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应激对成年海马神经发生的影响【关键词】 神经 近年来越来越多的研究表明成年中枢神经系统的神经干细胞能不断地增殖分裂产生新的神经元，即在成年CNS仍存在神经发生。侧脑室的室管膜下区和海马齿状回的颗粒细胞下层是脑中两个主要的神经发生的区域。海马齿状回部位终生保持了生成新神经元的能力，在正常成年动物，每天有数以千计的新神经元形成。神经发生受到包括应激在内的多种因素的影响，这些区域的新生神经元会迁移，侧脑室的室管膜下区，大概在28d后几乎都迁移到嗅球，而海马齿状回的颗粒细胞下层的新生细胞部分迁移到颗粒细胞层，分化为颗粒细胞，产生树突、轴突，形成突触联系，整合到海马功能的神经环路中，参与海马的学习记忆等功能活动。我们结合近年来研究进展就应激对成年海马神经发生的影响作一综述。 1 海马区的神经发生 从结构上讲, 海马可分为海马回和齿状回(dentategyrus, DG) 两个部分。前者包括CA1、CA2、CA3、CA4 四部分, 主要由一些锥体神经元组成；后者则基本由颗粒细胞构成。早在20世纪60年代，采用3H胸腺嘧啶核苷标记方法就发现在成年大鼠海马、大脑皮质以及嗅球存在着神经发生现象。但是由于没有有力的证据证明新产生的细胞是神经元而非胶质细胞，并且具有神经元的相关功能，神经发生这一说法备受争议，在随后的20年间神经发生这一现象似乎被遗忘了。直到90年代随着技术方法的改进，成年脑神经发生进一步得到证实。大鼠、猴子以及人类的神经细胞均具有终身增殖的能力，其增殖主要位于两个重要的脑区：海马齿状回和室管膜下区。各种细胞类型的分子克隆和免疫识别的新进展也证明了在成年哺乳类脑内存在着神经发生。新神经元产生于哺乳类和人类脑的两个脑区，即室下区和齿状回的颗粒下区。齿状回内新产生的颗粒神经元对学习与记忆很重要。新神经元来源于前体细胞，在细胞培养和组织原位中也转化为星形胶质细胞和少突胶质细胞的前体细胞。 早期研究利用3H胸腺嘧啶核苷标记分化细胞，其在细胞周期的S期能掺入进复制的DNA中通过放射自显影检测出来。后来用人工合成的BrdU取代了3H胸腺嘧啶核苷，BrdU是胸腺嘧啶脱氧核苷的类似物，胸腺嘧啶的碱基嘧啶环与5位C原子连接的甲基被Br取代，当细胞处于DNA合成期而同时有BrdU存在时，BrdU就掺入到新合成的DNA中，BrdU用免疫细胞化学方法就能检测。这种技术通过改变BrdU注射和动物处死之间的时间差可以对新生细胞的增殖、分化、存活进行定量分析。由于BrdU有潜在的毒性作用，后来人们又找到其它的标记物，如增殖细胞核抗原和Ki67作为反映细胞增殖的良好指标1。 在海马的齿状回颗粒下区，神经前体细胞增殖分裂产生新的颗粒细胞，新产生的细胞在分化成熟期进入颗粒细胞层，其轴突越过海马裂与CA3区锥体神经元树突发生突触联系，整合到海马的基本突触回路中，参与海马的功能活动。有报道显示，在哺乳动物的其它脑区，如大脑皮质、胼胝体下区、纹状体、杏仁核、黑质等也可能存在较低水平的神经发生。归纳起来可以将成年海马齿状回的神经发生分为5个时相6，7，在不同时相可有不同的细胞标记物进行标记。增殖期：齿状回颗粒下区新产生的前体细胞增殖产生过渡性放大细胞，表达神经胶质酸性蛋白和nestin9，10。有报道认为，海马中能够增殖并具有多潜能分化能力的前体细胞不能自我更新和无限增殖，因此海马外的干细胞可能产生前体细胞迁移至亚颗粒细胞层，继而增殖分化为新的神经元和神经胶质细胞11。分化期：过渡性放大细胞开始分化，分化早期的细胞nestin阳性而GFAP阴性，具有高分化能力12。向神经元方向分化的细胞表达NeuroD，分化末期，细胞短暂表达doublecortin和PSANCAM12，13。 迁移期：未成熟的神经元表达doublecortin和PSANCAM，经过短距离迁移到齿状回颗粒细胞层。轴树突靶向期：未成熟的神经元伸出树突进入齿状回分子层，轴突延伸投射到CA3区锥体细胞。此时新生神经元开始进入有丝分裂后期短暂性表达钙结合蛋白calretinin和神经元标记物NeuN14，15。突触整合期：在此期新生颗粒细胞的突触整合进入海马结构网络中，并与内嗅皮质神经元形成突触联系接收到信息，然后再把信息输送到CA3及门区。新生神经元有丝分裂23周后，会转而表达成熟神经元标记物calbindin，同时表达NeuN14。 图1 海马齿状回神经发生的5个时相及标记物 采用BrdU免疫组化方法可发现成年大鼠的DG 区每天可生成数千个新神经元，其存活的半衰期大约为28d。且啮齿类动物和恒河猕猴海马DG 区的神经发生随年龄增加而降低。而激素、神经递质、细胞因子、环境、应激等多种因素也影响着成年海马的神经发生。 2 应激对海马神经发生的影响 应激 应激是Hans Selye于20世纪30年代提出的一种在受到内外环境剧变的刺激时,机体出现的综合应答状态,包括精神、神经、内分泌和免疫等方面的反应。当内环境的稳定受到威胁时，机体对应激源产生特异性和非特异性反应，使机体维持在新稳态，新稳态如果继续被破坏，则将进一步发展直至该系统崩溃，在其它系统内再寻求稳态。实际上应激是个体与环境间的复杂互动过程，它涉及到应激源、应激反应、以及整个应急系统的各种因素间的相互作用。当机体感受到应激源时,首先激活自主神经系统引起交感副交感系统的兴奋使终末器官产生应激反应构成应激反应的初时相，若应激持续继而激活神经内分泌系统，进入应激反应的中间时相，激起肾上腺髓质释放儿茶酚胺引起“战斗或逃跑反应”使机体得以应付威胁或危险，最后应激反应的后时相是内分泌系统被激活，刺激垂体和肾上腺皮质释放各种激素以适应应激。整个过程的主要神经内分泌改变由蓝斑去甲肾上腺素能神经元/交感肾上腺髓质轴和下丘脑垂体肾上腺皮质轴的强烈兴奋引发，使机体出现各种生理变化和外部表现。SAM系统的强烈兴奋主要参与调控机体对应激的急性反应，使机体处于一种唤醒状态，其调节部位主要位于脑干蓝斑及其相关的去甲肾上腺素能神经元。HPA轴被激活，下丘脑室旁核的神经元分泌促肾上腺皮质激素释放激素和血管加压素，它们继而刺激垂体前叶分泌促肾上腺皮质激素，ACTH促进肾上腺皮质合成和分泌糖皮质激素。啮齿类动物肾上腺皮质分泌的主要糖皮质激素是皮质酮，而在人类是皮质醇。 图 2 应激系统主要作用点及重要介质效应示意图 应激与海马的联系 海马是HPA轴的负反馈调节中枢，参与了应激过程HPA 轴的抑制性调节。海马上有丰富的糖皮质激素受体，应激状态下过量的糖皮质激素与海马上的糖皮质激素受体结合，使得海马得到信息发出负反馈指令，抑制HPA轴的活性，降低体内过高的糖皮质激素水平，从而使机体的激素水平维持稳态。有研究发现海马中的糖皮质激素受体表达最高，因此对应激反应非常敏感且易损。任何内在的或者外在的环境的改变，只要打破了机体内环境的平衡都能引发一系列的神经反应去适应这种新的变化。当机体处于应激状态时，激活HPA轴，引起糖皮质激素的释放增加，它们影响着机体的新陈代谢、认知过程和情感表达尤其是引起恐惧和焦虑，为防止糖皮质激素水平的过量对机体造成损害，下丘脑垂体肾上腺轴通过对其变化敏感的海马进行负反馈调节16。 应激与海马神经发生 许多基础和临床研究显示应激改变神经元形态，使海马锥体神经元的树突萎缩，降低海马齿状回前体细胞增殖，致齿状回神经发生受损1719。动物模型的研究发现海马是对应激及应激激素极为敏感和易损的脑区，海马结构中的神经元对于有害应激最为敏感。应激抑制齿状回颗粒细胞的神经再生，且反复的应激会导致 CA3 区树突的重塑，此区是记忆加工的重要区域，从而可能损伤记忆。根据应激源持续时间的长短可将应激分为急性应激和慢性应激：急性，暴露于单一的、交替的和有限时间的应激源中；慢性，长时间暴露于复合的、交替的应激源中。新有报道给予致炎细胞因子 IL1beta 或者急性应激时海马细胞的增殖受到了抑制，而阻断 IL1beta 受体，就阻断了应激导致的抗神经发生效应20。将大鼠置于自限性应激中26h其齿状回前体细胞的增殖并无改变，且 PSANCAM 的表达也无变化说明此急性自限性应激对海马神经发生无显着性改变，但是自限性应激持续3周后其齿状回前体细胞的增殖能力大大降低。慢性应激大多抑制神经发生。慢性应激或给予糖皮质激素21d可改变海马、杏仁体和前脑皮质神经元的形态，抑制 DG 的神经发生。研究者使树鼩接受争夺领地的社会心理应激后发现处于弱势的树鼩海马体积减小神经发生降低21，而出生前接受应激的大鼠其成年海马神经发生会下降，还伴随有行为上的焦虑、海马 HPA 轴的亢进以及学习能力的降低，同样接受此种应激的恒河猕猴情绪性行为也加剧22。近来已被证实能导致类似抑郁症症状的慢性温和性应激，也致使成年大鼠海马新生细胞的存活减少，不过其增殖没有受到影响23。慢性心理社会应激引起应激激素水平的明显升高，且明显地抑制新形成的海马颗粒细胞的增殖率和存活率。许多研究表明应激导致精神抑郁，减少神经发生，而给予抗抑郁治疗能够阻断这种影响。 也有报道应激能促进成年海马的神经发生。早在1976年，Selye就提出了良性应激的概念。许多临床上有效的应激，忧郁症缓冲剂和神经发生的强力刺激剂之一是自主简单的体育锻炼，例如跑步。与上述研究结果不同的是，跑步的动物，虽然其循环应激激素水平升高，但是神经发生非但没有受到抑制反而加倍24。有些研究也发现，应激可导致海马神经元增加。Lucassen PJ25等研究显示，给予树鼩28d慢性心理社会应激可导致树鼩海马CA1区域神经元细胞凋亡减少，CA3区域神经元细胞凋亡增加，海马神经元细胞凋亡在总体上减少。刘能保等26，给予大鼠慢性复合应激后，其海马结构齿状回CA3和CA1区细胞密度均明显地高于对照组。周艳玲等给予成年雄性大鼠长达42d的复合应激后发现海马齿状回前体细胞增殖增多，新生神经元标记物DCX的表达也增加，这种应激可能促进了成年海马的神经发生27，28。这种差异的造成可能和应激的给予方式及实验动物不同有关。 应激影响神经发生的机制 不同的应激对神经发生产生了不同的影响，它们的影响机制目前尚不明确。有报道认为其可能跟应激引起了体内激素的变化有关。机体处于应激状态时体内激素水平会发生变化，肾上腺皮质酮是啮齿类动物体内首个被认为能影响海马神经发生的内源性复合物，目前已广泛认为它能调节齿状回神经细胞的增殖和分化29。如果维持大鼠体内皮质酮的增加会导致神经发生的降低，相反，若手术切除肾上腺则神经发生会增加。给予动物过量的皮质激素会降低前体细胞的生成和存活30，成年雄性大鼠连续21d给予内源性糖皮质激素也能引起海马神经元树突的重塑。反复的慢性应激导致糖皮质激素和 CRF 的过度分泌，使糖皮质激素介导的负反馈抑制降低。在易损的个体中，慢性应激还使 HPA 轴反应长效持续从而引起焦虑和抑郁的精神问题。另外也有报道，长时间适度的皮质酮水平的升高可能并不会对贮食鸟类的海马结构和神经发生率产生有害影响，并且实际上增强了贮食鸟类的空间记忆能力31。动物长期处于慢性复合应激状态下时，一方面对应激渐适应，另一方面其 HPA 轴始终保持一定张力，使循环皮质酮水平维持中等程度的升高，从而激活海马内的糖皮质激素受体, 产生负反馈抑制，使海马的突触可塑性增强，促进神经发生。动物的慢性应激或抑郁引起海马功能减退，神经发生相对地下调，部分是由于下丘脑垂体肾上腺轴以及谷氨酸能和5羟色胺能网络的活动引起的。而且，除了兴奋性谷氨酸和5羟色胺网络，其 HPA 轴也会被部分激活。抗抑郁药能随时间延长而扭转这些效应32。 除了激素的变化外，应激可使外周、中枢各种细胞分子发生变化, 影响神经元的活性及神经回路的膜蛋白的结构和功能。新有研究发现 IL1beta 是急慢性应激所致抗神经发生和似抑郁行为的重要介质，海马神经前体细胞表达 IL1beta 受体，这种受体的激活通过核因子 kappaB 信号途径降低细胞的增殖。Deisseroth K 等人研究认为应激的活动兴奋作用是通过增生的前体细胞上 Ca(v)/ (Ltype) Ca(2+) 通道和 NMDA 受体而感受到的。这个通道产生的兴奋作用抑制神经胶质细胞命运基因Hes1 和 Id2 的表达，并增加 Neuro D的表达，促进前体细胞向神经元方向分化33。脑源性神经营养因子(BDNF)在脑内分布非常广泛, 参与神经元生长及功能的正常维持，在 LTP 和学习中都扮演重要角色。应激或接受糖皮质激素治疗的患者 BDNF 减少。这主要与皮质类固醇激素可抑制 BDNF 的表达有关。Adlard 等34 发现运动可提高海马 BDNF 的表达, 从而减轻应激所造成的负效应, 如认知下降、抑郁等, 认为自愿的体力锻炼是一种维持脑内 BDNF 水平的简单的非药物手段。糖皮质激素和谷氨酸能受体 可作用于NCAM的启动因子核因子B (NFB ) 或者激活蛋白1,抑制或对抗两种转录因子的活性, 从而使 NCAM 的转录翻译终止。Datson 等35 利用基因表达系列分析方法, 发现糖皮质激素受体 可抑制 NCAM2140 的表达,而盐皮质激素受体无此作用。这与慢性应激引起 NCAM2140 表达的减少相一致。另外神经生长因子及海马 ATP 下降都可造成 NCAM 生物合成的下降。除此之外氧自由基产物、成纤维细胞生长因子、血管内皮细胞生长因子、Ca2+等的改变都是介导应激对脑作用的相关分子。如又有报道，慢性复合应激后，其突触后致密物如 CaMK2、Fyn 等表达增加，通过一定的机制促进某些活性因子如 BDNF、EGF、FGF2 的合成与释放后可为干细胞的增殖分化提供适宜的内环境36。在评估跑步引起的小鼠中枢神经系统信号转导时发现，VEGF 在跑步诱发的成年海马神经发生中是必不可少的。当从外周阻断 VEGF 时，跑步诱发的神经发生则消失。而在未跑步的小鼠，研究者并未观察到其基础神经发生有何变化。这些结果提示，VEGF 是成年神经发生的一种重要的体细胞调节因子，而这些体细胞信号转导网络则是不依赖于中枢调节网络独立发挥功能的31。应激影响成年海马神经发生可能是多种因素综合造成的，其中的机制还有待进一步研究。 3 意义及展望 海马是边缘系统重要组成部分,参与了情绪、学习和记忆、行为、免疫等的调节,它的损伤在各种应激所致疾患如抑郁中起到了关键的作用。目前发现成年海马神经发生可能有几种潜在的功能，包括学习和记忆的适应作用、对新环境的适应、与低沉情绪的潜在联系以及对损伤的可能反应37。作为脑内空间学习与记忆系统的重要结构，海马齿状回内新产生的神经元在功能上逐渐整合进颗粒细胞层，在海马依赖性学习记忆中发挥着关键作用38，39。而应激也是学习记忆的有效调节方式，如奔跑可以促进海马区的神经发生，提高水迷宫实验的成绩，又选择性地提高海马齿状回的长时程增强。神经的可塑性、LTP的产生是学习记忆的分子基础，成年神经发生已被确立为成年神经系统神经可塑性的一种更深一步的机制，许多研究正开始为这种新的神经适应模式提供功能效用和结果。这些研究已经接近分子级的问题，试图识别出调节干细胞功能以及一个系统或行为水平的信号因子，试图在神经发生和行为之间建立相关的和潜在的因果关系。应激引起的海马神经元可塑性的改变可能是应激相关精神障碍如复发性抑郁症、创伤后应激障碍(PTSD)等疾病发生的重要原因，一直以来慢性社会心理应激引起的精神抑郁和焦虑倍受关注，其所致神经发生的改变和抑郁现象关系的研究发现，抗抑郁药物疗效与细胞增殖之间存在着平行关系40，可能为抑郁症的治疗提供新的策略，以期给增大的社会压力带来的越来越多的抑郁症患者带来帮助。 总之，生活在快节奏的现代社会中，应激无处不在，应激带来全身系统的多种变化，也影响着成年海马齿状回的神经发生，我们继续对这二者之间相关联系的机制探索将为研究记忆形成的分子机制、学习记忆及认知功能障碍性疾病的治疗开辟新视野，也为应激造成的情绪障碍和损伤提供新的研究方向。 【参考文献】 1Eadie BD, Redila VA,Christieexercise alters the cytoarchitecture of the adult dentate gyrus by increasing cellular proliferation, dendritic complexity, and spine densityJ.The Journal of Comparative Neurology，2005，486(1):39 Takemurafor neurogenesis within the 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