基于突触可塑性探讨针刺防治认知障碍的机制

崔佳节 陶利军

认知障碍(cognitive impairment,CI)又称认知缺陷,是一种学习、记忆和思维判断的异常,导致学习、记忆障碍,影响患者的社会功能和生活质量,认知能力的建立与突触可塑性密切相关[1]。突触可塑性是调节认知功能的重要因素。在临床上,针刺治疗认知障碍疗效肯定具有独特的优势。目前的研究表明,针刺治疗认知障碍相关疾病如阿尔兹海默病(Alzheimer disease,AD)、和卒中后认知障碍(PSCI)等方面取得确切疗效[2,3]。本文综述了近年来基于突触可塑性针刺防治认知障碍性疾病研究中的进展,重点介绍了在学习、记忆和认知等神经生理过程中起重要作用的分子机制及可能的相互关系。

1 突触可塑性概述

突触是神经元与效应器细胞之间相互接触的结构,也是信息传递的关键部位,具有高度选择性和稳定性。突触可塑性是突触在结构和功能上产生较为持久改变的现象,通过调节突触前基因表达和蛋白质水平的变化,调控突触的传导和大脑高级功能。在生理条件下,这一过程与大脑发育、学习和与早期的记忆巩固阶段有关[4],在病理状况下,它可能参与脑损害的恢复过程[5]。因此,研究突触可塑性对一些神经系统疾病的防治及药物开发具有重要意义。突触的可塑性包括结构和功能的可塑性2个方面。

2 针刺对突触结构可塑性的影响

突触结构的可塑性主要包括2个方面:突触超微结构变化和突触相关蛋白的变化。

2.1 突触超微结构的变化 突触超微结构变化可影响突触结构的可塑性,主要包括:(1)突触连接的形成与降解; (2)突触相关亚细胞结构的变化;(3) 结构参数的变化,如突触间隙宽度和界面曲率等。宋长明等[6]研究发现,电针通过增加突触数量,改善突触超微结构,提高突触可塑性改善大鼠空间学习记忆能力。樊竹等[7]研究发现,头穴丛刺法可通过使突触后致密物厚度和突触间隙宽度增加,改善突触的形态、促进神经元的修复有助于突触效能的传递。王慧等[8]研究发现,电针治疗组与模型组比较,大鼠海马穿孔突触百分数提高,突触前后膜、突触间隙较清晰,突触后致密物厚度增厚,提示电针可以通过调控突触超微结构变化,增强AD大鼠学习记忆能力。

2.2 突触相关蛋白的变化

2.2.1 突触素(synaptophysin,SYP):SYP与肌动蛋白相结合后,运输突触囊泡至突触前膜释放神经递质参与突触的可塑性[9]。Zhao等[10]发现,SAMP8小鼠脑微环境中突触的数量和密度均有所降低,针刺可增加SAMP8小鼠海马神经元SYP的表达,促进损伤细胞恢复,产生新的轴突和树突增强突触可塑性。Liu等[11]通过电针刺激MCAO模型大鼠百会、神庭穴,研究发现电针抑制了Jun 氨基末端激酶(JNK)和p38的激活,同时增强了缺血周围区域细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2)的活化,上述信号通路的激活上调了Bcl-2/Bax的比例,抑制神经元细胞凋亡。

2.2.2 突触后致密蛋白-95( postsynaptic density protein-95,PSD-95):有研究表明 PSD-95蛋白561位点丝氨酸磷酸化可以调节构象开关和树突棘结构可塑性[12]。另有研究发现,PSD-95的磷酸化对N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDAR)依赖的长时程抑制(long term depression,LTD)诱导至关重要,自噬可能诱导PSD-95在LTD期间的降解,在突触可塑性中起关键作用[13]。PSD95是学习记忆功能的关键参与者,大鼠海马发育过程中控制Dlg4/PSD95基因表达,可以改善AD大鼠记忆缺陷,基因靶向确定可以为改善神经系统疾病导致的记忆障碍提供潜在研究方向[14]。Zheng等[15]研究发现,电针刺激诱导脑干5-羟色胺(5-HT)和去甲肾上腺素表达,促进脑源性神经营养因子(BDNF)分泌,调节神经递质受体和PSD-95表达,增强神经保护作用。Cai等[16]研究发现,电针治疗显著改善了5XFAD小鼠的学习和记忆功能,并通过上调PSD-95的表达,抑制超微结构降解来改善小鼠的突触可塑性。

2.2.3 生长相关蛋白-43 (growth associated protein,GAP-43):对突触功能维持和递质释放都起着关键作用,与突触可塑性和记忆功能密切相关[17]。并可作为AD患者突触功能障碍潜在的潜在生物标志物[18]。徐磊等[19]通过电针刺激脑缺血模型大鼠内关、水沟穴发现,针刺通过增加缺血周围皮层中GAP-43蛋白的表达,促进大鼠神经功能的恢复。韩清等[20]研究发现,电针后大鼠海马区的CAP-43含量明显增多,提示电针能诱导MCAO大鼠模型神经轴突再生和突触功能重建。

2.2.4 脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF):是一种脑内合成,对中枢神经系统正常功能维持起重要作用的神经调节蛋白质,调节海马突触传递和突触可塑性,改善受损的学习记忆能力,BDNF可以抑制tau磷酸化、减少Aβ等,可作为AD的诊断生物标志物,具有潜在应用前景[21,22]。Chen等[23]研究发现,针刺与康复训练相结合可降低脑卒中患者的血流指数,增加患者血清中BDNF的含量,促进神经功能的恢复。Li等[24]采用头针联合运动疗法观察MCAO模型大鼠缺血区BDNF表达,结果显示针刺组BDNF含量显著增加,提示电针通过使缺血区BDNF的表达增加来减少神经元坏死和抑制细胞凋亡。Li等[25]研究发现,针刺可能通过激活BDNF/TrkB信号通路改善创伤性脑损伤后的神经恢复。与Pei等[26]所得研究结果相互印证,针刺可以通过调节海马体中的BDNF/TrkB/Erk信号传导来改善SD大鼠的空间记忆障碍。

1.2.5 N-甲基-D-天门冬氨酸(N-methy-D-as-partic-acid,NMDA):NMDA受体是一种离子型的谷氨酸受体,主要分布在突触后致密区,在神经系统发育,学习和记忆过程中发挥重要的生理作用,可通过诱导LTP形成影响突触可塑性[27]。Zhang等[28]研究发现,MCAO模型组大鼠海马体中GluN2B亚基的NMDA受体总体表达显著增加,电针通过抑制GluN2B/m-Calpain/p38 MAPK促凋亡途径抑制GluN2B受体的过度激活,阻断NMDA受体介导的钙离子内流途径同时抑制脑损伤大鼠海马体中的p38 MAPK磷酸化,增加神经元对脑缺血再灌注损伤的耐受性。D-丝氨酸(D-Ser)是一种生理性NMDA受体激动剂,在海马CA1区突触经典的NMDA受体依赖性LTP中有重要的作用并与突触的可塑性密切相关[29]。血清 D-Ser水平作为AD的有价值且易于测定的生物标志物,用来评估疾病进展[30]。周颖等[31]研究发现,电针治疗抑制了D-Ser含量的波动变化,使其呈现稳定的下降趋势,同时降低了NR1蛋白表达水平,提示电针治疗通过稳定缺血组织中D-Ser的波动以及调控NR1表达变化,改善脑缺血模型大鼠的神经功能缺损症状。

2.2.6 α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor,AMPA):AMPA受体介导中枢神经系统兴奋性突触传递,由GluR1～GluR4组成的复合物。Wang等[32]研究发现,电针作用于脑中动脉闭塞诱导的认知缺陷大鼠模型,通过激活5-HT1A受体和促进PKA激酶活性可能导致 NMDA/AMPA受体磷酸化,使细胞内钙浓度增加,减轻MICD大鼠的脑组织损伤。内源性大麻素系统激活可以抵抗过度激活AMPAR引起的兴奋性毒性,该效应与大麻素受体(CB1R)有密切关系[33]。Liu等[34]研究发现,电针组小鼠海马体中的GluR2表达上调,提示电针通过CB1R调节下游海马神经元GluR2的表达,诱导脑缺血耐受作用来改善缺血性认知障碍。

3 针刺对突触功能可塑性的影响

突触功能的可塑性是指被破坏的突触传递功能被激发,包括长时程增强(LTP)和(LTD),二者被公认为是学习记忆活动的生理基础,LTP的功能以合成和存储新记忆为主,而LTD则是对记忆进行整理、遗忘,并且可以调节LTP[35]。NMDAR和AMPAR是产生和维持LTP和LTD重要递质,在突触后去极化过程中激活突触后NMDA受体,导致钙离子浓度上升,是LTP的必要触发因素,突触后AMPAR的数量和性质的变化也是突触可塑性的基本机制[35,36]。

Yang等[37]研究发现,针刺减少活性氧的产生,使NMDA 2A受体的表达增加,影响LTP的产生和维持,增加了神经元的数量,改善MCAO模型大鼠的认知障碍。He等[38]通过针刺中风患者的曲池,内关穴,发现针刺可以调节人类初级运动皮层兴奋性和LTP样可塑性,LTP样可塑性可以通过针刺在不同的时间点操纵来调节人体皮层的可塑性,改善患者症状。

4 突触可塑性与神经胶质细胞

星形胶质细胞(AS)、小胶质细胞(MG)以及少突胶质细胞等是中枢神经系统(CNS)中主要的神经胶质细胞。在整个生命中不断监视神经活动,塑造突触可塑性。其与神经元以及周围的血管等形成复杂的信息交换网络,通过支持神经传递、神经系统的发生、维持细胞外离子平衡、绝缘轴突加速电信号传导等,来影响CNS的稳态和功能[39]。

4.1 AS负责CNS的稳态和保护,通过支持神经递质代谢、突触发生、消除和突触可塑性来调节神经元网络的突触连接,这些突触可塑性有助于认知处理,包括学习、记忆、情绪和行为[40,41]。AS与突触通讯作用主要体现在AS通过释放改变突触功能的递质来促进突触可塑性[42]。胶质纤维酸性蛋白(GFAP)是星形胶质细胞中间细丝的主要成分,脑损伤后GFAP的表达量增加,可作为AS的特征性标志蛋白,因此研究GFAP在脑疾病中的变化及其临床意义具有重要意义[43]。Liu等[44]研究发现,在术后第1天通过GFAP免疫荧光染色评估POCD大鼠中星形胶质细胞的数量,模型大鼠GFAP阳性星形胶质细胞显著增加,电针可以逆转这一现象。

研究发现,AMPA、NMDA等谷氨酸受体也在星形胶质细胞中高表达,受体的成熟受AS的调控,可影响突触的结构与功能,使突触传递效率下降[45,46]。当脑组织发生缺血损伤时,过量的谷氨酸积聚可导致神经元凋亡和坏死,AS上的兴奋性氨基酸转运体1、2(EAAT1、EAAT2)可摄取突触前神经元释放的谷氨酸,将突触间隙的谷氨酸维持在较低浓度,避免发生兴奋性氨基酸毒性,海马体和皮层中星形胶质细胞谷氨酸循环受损是AD的一个特征,与认知障碍有关[47]。有研究发现,电针处理增加了大脑皮层中的EAAT2表达,其可能通过提高EAAT2的表达来提高AS谷氨酸摄取功能,降低兴奋性氨基酸毒性作用[48]。

4.2 MG MG和突触处的神经元之间存在密切关系,可能通过促进突触发生、调节突触修剪、突触消除和剥夺,影响突触可塑性,在记忆和学习中起着复杂的作用[49]。改变MG的分枝状,可导致突触丢失和功能障碍[50]。MG对突触可塑性的各种影响基于其促炎或抗炎作用以及小胶质细胞的状态(静止或激活)。在某些病理状况下MG被异常激活并增加数量,迁移到炎性部位并分泌炎性因子,趋化因子和活性氧等促进或抑制神经元或突触的损伤[51]。

核苷酸结合寡聚化结构域样受体3(NLRP3)是一种炎性小体,在MG中表达丰富。Hou等[52]针刺SAMP8模型大鼠百会、足三里穴,发现电针治疗可通过NLRP3/Caspase-1信号通路来抑制NLRP3炎性小体相关蛋白的表达,抑制小胶质细胞的激活,缓解其炎性反应。在中枢神经系统内,Toll样受体(TLR)主要由小胶质细胞表达,TLR4激活会上调神经炎性并促进神经胶质瘢痕形成[53]。miRNA在许多神经炎性性疾病的发病机制中起着关键作用,据报道,在VD患者和MCAO诱导的缺血性中风大鼠中,miR-93的水平显著升高,提示miR-93可能是缺血性脑损伤潜在的生物标志物[54]。Wang等[55]研究发现,针灸下调了海马体小胶质细胞中TLR4的表达,针刺通过调节小胶质细胞中的TLR4/ MyD88/NF-κB途径减轻脑缺血后神经炎性反应,改善认知功能。

5 突触可塑性与自噬

自噬是一种由2层内质网膜组成的自噬溶酶体,将部分细胞质及细胞中待降解的蛋白质及细胞器包裹并溶解,选择性自噬与细胞稳态和疾病的发展密切相关[56]。自噬在突触之前和之后以不同的方式调节突触功能。雷帕霉素在突触前末梢通过抑制mTOR信号通路,上调自噬反应使突触囊泡的数量减少,改变突触前结构影响突触功能[57]。而在突触后自噬可严格调控突触后相关蛋白的表达,Zhang等[58]观察缺氧缺血对海马神经元缺氧-葡萄糖剥夺(OGD)模型和 MCAO 模型小鼠的自噬和突触结构的影响,发现缺血后出现功能性溶酶体储存失调并伴有突触功能障碍,表现为自噬短暂上调后出现溶酶体功能的紊乱,SYN1、SYT1、HPCA、TUBB3和 SNAP25等可塑性相关蛋白表达的减少和蛋白质稳态破坏的陆续发生。另有研究发现自噬可以通过直接降解突触蛋白PSD-95,PICK1和SHANK3来调节突触[59,60]。此外,突触后受体,即γ-氨基丁酸A型(GABAA)受体和AMPA受体,已被证明会因自噬而降解[61,62]。提示自噬在突触发育中扮演一个关键性角色。

BDNF是LTP的诱导剂,可以调节海马神经元中的自噬。研究发现,抑制自噬可以改善小鼠因BDNF缺乏引起的LTP缺陷和记忆障碍,BDNF通过调控TrkB和PI3K/Akt途径的信号转导抑制体内自噬[59,60]。另有研究表明,神经元可以通过刺激PI3K-Akt-mTOR通路来抑制 NMDAR依赖的自噬,提示自噬对 NMDAR依赖的突触可塑性及大脑功能有一定影响[62,63]。当线粒体自噬缺陷时可能会导致突触前线粒体功能障碍,损害突触稳态[64]。Yuan等[65]研究发现,BNIP3 L/NIX参与了脑缺血再灌注诱导的线粒体自噬。钟晓勇等[66]研究发现,电针通过提高BNIP3L的表达激活线粒体自噬,减轻脑损伤和线粒体依赖的细胞凋亡。有研究发现,电针可能通过调控Pink1/ Parkin通路和mTOR-ULK1/ FUNDC1轴,提高自噬清除率,改善线粒体功能并减少脑缺血再灌注中的神经元损伤[67,68]。

综上所述,针刺可以采取多途径、多靶点来发挥脑保护的作用,且针刺具有操作简便易行、经济、安全的优点,值得推广应用。理解认知过程与神经突触可塑性的关联,对大脑记忆、学习等生理活动与精神思想活动和情感心理活动等的关系指明了发展新方向,并可对临床相关疾病治疗研究提供新思路。