电针治疗脑卒中后认知障碍突触可塑性机制研究进展

王益言,王东岩,△,李慎微,董 旭,赵东雪,杏亚婷,张 莹

1.黑龙江中医药大学,黑龙江 哈尔滨 150040;2.黑龙江中医药大学附属第二医院,黑龙江 哈尔滨 150001

卒中已成为我国居民首位致死性病因[1],《中国卒中报告2020(中文版)》显示,我国卒中年发病率为276.7/10万,年患病率达2 022.0/10万,死亡率高达153.9/10万[2]。卒中后约1/3患者会出现认知功能障碍(Post-stroke cognitive impairment,PSCI),严重影响患者预后,是当前临床干预的重点[3]。突触是神经元之间重要的接触位点,内外因刺激下突触结构、功能和数目发生较持久改变,导致突触连接强度和传递效能发生变化,从而造成神经环路发生适应性改变的现象称为突触可塑性[4]。脑卒中后损伤神经元的修复以及神经环路的重建是PSCI治疗的关键,突触可塑性的增强可有效促进神经环路的重建[5]。近年来,电针疗法广泛应用于临床,其疗效显著且易于客观量化,在PSCI治疗中能够显著改善认知障碍程度。以往研究[6-8]表明,突触可塑性可能是电针治疗脑卒中后认知障碍的作用机制之一。本研究就近年来电针治疗脑卒中后认知障碍的突触可塑性机制研究进展进行探析,以期为后续更深入地研究提供参考。

1 电针对突触结构可塑性的影响

突触超微结构的变化是反映突触结构可塑性最直观的指标。突触结构及数量变化、轴突新生和突触后致密物的改变等是突触超微结构变化的主要表现。已有研究[9]证实,脑缺血大鼠缺血半暗区突触结构随着缺血时间延长发生形态学变化,电镜下突触数目减少,突触小泡破裂,突触前后膜融合。研究[10]发现,电针可通过增加突触及囊泡数量、修复突触超微结构,进而提高突触传递效能,改善大鼠认知功能。另有研究[11]发现,电针可显著升高脑缺血大鼠突触后致密物质、突触界面曲面率以及突触间隙宽度,进而促进突触重建,改善脑缺血大鼠认知功能,其机制可能与电针诱导小胶质细胞极化有关。

树突棘是神经元细胞树突表面上细小状突起,其形态变化常与突触可塑性相伴发生,与认知功能密切相关。以往研究[12]表明,树突棘的可塑性是突触发育和神经环路重塑的先决条件,是学习记忆的结构基础。研究[13]发现,体内树突棘结构的快速可逆变化受脑缺血程度影响。陈立典团队研究发现,电针百会、神庭穴不仅能够延缓树突棘大面积的萎缩及脱落,进而促进树突棘密度的增加,改善海马CA3-CA1区神经环路的突触可塑性[14],还能够调控海马CA1区miR-134的表达,提高LIM激酶1磷酸化水平,改善树突棘形态,调节突触可塑性,促进大鼠认知功能恢复[15]。

2 电针对突触功能可塑性的影响

突触功能可塑性主要包括长时程增强(Long-term poentiation,LTP)和长时程抑制(Long-term depression,LTD),体现为突触传递效率变化[16]。LTP是指高频重复刺激引发的兴奋性突触后电位增强且持续时间较长;LTD则与之相反,LTD是指低频刺激诱导使得突触后电位大幅降低,意味着突触效能大幅降低。目前认为LTP和LTD都是与学习和记忆密切相关的分子模型[17],但研究较多的是LTP与认知功能的关系。研究[18]表明,脑缺血再灌注引起海马LTP损伤。有研究者[19]采用场电位电生理检测缺血性脑卒中大鼠LTP反应,发现电针能够增加梗死侧海马CA3-CA1区的兴奋性突触后电位斜率百分比,表明电针可能通过易化LTP反应,促进突触功能可塑性,从而改善大鼠认知功能。另有研究[20]表明,LTD在长时记忆的形成中具有重要作用,可以选择性抑制LTP过度,使突触强度维持在一定水平,避免过于饱和从而影响LTP诱导的敏感性。目前,突触功能可塑性多以研究LTP为主,对于LTD的作用研究较少。在学习记忆过程中,LTP和LTD共同调控记忆形成,但各自分工不同,后续应深入研究二者在新记忆形成和储存中的作用分工。

3 电针对突触可塑性相关蛋白的影响

3.1 电针对突触前可塑性相关蛋白的影响

突触素(Synaptophysin,SYN)和生长相关蛋白43(Growth-associated protein 43,GAP-43)是分布于突触前膜上的突触蛋白,参与突触传递效能调控和突触结构重建,是突触重塑的重要标志。有研究[21]发现,GAP-43是神经元轴突再生的分子标志。此二者常被作为突触前特异性标志物来检测突触可塑性。研究[22]表明,SYN的具体含量与突触数目呈正相关,并且影响认知功能。研究[23]显示,电针可上调脑梗死大鼠海马CA1区SYN的表达,促进突触重塑,改善大鼠认知功能。另有研究[24]发现,电针曲池、足三里可促进脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)及其受体结合,进而增加SYN表达,改善突触功能。研究[25]表明,电针可通过提高脑卒中后不同时间点GAP-43阳性细胞的数目,从而增加GAP-43的表达,促进神经功能重塑,改善认知功能障碍。类似研究[26]显示,电针刺激百会、大椎穴,脑缺血大鼠GAP-43免疫活性在第3天、7天和14天时显著升高。

3.2 电针对突触后可塑性相关蛋白的影响

突触后致密物质(Postsynaptic density,PSD)是突触后膜上一层均质致密物。PSD上存在的actin纤维蛋白丝和调节蛋白对于维持树突棘正常形态具有重要意义,PSD完整性被破坏可导致其上的可塑性相关蛋白消散,树突棘的结构完整性不稳,从而影响突触可塑性。致密蛋白-95(Postsynaptic density protein-95,PSD-95)分布于突触后致密带,在突触重塑及功能发挥中具有重要作用[27]。有研究[28]发现,PSD-95表达能减轻缺氧引起的海马神经元树突棘形态改变和记忆恶化。Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/Calmodulin dependent protein kinase Ⅱ,CaMKII)是PSD主要成分,在海马脑区中表达丰富,对于LTP和记忆形成有重要意义[29],CaMKII失活可造成海马神经元损伤,引发认知障碍[30]。研究[31]显示,电针百会、神庭穴能够上调PSD-95的表达,从而促进突触结构的完整,增强突触可塑性以改善大鼠的认知能力。也有研究者[32]发现,电针手厥阴心包经穴能够上调脑梗死大鼠PSD-95的表达,从而增强突触可塑性,且与同一时点电针肺经穴比较,电针心包经穴的上调效果明显更优。此外,有研究[33]探讨CaMKII在慢性脑缺血认知功能损害中的作用,发现CaMKII表达变化与学习记忆损害程度密切相关。梁慧英等[34]研究发现电针可上调血管性认知障碍大鼠CaMKII的表达及其磷酸化,进而增强LTP,从而改善认知功能,其作用机制可能与电针诱导沉默突触转化为功能性突触有关。

4 电针对神经递质和受体的影响

脑卒中后神经元细胞损伤、突触信号传导阻滞导致神经递质作用失调是认知障碍发生的主要原因。以往研究[35-36]表明,脑卒中后认知障碍的发生发展与神经递质的释放和清除异常有关,而电针通过调节神经递质含量来促进突触可塑性,改善认知障碍。乙酰胆碱(Acetylcholine,ACh)是与学习和记忆形成相关的重要神经递质之一,其含量由胆碱乙酰转移酶(Choline acetyltransferase,ChAT)和乙酰胆碱酯酶(Acetylcholine esterase,AChE)共同调节,分别代表ACh的合成及水解水平。有研究[37-38]显示,脑卒中后ACh含量减少是脑卒中引起的认知功能障碍的特征性改变,与认知障碍的程度密切相关。研究[39]显示,电针干预能够有效降低AChE活性,调节胆碱能递质的释放,改善学习和记忆功能。此外,电针可调控Ach受体的表达,研究[40]发现,电针通过上调脑缺血再灌注大鼠海马区α7烟碱型乙酰胆碱表达来改善认知障碍。谷氨酸(Glutamic acid,Glu)是兴奋性神经递质,能够兴奋神经元,提高认知能力,但过度表达会造成钙超载,损伤神经元。γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid,GABA)是抑制性神经递质,可抑制Glu过度表达。Glu和GABA的拮抗失衡可导致突触功能异常[41]。张蕴[42]研究发现,电针能够抑制脑梗死大鼠Glu的过度释放,调节N-甲基-D-天冬氨酸受体的表达,减少钙超载,产生神经保护作用以改善认知功能。此外,认知障碍的改善与脑内单胺类神经递质含量变化密切相关,研究[43]发现,电针可改善小鼠的认知障碍,其作用机制可能是电针改善因脑缺血再灌注所致的去甲肾上腺素、多巴胺和5-羟色胺代谢环境紊乱。对神经递质及其受体的调节可能是电针调控突触可塑性的潜在机制之一,但目前研究相对较少且单一,不同神经递质的相互作用对突触可塑性影响特点的研究尚显不足,后续应进行深入的研究。

5 电针对突触可塑性相关信号通路的影响

突触可塑性相关信号通路之间联系紧密且相互作用,共同调节可塑性相关蛋白的表达,促进突触结构完整性,诱导LTP的增强。脑卒中后相关信号通路的过度激活或被抑制,可导致信号分子传导异常,进而影响突触可塑性。研究[44]发现,电针对认知功能下降具有保护作用,其机制可能是电针促进树突棘密度增加和增强LTP,抑制磷酸化的环磷腺苷反应元件结合蛋白(CREB)、BDNF的降低,促进微小RNA132(miR132)的增加并下调p250GAP蛋白的表达。但蛋白激酶A(PKA)抑制剂可部分阻断上述变化,提示电针可能激活PKA/CREB信号通路增强突触可塑性。研究[45]显示,电针能抑制Janus激酶2(JAK2)/信号转导和转录激活因子3(STAT3)信号通路的激活,从而改善病理性突触超微结构,增加海马CA1区突触蛋白的表达和突触数量,增强缺血性脑卒中大鼠梗死周边海马CA1区突触可塑性,发挥脑保护效应。李洪亮等[46]研究发现,电针能够上调突触可塑性相关因子的表达,进而改善脑缺血大鼠认知功能,其机制可能与促红细胞生成素肝细胞激酶(Eph)受体/配体(Ephrin)信号通路激活相关。陈潞婷等[47]研究发现,电针疗法能够增加脑缺血大鼠Neu N阳性细胞的数量,并促进海马组织中神经生长因子(NGF)及其磷酸化酪氨酸激酶受体A(Ap-TrkA)的表达来改善大鼠学习记忆功能,其作用效应可能与电针激活NGF/TrkA信号通路有关。目前,电针对突触可塑性相关信号通路调节机制的研究虽多,但各信号通路之间相互作用的研究却显不足,相关信号通路之间的上下游关系应是未来研究的新趋势。

6 讨论

电针治疗脑卒中后认知障碍的机制尚未明确,目前认为电针通过促进损伤神经元的自我修复以及神经环路的重建来治疗脑卒中导致的认知障碍。突触可塑性是近年来认知功能障碍的研究热点,对于探讨电针治疗PSCI作用机制具有重要意义。电针调控突触可塑性治疗脑卒中后认知障碍的相关研究中,电针可通过调节突触结构可塑性、功能可塑性和相关蛋白的表达以及信号传导来增强突触可塑性以改善认知功能,提高学习记忆能力。近年来,电针调控突触可塑性治疗脑卒中后认知障碍的机制研究虽有一定进展,但相关研究仍然不足。如电针刺激参数对突触可塑性的影响;电针介入的最佳窗口期;神经递质间的相互作用在突触可塑性中的作用特点;各信号通路的上下游关系具体如何;电针调控作用与神经功能自我修复有无重合等。此外,尚缺乏针对PSCI中医不同证型的作用机制研究,后续应结合中医辨证论治进行深入研究。因此,明确电针调控突触可塑性改善脑卒中后认知障碍的具体通路及作用靶点,对于未来脑卒中后的电针治疗和相关康复方案的选择具有重要意义。