司共同开发了一种评价人脑神经可塑性新型技术—经颅磁刺激/脑电图技术（transeranidl magnetic stimnlation-electroencephalograph，TMS-EEG）。该技术利用单脉冲TMS在瞬时干预脑皮层连接功能中的有效性，将TMS设置为靶脑区簇神经元的刺激模式[22]。同时，我们利用EEG收集TMS刺激后的神经元反应信号，该技术将TMS与EEG两种手段结合来记录TMS诱发电位，可以反映刺激后大脑的瞬间变化。由于目前 EEG时间分辨率已达到毫秒级，且空间分辨率也逐渐提高，目前已经发展到64导或128导的高分辨率脑电。因此，EEG可覆盖全脑，该技术对于脑区联接以及脑网络中神经可塑性的状况进行直观评估。在预初实验中，我们采用自编配对关联刺激模式利用EEG记录到TMS诱发的人脑前额叶皮质LTP数据，实现了临床研究精神分裂症患者脑皮质神经可塑性的可能。

4. 临床药物解决方案：主要参与者在前期动物研究中发现在使用N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-Methyl-D-Aspartate Receptor，NMDAR）受体拮抗剂构建的精神分裂症模式动物中发现其认知缺陷明显，前额叶皮质厚度显著降低，并伴有LTP受损。经过奥氮平治疗后，类似缺陷可逆转[4,23]。临床研究显示首发精神分裂症患者外周血中BDNF含量显著低于正常对照者，经奥氮平治疗2周后患者血液中的BDNF含量可显著增加，与认知改善呈线性关系。以上证据表明奥氮平对认知缺陷的疗效可能与改善神经可塑性有关。因此，奥氮平作为工具药物有助于研究精神分裂症认知缺陷的形成和逆转机制。

三 、应用前景

精神病学领域的瓶颈与医学其他领域有很大差异，在那些领域中，诊断性和预防性的检验更加完备。在精神病学这个领域内，我们拥有一批发展比较完善的筛查方法和层次分明的临床诊断工具，以及很多症状评估量表。但是那些在精神疾病诊断中加入生物标记检测的尝试却总是昙花一现。本文作者在转化医学（translational medicine）上已积累不少前期工作。我们的研究目标之一是将标准化N400及TMS-EEG转化成临床应用，即紧密结合临床实践工作中的热点和难点，因而科学研究离患者很“近”，应用前景较好。

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