与应激相关的杏仁核结构和功能变化研究*

李忠华 高冲 丛斌

(1. 四川大学华西基础医学与法医学院，四川 成都 610041；2. 四川省人民检察院检察技术处，四川 成都 610000；3. 最高人民检察院检察技术信息中心，北京 100726)

脑是各种应激源的直接作用器官，应激源可通过脑部结构和功能的改变影响诸如内分泌系统、免疫系统和心血管系统等的功能和作用。因此，对应激后脑的研究在应激的研究中居于主要地位。目前，应激后脑的研究主要集中于海马、杏仁核和前额叶皮质等区域，其中以海马研究最早且相对也最为深入。

杏仁核隶属于边缘系统，是一个由多个核团构成的复合体，因形如杏仁而得名。杏仁核的解剖位置位于颞叶前部，下丘脑内侧，与海马结构毗邻。该复合体主要包括有基底外侧核群(Basolateral amygdala，BLA)、中央内侧核群和皮质核群等。功能上，杏仁核在情绪(特别是恐惧)的产生、识别和调节以及控制学习和记忆方面发挥着重要作用。杏仁核通过将冲动传到下丘脑可引起交感神经的激活；通过与三叉神经和面神经的联系参与情感性面部表情表达的识别；通过与腹侧被盖、蓝斑和外侧被盖的联系激活多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素和肾上腺素。正是由于杏仁核具有的上述特点，因此成为继海马后应激研究的一个重要脑区。

1 与应激相关的杏仁核结构与功能变化

1.1 结构改变

目前主要运用MRI测量杏仁核的体积改变。与应激下海马体积改变不同(大部份研究结果报道应激下海马体积明显减小，尤以左侧严重)，目前文献对应激下杏仁核体积改变差异较大，结果缺乏一致性。Ahmed等人通过统计分析发现对于儿童期经受虐待后患有创伤后应激障碍(Posttraumatic stress disorder，PTSD)的成年患者与健康对照组比较，发现双侧杏仁核体积均有减小[1]。Drevets等人则在一项情绪障碍meta分析中指出，杏仁核的体积没有改变[2]。然而，在另一篇关于PTSD患者脑结构体积变化的meta分析中，O′Doherty等人对来自44篇文献的体积数据改变情况(PTSD组：846人,健康对照组：520人，创伤对照组：624人)进行了荟萃分析，结果显示与健康对照组相比，杏仁核双侧体积有一定程度减小，而与创伤后对照组相比却没有明显改变[3]。对于应激下杏仁核体积变化缺乏一致性的原因目前较难完全解释。一方面，应激下杏仁核的体积变化可能本身就缺乏特异性，另一方面也可能是实验样本的异质性所致(如疾病类型的差异性、检测时刺激源的差异性、年龄的差异性及性别的差异性等)。

在其它细胞结构改变上，应激下杏仁核也表现出独特之处。动物研究表明，应激下杏仁核BLA区的树突不但不会像海马CA3区出现萎缩，而呈现出树突分支增加现象，且并不会随着应激源的消失而有所恢复[4]。在脊密度上，杏仁核的不同区域有所不同。在BLA区有文献报道脊密度增加，而在内侧杏仁核区则有研究显示脊密度减少[5]。在细胞凋亡方面，大量文献报道应激下海马神经元存在有明显凋亡现象[6-8]，而杏仁核这方面研究相对较少。虽然也有一些研究表明存在有应激下杏仁核神经元凋亡[9-10]，但其是否具有普遍性难以确定。

1.2 功能改变

在功能研究方面，大量研究均证实存在应激下杏仁核功能亢进的表现。Ganzel等人报道了运用多模态神经影像学技术检测“9/11”这一创伤性事件后的人员存在有杏仁核的高活性状态[11]。Yamamoto等人通过fMRI检测发现对于经历过早期生活应激事件的人群存在有明显的杏仁核功能活性增加[12]。同样，Im等人在联合运用MRI、PET和SPECT三种分子影像学技术上，对大脑结构进行了研究，也证实了PTSD病人的杏仁核功能亢进现象[13]。对于应激下杏仁核功能亢进，Diamond在一篇关于PTSD的文章中分析认为这是机体为了提高应付危险环境而作出的反应，并认为这种反应不应属于功能失调。虽然这种机体亢进状态会牺牲一定的生存质量，但对于个体而言这也是值得的[14]。

2 与应激相关的杏仁核变化机制研究

应激下杏仁核的机制研究本质上属于大脑应激机制研究中的一部分。大脑作为应激的核心器官，其机制涉及从细胞表面、细胞骨架、表观遗传调控到非基因组机制多个水平层面[15]。本文将从基因表达、表观遗传修饰、神经-内分泌-免疫、细胞结构这四个方面进行阐述。

2.1 基因表达

自海马作为第一个下丘脑外的脑结构被发现存在肾上腺类固醇受体后，人们开始逐步认识到应激对脑内基因表达的影响以及糖皮质激素在其中的重要作用。 Smith检测了老鼠在应激选择模型(Stress-Alternatives model，SAM)这一模型下的杏仁核有关基因表达情况及皮质酮。研究结果发现BLA区的脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor，BDNF) 基因表达下降，逃跑组老鼠的血浆皮质酮显著高于顺从组老鼠。与此同时，顺从组老鼠神经肽S(Neuropeptide S，NPS)的基因表达则显著上升，并以中央杏仁核区最为明显。这一结果揭示了社会环境、杏仁核BDNF与NPS和血浆皮质酮之间的内在联系[ 16]。Ehrlich等人在一篇有关抑郁的报道中证实孕期应激下雌鼠的杏仁核γ-氨基丁酸和5-羟色胺的基因表达会被改变[17]。对于应激会改变杏仁核γ-氨基丁酸和5-羟色胺的基因表达也在Sarro发表的一篇文章中得以证实[18]。另一方面，Pagliaccio通过检测4个应激有关基因 (CRHR1、 NR3C2、NR3C1和FKBP5)的表达情况并联合早期环境因子对应激下皮质醇浓度和边缘系统的体积进行了相关预测，其结果也有一定研究意义[19]。近年来，迅速发展的科学技术使我们能够高通量地检测应激下脑内基因表达情况[20]，这将会为我们研究应激下杏仁核的基因表达情况提供了更好前景。

2.2 表观遗传

近年来，许多研究已经证实应激可通过表观遗传改变进而引起大脑相关结构和功能改变。表观遗传机制包括有组蛋白修饰(如，甲基化、乙酰化和磷酸化等)、DNA甲基化、羟基甲基化以及非编码RNA的表达(如，miRNA、piRNA、lncRNA等)[21-23]。在一篇研究杏仁核甲基化与记忆损害的文章中，Maddox发现注射藤黄酚(一种组蛋白乙酰转移酶抑制剂)老鼠的杏仁核外侧核团组蛋白H3的乙酰化水平降低情况下会有长时记忆(Long-term memory，LTM)的损害[24]。Mueller发现产前应激的大鼠存在有行为障碍以及杏仁核CRF启动子甲基化的下降[25]。Mannironi发现老鼠在2小时的束缚之后除血浆皮质酮上升之外，杏仁核的miR-135a and miR-124的表达减少[26]。除此之外，应激下杏仁核表达改变的miRNA还有miR-34, miR-134, 和miR-183 等[27-28]。

2.3 神经-内分泌-免疫网络

70年代Besedovsky首次提出了神经-内分泌-免疫网络的假说。在随后的几十年时间里，随着技术方法的进步，大量研究已经证实神经系统、内分泌系统和免疫系统三者之间存在相互作用。这种相互作用是通过神经、内分泌、免疫三大调节系统间共有的化学信号分子(如神经递质、激素、细胞因子等)和受体共同实现。在Mcewen提出的稳态应变这一概念中，其也认为机体在应激下适应与疾病的发生是由三者共同参与所致。

2.3.1 HPA轴与糖皮质激素

HPA轴及糖皮质激素是应激机制研究中最为深入的部分。应激下大脑HPA轴功能的异常与多种应激相关疾病有关联。HPA轴理论下，下丘脑、垂体和肾上腺皮质释放的物质分别为促肾上腺皮质激素释放因子(Corticotropin-releasing factor，CRF)、促肾上腺皮质激素(Adrenocorticotropic hormone，ACTH)和糖皮质激素(Glucocorticoid hormone，GC)。GC与脑内高亲和力的MR(mineralocorticoid receptor，盐皮质激素受体)和低亲和力的糖皮质激素受体(Glucocorticoid receptor，GR)的结合可形成负反馈作用。GR可帮助GC维持在生理水平范围内。在应激适应、焦虑和抑郁中均可见到GR异常的表达[29-30]。这种异常表达既包括表达数量上的异常，也包括表达时间和表达位置的异常。同时，MR和GR的表达情况决定了大脑对应激的敏感度。 由于杏仁核上分布有大量的GR受体，因此，HPA轴功能改变以及GC的改变会对杏仁核的结构和功能产生影响。Mitra在应用不同剂量的糖皮质激素模拟急慢性应激下发现老鼠BLA区的树突长度及分支都产生了改变[31]。

GC作用机制上涉及多部位和多条通路，包括基因层面效应和非基因层面效应。在基因效应方面，GC可直接作用于糖皮质激素反应元件(Glucocorticoid response elements，GRE)，也可间接地通过与转录因子的绑定而发挥作用[32]。糖皮质激素也能够直接通过膜相关受体刺激兴奋性氨基酸的释放，进而调节谷氨酸和GABA的释放[33]。除此之外，GC与抗凋亡蛋白通还可介导GR转移到线粒体上进而导致集钙效应的发生，调节线粒体氧化、自由基和膜电位。另外，需值得注意的是，GC作用上具有阶段效应的特点。

2.3.2 谷氨酸和GABA

神经递质可分为兴奋性和抑制性两大类，谷氨酸和GABA(γ-氨基丁酸)分别是其中的重要代表。在应激机制研究中发现谷氨酸和GABA具有重要作用。对于应激下谷氨酸的研究，发现在慢性应激下杏仁核BLA区CRF的激活会引起N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA，一种谷氨酸受体亚型)受体介导的钙离子内流增加。虽然这只能解释慢性应激下海马神经元树突收缩而无法解释杏仁核BLA区树突的增加，但其依然具有重要意义。在一项老鼠研究中发现NR2A(NMDA的一个亚组)表达下降会引起BLA区锥体细胞树突脊下降[34]。同时，研究证实杏仁核NMDA受体拮抗剂可减少焦虑样行为[35]。对于GABA，大多数研究表明抑郁病人大脑内γ-氨基丁酸水平会下降，并且γ-氨基丁酸能药物也在抗抑郁方面有积极效果[36-37]。

2.3.3 BDNF

BDNF是体内重要的神经营养因子，它通过与TrkB(酪氨酸激酶 B)的结合而发挥作用。Ashokan发现慢性应激下杏仁核BLA区BDNF表达有明显上升[38]。Boyle 在一篇关于慢性应激下杏仁核BLA区的神经可塑性假说中认为，谷氨酸和BDNF信号通路在杏仁核树突增生的过程中起着重要作用[39]。

2.3.4 其它

除了上述GC、谷氨酸、GABA和BDNF外，与应激机制有关的其他分子还有很多，如5-HT(5-羟色胺)、NPY(神经肽Y)、AVP(精氨酸血管加压素)、tPA(组织型纤溶酶原激活剂)、eCBs(内源性大麻素)等。

2.4 细胞结构、水含量与脉管系统的改变

有关应激下杏仁核细胞结构的相关改变(体积、树突、脊密度、凋亡等)在本文前述部分已经阐明。但需要注意的是，上述杏仁核细胞结构的相关改变到底是属于其病理学基础还是机体对应激下的一种适应性改变目前仍不清楚[40]。除此之外，也有研究报道应激下脑内水含量与脉管系统的相应改变，这也为我们研究应激提供了更多的方向[41-42]。

3 与应激及杏仁核相关的疾病

3.1 抑郁、焦虑及PTSD等精神障碍

杏仁核在大脑拓扑结构上处于中心地位，在情感(特别是恐惧)、认知和记忆等功能方面具有重要作用，同时也与脑内的其它许多结构具有功能上的联系。应激下杏仁核的改变显然与抑郁、焦虑及PTSD等有密切关系。这在本文的杏仁核相关改变与机制研究中有大量研究给予了证实，在此不再赘述。

3.2 心血管疾病

研究表明应激下杏仁核结构与功能改变与心血管疾病发生也有着密切的关系。Peters在一篇研究应激、适应、体型与心血管死亡率的文章指出，对于应激不能适应者在大脑能量中心理论下会发生皮下脂肪下降而内脏脂肪上升，进而导致动脉粥样硬化形成，最终导致心血管事件的发生[43]。2017年Tawakol等人于《Lancet》杂志发表了一篇大样本下杏仁核活性与心血管事件的关联性研究。在该文章中发现，作为应激标志物的静息下杏仁核的高活性与心血管事件具有明显的相关性，并指出其机制为杏仁核的高活性会引发机体骨髓活性的增加以及动脉炎症的形成，从而导致心血管事件发生概率的显著增加[44]。

3.3 其它

除上述外，与应激相关的疾病还有很多，如阿尔兹海默、消化性溃疡、糖尿病、cushing综合征、肿瘤等。在这些疾病中，杏仁核作为中枢神经系统及神经-内分泌-免疫网络的组成部分总是参与其中。

4 结论

现代社会中，每个人都会面临来自家庭、工作以及社会等各个方面的压力。有研究表明75%-90%的内科疾病都与应激有关。因此研究应激的机制及其相关疾病具有十分重要的意义。由于杏仁核在解剖结构和功能上具有的特性，让我们认为对其研究将有助于我们更好的地理解应激及应激性疾病。目前，对应激研究已经涉及到了基因表达、表观遗传修饰、神经免疫内分泌网络、细胞结构等多个层面。但需要说明的是，至今针对应激与应激性疾病的机制依然没有找到某个特异结构或者某个(或数个)特异性的分子予以有效解释。

在应激对大脑不利作用的干预方面, Mcewen提出了其方法包括药物、行为和“top-down”式方法(与药物方法不同，一种集认知行为、物理和社会支持来影响中枢结构与功能的方法)，并指出与其竭力寻找一种神奇药物来解决问题，不如以通过利用机体自身校准机制的“top-down”式方法来应对应激下的躯体和精神障碍[45]。