不同抑郁模型对海马突触可塑性的影响

赵杨

（上海赛默罗德生物科技有限公司，上海）

0 引言

抑郁症是一种情绪障碍疾病，覆盖世界总人口的五分之一，具有极高的致残率。在美国每年约有3500 万人会经历抑郁的困扰，近几十年来抑郁症的患病率还在持续上升[1]，终生患病率约为16%，其中女性患者约为男性患者的两倍[2]。仅2000 年，美国对抑郁症的经济投入已经达到了831 亿美元[3]。抑郁症患者常常会伴有心理、躯体缺陷，表现为情绪低落、无助、注意力不集中、自残甚至自杀[4]。在众多表现中情绪低落和对愉悦活动的兴趣减弱（快感缺乏症）是抑郁状态的核心[5]。由于受抑郁症影响的人口范围正在逐步扩大，因此，对抑郁症的防治研究越来越引起人们的关注[6]。

抑郁的发病过程受神经系统调控，特别是突触的功能、结构和可塑性。当中枢神经系统环境发生改变时，神经元突触可塑性会被迅速调节以适应复杂的脑功能变化。大脑中神经元的突触可塑性代表了学习和记忆的细胞机制，其主要表现形式为长时程增强（Long-term potentiation,LTP）和长时程抑制(Long-term depression,LTD)[7]。这种功能在短期和长期记忆中至关重要，其潜在机制已与包括抑郁症在内的多种神经生物学疾病联系在一起[8]。

在这里，我们收集了近5 年的抑郁症模型和突触可塑性的相关文献，这些文献证明了不同抑郁模型中的突触可塑性变化存在差异，而对突触可塑性的研究可能有助于理解抑郁疾病的病理进展。

1 啮齿动物抑郁症模型

由于抑郁症的发病涉及多种因素，包括遗传、环境和社会心理因素等，而且也没有一个明确的生物指标能将所有抑郁模型完全概括，这对抑郁模型的建立具有挑战性[9]。至今为止，仍没有一种动物模型能够完美地再现人类观察到的抑郁样表型。所以下面根据不同抑郁模型的机制探讨与海马突触可塑性的关系。

1.1 嗅球切除抑郁模型

嗅球切除术模型（Olfactory bulbectomy,OBX）是通过手术方法切除小鼠或大鼠的嗅球，使其产生社交和认知功能障碍的一种抑郁症的造模方法[10]。有临床报告显示，重度抑郁症患者会患有嗅觉障碍，这可能归因于下丘脑-垂体-肾上腺（Hypothalamicpituitary-adrenal，HPA）轴的慢性活动亢进伴随糖皮质激素水平升高[11]。另一方面，OBX 可导致皮质-海马-杏仁核回路中5-羟色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）和去甲肾上腺素（Norepinephrine,NE）浓度降低的从而影响诸如运动、觅食和回避等行为[12]。除此之外，OBX 可通过激活海马中的几种记忆相关蛋白激酶（包括糖原合酶激酶3β（Glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β），蛋白激酶A（Protein kinase A ,PKA））来诱导海马依赖型情节性记忆缺陷，主要表现在对海马CA1 区神经元突触间隙增大、棘突数量减少和对LTP 的抑制作用[13]。在研究抗抑郁药氟西汀对成年C57 小鼠嗅觉损伤后齿状回神经元的影响过程中发现，模型小鼠齿状回区域的神经元数量和神经发生明显减少，CA1和CA3 区域的LTP 作用减弱以及CA1 区神经元萎缩[14]，氟西汀不仅可以使预期的抑郁症状态好转，而且还可以改善嗅觉敏锐度、记忆力并恢复受损的神经发生[15]。值得注意的是神经发生是维持神经突触可塑性以应对内部和外界环境挑战的关键机制[16]。有研究人员用橙皮苷通过降低OBX 模型小鼠海马中白介素1β（IL-1β）和白介素6（IL-6）水平，来改善模型小鼠在Morris 水迷宫实验中的认知障碍，并有助于维持海马CA1 区神经元突触可塑性[17]。总体来说，OBX 不仅是抑郁症造模的可行方法，在抑郁表现产生的同时也伴随着认知功能的损伤和海马体中神经元突触可塑性的改变

1.2 早期社会压力抑郁模型

早期社会压力模型（Early life stress model），是在啮齿动物幼崽出生后的早期，经历不同生活应激而造成的抑郁模型，包括虐待、母婴分离、照料者丧失等[18]。通过对产后发育早期阶段的经验，大脑和免疫系统可能会逐渐扩展其功能范围，以最大程度使个体适应不同的刺激[19]。但是过早的承受这些负面的生活应激，极易对新生儿产生心理创伤，这些心理创伤会影响新生儿的免疫系统并导致脑部功能可塑性受损[20]。有研究表明，对BALB / cByj新生幼鼠从出生0～21 天，每天与母鼠分离1 小时进行早期社会压力造模，造模结束后幼崽血浆中皮质酮水平升高，同时还伴随海马突触成熟和突触修剪的损害，海马神经元轴突生长变缓，树突棘变少，严重影响海马发育[21]。对出生25 天后的Sprague-Dawley 大鼠幼崽进行单次长时间的应激（束缚2 小时、20 分钟强迫游泳和2～3 分钟乙醚麻醉）后，幼崽会有焦虑和抑郁的表现，更重要的是伴随海马依赖的短时记忆受损，突触可塑性降低[22]。另外，经历过早期社会压力的模型小鼠体内免疫功能会受到损伤，存在于中枢神经系统的小胶质细胞激活，释放大量促炎因子如IL-6、IL-1β等产生神经毒性，神经毒性会导致神经发生减少、突触形成变慢、突触修剪异常[23]以及海马突触可塑性中LTP 受损[24]。所以早期社会压力抑郁模型也可以通过免疫途径影响神经元突触可塑性。

1.3 习得性无助抑郁模型

习得性无助（Learned happiness,LH）定义为无法摆脱不可控制的厌恶事件所导致的无能为力的心理状态。应对各种环境压力是大脑的一项基本功能，但是，持续的压力通常会导致多种精神障碍，包括抑郁症、人格分裂等。当动物遭受了不可避免的且不可预测的足部电击可使啮齿动物产生无助感，模拟出快感缺乏，求生欲降低、情绪低落等抑郁样表型[24]。在对雌性和雄性6 周大的昆明鼠进行习得性无助造模并用中药越鞠丸进行抗抑郁治疗后，海马中PKA-CREB 信号通路激活伴随NMDA 信号抑制，增强突触传递功能，改善突触可塑性损伤[25]。在雄性C57 小鼠经过不可避免的足底电击刺激后，海马体中编码P2rx7 的mRNA 下调和齿状回中脊柱突触密度降低，P2rx7 受体与神经元突触长时程增强过程中Ca2+内流有关，其表达降低会导致海马CA3-CA1 突触长时程增强受损，突触可塑性降低[26]。除了功能上的改变，这种抑郁模型也会伴随着海马体积变小、神经发生减少以及树突棘密度降低，这些形态学上的改变也意味着习得性无助模型动物会伴随着认知功能的损伤[27]。另外，抑郁的形成往往涉及多个脑区和不同的神经环路，包括海马-海马、海马-杏仁核环路等，习得性无助可导致基底外侧杏仁核与腹侧海马CA1 环路中兴奋性单突触功能减弱，AMPA 受体下调，削弱了突触可塑性，使表现出不逃避足底电击的绝望行为[28]。总之，习得性无助抑郁模型在用于研究情绪障碍与记忆之间机制关系方面更为多见。

1.4 慢性束缚应激模型

慢性束缚应激模型（Chronic restraint stress model,CRS）与习得性无助实验类似，连续21 天，每天将啮齿动物束缚于狭小的空间中（1～6 小时）[29,30]。CRS 造模结束的动物会出现典型的抑郁样表现包括反应迟钝、精力呆滞、食欲不振、皮毛无光泽、快感缺乏等[31]，同时可伴随HPA 轴兴奋和糖皮质激素水平升高[32]。在对成年Long Evans 大鼠进行超过4 周的慢性束缚应激后，海马总体积变小，树突萎缩，其中腹侧海马CA3 锥体神经元萎缩、可塑性降低更为明显，可能是由于DG 区相关的谷氨酸兴奋性毒性导致[33]。有研究表明造模结束后的CRS 小鼠在Morris 水迷宫测试中空间学习记忆能力降低[34]，海马CA1 区神经元凋亡，树突棘密度、突触素、突触可塑性降低，氟西汀治疗后可改善对应指标[35]。CRS 还显示出可诱导不同大脑区域神经结构和功能的变化,在海马中，CRS 会导致兴奋性和抑制性电流平衡改变，DG 区颗粒细胞突触兴奋增强，从而影响突触可塑性，抑制LTP[36]。对怀孕小鼠进行慢性束缚，可有效减少后代海马突触中NR1 和NR2B NMDA 受体亚基的表达，从而导致海马依赖性空间记忆减弱、NMDA 受体介导的LTP 受损和LTD 增强，其原因可能与前脑源性神经营养因子（ Precursor of brain-derived neurotrophic factor,pro-BDNF）的增加和BDNF 的转化程度低有关[37]。虽然CRS 作为抑郁模型操作简单便捷，但实验动物可能会对长期被束缚的环境适应而出现造模失败，对于不同品系的动物，该实验方案可能还需改进。

1.5 慢性不可预测的轻度刺激模型

慢性不可预测的轻度刺激模型（Chronic unpredictablemild stress,CUMS）是给予实验动物每天1～2 种轻度刺激（束缚、潮湿环境、昼夜颠倒、禁水禁食等）每两天的刺激不重复，持续1～2 月不等，模拟出类似于人类在日常生活中可能遇到的压力源，从而在脆弱的个体中诱发抑郁症[38]。CUMS 可引起多种典型抑郁行为，包括快感缺乏、攻击性增强、绝望行为等，生化指标如糖皮质激素、IL-6、C-反应蛋白（CRP）、和肿瘤坏死因子α（TNF-α）浓度升高，这些都是与抑郁相关的炎性生物标志物[39]。炎症因子过表达可产生神经炎症，神经炎症是影响突触可塑性，抑制LTP 的重要因素之一[40]。同时有研究发现运用药物激活海马CA1 区缺氧诱导因子1（ Hypoxia-inducible factor-1,HIF-1）途径，促进突触后密度蛋白95（Postsynaptic density, PSD95）表达，增加树突生长后可改善CUMS 诱导的抑郁行为和认知功能损伤，同时可增强CA1 区突触可塑性[41]。在CUMS 诱导的抑郁模型中突触可塑性的损伤是逐渐形成的，并且实验动物种属之间还是有差别的。SD 大鼠3周就出现抑郁样行为，并在CA1 和CA3 区锥体细胞树突棘密度降低，而C57 小鼠在改进的实验设计中需要8 周才会出现抑郁行为伴有LTP 诱导受损及基础突触传递降低[42]。尽管CUMS 模型已被广泛使用并且证明有效，研究药物作用于突触形态及可塑性上效果明显，但它既麻烦又耗时，而且行为结果可能不会完全一致。

1.6 社会隔离抑郁模型

社会隔离抑郁模型（Social isolation）是通过将实验动物孤立起来单独饲养1～2 个月，杜绝与其他动物的社交行为，从而达到抑郁症造模的目的[43]。啮齿动物的是群居动物，社交生活与人类类似，来自人类和非人类动物研究表明，社交孤立会提高对社会威胁的敏感性，促进交感神经紧张和HPA 轴激活，同时还伴随着调节免疫力、睡眠能力的相关基因表达降低。HPA 轴激活，糖皮质激素释放增加，这一过程受大脑回路调节，糖皮质激素可参与神经元细胞的发生、分化、凋亡和突触传递[44]。社会隔离的动物模型表明社交因素可导致糖皮质激素抵抗，影响海马突触功能，树突异常分化[45]。还有研究表明对于青春期（出生后20～22 天）的C57 小鼠进行社会隔离，其成年后更容易诱导海马CA1 区LTP，并且青春期社会隔离还增加了海马中BDNF 的表达，可以理解为青春期的隔离动物对孤独的恐惧记忆[46]。在对SD 大鼠进行社会隔离的研究中发现，社会隔离导致海马CA1 区AMPA 受体亚基GluA2 的蛋白表达水平显着下调，LTP 下降，突触可塑性降低[47]。成年后缺乏社交技能也可能会助长酗酒和药物滥用风险[48]，青少年社会隔离的Long-Evans 大鼠会导致酒精成瘾有关的表型，由于腹侧海马是介导情绪行为的神经回路必不可少的部分，在腹侧海马CA1记录到兴奋性突触传递增强但是LTP 水平降低[49]。总体来说，社会隔离模型对HPA 轴的影响是显而易见的，但是突触可塑性方面略有不同，这可能跟模型动物的品系有关。

1.7 慢性社交失败应激模型

慢性社交失败应激模型（Chronic social defeat stress，CSDS）可选用雄性2～3 个月之间C57BL / 6J 小鼠与雄性3～5 个月大CD-1 小鼠每天处在同一环境中社交10 分钟然后分开，持续10天左右[50]。由于每天受到CD-1 小鼠的攻击，C57 小鼠会出现社交回避和快感缺乏等抑郁表型，涉及的脑区多与海马、杏仁核、伏隔核和前额叶皮质有关，强调对于恐惧的情感回馈[51]和脑区节律的变化[52]。对抑郁症和焦虑症患者进行脑电图（EEG）客观测量睡眠指标时发现，绝大多数患者都患有睡眠障碍，而CSDS 可有效的模拟出抑郁症患者的睡眠变化，模型小鼠除了会伴有典型抑郁表现外，还会出现昼夜节律异常或敏感的皮质酮反应[53]。由于CSDS 模型导致的失眠可观察到前额叶皮质和海马体积萎缩、突触数量减少、树突棘长度变短，还会使NMDA 受体NR2A 亚基数量选择性增加和NR1A / NR2B 比例增加，从而损害小鼠海马CA1区的LTP 并促进LTD[54]。同样，在对7 周大的雄性C57BL / 6J 小鼠进行CSDS 造模后，可观察到对新物体识别的记忆障碍同时伴有PSD-95、突触素等突触可塑性标记蛋白降低[55]。还有研究认为CSDS 会导致恐惧调节障碍，可能是因为皮质醇水平升高以剂量依赖性方式引起海马和杏仁核神经发生降低和神经突触可塑性损伤从而导致对恐惧的记忆障碍[56]。该模型虽然也已广泛用于抑郁疾病研究和抗抑郁药物的开发中，但应该考虑造模过程中对动物的伤害性过大以及动物性别选择上有明显的局限。

1.8 见证失败抑郁模型

在青春期经历或目睹创伤事件会增加精神疾病的风险，极易形成创伤后应激障碍（Posttraumatic stress disorder,PTSD）和抑郁相关的精神疾病[57]。PTSD 患者会表现过度激动、社交回避、侵入性记忆、焦虑、抑郁和认知功能损伤，可由亲身经历创伤事件或目睹创伤事件而触发[58]。常用的PTSD 的造模方法为改进的CSDS方法，雄性C57 小鼠在目睹其他小鼠遭受攻击后的创伤事件后，会导致焦虑和抑郁样行为增强，表现为糖水偏好降低和在高架十字迷宫开放臂停留时间缩短[59]。在对儿童创伤导致情感障碍的磁共振成像（MRI）研究中发现，儿童创伤后海马和背外侧前额叶皮质减少，杏仁核反应增加，同时受创伤的儿童海马体积随着年龄的增长而降低，这些结构变化与情境调节、情绪调节和恐惧记忆有关[60]。在研究PTSD 有关的神经回路与恐惧神经回路的关系时发现，PTSD 患者前额叶皮质和海马的激活减少，在恐惧记忆消退过程中突触可塑性受损[61]。还有研究表明SD 大鼠PTSD 模型中负责空间记忆的海马可塑性降低，CA1 区LTP 受损，但是负责对恐惧反馈的基底外侧杏仁核LTP 增强，其中海马LTP 受损可能与应激后释放的糖皮质激素有关[62]。当然HPA 轴在PTSD 中影响突触可塑性只是一方面，炎症表达增加[63]、PSD95 水平下调[64]、BDNF 下降[65]都是影响PTSD 模型海马突触可塑性的因素。

1.9 药物诱导抑郁模型

除了以上介绍的物理诱导抑郁模型的方法外还有化学诱导方法，比如通过长期服用皮质酮诱导抑郁症样模型[66]。皮质酮可使5-HT 水平降低[67]，BDNF 水平下降，海马CA1 区神经元增殖降低，突触可塑性损伤[68]。该模型动物在Morris 水迷宫测试中显示学习记忆能力受损。色氨酸通过犬尿氨酸和5-HT 途径的代谢与抑郁症有关[69]，色氨酸经氧化脱核后可转变为5-HT 的前体物质。5-HT 的不足会导致海马依赖的学习记忆及海马突触可塑性受损[70]。用色氨酸耗竭技术（比如摄入大量中性氨基酸）使5-HT水平降低可达到抑郁症造模的作用[71]。总之，药物诱导的抑郁模型是涉及与HPA 轴激素水平相关的诱导方法，对突触可塑性的抑制也是由于激素水平变化对突触形态和功能的影响导致的。

2 展望

尽管多种抗抑郁药的应用代表了抑郁症治疗的不断进步，但新型抗抑郁药的研发仍充满挑战。抑郁症的发病因素和机制多种多样，选择适合的动物疾病模型来研究不同的抑郁发病机制和开发抗抑郁药是十分必要的。另外如果能在抑郁症疾病机制中发现明确的生物标志物，那么对于疾病治疗和新药开发都会大有裨益。了解不同抑郁模型和海马突触可塑性的关系，有助于拓展我们理解神经系统疾病的新维度。

表1 不同抑郁模型与海马突触可塑性的关系