神经元树突棘病理学改变的研究进展

2021-11-26赵凯冰臧建峰崔占军

河南大学学报（医学版） 2021年1期

赵凯冰，臧建峰，崔占军

1.开封大学医学部，河南开封 475000；2.河南大学基础医学院，河南开封475000

在大脑多数神经元的树突上都覆盖有一些小的突起，称为树突棘。它是构成众多神经元之间发生突触连接的主要部位，也是神经元兴奋性突触信息输入的关键部位。树突棘的分布和结构在很多疾病包括各种形式的智力障碍性疾病中都会发生相应的改变。一些研究人员发现许多不同的神经系统智力障碍性疾病，其树突棘的病理改变却是相似的，基于这一现象，有人［1］提出多种类型的智力障碍是由于一个共同的原因即那些应该具有许多树突棘的神经元形成树突棘的能力低下所引起，树突棘的这种病理改变可能会导致神经元之间信息的传递出现障碍。

树突棘的病理改变是多种因素共同作用的结果。树突棘具有若干不同的功能［2-4］，对由于疾病、损伤以及实验等所导致的极端条件下树突棘改变的研究有助于我们理解树突棘的这些重要的功能。作为形成突触、进行细胞之间信息传递的主要部位，树突棘在脑内神经元之间的连接中至关重要。随着疾病的发展，树突棘的形态亦发生相应的改变，从而对脑功能产生明显的影响。了解病理条件下树突棘改变的可塑性，非常有助于我们理解大脑在学习、记忆过程中正常突触的可塑性。

由于树突棘是借助于光学显微镜就能看到的罕见的神经元之间连接的结构，因此得到了广泛的研究［5-6］。在现有的研究条件下，一般的疾病对树突棘结构及分布的影响在光学显微镜下变化不明显，只有非常严重的疾病才能导致中枢神经组织的退化，例如重度营养不良、脑水肿时，在常规的电子显微镜下即可观察到树突棘结构有明显的变化。

1 树突棘的正常生理状态

1.1 树突棘的形态结构

神经元树突上突起的形态多种多样，Fiala 等［7］认定了九种中枢神经系统中从神经元树突上发出的突起形成了突触特化结构。这些突起中既有单一的树突棘，也有复杂的形成多个突触的突起。单一的树突棘是中枢神经系统中主要神经元上的最常见的、数量最多的类型，也是病理学研究的焦点所在，本综述主要围绕单一的树突棘进行。

单一的树突棘通常包括一个球状的头和与树突相连的狭窄的柄两部分。树突棘的柄部直径、长度、体积和表面积会在一定范围内出现较大的变化，巨大树突棘（通常称蘑菇状树突棘）的头部直径可达1.0 μm，一般的树突棘颈部的直径是100～200 nm，有一些树突棘颈部狭窄，其直径只有40～50 nm，单一树突棘在神经毡密集区的长度一般小于2.0 μm。

1.2 树突棘的发育

神经元的树突并不是一开始就有树突棘。新形成的树突缺乏树突棘样的突起，其形成的突触也较少。在突触形成早期，树突上开始出现动态的指状的突起，这些突起称为丝状伪足，它们可以和另一神经元的轴突或轴突的丝状伪足之间相互作用，逐渐形成新生的突触［8-9］。此时的丝状伪足具有高度的能动性，其全长可在10 min 内完成伸展和收缩的运动［9-10］，丝状伪足的长度一般要超过2.0 μm，其内部布满密集的肌动蛋白。

在丝状伪足形成突触的部位经常会出现球状的头部，在一条丝状伪足上可以出现多个球状的头部，形成多个突触。因此，早期的树突棘经常形成多个突触联系，使得突触发生期树突棘的密度明显增加。有报道［11］显示，出生后15 d 海马CA1 区锥体细胞的树突上的树突棘的密度是成年期的2 倍。随着年龄的增长，树突棘的密度相对降低，到成熟期稳定于一定的水平。

1.3 树突棘的超微结构

人们对树突棘内的细胞器的研究相对较少，主要是因为这些结构只能通过电子显微镜来观察到。树突棘中很少有线粒体，但可以观察到其他的细胞器，比如许多树突棘内都有多聚核糖体［12-13］，有些树突棘内还有吞噬小泡，可能与细胞吞噬现象和细胞膜循环有关。在较大的树突棘中偶尔可发现多泡体［14］，在一些树突棘内还出现了滑面内质网，小脑蒲肯野细胞树突棘内滑面内质网比较常见［15］。树突棘内的滑面内质网与树突内的网状组织是相延续的［16］。较大的树突棘内所包含的滑面内质网往往具有特征性的分层结构称为棘器［17-18］。

树突棘表面积、体积和突触前小泡的数量都与所形成的突触面积高度相关，而树突棘的长度和柄部直径与突触大小无关［15，19-20］。突触面积大约是棘头表面积的10%～17%［7，15］，因此，大的树突棘可形成较大的突触。

2 树突棘的病理变化

在通常情况下树突棘的某些病理方面的改变比较常见，尤其是树突棘的缺失和延长这两种情况常见于先天性神经发育不全、营养不良、酗酒、中毒和海绵状脑病中。在不同的疾病情况下出现相似的树突棘改变，提示我们是否存在共同的致病原因。例如，精神发育迟滞的树突棘病理学是否与去分化的树突棘病理学有相似的病因？

出现上述情况的原因可能是树突和树突棘固有的发育缺陷。这一假说将大多数智力低下患者的树突棘病理解释为病变神经元的功能异常。但这种树突棘的特征性改变模式在很多的病理条件下都被发现，所以不能简单认为这些改变仅仅代表突触后细胞的发育失败。

在另一种假设中，在智力低下等出现的树突棘病理学特征主要是由于传入神经元轴突的丢失所致。与急性去分化一样，失去轴突突触的树突棘会收缩，树突棘密度会降低。在某些情况下，树突棘可能通过与神经胶质或非轴突终末成分的低亲和力突触样连接而稳定。受影响神经元附近较低密度的轴突也可能刺激树突棘的伸长，以到达更远的轴突，从而形成新的突触。

2.1 树突棘密度改变

2.1.1 树突棘密度降低

许多病理状态都可导致树突棘密度降低。树突棘缺失通常可能是由于在树突棘上与之形成突触的轴突的缺失引起的，这种情况的树突棘缺失一般发生在突触前神经元轴突缺失的几天之内，而且树突棘缺失后很少发生恢复［21］。这种不可复性树突棘缺失在大多数智力低下的患者中很明显，尤其常见于产前感染、营养不良和毒素暴露的患者，树突棘密度降低也多见于发育性疾病、酒精暴露、癫痫、朊病毒病和神经退行性疾病。以上这些特定的病理情况可明显减少神经元的数量，从而出现突触前神经元轴突输入的数量和可用性的严重下降，导致突触后神经元树突棘的大量丢失。在一些进行性加重的疾病中，树突棘损伤是从轴突变性开始的，之后才可以检测到神经元的损伤［22-25］。此外，在没有突触前神经元轴突输入丢失的情况下，树突棘也可能出现丢失。例如，在发情周期期间，海马CA1 区锥体细胞顶端树突上的树突棘密度减少30%，可能与体内雌激素的水平有关［26］。

2.1.2 树突棘密度升高

疾病或损伤导致树突棘密度增加的情况相对不多见，但也时有发生。在大脑许多区域正常的发育过程中，突触数量会显著增加，树突棘密度相应增加，然后选择性修剪到正常成熟水平［27］。若破坏这种发育性修剪可能会导致树突棘密度异常增加。例如，卵巢切除会破坏视觉皮层发育性突触的修剪［28］，同样对死于婴儿猝死综合征的尸体解剖中可现其网状结构、迷走神经核和延髓腹外侧部的树突棘密度过高，似乎代表着发育性突触修剪的失败［29-32］。同样阿尔茨海默病［33］和脆性X 综合征［34］患者树突棘密度增加的原因也可能是发育性突触修剪的失败。

发育过程中复杂的环境也可导致枕皮质和海马CA1 区锥体细胞上的树突棘和突触密度增加［35］。但复杂的环境不会增加胎儿酒精综合征患者的树突棘密度［35］。一些可导致树突棘密度降低的因素，如胎儿酒精综合征等，也降低了树突棘由于复杂环境刺激导致密度增加的可能性。

2.2 树突棘体积改变

研究表明，树突棘的形态不仅依赖于传入轴突（与树突棘形成突触的突触前成分）的结构完整性，而且还依赖于它们的功能完整性。为了证明以上观点，研究者设计了视觉剥夺的实验，通过睑裂闭合完成的视觉剥夺的实验显示视觉皮层树突棘密度的变化［36-40］。一些研究［39，41-42］表明，出生后就进行视觉剥夺会出现突触和树突棘体积减小，显然，在视皮层没有形成正常水平的功能性突触的情况下，视觉剥夺会导致视皮层神经元树突棘体积减小，而树突棘的数量保持相对不变。另外一些研究［43］显示，在视皮层突触形成过程中进行视觉剥夺会减少树突状突起的运动，而不会减少突起的大小或密度。还有一些研究［44-45］报道，精神分裂症患者的纹状体和唐氏综合征婴儿的运动皮质中，神经元树突棘体积会减小。

2.3 树突棘形态改变

许多智力低下的患者其主要神经元大多出现树突和树突棘形态的扭曲。树突棘出现异常的增长和曲折，有时还伴有多发性肿胀或出现增大的头部等。一般来说，出现这种形态改变的树突棘可能是对相应轴突丢失的一种反应。这种扭曲的树突棘的形态与神经元的早期发育状态相似，其中树突显示出长的丝状突起，有时伴有多个梭状突起。这种智力低下时出现的类似于神经元早期的发育过程状态的细长树突棘［8，46］的可能的机制是：在受影响的树突附近出现轴突的密度降低，从而激发了类似于在神经元发育过程中所见到的代偿机制。在这种机制中，树突棘拉长并蛇形穿过神经毡以便到达更远的轴突，形成突触。

2.4 异位树突棘

若树突棘出现在通常没有树突棘存在的地方，可能表示神经元处于一种持续的或追溯的发育状态。与树突丝状体一样，胞体棘突只在发育早期的一些神经元上才能发现［47］。如橄榄脑桥小脑萎缩［48］、胎儿酒精综合征［49］、门克斯病［50］、局灶性皮质发育不良［51］和传染性海绵状脑病［52］等疾病中，浦肯野神经元在异常发生之后出现胞体棘突。

异位树突棘的其他原因包括异常的神经支配模式和代谢储存障碍等。实验性癫痫的轴突萌动亦可导致齿状回颗粒细胞上树突棘异常［53］。此外，颗粒细胞胞体棘突可在癫痫发作开始后3 h 内出现［54-55］，神经节瘤病［56］和鞘氨醇髓鞘脂肪病［57］中发现异位树突和棘突从轴突小丘处萌生。异位棘突的病因多种多样，但一些异位棘突的出现可能表明代偿性突触形成是对轴突输入丧失的一种反应。

2.5 树突棘细胞器的改变

在某些病理情况下树突棘细胞器也会出现改变，目前在这一方面的研究程度远落后于疾病中树突棘分布情况的改变。棘器是在许多树突棘中发现的一种细胞器，因此受到了研究人员广泛的关注，它主要是由滑面内质网构成。缺氧／缺血使突触后密度增加［58］，在去分化后的树突棘中也观察到了更高密度的核糖体［59］。在水肿状态时偶尔可观察到树突棘棘器和细胞骨架的变化，水肿组织中常见的病理表现是树突和树突棘的内质网肿胀和空泡化［60-61］。这种情况也见于慢性酒精滥用的浦肯野神经元树突棘。除了肿胀外，树突棘棘器还可能变得细小或萎缩。还有研究发现，接受麻醉的动物的树突棘棘器也会有减少。树突棘细胞器的改变是由多种原因引起的，较常见情况是突触后细胞的损伤所致。另外，突触前谷氨酸过度释放引起的兴奋性毒性损伤可能也是主要因素。

3 树突棘研究过程中存在的问题

通过各种方法获取的研究数据绝大多数的人体组织来自死亡后材料，基本是用快速高尔基染色法分析。高尔基染色技术广泛应用于人与动物实验中，适用于做出树突棘密度的定性、定量分析。然而高尔基染色的不均匀性和光镜下计数树突棘的困难，无疑会导致一些实验数据的不准确。因此，在这种情况下，为防止树突棘的不完全染色或计数，得到可靠的结论，应始终准备对照组进行充分的比较。即便如此，树突棘数量的微小增加或减少也很难被光学显微镜准确检测到。同样的利用普通光学显微镜研究观察树突棘，用于量化树突棘形状、树突棘头部大小、树突棘柄的长度和直径以及突触的大小、形状和分布的变化，存在精准性的问题。很少有更合适的三维技术被应用到树突棘观察的这些问题上，因此，许多发现仍有争议。

树突棘研究中存在的另一个问题是研究对象死亡后脑组织的停药和固定之间的时间间隔问题，若固定时间延迟会给神经元的状态带来较大的改变。当然，活检材料由于固定迅速，肯定保存的会更好。无论如何，我们都必须考虑几分钟的缺氧以及可能的机械损伤的因素，因为它可能对树突棘结构产生负面影响。