2. 江苏大学第四人民医院，神经内科，江苏 镇江 212001
2. Dept of Neurology, the Fourth Affiliated Hospital of Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212001, China
近年来研究发现许多精神疾病如精神分裂症、双相情感性精神障碍、抑郁症、自闭症和成瘾[1]都伴随细胞外基质(extracellular matrix，ECM)成分的异常。ECM占大脑容积的20%，它在神经元和神经胶质细胞之间的联系中发挥重要作用。ECM结构和功能的了解对于认知、学习和记忆这类大脑高级生物学功能的研究非常重要。ECM有3种主要的类型：①“松弛型”ECM：存在于整个大脑和脊髓；②细胞膜结合分子；③包围在大脑和脊髓特定神经元周围的网格状结构-外周神经网(perineuronal nets，PNNs)。本文重点阐述包围在大脑和脊髓特定神经元周围的PNNs的基本结构、功能及其在脑功能紊乱中的作用。
2 PNNs的组成、发育及成熟PNNs由4种ECM成分组成：①透明质酸及其合成酶(hyaluronan synthases，HASs)；②硫酸软骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)如蛋白聚糖、神经黏蛋白、聚蛋白聚糖、短蛋白聚糖；③黏蛋白(tenascins)；④透明质酸和软骨素连接蛋白(link protein，LP)。LP连接CSPGs至HASs骨架继而稳定PNNs的构象。
PNNs以不同的速度在大脑和脊髓发育过程中形成且分布不均。PNNs在成年啮齿类动物的皮层成熟最早，不同皮层之间存在差异性。神经元通过钾离子和钙离子介导的神经冲动电传导，以及谷氨酸受体(NMDA受体及钙通透性AMPA受体)的激活促进PNNs的发育和成熟。PNNs的形成也标志着神经突触可塑性的降低和临界期的结束。
3 PNNs参与神经突触可塑性介导的记忆调控在中枢神经系统中，学习记忆存储在大脑的方式是通过大量神经元的突触来完成。突触的功能和结构随着神经活动的动态变化而发生持久改变的特性，突触数量也会随之相应的增强与减弱，许多科学家一致认同突触可塑性是学习记忆最基本的神经机制。
外界重复刺激引起神经突触结构发生变化，影响突触的传递效率，认知活动发生时，神经元突触功能或结构的修饰过程即为神经突触可塑性。可塑性发生于出生后神经发育的关键临界期。感觉、运动、语言及心理学能力都是在关键临界期获得，与神经突触可塑性密切相关。在此期间，大脑皮层神经环路将适应外界环境发生解剖学、功能学的改变。关键临界期后，特别是成年后神经环路和突触已建立完善，大脑结构往往不再发生变化，可塑性也将非常有限。神经可塑性不仅依赖于神经元和胶质细胞功能的正常，还取决于包裹在神经元外的PNNs。近十年来，PNNs以其在视觉系统、运动系统和躯体感觉系统中对临界期可塑性的调控而得到了科学家们的广泛关注。目前普遍认为，成年期成熟的PNNs包裹在小清蛋白阳性中间能神经元(parvalbumin positive interneurons，PV+ INs)周围[2]，限制了神经突触的可塑性，发育成熟的PV+ INs的PNNs通过3种机制抑制神经突触的可塑性：①作为物理屏障抑制突触信号的输出；②PNNs上CSPGs成为抑制性分子的特异结合位点；③限制突触受体活动性。因此，靶向干预PNNs调控神经突触的可塑性, 进而逆转神经生物学疾病所伴随的认知障碍将具有重要的应用价值。
PNNs在神经发育、突触发生及突触可塑性中的调控作用已经得到了广泛验证，大量研究发现，降解PV INs的PNNs可使神经突触恢复为幼龄的可塑性状态，进而促进受损神经元的轴突发生和功能再生。虽然PNNs早已被发现，但直至最近其在学习、记忆、精神分裂症、衰老、老年痴呆症、癫痫、自闭症和药物成瘾中的重要作用才被大量研究[3, 4]。
3.1 PNNs在衰老中的作用随着年龄的增加，记忆也将随之衰退。记忆随着年龄的增长而退化通常被认为是由于突触数量的减少引起的，然而，最新的研究发现，PNNs的降解通过神经可塑性机制诱导神经突触数量增加，增加记忆能力。18个月的老年小鼠开始出现记忆减退，而在其鼻周皮层(perirhinal cortex，PrC)微注射软骨素酶(Ch-ABC)可以增加老年鼠的物体记忆能力，在其海马微注射Ch-ABC可以增加老年鼠的位置记忆能力[5]，PrC为啮齿动物记住熟悉事物、辨别新事物的兴趣脑区，因此，调控PNNs，增加神经突触的可塑性，对中枢神经系统疾病靶向药物研发具有重要的应用价值。
3.2 PNNs在记忆中的作用记忆与神经可塑性密切相关，那么干预PNNs是否会影响记忆？J.W.F.实验室近年来致力于研究啮齿动物的认知、记忆与皮层中间能神经元PNNs的关系，正常情况下，啮齿动物对新事物的偏好远超过对熟悉事物的偏好。然而，当向小鼠PrC微注射Ch-ABC，降解该脑区的PNNs或通过分子生物学技术干扰PNNs的形成，会引发小鼠对熟悉事物的记忆时间明显延长：从12 h增至96 h，记忆能力变强意味着可塑性的增加，为了解释其生物学机制，Caroni实验室观察了记忆过程中突触形态的改变，结果发现记忆任务导致脑区PV+中间神经元的抑制性突触数量增加，减少γ-氨基丁酸能神经递质的产生，促进皮层兴奋性[6]。Ch-ABC治疗后，海马和PrC脑区出现大量新生的迟发型PV+神经元，提示PNNs的去除可能促进记忆的恢复和加强，该结果对于记忆障碍的研究具有非常重要的意义。
3.3 PNNs在阿尔茨海默病中的作用PNNs对记忆的影响不仅限于衰老这类正常的生理情况，PNNs与阿尔茨海默病这一神经退行性疾病的发生密切相关[7]。过表达突变型tau蛋白的转基因小鼠，能够模拟人类阿尔茨海默病所伴随的tau病变和痴呆症状，小鼠会出现神经元纤维缠结和tau蛋白过磷酸化，3个月后神经元出现明显营养不良，4个月后神经元开始凋亡。向该模型小鼠的PrC脑区微注射Ch-ABC，溶解该脑区的PNNs后发现这些阿尔茨海默病的模型小鼠恢复了物体记忆能力，甚至达到正常对照组水平[5]。这些干预是如何实现记忆恢复，可能的机制为：①Ch-ABC可以使轴突发生旁路途径，使神经环路绕过受tau蛋白作用发生病理改变且功能失调的神经元。②PNNs的移除可能促进记忆的恢复，因为失去了PNNs的阻隔，新生的抑制性突触更容易接近PV+神经元，从而减少GABA能神经递质对皮层回路的抑制作用[8]。
3.4 PNNs在成瘾模型中的作用成瘾是一种精神疾病，由药物诱发的快感记忆被认为是寻找毒品及复吸最主要的原因[9]。可卡因诱导的PNNs的神经可塑性调控在可卡因成瘾的人类[10]和啮齿类动物模型中[11]都有报道。
纹状体，包括伏隔核、尾状核和壳核与奖励和激励行为密切相关。PNNs在成瘾模型小鼠整个纹状体的表达均增加[12]；腹侧苍白球作为边缘系统的重要成分在动机行为和药物寻找中至关重要[13]，该区域PNNs在成瘾模型中表达大幅度增加，使其成为调控PNNs，进而干预动机行为的一个潜在的靶向脑区，然而迄今为止，这方面的研究还很少。
目前，PNNs在成瘾模型中兴趣脑区的研究只限于大、小鼠的杏仁核、前额叶皮层以及小脑[14]。杏仁核位于前额叶皮层和腹侧纹状体之间[15]，是介导应激和诱导复吸毒行为的关键脑区。杏仁核内PNNs的表达在不同个体间存在明显差异。最近一项关于大鼠杏仁核在成瘾模型作用的研究表明，暴露于药物(吗啡、可卡因和海洛因)之后，通过Ch-ABC降解杏仁核脑区的PNNs，会抑制随后复吸(复发)的寻毒行为[16]。
初次给予海洛因后，前额叶皮层PNNs的结构蛋白减少，但重新暴露于海洛因后却会迅速升高[11]。B.A.S.实验室也重点研究了可卡因对前额叶皮层中PNNs的影响，发现单次注射可卡因2 h后PNNs水平降低；然而每天注射1次，连续5 d后，PNNs水平反而显著增高。该结果与另一特异性脑区-岛状皮质接受重复乙醇暴露后PNNs的免疫反应性增加相一致[17]。PNNs免疫反应性的下降与未成熟PNNs(可塑性增加)相关，此时PNNs尚未发育完全，神经突触处于可塑性状态，对于可卡因的记忆尚可干预；而PNNs免疫反应性增加与成熟的PNNs(可塑性下降)相关，随着可卡因的连续注射，PNNs发育完全，可塑性的临界期关闭，形成对可卡因强大、持续的记忆，也是寻找毒品和复发最主要的原因。因此，从初次接触到重复接触成瘾药物使PNNs免疫反应性经历了先下降后增加的变化趋势[8]。此外，Donato等[6]发现可卡因不仅可以诱导PNNs免疫反应的改变，也可以引起PV免疫反应改变，即PNNs和PV存在某种相互调控途径，可卡因暴露可以通过调控PNNs进而影响PV+中间能神经元GABA能神经递质的输出。可卡因调控PV/PNNs的生物学机制可能涉及自由基失衡说。可卡因促进神经元产生大量的活性氧、自由基，而外周神经网可以抑制自由基对PV神经元的损伤。总之，PNNs的变化是快速的，PNNs免疫反应性的变化(增加或减少)取决于药物种类、药物暴露程度和停药时间，但这些动态变化的结果还有待于进一步验证。
4 PNNs通过神经元的保护功能参与精神性疾病的调控PNNs主要包裹在发育成熟的PV+ INs周围，特别是在其胞体和轴突近端突触间隙处存在，形成特殊的屏障，抵制活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的攻击。PNNs氨基葡聚糖的重要成分-硫酸软骨素和透明质酸具有聚阴离子特性，该特征使PNNs周围聚集大量的阴离子。其阳离子结合易感性使PNNs可以结合Fe2+，减少羟基自由基(·OH)的生成(Fe2+通过Fenton反应可以催化H2O2生成具有更强催化活性的·OH)。PNNs正是通过这种中和或结合的方式清除神经元周围的ROS，维持微环境的稳态，发挥神经元的保护功能。
在精神分裂症中，PNNs的破坏特别明显，杏仁核、内嗅皮层和前额叶皮层中CSPG标记的PNNs明显减少[18]。这些相互关联的脑区参与情绪相关的学习、记忆及感觉信息门控，兴趣脑区PNNs破坏伴随着CSPG表达的改变。人类单核苷酸多态性分析及死后脑组织样本调查发现，精神分裂症的易感基因涉及PNNs的重要成分，如CSPGs、外分泌糖蛋白reelin、semaphorin 3A、整合素和重组酶(如金属蛋白酶)。双相情感障碍和重症抑郁症患者的前额叶皮层、海马和小脑以及血液中Reelin表达明显下降。S.B.实验室对于双相情感障碍患者死后脑组织研究结果表明杏仁核的PNNs明显减少[19]。大量研究表明，自闭症伴随着ECM异常，全基因测序发现ECM和PNNs调节分子的异常，包括ECM重组酶、Reelin、semaphorin 3A和4D、透明质酸表面受体CD44和参与PNNs形成的转录因子Otx-2。PNNs的外分泌糖蛋白Reelin与自闭症病理生理学机制的相关性得到了深入的调查，Fatemi等[20]发现自闭症患者的额叶、顶叶和小脑皮层Reelin及其信号通路的改变。
在发育和成年期间，PNNs分子及其细胞表面受体介导广泛的突触调节功能，影响树突棘、突触结构、突触可塑性以及谷氨酸能和GABA能神经递质的释放。PNNs的研究对于阐明精神障碍类疾病突触传递异常提供了一个新的切入点，PNNs异常引起的突触结构和功能的破坏：树突棘、突触前和突触后调节元件的丢失，以及谷氨酸能突触信号和GABA能抑制神经元功能的破坏[21]介导了精神疾病的发生[22]。
包绕在PV+ INs周围的PNNs，通过间接调控PV+ INs进而参与了精神障碍疾病中谷氨酸能、GABA能神经元所介导的兴奋性/抑制性平衡，此外，PV+ INs作为快闪放电神经元可同时与数百个锥体神经元通过化学突触和电突触联系，通过对椎体神经元输出信息的整合，参与调节皮层网络的同步化活动，即γ震荡。γ震荡不需要任何适应期，以范围在每秒30~80HZ的频率投射，从而在多种高级脑功能活动如认知、学习和记忆中发挥重要作用。失去PNNs保护的PV+ INs在ROS的攻击下受损，γ震荡异常导致精神分裂症患者的信息处理异常和认知障碍，这与所观察到的精神分裂症[23]或自闭症患者PV神经元数目减少相一致[24]。
5 局限性和未来研究方向研究PNNs在神经可塑性方面的贡献通常的做法是注射Ch-ABC溶解该特定脑区的PNNs，然而该方法存在一定的局限性，Ch-ABC不仅降解了包围在大脑和脊髓特定神经元周围的PNNs，也降解了存在于整个大脑和脊髓的“松弛型”ECM，因此PNNs的作用并不完全清楚。关于PNNs对视觉皮层的作用已经被充分证明，Carulli课题组发现条件性敲除软骨连接蛋白的小鼠PNNs减少，而“松弛型”ECM不变，该条件性敲除鼠可以一直维持青年期视觉的可塑性。许多重要的分子参与了PNNs的靶向调控。Otx-2作为PNNs的一重要调控靶点在加速PNNs的成熟及维持PNNs的稳定中具有重要意义。靶向调控PNNs也可以调控信号素semaphorin 3A或通过神经元穿透素-2(neuronal pentraxin 2，NARP-2)激活谷氨酸受体调节PV神经元兴奋。靶向调控PNNs在改善神经生物学疾病方面具有潜在的应用前景。移除PNNs能否通过外界重复刺激增加神经突触的可塑性，如脊髓损伤后的康复运动能否靶向调控PNNs抑制环境刺激诱发的恐惧记忆或药物上瘾还有待于进一步验证。
6 总结综上所述，PNNs是一把双刃剑，它既可以保护神经元免于氧化应激的损伤，也将导致成年期神经可塑性的丧失。PNNs分子机制的研究对于神经生物学疾病的早期预防、靶向治疗具有重要的指导意义。
( 致谢: 本课题是在江苏大学医学院行为医学实验室完成，感谢课题组肖栩、薛程、李晓辉、周漾同学参与了本课题的行为学实验。)
| [1] |
Khoo G H, Lin Y T, Tsai T C, et al. Perineuronal nets restrict the induction of long-term depression in the mouse hippocampal CA1 region[J]. Mol Neurobiol, 2019, 2(10): 1019-526. |
| [2] |
Ueno H, Suemitsu S, Okamoto M, et al. Parvalbumin neurons and perineuronal nets in the mouse prefrontal cortex[J]. Neuroscience, 2017, 343: 115-27. doi:10.1016/j.neuroscience.2016.11.035 |
| [3] |
Paylor J W, Lins B R, Greba Q, et al. Developmental disruption of perineuronal nets in the medial prefrontal cortex after maternal immune activation[J]. Sci Rep, 2016, 6: 37580. doi:10.1038/srep37580 |
| [4] |
Riga D, Kramvis I, Koskinen M K, et al. Hippocampal extracellular matrix alterations contribute to cognitive impairment associated with a chronic depressive-like state in rats[J]. Sci Transl Med, 2017, 9(421): pii:eaai8753. doi:10.1126/scitranslmed.aai8753 |
| [5] |
Yang S, Cacquevel M, Saksida LM, et al. Perineuronal net digestion with chondroitinase restores memory in mice with tau pathology[J]. Exp Neurol, 2015, 265: 48-58. doi:10.1016/j.expneurol.2014.11.013 |
| [6] |
Donato F, Rompani S B, Caroni P. Parvalbumin-expressing basket-cell network plasticity induced by experience regulates adult learning[J]. Nature, 2013, 504(7479): 272-6. doi:10.1038/nature12866 |
| [7] |
罗飘, 楚世峰, 朱天碧, 等. 趋化因子参与阿尔茨海默病的研究进展[J]. 中国药理学通报, 2017, 33(8): 1051-5. Luo P, Chu S F, Zhu T B, et al. Progress on chemokines participating in Alzheimer's disease[J]. Chin Pharmacol Bull, 2017, 33(8): 1051-5. doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2017.08.004 |
| [8] |
Wang D, Fawcett J. The perineuronal net and the control of CNS plasticity[J]. Cell Tissue Res, 2012, 349(1): 147-60. doi:10.1007/s00441-012-1375-y |
| [9] |
Kalivas P W, Volkow N D. The neural basis of addiction: a pathology of motivation and choice[J]. Am J Psychiatry, 2005, 162(8): 1403-13. doi:10.1176/appi.ajp.162.8.1403 |
| [10] |
Zhou Y, Zhao M, Zhou C, et al. Sex differences in drug addiction and response to exercise intervention: From human to animal studies[J]. Front Neuroendocrinol, 2016, 40: 24-41. doi:10.1016/j.yfrne.2015.07.001 |
| [11] |
Van den Oever M C, Lubbers B R, Goriounova N A, et al. Extracellular matrix plasticity and GABAergic inhibition of prefrontal cortex pyramidal cells facilitates relapse to heroin seeking[J]. Neuropsychopharmacology, 2010, 35(10): 2120-33. doi:10.1038/npp.2010.90 |
| [12] |
Lee H, Leamey C A, Sawatari A. Perineuronal nets play a role in regulating striatal function in the mouse[J]. PLoS One, 2012, 7(3): 12. |
| [13] |
Mahler S V, Vazey E M, Beckley J T. Designer receptors show role for ventral pallidum input to ventral tegmental area in cocaine seeking[J]. Nat Neurosci, 2014, 17(4): 577-85. doi:10.1038/nn.3664 |
| [14] |
Slaker M, Blacktop J M, Sorg B A. Caught in the net: perineuronal nets and addiction[J]. Neural Plast, 2016, 2016: 7538208. |
| [15] |
Madan C R, Fujiwara E, Caplan J B, et al. Emotional arousal impairs association-memory: roles of amygdala and hippocampus[J]. Neuroimage, 2017, 156: 14-28. doi:10.1016/j.neuroimage.2017.04.065 |
| [16] |
Xue Y X, Xue L F, Liu J F. Depletion of perineuronal nets in the amygdala to enhance the erasure of drug memories[J]. J Neurosci, 2014, 34(19): 6647-58. doi:10.1523/JNEUROSCI.5390-13.2014 |
| [17] |
Chen H, He D, Lasek A W. Repeated binge drinking increases perineuronal nets in the insular cortex[J]. Alcohol Clin Exp Res, 2015, 39(10): 1930-8. doi:10.1111/acer.12847 |
| [18] |
Steullet P, Cabungcal J H, Bukhari S A, et al. The thalamic reticular nucleus in schizophrenia and bipolar disorder: role of parvalbumin-expressing neuron networks and oxidative stress[J]. Mol Psychiatry, 2018, 23(10): 2057-65. doi:10.1038/mp.2017.230 |
| [19] |
Pantazopoulos H, Markota M, Jaquet F, et al. Aggrecan and chondroitin-6-sulfate abnormalities in schizophrenia and bipolar disorder: a postmortem study on the amygdala[J]. Transl Psychiatry, 2015, 5: e496. doi:10.1038/tp.2014.128 |
| [20] |
Fatemi S H, Reutiman T J, Folsom T D. Chronic psychotropic drug treatment causes differential expression of Reelin signaling system in frontal cortex of rats[J]. Schizophr Res, 2009, 111(1-3): 138-52. doi:10.1016/j.schres.2009.03.002 |
| [21] |
Kwok J C, Dick G, Wang D, et al. Extracellular matrix and perineuronal nets in CNS repair[J]. Dev Neurobiol, 2011, 71(11): 1073-89. doi:10.1002/dneu.20974 |
| [22] |
Penzes P, Buonanno A, Passafaro M. Developmental vulnerability of synapses and circuits associated with neuropsychiatric disorders[J]. J Neurochem, 2013, 126(2): 165-82. doi:10.1111/jnc.12261 |
| [23] |
Lewis D A, Hashimoto T, Volk D W. Cortical inhibitory neurons and schizophrenia[J]. Nat Rev Neurosci, 2005, 6(4): 312-24. doi:10.1038/nrn1648 |
| [24] |
Amaral D G, Anderson M P, Ansorge O, et al. Autism brain net: A network of postmortem brain banks established to facilitate autism research[J]. Handb Clin Neurol, 2018, 150: 31-9. doi:10.1016/B978-0-444-63639-3.00003-7 |