慢性應(yīng)激所致海馬損傷及其機制的研究進展

桑 倩

[摘要] 本文就近年來有關(guān)慢性應(yīng)激與海馬關(guān)系的研究作一綜述,著重論述了慢性應(yīng)激對海馬形態(tài)結(jié)構(gòu)及海馬依賴的功能的影響和慢性應(yīng)激損害海馬可能的機制,其中涉及糖皮質(zhì)激素的作用、興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性、能量代謝吸收障礙、Ca²⁺內(nèi)流、自由基產(chǎn)生、神經(jīng)營養(yǎng)因子水平下調(diào)等一系列相關(guān)的作用途徑。

[關(guān)鍵詞] 應(yīng)激 海馬 糖皮質(zhì)激素

應(yīng)激(stress)是Han Salye于20世紀30年代提出的一種外環(huán)境劇變刺激時,機體出現(xiàn)的綜合應(yīng)答狀態(tài),包括精神、神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫等方面的反應(yīng)。從程度上分為急性應(yīng)激(數(shù)分鐘~數(shù)天)和慢性應(yīng)激(數(shù)天~數(shù)月)。慢性應(yīng)激時,機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡,下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸持續(xù)激活,引起慢性高GC血癥,對大腦造成器質(zhì)性改變,尤其導(dǎo)致海馬形態(tài)功能損害。海馬由于富含GC受體(GR),是中樞GR含量最高的腦區(qū),故是介導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)最重要的腦區(qū)之一,也是GC攻擊的主要靶區(qū)。目前,應(yīng)激引起海馬損害的機制尚不徹底清楚,但已成為研究熱點。本文就這一方面的研究作一綜述。

一、慢性應(yīng)激對海馬形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

1.CA3區(qū)錐體細胞變性和丟失

海馬CA3區(qū)錐體細胞含GR最豐富,因此對應(yīng)激和高GC血癥最敏感。慢性應(yīng)激引起CA3區(qū)錐體細胞層變薄和稀疏,可能是由于三個方面的影響:(1)CA3區(qū)錐體細胞萎縮,表現(xiàn)為頂樹突的分枝數(shù)目和總長度減少;(2)CA3區(qū)錐體細胞死亡丟失;(3)CA3區(qū)錐體細胞對其它傷害性刺激的敏感性增高,如缺血、缺氧或興奮毒性等。

2.苔狀纖維-CA3的軸突末梢結(jié)構(gòu)改變

苔狀纖維從齒狀回顆粒細胞發(fā)出,作為興奮性傳入纖維分布到CA3區(qū)近側(cè)頂樹突。Magarinos等人(1997)電鏡觀察發(fā)現(xiàn),21天束縛應(yīng)激會造成齒狀回顆粒細胞苔蘚纖維末梢內(nèi)突觸囊泡重排,囊泡成群聚集于激活的突觸帶附近,最終引起突觸囊泡的耗損。應(yīng)激1個月則引起苔狀纖維-CA3突觸的總數(shù)目顯著減少,苔狀纖維末梢的容量和表面積也降低。

3.齒狀回顆粒細胞再生減少和萎縮

成年海馬齒狀回顆粒細胞可再生,比錐體細胞有相對較強的抗萎縮和死亡的能力。但齒狀回的再生能力與血中的皮質(zhì)激素有關(guān),當處于慢性應(yīng)激或暴露于高水平的GC時,其再生能力下降,并由此影響海馬結(jié)構(gòu)的功能。有實驗指出28天的連續(xù)應(yīng)激使顆粒細胞的增殖降低了33%。

二、慢性應(yīng)激對海馬依賴的功能的影響

海馬作為應(yīng)激環(huán)路的關(guān)鍵組成部分,其與學(xué)習(xí)記憶功能密切相關(guān),而應(yīng)激又選擇性地損傷海馬,因此應(yīng)激影響學(xué)習(xí)記憶功能的研究,一直是神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

1.慢性應(yīng)激對學(xué)習(xí)記憶的影響

目前,有關(guān)慢性應(yīng)激影響學(xué)習(xí)記憶的研究眾多,但由于各研究文獻中報告的應(yīng)激種類等多種實驗操作條件不同,導(dǎo)致研究結(jié)果較難統(tǒng)一。多數(shù)研究顯示,實驗動物暴露于持續(xù)應(yīng)激(3～4周)后可誘導(dǎo)海馬依賴性學(xué)習(xí)任務(wù)損害,甚至刺激作用嚴重時會造成永久性損傷,導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶能力持續(xù)低下。Jun發(fā)現(xiàn)慢性應(yīng)激損害大鼠迷宮學(xué)習(xí),即使在應(yīng)激4周后大鼠皮質(zhì)酮水平恢復(fù)到基線水平時,其學(xué)習(xí)依舊受損。但也有研究結(jié)果不一致的,如劉能保等人(2004,2006)的研究結(jié)果顯示,慢性復(fù)合性應(yīng)激大鼠的空間學(xué)習(xí)與記憶能力增強,突觸素Ⅰ和神經(jīng)顆粒素(NG)在大鼠海馬中的表達水平上調(diào)。

2.慢性應(yīng)激對LTP的影響

突觸傳遞長時程增強(long term potentiation, LTP)是學(xué)習(xí)記憶的電生理基礎(chǔ),慢性應(yīng)激可使海馬CA1區(qū)的早期長時程電位(early-long term potentiation, E-LTP)受到損傷,也可以改變海馬突觸間隙興奮突觸電位的頻率,峰電位和基本電位的某些特征,從而導(dǎo)致LTP的異常,也可能是學(xué)習(xí)記憶能力受損的基礎(chǔ)。馬強等人(2000)采用21天慢性復(fù)合應(yīng)激動物模型發(fā)現(xiàn)長期慢性應(yīng)激使大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力下降,且使海馬齒狀回LTP的誘生受到抑制。

三、慢性應(yīng)激損傷海馬的機制

有關(guān)慢性應(yīng)激損傷海馬的研究主要圍繞GC展開,其中涉及興奮性氨基酸(EAAs)神經(jīng)毒性、代謝障礙能量缺乏、Ca²⁺內(nèi)流、自由基氧化、神經(jīng)營養(yǎng)因子水平下降等多種機制。

1.興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性

慢性應(yīng)激損傷海馬細胞與胞外EAAs的聚積有密切關(guān)系。谷氨酸(Glu)是哺乳類動物腦內(nèi)含量最高的EAAs神經(jīng)遞質(zhì)。在皮層神經(jīng)細胞培養(yǎng)過程中給予高濃度的谷氨酸可引起神經(jīng)元死亡,表明谷氨酸過量時可產(chǎn)生神經(jīng)毒性。

慢性應(yīng)激和皮質(zhì)酮注射后大鼠海馬透析液中Glu水平升高(Sapolsky,1996),而去除腎上腺后應(yīng)激則Glu不增加。提示谷氨酸升高與高GC血癥有關(guān)。進一步研究發(fā)現(xiàn),GC通過降低細胞ATP的含量,增強Glu的毒性作用,使海馬脆性增加。研究發(fā)現(xiàn),過量的GC會同時抑制海馬神經(jīng)細胞和膠質(zhì)細胞的能量代謝,使胞內(nèi)ATP缺乏。而且,皮質(zhì)酮(CORT)可選擇性的阻止海馬膠質(zhì)細胞的糖轉(zhuǎn)運,造成其能量水平低下。由于突觸間隙的Glu通過膠質(zhì)細胞回收,而膠質(zhì)細胞的能量缺乏使回收Glu能力下降,因此,導(dǎo)致大量Glu在胞外堆積,對神經(jīng)元產(chǎn)生神經(jīng)毒性。

2.葡萄糖代謝障礙

糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)外周組織對葡萄糖的吸收和利用,從而調(diào)節(jié)能量代謝。應(yīng)激可導(dǎo)致GC升高,影響細胞的能量代謝。腦細胞以糖作為主要能量來源,GC過高將使腦細胞攝取葡萄糖發(fā)生障礙,能量供應(yīng)不足,導(dǎo)致細胞的萎縮和死亡。海馬神經(jīng)元培養(yǎng)和體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)高GC血癥時葡萄糖攝取、利用減少。高GC血癥可能抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運體生成,并促進其從細胞膜轉(zhuǎn)移至細胞腔隙。這兩種作用均可抑制葡萄糖的轉(zhuǎn)運,減少細胞對葡萄糖的攝取,降低細胞代謝,減少神經(jīng)細胞存活。當同時存在傷害性刺激時,海馬神經(jīng)元代謝進一步降低,導(dǎo)致神經(jīng)元對抗損傷的能力降低。Sapolsky等報道,通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)增加海馬神經(jīng)元葡萄糖轉(zhuǎn)運體,可減少傷害性刺激引起的神經(jīng)損害。葡萄糖的代謝障礙從能量代謝的角度解釋了神經(jīng)元損傷的機制。

3.Ca²⁺內(nèi)流與自由基

胞內(nèi)Ca²⁺超載是細胞死亡的主要原因。研究發(fā)現(xiàn),苯妥英鈉和阻斷N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)的藥物均可改善慢性應(yīng)激和高GC血癥引起的海馬萎縮,同時也可減少一氧化氮合酶(NOS)表達。這些結(jié)果提示EAA可能通過NMDAR-Ca²⁺-NO路徑對海馬造成損害。慢性應(yīng)激和高GC血癥引起細胞外谷氨酸堆積,NMDAR和受體通道結(jié)合位點數(shù)目增加,谷氨酸與NMDAR結(jié)合增加,受體持續(xù)激活,Ca²⁺大量內(nèi)流,激活NOS生成過量NO及其毒性產(chǎn)物ONOO-

綜上所述,慢性應(yīng)激引起海馬結(jié)構(gòu)和功能的改變。結(jié)構(gòu)改變主要表現(xiàn)在CA3錐體神經(jīng)元萎縮丟失,及抑制齒狀回顆粒細胞的形成。功能改變主要是抑制LTP的形成從而引起學(xué)習(xí)記憶的缺損。慢性應(yīng)激損傷海馬的機制目前仍處于研究階段,過程可能是:應(yīng)激致GC升高,同時也使海馬腦區(qū)的Glu升高;過多的GC與GR結(jié)合,影響糖轉(zhuǎn)運,造成海馬神經(jīng)元能量水平低下;同時,GC又通過影響海馬膠質(zhì)細胞回收Glu,造成Glu在突觸間隙大量堆積;在ATP缺乏致細胞膜去極化和胞外大量Glu的聯(lián)合作用下,神經(jīng)細胞膜上電壓-配體雙重依賴的NMDA受體被大量激活,使Ca²⁺通道開放,Ca²⁺大量內(nèi)流,造成胞內(nèi)Ca²⁺超載;過量的Ca²⁺在細胞內(nèi)進一步削弱線粒體的呼吸功能,同時,又激活大量的內(nèi)源性酶NOS,生成過量的自由基NO,毒害細胞,NGF、BDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子也因高濃度的GC而mRNA表達降低,最終引發(fā)海馬神經(jīng)元凋亡。

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