小腦在認(rèn)知與認(rèn)知功能障礙中的研究進(jìn)展

唐渙垚,周 亮

(遵義醫(yī)科大學(xué) 貴州省普通高等學(xué)校腦科學(xué)特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 遵義 563099)

傳統(tǒng)研究認(rèn)為小腦主要調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能,而新近報(bào)道發(fā)現(xiàn)小腦在調(diào)控許多高級(jí)認(rèn)知功能中發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。小腦病變或切除可能會(huì)導(dǎo)致不同方面的認(rèn)知功能受損以及社交行為的異常,例如自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders,ASD)和精神分裂癥患者常伴隨小腦畸形。本文闡述了小腦的神經(jīng)解剖、認(rèn)知功能研究進(jìn)展以及ASD患者小腦結(jié)構(gòu)的變化等方面,以期較深入認(rèn)識(shí)小腦在高級(jí)認(rèn)知功能與認(rèn)知功能障礙中發(fā)揮的作用。

1 小腦的結(jié)構(gòu)與神經(jīng)投射

按形態(tài)結(jié)構(gòu)和進(jìn)化可將小腦分為小腦前葉、小腦后葉和絨球小結(jié)葉,進(jìn)一步可細(xì)分為13個(gè)小葉,分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Crus 1、Crus 2、ⅦB、ⅧA、ⅧB、Ⅸ、Ⅹ。其中Ⅰ～Ⅴ屬于小腦前葉,Ⅵ～Ⅸ屬于小腦后葉,Ⅹ為絨球小結(jié)葉。

小腦中主要包括浦肯野細(xì)胞和顆粒細(xì)胞,其中浦肯野細(xì)胞的形態(tài)較為復(fù)雜。小腦的浦肯野細(xì)胞為γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)能神經(jīng)元,能將抑制性信號(hào)發(fā)送到小腦的輸出核團(tuán)即小腦深部核團(tuán)(deep cerebellar nuclei,DCN),通過DCN投射到大腦不同的區(qū)域,包括皮層、腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area,VTA)、腦橋核(ponti nucleus,PN)以及下橄欖核(inferior olivary nucleus,IO)。每個(gè)浦肯野細(xì)胞伸出繁雜的平面樹突,從平行纖維接收104～105個(gè)興奮性突觸[3],還接收單條攀緣纖維的輸入,后者是源于腦干下橄欖核神經(jīng)元的一個(gè)軸突分支,沿浦肯野細(xì)胞樹突主枝“攀緣”而上,沿途形成很多興奮性突觸。

顆粒細(xì)胞是腦中數(shù)量最多的細(xì)胞,位于顆粒層,受到苔蘚纖維興奮性信號(hào)的調(diào)控。此外,小腦皮質(zhì)還包含可接收平行纖維信號(hào)的3種局部中間神經(jīng)元——籃狀細(xì)胞、星狀細(xì)胞、高爾基細(xì)胞。籃狀細(xì)胞和星狀細(xì)胞分別向浦肯野細(xì)胞胞體和遠(yuǎn)端樹突發(fā)送抑制性輸出,提供前饋抑制,而高爾基細(xì)胞將抑制性信號(hào)發(fā)送回顆粒細(xì)胞,提供反饋控制[4](圖1)。

basket cell:籃狀細(xì)胞;climbing fiber:攀緣纖維;granule cell:顆粒細(xì)胞;golgi cell:高爾基細(xì)胞;IO:下橄欖核;mossy fibers:苔蘚纖維;parallel fibers:平行纖維;purkinje cell:浦肯野細(xì)胞;stellate cell:星狀細(xì)胞。圖1 小腦的信號(hào)通路聯(lián)系

小腦和大腦之間存在廣泛的雙向聯(lián)系,幾乎所有皮層第5層錐體神經(jīng)元都能發(fā)送軸突到達(dá)PN,后者的神經(jīng)元通過苔蘚纖維將信號(hào)輸送至小腦,再由小腦核將抑制性γ-氨基丁酸能神經(jīng)元的信號(hào)轉(zhuǎn)換為興奮性谷氨酸能神經(jīng)元,后者將信號(hào)經(jīng)丘腦投射回新皮層,但不能明確投射到新皮層的位置[3]。此外,還有一些小腦區(qū)域(主要是VI-VIII小葉和鄰近的小腦半球)與新皮層有著密切的聯(lián)系,尤其是邊緣的新皮層區(qū)域(圖2)。小腦與大腦之間豐富的連接構(gòu)成了重要的認(rèn)知功能環(huán)路,小腦通過該環(huán)路對(duì)大腦的認(rèn)知功能腦區(qū)進(jìn)行調(diào)控。

cerebellar:小腦;DCN:小腦深部核團(tuán);IO:下橄欖核;PN:腦橋核;thalamus:丘腦;VTA:腹側(cè)被蓋區(qū);GABAergic neuron:γ-氨基丁酸能神經(jīng)元;glutamatergic neuron:谷氨酸能神經(jīng)元。圖2 小腦與其他核團(tuán)的神經(jīng)纖維投射聯(lián)系

2 小腦與認(rèn)知功能

隨著人們對(duì)小腦認(rèn)識(shí)的不斷深入,研究表明除了傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)功能外,小腦在調(diào)控許多高級(jí)認(rèn)知功能中發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2],但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步探索和挖掘。

2.1 小腦與獎(jiǎng)賞 獎(jiǎng)賞是一種能產(chǎn)生愉悅和興奮感覺的正性強(qiáng)化效應(yīng),導(dǎo)致趨向行為,最終引導(dǎo)行為加強(qiáng),誘發(fā)生物體有目的、有動(dòng)機(jī)的行為反應(yīng)。新近研究表明,小腦會(huì)影響?yīng)勝p相關(guān)認(rèn)知行為[5]。大腦中經(jīng)典的獎(jiǎng)賞回路由多個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,包括VTA的多巴胺能神經(jīng)元及其2個(gè)重要的投射靶點(diǎn):伏隔核和前額葉皮層[6-7]。部分來源于新皮層的獎(jiǎng)賞信號(hào)傳送至小腦,再由小腦的輸出核團(tuán)DCN發(fā)出纖維束經(jīng)丘腦傳至紋狀體和前額葉皮層[8-9],或者通過單突觸連接傳到VTA的多巴胺能神經(jīng)元上[10]。

有研究表明,小腦核-VTA通路與獎(jiǎng)賞系統(tǒng)密切相關(guān)[11]。該研究的結(jié)果顯示,利用光遺傳學(xué)技術(shù)激活這條通路可以明顯促進(jìn)小鼠進(jìn)入獎(jiǎng)賞區(qū)域的次數(shù)。同樣,在明暗箱實(shí)驗(yàn)中,小鼠進(jìn)入白箱時(shí)給予一定的光照刺激激活該通路,發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比實(shí)驗(yàn)組的小鼠進(jìn)入白箱的次數(shù)明顯增加,2種實(shí)驗(yàn)方法所得結(jié)果一致,反映了小腦核-VTA通路與獎(jiǎng)賞系統(tǒng)密切相關(guān)[11],小腦在獎(jiǎng)賞相關(guān)的高級(jí)認(rèn)知功能中發(fā)揮重要作用。

Gao等[12]將小鼠頭部固定,利用胡須辨別物體的位置,觀察其向左或向右舔爪報(bào)告物體正確位置以獲取水獎(jiǎng)勵(lì),發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)小腦核的損傷或者光遺傳學(xué)干擾會(huì)影響小鼠的舔爪選擇。采用電生理在前外側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層(anterolateral motor cortex,ALM)或者小腦核記錄神經(jīng)元放電情況,結(jié)果顯示這2個(gè)位置的神經(jīng)元表現(xiàn)出相似的激活程度,而用光遺傳學(xué)抑制ALM能明顯減少小腦核中神經(jīng)元的活性,干擾小腦核也存在相似的情況,以上研究結(jié)果揭示了小腦核與ALM之間存在一定的聯(lián)系。Chabrol等[13]將小鼠放在軌道上奔跑以獲得水獎(jiǎng)勵(lì),并且記錄其腦中ALM、外側(cè)小腦核(小腦齒狀核)以及位于外側(cè)小腦皮質(zhì)的浦肯野細(xì)胞的放電活性,結(jié)果顯示接近獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放時(shí),這3個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元開始調(diào)控放電活性,在獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放時(shí),ALM與齒狀核的神經(jīng)元活性都增強(qiáng),而浦肯野細(xì)胞則會(huì)降低自身的活性,減少通過單突觸連接輸出到齒狀核的抑制信號(hào),隨之激活A(yù)LM,而獎(jiǎng)勵(lì)過后浦肯野細(xì)胞放電活性增加,證明獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放時(shí)浦肯野細(xì)胞放電的減少可能是獎(jiǎng)勵(lì)誘發(fā)的學(xué)習(xí)結(jié)果。此外,Chabrol等[13]通過在獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放之前激活浦肯野細(xì)胞來抑制齒狀核,發(fā)現(xiàn)在短期內(nèi)ALM大多數(shù)神經(jīng)元的活性被抑制,以上研究結(jié)果支持小腦信號(hào)輸出對(duì)于維持新皮層的基本活性十分重要,從而有助于執(zhí)行任務(wù)。

上述研究都表明小腦與獎(jiǎng)賞密不可分,小腦能通過與大腦皮質(zhì)不同核團(tuán)之間的連接構(gòu)成多種神經(jīng)環(huán)路來影響大腦功能,但目前對(duì)小腦參與獎(jiǎng)賞相關(guān)的高級(jí)認(rèn)知功能的研究較少,缺乏微觀上的理論與證據(jù)支持小腦與獎(jiǎng)賞之間的聯(lián)系,今后尚需更多更深入的研究,用多種方法從不同方面對(duì)小腦在獎(jiǎng)賞過程中的作用進(jìn)行探索。

2.2 小腦與自閉癥 小腦病變或者切除可能會(huì)引起不同類型的認(rèn)知功能受損和異常的社交行為,其形態(tài)畸形與成癮、ASD、認(rèn)知情感綜合征和精神分裂癥有著密切聯(lián)系[14-15]。小腦在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育疾病中的作用越來越為人們所關(guān)注,如智力障礙、ASD、注意力缺陷、多動(dòng)癥和唐氏綜合征。目前小腦已被認(rèn)為是ASD相關(guān)的重要腦區(qū)之一。

2.2.1 自閉癥影響皮層-小腦環(huán)路 小腦影響認(rèn)知功能的基礎(chǔ)是“大腦-小腦”環(huán)路,即大腦與小腦間廣泛的纖維聯(lián)系,小腦就像丘腦和皮層的上游調(diào)控器一樣,特定區(qū)域的病變會(huì)造成整個(gè)大腦網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知和情感障礙。Ito等[16]提出一個(gè)假說來解釋小腦在認(rèn)知功能中扮演的角色,即由前額葉皮層,顳頂皮層以及小腦半球共同編碼的神經(jīng)環(huán)路理論。

通過功能性磁共振成像對(duì)ASD患者大腦進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)小腦與感覺運(yùn)動(dòng)皮層之間連接增加,與聯(lián)合皮層中主要負(fù)責(zé)意識(shí)管理的多模態(tài)腦區(qū)(supramodal)連接減少[17-18]。Igelstrom等[19]將與社會(huì)認(rèn)知相關(guān)的顳頂交界區(qū)分為11個(gè)亞區(qū),結(jié)果表明ASD患者中右背側(cè)顳頂交界處與小腦左側(cè)Crus Ⅱ區(qū)連接減少;而另一個(gè)研究報(bào)道中左下頂葉與小腦右側(cè)Crus Ⅰ區(qū)之間的連接增加[20]。Olivito等[21]研究發(fā)現(xiàn)左側(cè)小腦齒狀核與皮層之間的靜態(tài)連接減少,小腦左側(cè)齒狀核與多模態(tài)腦區(qū)之間連接增加,小腦右側(cè)Crus Ⅱ區(qū)的體積減小以及它與額葉、顳葉、頂葉之間的連接減少。以上研究結(jié)果從不同方面說明ASD患者中存在異常的皮層-小腦環(huán)路連接,這可能是ASD認(rèn)知功能障礙的原因之一。

2.2.2 小腦功能障礙相關(guān)的自閉癥基因模型 目前的觀點(diǎn)認(rèn)為ASD患者小腦結(jié)構(gòu)和功能存在異常,具體的改變?nèi)蕴幱谔剿麟A段,而大多數(shù)ASD都與基因突變相關(guān),且具有高度遺傳性。建立相關(guān)的基因突變模型對(duì)于研究這類患者小腦結(jié)構(gòu)、功能以及相關(guān)認(rèn)知行為的改變十分重要,包括嚙齒動(dòng)物和非人類靈長類動(dòng)物模型。轉(zhuǎn)基因小鼠模型能證實(shí)并擴(kuò)展基因改變對(duì)神經(jīng)化學(xué)和行為的影響,最終有助于尋找ASD的生物標(biāo)記。下面將逐一介紹相關(guān)的基因小鼠模型,如Fmr1、EN2敲除鼠、Staggerer小鼠、Shank3突變小鼠、Tsc1PC和Tsc2PC小鼠、Pten和Shank2敲除鼠。運(yùn)用這些模型,可以進(jìn)一步了解小腦功能障礙自身是否會(huì)引起ASD相關(guān)行為。

ASD小鼠模型存在自閉樣行為,同時(shí)伴隨小腦功能障礙,例如Fmr1、EN2敲除小鼠和Staggerer小鼠。Fmr1基因編碼脆性X染色體智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein,FMRP),參與發(fā)育中的認(rèn)知功能調(diào)節(jié),脆性X染色體綜合征(fragile X syndrome,FXS)病人表現(xiàn)出自閉癥樣的認(rèn)知功能障礙[22],相應(yīng)的Fmr1敲除鼠具有多種自閉樣行為,如多動(dòng)癥、刻板行為、空間學(xué)習(xí)能力受損、條件性恐懼減少,且這種模型小鼠小腦中浦肯野細(xì)胞樹突延長,小腦深部核團(tuán)體積減小。在Fmr 1敲除鼠和其他ASD模型小鼠上觀察到眨眼頻率減少[23],已知眨眼條件取決于小腦神經(jīng)元的突觸可塑性,表明這些小鼠存在小腦功能異常。EN2能調(diào)控小腦發(fā)育相關(guān)的基因表達(dá),EN2敲除鼠存在小腦功能異常,如浦肯野細(xì)胞的數(shù)量減少近40%且小葉形成不良[18],表現(xiàn)出社交能力受損,如社交和攻擊性行為減少[24]。Staggerer模型小鼠是RORα基因突變所得,RORα基因?qū)τ谄挚弦凹?xì)胞的生存和分化是必需的,Staggerer小鼠的浦肯野細(xì)胞在發(fā)育期出現(xiàn)丟失,剩下的細(xì)胞體積減小,位置也存在異常[20,25],顆粒細(xì)胞幾乎完全消失,小腦深部核團(tuán)體積減少,從而引起運(yùn)動(dòng)失調(diào)、空間學(xué)習(xí)能力下降、記憶受損、刻板行為以及對(duì)新環(huán)境的異常反應(yīng)[26]。

隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)大約2%的ASD患者存在Shank3基因突變,并出現(xiàn)嚴(yán)重的典型癥狀和精神障礙,在多種Shank3突變小鼠模型中也得以體現(xiàn)[27]。無論人類還是嚙齒動(dòng)物存在Shank3突變可以觀察到小腦畸形,Shank3能控制軸突定位到小腦顆粒細(xì)胞樹突,其突變會(huì)減少谷氨酸受體在突觸的表達(dá)[28]。最近一項(xiàng)研究采用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了攜帶Shank3突變的獼猴,表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)缺陷、刻板行為增加以及社交和學(xué)習(xí)能力受損[29]。

研究表明,在浦肯野細(xì)胞中條件性敲除Tsc1,即Tsc1PC小鼠,不僅運(yùn)動(dòng)失調(diào),還表現(xiàn)出自閉樣行為,包括社交能力受損、刻板行為以及異常的超聲發(fā)聲[30]。Tsc1PC小鼠中浦肯野細(xì)胞的內(nèi)在興奮性下降,且樹突棘密度異常。浦肯野細(xì)胞Tsc2敲除的小鼠(Tsc2PC小鼠)也會(huì)出現(xiàn)自閉樣行為,但沒有運(yùn)動(dòng)缺陷[31]。在Tsc1PC和Tsc2PC小鼠上使用mTOR抑制劑雷帕霉素均能挽救行為缺陷,有研究報(bào)道Pten和Shank2分別對(duì)mTOR信號(hào)通路和突觸形成有重要作用,在浦肯野細(xì)胞分別特異性敲除這2個(gè)基因,發(fā)現(xiàn)Pten敲除會(huì)造成浦肯野細(xì)胞形態(tài)以及放電活性的異常,突變小鼠會(huì)表現(xiàn)刻板行為和社交缺陷[32];但是Shank2的缺失則產(chǎn)生不一致的結(jié)果,一項(xiàng)研究結(jié)果證明會(huì)出現(xiàn)異常社交行為和刻板行為[33],而另一項(xiàng)報(bào)道顯示只有重復(fù)行為和焦慮相關(guān)行為會(huì)有所增加[34]。

綜上所述,為明確小腦與ASD之間的關(guān)系,條件性轉(zhuǎn)基因模型是常用的方法之一。事實(shí)上物種之間,小腦結(jié)構(gòu)高度保守,所以小鼠小腦與人類小腦具有高度相關(guān)性,小鼠模型能有效證明小腦缺陷與ASD發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。

3 展望

新近研究表明,小腦信號(hào)主要投射至前額葉和后頂葉皮層的多個(gè)非運(yùn)動(dòng)區(qū)域,因此小腦在非運(yùn)動(dòng)功能中的作用越來越為人們所關(guān)注,包括語言、工作記憶、執(zhí)行處理、獎(jiǎng)賞等高級(jí)認(rèn)知功能。而小腦結(jié)構(gòu)和功能的異?？赡墚a(chǎn)生多種運(yùn)動(dòng)和非運(yùn)動(dòng)相關(guān)缺陷,如ASD患者小腦存在結(jié)構(gòu)、功能以及小腦-皮層連接異常。轉(zhuǎn)基因小鼠在闡明ASD病理生理學(xué)的不同機(jī)制方面發(fā)揮了重要作用,為研究ASD解剖、病理、分子以及治療提供了良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上尋找小腦與ASD之間關(guān)聯(lián)的更有力的證據(jù),可以全面闡明小腦在認(rèn)知功能中的作用。隨著生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和運(yùn)用,為進(jìn)一步探索小腦非運(yùn)動(dòng)功能提供了更好的技術(shù)支持,小腦的不同分區(qū)之間的功能差異已被逐步揭示,如Ⅶ和ⅧA亞區(qū)與工作記憶相關(guān),Ⅵ和Ⅶ亞區(qū)與語言相關(guān),而這些不同亞區(qū)在認(rèn)知功能中的調(diào)控作用仍有待進(jìn)一步研究,以期更深入地闡明小腦參與高級(jí)認(rèn)知功能的機(jī)制。