新生儿缺氧缺血后脑神经网络重建机制研究进展

2020-01-13李可心王晓明

中国医学影像技术 2020年10期

李可心，郑阳，王晓明

(中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁沈阳 110004)

新生儿缺氧缺血(hypoxic ischemia, HI)是导致新生儿神经功能障碍的原因之一，发病率、致残率均较高[1]；其所致神经系统损伤主要包括兴奋性氨基酸毒性损伤、氧化应激及炎症等，表现为神经元破坏，进而出现行为缺陷、癫痫、智力障碍及脑瘫等一系列并发症[2-3]。相比成人，发育中的大脑对外界刺激适应性更强，称为神经可塑性，包括分子层面、细胞水平调控及生理过程变化，以促进大脑依据不同状态改变组织结构与功能[4]。本文分别从HI损伤后神经干/祖细胞(neural stem/progenitor cell, NSPC)增殖与神经元、胶质细胞再生，神经通路及脑内微环境变化等重建机制进行综述。

1 新生儿HI后NSPC增殖与神经元、胶质细胞再生

1.1 新生儿HI后NSPC增殖 NSPC具有分化潜能，可自我更新，在体内与体外环境均可增殖并分化为神经元细胞系、神经胶质细胞系等多种细胞谱系[5]。哺乳动物大脑内有两个神经源性区域，即脑室管膜下区(subventricular zone, SVZ)和海马齿状回颗粒细胞下层(subgranular zone, SGZ)，其内源性NSPC可增殖、迁移并分化为神经元、星形胶质细胞(astrocyte, AS)及少突胶质细胞[6]。HI损伤激活表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)及Notch信号转导通路，促进SVZ的NSPC增殖[7]。缺氧等病理因素可促进海马齿状回NSPC增殖，且与年龄和损伤程度有关[8]。NSPC增殖这一特点可为研究HI损伤后NSPC修复机制及潜在治疗靶点提供依据，但NSPC分化状态对脑神经网络重建的影响还需明确。

1.2 新生儿HI损伤促进神经元及胶质细胞再生 HI损伤后NSPC可分化成神经元，但HI诱导神经元迁移至损伤部位进行修复的能力有限[9]。HI、卒中等损伤因素均能诱导海马齿状回神经元再生[10]，但新生神经元能否有效整合到神经网络中并发挥作用尚需进一步观察。未成熟大脑HI损伤后，神经元再生数量可能与年龄、受损部位及严重程度有关，且在早产儿和足月儿脑损伤程度亦不同。早产儿发生HI时脑组织中的少突胶质细胞受损，进而导致脑白质损伤；足月儿HI后发生脑损伤部位包括基底节和丘脑区，可导致严重脑病或癫痫发作[11]。ZHU等[12]观察小鼠HI模型，发现HI后脑损伤可刺激新生神经元形成，出生9天小鼠神经元增殖集中于脑内纹状体和皮层部位，而当大脑发育成熟后，增殖仅存在于纹状体。

此外，HI也可促进神经胶质细胞再生，新生小鼠HI 1周后脑组织内少突胶质细胞、AS及小胶质细胞(microglia, MG)显著增加，HI后第1、2周，少突胶质细胞分别于皮层和纹状体中增殖，与大脑发育过程中髓鞘形成时间相对应。HI早期恢复过程中，未成熟脑纹状体与皮层也可产生大量AS保护神经系统；而MG释放的炎性细胞因子可介导神经元损伤，也可调节神经元再生[12]。发生HI时，神经胶质细胞可通过调节神经递质传递、释放细胞因子等影响神经元再生及脑神经网络重建[13]。脑神经网络是一个整体，研究神经胶质细胞及神经元的相互作用对于探索HI损伤后脑神经网络修复及重建机制具有重要意义。

2 新生儿HI损伤对脑神经通路的影响

HI后神经通路改变包括神经通路重建与突触可塑性[14]。研究[15]发现HI引起的新生儿脑部轻度/中度结构异常如神经元、胶质细胞轻度受损等可使认知能力明显下降，可能是HI损伤导致额叶-海马神经通路连接异常所致，提示HI后脑神经通路改变为影响神经网络重建的重要因素。

2.1 新生儿HI后促使脑神经通路重建 HI后脑神经网络改变是动态且进行性发生的。研究[16]发现新生小鼠HI后边缘系统、海马体、海马伞及背外侧隔核神经纤维束呈进行性减少，提示存在迟发性神经通路发生改变。大鼠低氧状态下颗粒细胞(granulocytel, GC)树突长度增加及新生GC自发性γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)突触后电流增强可能是缺氧状态促使GABA能中间神经元活性增强所致[8]。缺氧后70天，新生神经元的树突状结构多位于GC层之外，树突总长度减少，可能与GC层内新生神经元突触活动减少或细胞外环境中其他因素影响发育树突变化有关[8]。虽然脑损伤可导致大量神经元死亡，但仍有部分受损或未受损神经元，轴突可通过寻找新的“靶细胞”建立新连接，重新支配病变周围环境，进而建立新的脑神经网络系统[17]。

利用多模态MR技术能够观察HI损伤后脑网络的变化。新生大鼠HI损伤后，受损大脑半球功能可通过重建神经网络转移到未受伤大脑半球，神经信号传递模式包括半球间转移(病变部位对侧同源区域功能恢复)、半球内转移(功能可延伸至病灶健康周围组织)及半球内神经连接重新分布或形成替代脑神经网络[18]。通常新生儿HI后脑损伤程度在双侧大脑半球间差异不显著，故替代神经网络可能是受损脑区主要的神经重建模式。

2.2 新生儿HI损伤与突触可塑性突触可塑性是神经可塑性的重要体现之一，主要包括两大机制：①稳态可塑性机制促进损伤后突触恢复，负反馈调节突触可塑性；②依据赫布理论，可塑性机制通过促进突触前成分及后成分变化正反馈调节突触可塑性，增加突触传递效率[19-20]。发育中的大脑受到如HI、感染或某些代谢紊乱等因素影响时，突触可塑性机制也可能转变为脑损伤机制。

新生儿HI损伤可导致突触丢失及突触蛋白表达异常，突触囊泡减少，从而促使突触重建，这可能与神经递质释放和结合异常而加剧突触功能障碍有关[21]。HI后突触间隙谷氨酸代谢障碍，电压依赖性N-甲基-D-天冬氨酸受体开放，可增强未成熟大脑的可塑性，但也可损伤发育中神经环路的兴奋性[22]。谷氨酸受体过度激活能引起细胞内、外病理变化，导致神经传递和突触功能障碍、少突胶质细胞和神经元损伤，导致感觉运动传导通路异常[23]。HI可诱发癫痫、海马损伤及病变侧海马苔藓纤维萌发，若伴有自发性或运动性癫痫发作，则于健侧海马也可观察到苔藓纤维发芽，提示其可能为突触重建的标志，且这种重建能够增加自发运动性癫痫发作概率[24]。影像学检查对评估HI后神经功能障碍患者突触变化具有重要价值，有研究[4]证实PET/CT可显示HI后大脑感觉运动皮层和基底节的葡萄糖代谢增加，神经元葡萄糖代谢区域变化与突触活性有关。

3 新生儿HI后脑内微环境改变对神经网络重建的影响

NSPC所处微环境由神经元、AS、MG、内皮细胞及其他细胞因子共同组成，对细胞存活、增殖及分化具有重要作用[10]，HI损伤后，上述细胞做出不同反应，使大脑微环境急剧改变，从而调节神经可塑性，参与神经网络重建。HI后脑内酸碱度水平可影响神经可塑性变化，此时线粒体中氧化磷酸化和三羧酸循环减少，导致乳酸无氧代谢增多，组织内出现酸中毒[25]。缺氧条件下，乳酸不仅是人体活动的重要能量代谢底物，也可作为信号分子参与细胞信号转导。AS通过星形细胞-神经元乳酸穿梭将乳酸转运到神经元中，以产生三磷酸腺苷，激活细胞内信号级联反应，诱导凋亡抑制蛋白，早期生长反应蛋白1和脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表达参与调节神经可塑性[26]。HI损伤后，乳酸变化可影响脑内酸碱平衡、能量代谢及信息传递。

MG是大中枢神经系统的固有免疫细胞，具有吞噬、释放细胞因子和呈递抗原的作用。脑缺血后，作为一把“双刃剑”，MG激活效应既能分泌基质金属蛋白酶-9、肿瘤坏死因子-α等因子诱导神经元凋亡及抑制NSPC分化为神经元[27]，也可合成并分泌胰岛素样生长因子与BDNF等，刺激神经元再生[10]。此外，趋化因子配体1介导的小胶质细胞-神经元相互作用可促进神经元和NSPC存活、增强突触及重建网络成熟度，从而影响神经网络重建[28]。脉管系统亦在调节神经元再生中发挥重要作用，促血管内皮生成因子(vascular endochelial growth factor, VEGF)可促进NSPC增殖及神经元再生[29]。脑缺血损伤后，血脑屏障被破坏，血液及脑组织内VEGF水平升高，诱导细胞跨膜Notch配体4蛋白表达，激活Notch信号通路，进而促进SVZ区NSPC增殖[30]。