丰富环境改善血管性认知障碍的研究进展*

李婷 蔡朗 林永剑 黄日兰 谢东敏 陈宁园

血管性认知障碍（vascular cognitive impairment，VCI）是指由血管性因素引起的以认知障碍为特征的一组疾病，包括从轻度VCI 到血管性痴呆。越来越多证据表明，一系列血管性危险因素（如高血压、糖尿病、动脉硬化等等）可导致神经退行性变、认知障碍和痴呆[1]。为进一步阐明血管性因素与认知功能障碍之间的关系，Bowler 和Hachinski 于20 世纪90 年代起提出了VCI 的概念[2]。学者们将VCI定义为血管源性的从轻度认知障碍发展至痴呆的一大类综合征，涵盖了由脑梗死、脑出血（显性脑血管病）或白质疏松、慢性脑缺血（非显性脑血管病）、高血压、高脂血症、糖尿病等脑血管病危险因素所引发的由轻至重的血管源性认知损害[3]。众多研究证实，血管性危险因素不仅直接导致VCI 发生，还可加速其他类型认知障碍进程，是除阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）之外引起痴呆的第二大病因。与AD 不同，由于VCI 病因复杂，目前尚无特效药物和治疗方法，VCI 临床治疗主要以降血压、降血糖、降血脂、抗血小板等为主，同时采用脑神经营养改善认知功能。另一方面，血管病变与AD 之间存在一定相关性，但二者之间的确切关系及机制尚不清楚。

Hebb[4]于1947 年最早提出“丰富环境”（enriched environment，EE）的概念，是指社会刺激和非生物刺激的结合。19 世纪60 年代，Krech 等首次发现了给予研究对象感觉、运动、社会交往等方面的综合刺激可发挥神经保护作用，并从解剖学上证明了大脑结构的明显变化[5]。Cochrance 系统评价方案将丰富环境进一步定义为“旨在通过特定设备和组织结构，提供具有刺激性的环境来干预身体（包括运动和感觉）、认知和社交活动，其中的“丰富”是指增加感官刺激的种类和/或数量，以增加实验动物的探索行为。丰富环境相对标准环境（仅给饲养动物提供水和食物，活动空间狭小且活动内容单一）而言，其通过增大动物饲养空间、增加群体数量并添置新奇物品，丰富了感官、触觉的刺激，也增进了动物之间的社会交往，从而加速大脑的神经发生改善学习记忆能力。近年来大量研究表明，EE 干预作为一种简单有效的手段，可以提高智力水平，延缓衰老和神经退行性疾病进程，促进脑组织损伤后的功能恢复。动物研究及流行病学调查发现，暴露于EE 条件下的个体学习记忆能力可得到提高，神经退行性病变发展速度也得以减缓[6]；EE 还可通过降低促炎介质释放减轻海马区慢性炎症反应[7]。就神经组织和器官而言，在丰富环境影响下，皮层可主动建立起皮层网络联系，突触可塑性（synaptic plasticity，SP）得以增强。因此，系统全面地开展EE 对VCI 的影响及作用机制研究，有助于阐明VCI患者学习和记忆功能减退的原理，为探索VCI 防治新靶点提供理论基础和实验依据。

1 丰富环境对神经营养因子（neurotrophic factors，NTFs）的影响

NTFs 是一类具有神经营养活性的细胞因子，与神经元的生长和存活有关[8]。因NTFs 有促进神经元分化、诱导神经干细胞增殖、促进突触再生、防止神经元凋亡的特点，故可支持神经元生长发育，维护神经网络完整性。目前研究热点主要是神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）、碱性成纤维细胞生长因子和表皮生长因子等。

NGF 主要在大脑皮质、海马及脑干的神经元和胶质细胞内广泛表达，是首个被发现的神经营养因子家族成员。NGF 具有营养神经元和促进轴突生长的双重生物学功能，其对调节中枢及外周神经元的发育、分化、生长和再生起着重要的调控作用[9-10]。此外BDNF 是1982 年首次从猪脑中发现的一种广泛分布于大脑中枢神经系统的二聚体蛋白，主要表达于海马、大脑皮层、纹状体、下丘脑、小脑和脑干[11-13]。BDNF 的主要功能包括促进神经发生、提高新神经元活力、增加树突和突触的形成、抑制神经炎症及影响与记忆和认知功能相关的突触调节作用等[14-16]。

以下研究通过观察EE 干预对实验动物脑内NTFs 表达的影响，证实了EE 可促进脑缺血动物模型中NGF 和BDNF 表达，进而发挥NTFs 营养和保护作用，提高实验动物的行为能力和认知功能。新近研究发现，NGF 可能通过改善大鼠的运动和探索行为，降低焦虑水平和抑郁样特征等参与慢性应激下的行为激活。EE 还可恢复NGF 水平，调节前脑区域的原肌球蛋白受体激酶A（tropomyosinreceptor-kinase A，TrkA）、 磷 脂 酰 肌 醇3- 激酶（phosphoinositide-3 kinase，PI3K）、 蛋 白 激 酶B（protein kinase B，PKB）、细 胞 外 调 节 蛋 白 激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）、 细胞内环磷腺苷效应元件结合蛋白（cyclic adenosine phosphate response element binding protein，CREB）和髓鞘碱性蛋白（myelin basic protein，MBP）等下游信号传导分子，促进神经元髓鞘形成，改善大鼠行为可塑性，并增强大鼠的学习和认知功能[17]。另有研究表明，EE 通过促进大鼠脑梗死区星形胶质细胞（astrocyte，AST）增殖和上调BNDF 表达水平，在脑缺血再灌注损伤中发挥神经保护作用。此外，暴露于EE 的动物通过增加BDNF 表达表现出更好的空间学习和记忆能力[18-19]。此外，EE 干预后成年雄性小鼠的社会行为增加，这抑制了前额叶皮质中皮质酮和白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）水平的升高，并在成年早期显示出肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的减少和BDNF 表达的增加[20]。EE 还通过上调脑缺血小鼠同侧大脑皮质纤维连接蛋白Ⅲ型结构域蛋白（fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5，FDNC5）和BDNF 的表达，使学习记忆功能得以改善，且BDNF 的表达水平与神经功能改善呈正相关[21]。

综上所述，EE 通过增加NGF 和BDNF 的表达水平影响树突和突触的形成，促进神经发生、调节神经回路的可塑性并改善脑缺血动物的神经功能和认知能力，由此提高学习记忆功能。

2 丰富环境对突触蛋白和SP的影响

记忆的形成被认为是突触强度和结构变化的结果。突触蛋白是一种与突触结构和功能密切相关的膜蛋白，其从成熟的神经末梢释放并覆盖于突触小泡的表面，由四种同源蛋白Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa 和Ⅱb 组成。众所周知，突触蛋白具有调节神经递质释放和维持突触功能的作用。新近证据表明，为期两个月的EE 干预可使Wistar 大鼠海马背侧和腹侧区的突触蛋白1 及糖皮质激素受体表达增加，行为学测试效果提高[22]。突触后致密蛋白-95（postsynaptic density protein-95，PSD-95）作为一种重要的骨架蛋白，在突触兴奋和维持突触结构与功能可塑性方面也起着重要作用。Nithianantharajah 等[23]还发现EE 干预可致C57BL/6 小鼠大脑多个区域中突触前和突触后蛋白质水平增加，以上研究结果提示EE干预可促进突触相关蛋白表达，进而影响学习和记忆能力。

SP 为学习记忆的神经生物学基础，是指突触形态和功能可发生较为持久的改变的特性或现象。长时程增强（long-term potentiation，LTP）和长时程抑制（long-term depression，LTD）作为长期SP 的细胞生理学表现形式，已被公认是细胞水平上学习和记忆活动的重要生物学基础。研究表明在动物饲养环境中，EE 干预可增加动物学习体验、感觉刺激和社会活动；缺氧缺血性脑损伤后神经功能的重塑可能与EE 调节SP 相关蛋白的表达和释放、突触效能增强并改变凋亡相关因子和自噬相关因子水平相关。SP 的改变可通过突触功能和结构可塑性两方面实现。一方面，在接受一定强度的刺激后，海马突触连接处的LTP 可引起突触功能的变化[24]。另一方面，树突棘是大多数兴奋性突触的突触后的结构成分，其在SP 中也起着关键作用，与学习和记忆功能密切相关。EE 可有效恢复大鼠缺氧缺血性脑损伤后物体识别中的陈述性记忆损伤，并能防止海马树突棘密度损失[25]。此外，LTP 可在树突棘中诱导一系列分子重塑，包括突触和树突棘形成所必需的骨架蛋白PSD-95[26]。在培养的海马神经元中，PSD-95 过度表达可增加树突棘的数量并促进兴奋性突触的成熟。新近研究还表明，树突棘上的烟碱和胆碱能受体可促进兴奋性感觉的传递，而某些树突棘上表达的促肾上腺皮质激素释放因子受体也可调节对刺激的突触反应[27]。这些研究进一步揭示了LTP 和树突棘在神经元SP 中的相互联系。综上所述，在电生理水平上EE 通过增强LTP 促进突触成熟；在神经结构方面，EE 可通过增加树突棘的密度，促进突触功能重塑。

除电生理学和突触形态结构发生的变化，SP 还可从蛋白质分子水平中得到更好阐释。据报道，长寿命突触蛋白（long-lived proteins，LLPs）在一定程度上可能在突触可塑性和学习记忆中发挥潜在作用，研究发现，在神经元培养物或暴露于EE 的小鼠中，突触中含有LLPs 可能是突触结构和功能保持长期稳定的基础[26]。

3 丰富环境对神经再生因子的影响

海马体是大脑掌管记忆的核心部分，与认知功能密切相关。该区域对缺血缺氧异常敏感，是缺血性脑损伤的常见部位。海马神经的再生对认知功能的恢复至关重要，硫酸软骨素蛋白聚糖（chondroitin sulfate proteoglycans，CSGP）是神经发生的调节因子，参与成年海马颗粒细胞的生成和成熟，是海马神经再生的重要指标之一。EE 可增加齿状回中CSGP 的合成，从而促进海马颗粒细胞的产生，改善小鼠认知功能[28-29]。另有研究表明，大鼠对EE 的适应是通过增加CSPG 的表达来介导的[29]。

生长相关蛋白-43（growth-associated protein-43，GAP-43）是一种神经特异性的蛋白质，参与神经细胞再生和突触发育形成，可以反映损伤后神经的发育和修复状况，是神经可塑性的指标之一[30]。研究表明，EE 干预通过增加小鼠黑质中GAP-43 的水平以保护受损神经，并促进受损神经修复和再生，进而改善小鼠学习和记忆功能[31]。此外，EE 还增加了大鼠齿状回中NGF 的表达，这也被认为与海马神经的再生有关[32]。综上所述，EE 干预可能通过调节神经再生相关因子的表达和释放，促进海马区神经损伤的修复和再生，从而减少缺血性损伤对脑组织结构的影响，最终改善学习记忆功能。

4 丰富环境对神经炎症反应的调节作用

神经炎症反应是一个逐步发展的复杂级联过程，主要表现为AST、小胶质细胞（microglia，MIC）等神经胶质细胞的活化和增殖、外周炎症细胞的浸润以及相关炎症细胞因子的表达。神经炎症反应犹如一把“双刃剑”，其作用结局主要取决于炎症反应的类型、持续时间和周围环境。胶质细胞既可通过释放炎症介质诱导炎症反应，及时定位病变区域，并通过分泌胶质源性NTFs 促进神经元自我修复；又可分泌促炎症因子，如IL-1β、白细胞介素-6（IL-6）、TNF-α 等加重炎症反应，导致神经元持续损伤。此外，肥大细胞和AST 的相互攻击引发神经炎症的进一步发展，故神经炎症反应的调节在VCI 的病理生理进程中起着重要作用[33-34]。

新近研究表明，EE 干预可以抑制AST 的激活和增殖，减少促炎细胞因子的产生，减轻海马的炎症反应，进而延缓神经元凋亡，增强神经元突触可塑性，改善认知功能[35]。Chabry 等[36]发现EE 可以通过脑内脂联素水平阻断的促炎活化，致使炎症因子生成减少。而且EE 可通过抑制促炎基因和促进抗炎基因来缓解慢性不可预知应激诱导的抑郁样行为，并阻断MIC 的促炎激活[37]，表明EE 有利于减轻炎症状态。Xu 等[38]发现，暴露于EE 可有效调节MIC 的形态和功能，从而使其对梗死区的刺激物更具耐受性，但MIC 的数量显著减少。此外，在配体和受体水平上，β-肾上腺素能信号传导的增强介导了EE 对MIC 炎症的潜在保护作用[39]。

另有研究表明，EE 对神经功能恢复的促进作用并不取决于梗死面积的大小，而是取决于大脑结构和功能的可塑性[40]。神经炎症反应可在EE 干预的几天内持续下调，促进TLR2 luc 小鼠感觉运动功能的恢复，但梗死面积不受影响[41]。EE 还可抑制IL-1β 而逆转神经炎症导致的树突状棘可塑性受损，促进突触重塑并介导LTP 形成，改变细胞信号通路和重塑神经网络体系[42]。炎症介质IL-1β 可调节树突棘谷氨酸受体的表达和磷酸化，同时突触谷氨酸受体对SP 具有调节作用；此外，IL-1β 可干扰BDNF 信号级联，阻止树突棘结构可塑性所需的丝状肌动蛋白的形成[43]。

综上，EE 可能通过抑制促炎基因的表达阻断神经胶质细胞的炎症反应，进而增强神经元突触可塑性并介导LTP 的形成，改变细胞信号通路，从而改善认知功能。

5 丰富环境对胆碱能递质系统的影响

中枢胆碱能系统是中枢神经系统的重要组成部分，参与学习和记忆的形成，其中乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）是中枢胆碱能系统中重要的神经递质。在胆碱能系统中，胆碱乙酰转移酶（choline acetyltransferase，ChAT）影响神经递质Ach 的合成，而乙酰胆碱酯酶（acetyl cholinesterase，AchE）负责Ach 的分解，两者之间的协同作用共同维持胆碱能神经的正常活动，在神经元信息的传递和调节中发挥作用[44]。大量研究发现，基底前脑的胆碱能神经元广泛参与认知、学习和记忆等生理过程以及SP调节[45]。Cao 等[46]研究发现海马CA1、CA2 和CA3区中枢胆碱能神经元功能障碍对慢性脑缺血诱导的血管性痴呆大鼠空间学习和记忆产生影响。胆碱能系统的变化与血管性痴呆密切相关，认知障碍的严重程度与胆碱能神经元受损的程度呈正相关[47]。对中风或血管性痴呆患者的脑组织进行尸检，发现伴有AD 的血管性痴呆患者脑组织中的ChAT 活性显著降低[48]。

在EE 干预对VCI 作用机制的研究中，研究人员发现EE 对胆碱能递质系统有显著影响。Wang等[49]发现EE 可通过增加基底前脑海马胆碱能神经环路中的ACh 和ChAT 水平改善乙酰化内稳态失衡，进而使脑卒中后认知障碍（post-stroke cognitive impairment，PSCI）小鼠的认知功能得以恢复。EE还可逆转基底前脑CREB 结合蛋白（CREB-binding protein，CBP）及海马胆碱能神经环路中磷酸化环磷酸腺苷反应元件结合蛋白（phosphorylated cAMPresponse element binding protein，pCREB）水平的下降，从而增强组蛋白乙酰化。组蛋白乙酰化影响胆碱能系统的作用机制可能与EE 显著增强ChAT 基因启动子同一区域组蛋白H3 的乙酰化，调节ChAT基因转录，进而影响Ach 的合成有关[49-50]。

如上所述，EE 干预通过影响海马胆碱能神经环路中p-CREB 和CBP 水平，增强与ChAT 基因启动子结合的组蛋白H3 乙酰化水平并调节ChAT 基因的转录，从而上调ChAT 表达并增加Ach 的合成，维持乙酰化内稳态，最终改善胆碱能递质系统功能、增强学习记忆能力。

6 结语及展望

VCI 是全球老龄化趋势下中老年群体中常见的神经内科疾病且患者数量不断增加，故探寻改善VCI 患者认知功能的治疗措施尤为重要。研究表明EE 干预后可提高脑中NTFs 和突触蛋白的表达水平，增强SP 并抑制神经炎症反应，促进大脑皮层神经元的发育和神经再生，并通过影响海马胆碱能神经环路中p-CREB 和CBP 水平增加Ach 的合成，从而有效改善VCI 啮齿类动物的学习和记忆功能。此外，EE 能有效提高VCI 动物模型对外界刺激的感知和认知，促进学习、记忆和社交等各种功能活动的恢复。随着研究的深入，EE 干预有望成为防治VCI 的重要手段，其作为一种安全有效、简单易行的康复治疗策略，可能是改善VCI 的潜在治疗方法。