视皮层神经元结构可塑性研究进展

王珏 综述 张伟 史学锋 审校

天津医科大学眼科临床学院 天津市眼科医院 天津市眼科研究所 天津市眼科学与视觉科学重点实验室，天津 300020

视皮层的发育受到遗传和环境等多因素的调控。以小鼠为例，其发育大概经历3个阶段：(1)前关键期 从出生到出生后约第19天，视皮层初始神经回路形成，一般认为其发育受视觉经验的影响较小，主要由遗传因素决定；(2)关键期 出生后第20～35天，视皮层可塑性最强，其发育最易受到视觉经验的调控而发生可塑性改变；(3)关键期结束 视皮层神经回路结构基本固化，发育基本完成，其后若无特殊干预措施，视觉经验不再对视皮层结构和功能产生调控作用。通常认为，人的视觉发育关键期是从出生到8岁左右。在视觉系统发育过程中，视觉经验依赖的功能改变同时伴随突触结构的不断重塑。既往研究表明，小鼠在未睁眼前视皮层树突棘的数量仅少量增加，睁眼后树突棘数量快速增加，并且树突棘在没有接受输入时或接受未成熟的输入时运动性非常大，而外界视觉信息的输入促进了树突棘的形成和发育。前关键期及关键期达到高峰前，视皮层神经元树突上会大量存在比树突棘更具活力的丝状伪足，其出现代表着神经系统尚未发育成熟。之后，随着关键期的进行，视皮层不断朝着成熟的结构发育，突触密度逐渐保持在相对稳定状态，树突棘的运动性也随着视皮层发育逐渐下降。关键期结束时，视皮层结构和功能基本发育成熟，成年视皮层中很少能观察到丝状伪足的存在，并且会有更多的树突棘保持在稳定状态，不再随外界环境的变化发生改变，这一方面使得成年后视皮层神经回路结构变得更加稳固，另一方面也影响了成年视皮层的可塑性，使得弱视等视觉发育相关性疾病的治疗变得非常困难。但是大量基础研究发现，通过一些干预措施，如暗饲养、丰富环境以及通过调控视皮层可塑性相关分子等方法仍然可以使处于稳定状态的视皮层结构发生改变。视皮层神经元结构的变化引起神经网络之间信息的传递改变，进而使视觉系统功能发生改变。本文就近年来视皮层结构可塑性相关研究进展进行综述。

1 神经元突触可塑性的结构基础

视皮层中神经元精密的形态结构是信息交流、传递和储存的结构基础。突触是神经元之间进行联系、信息交流的重要部位，其将信息从1个神经元传递到另1个神经元。突触可塑性指突触传递效率的增强或减弱，突触传递效率可以体现在树突棘的形态变化上。树突棘是突触活动的基本单位，是神经元树突特殊的突起。中枢神经系统中兴奋性突触的突触后终末大部分存在于树突棘上。突触可塑性的发生与突触强度变化有关，在结构方面，树突棘的变化最为明显。通常情况下细长的树突棘更具有活力，运动性更大，而短粗的树突棘则更加稳定。树突棘发育成熟稳定与否取决于突触活动，突触活动可以改变肌动蛋白的动力学特性，从而使树突棘形态发生变化。对动物进行单眼剥夺(monocular deprivation，MD)、双眼剥夺(binocular deprivation，BD)、暗饲养或通过药物调控限制视皮层可塑性的分子等干预措施，均可观察到视皮层树突棘的形状或密度发生相应改变。相比于功能学研究，采用高级成像技术手段观察树突棘等视皮层神经元结构的可塑性变化，其结果也更为直观可靠，因此神经元结构可塑性的研究对探索视觉发育相关性疾病的机制以及评估各种干预策略的作用具有重要意义。

2 视皮层神经元结构可塑性的分子机制

2.1 配对免疫球蛋白样受体B对视皮层神经元结构可塑性的影响

配对免疫球蛋白样受体B(paired immunoglobulin-like receptor B，PirB)是髓磷脂相关抑制因子受体，主要表达在皮层神经元以及一些免疫细胞上，对神经元可塑性具有抑制作用。PirB的配体包括主要组织相容性复合物、髓鞘成分[包括NogoA、髓鞘少突胶质细胞糖蛋白(oligodendrocyte myelin glycoprotein，OMgp)和髓鞘相关糖蛋白(myelin associated glycoprotein，MAG)]等，在与配体结合后发挥抑制作用，并长期抑制轴突和树突棘的生长，但同时也可能为神经元进行长期信息储存提供了稳定的结构基础。视皮层中PirB的表达会限制皮层经验依赖的突触可塑性，抑制视皮层树突棘的密度。Djurisic等研究发现，基因敲除

PirB

使关键期小鼠视皮层第Ⅴ层锥体神经元顶端树突棘的密度显著增加，到成年期树突棘密度仍比野生型高43%。3 d的MD不足以使成年野生型小鼠未剥夺眼视觉刺激诱发的视皮层内源性信号反应增强，但可以增强成年

PirB

小鼠未剥夺眼的反应。Vidal等也做了相应的研究，发现与

PirB

小鼠相比，

PirB

小鼠视皮层第Ⅱ/Ⅲ层锥体神经元的树突棘密度显著增加，并且若向成年野生型小鼠视皮层注射可溶的PirB胞外段蛋白，阻断PirB与其内源性配体的结合，可导致小鼠PirB功能受损，视皮层眼优势的可塑性增强、树突棘密度增加，并使神经元微小兴奋性突触后电流频率迅速增加。可见，视皮层神经元上的PirB蛋白对视皮层结构和功能的可塑性起到了负调控作用，去除PirB蛋白会使视皮层可塑性增强，功能性突触连接结构增加，促进神经系统的损伤后恢复和相关功能的改善。

2.2 Ly-6/神经毒素样蛋白1对视皮层神经元结构可塑性的影响

大脑皮层神经元同时接受兴奋性和抑制性信号的输入，以确保神经元网络稳定工作。视皮层发育过程中兴奋性神经元首先发育，紧接着抑制性神经元发育到一定程度后视皮层可塑性逐渐增强，当神经元的抑制性与兴奋性信号输入达到一定程度平衡时关键期结束。正常饲养的小鼠大脑皮层抑制性和兴奋性信号输入保持与发育阶段相应的水平，而MD等方法会破坏这种平衡，使抑制性信号输入减少，眼优势可塑性发生改变。大脑皮层中，烟碱乙酰胆碱受体(nicotinic ACh receptors，nAChRs)的激活可以增加兴奋性神经元的兴奋性，调节抑制性神经元和兴奋性神经元之间的平衡关系。nAChRs的内源性抑制因子Ly-6/神经毒素样蛋白1(Ly-6/neurotoxin-like protein 1，Lynx1)可以与视皮层内nAChRs结合，从而降低烟碱型乙酰胆碱对视皮层的作用。Lynx1在成年视皮层中的表达增加，限制了视皮层可塑性。研究发现，基因敲除

Lynx1

(

Lynx1

-KO)的成年弱视小鼠，仅通过重新打开剥夺眼就能使视力恢复到正常水平。成年

Lynx

1-KO小鼠在MD期间视皮层第Ⅱ/Ⅲ层树突棘更替率高于野生型小鼠。树突棘的更替是脑和神经发育过程中常见的现象，指一部分树突棘短暂的出现和消失。从幼年到成年的发育过程中，视皮层树突棘的更替率会不断下降，以此维持神经元结构的稳定性，但同时也降低了成年视皮层的可塑性。树突棘更替率增加则表明成年视皮层的可塑性被重新激活。对于成年视皮层，去除Lynx1后可塑性的重新激活可能是因为nAChRs被重新激活，从而增加了视皮层神经元的兴奋性信号输入，改变了抑制性信号与兴奋性信号输入之间的平衡关系。Lynx1还与神经元网络中的组织型纤溶酶原激活物(tissue plasminogen activator，tPA)之间存在着密切关系。tPA是一种丝氨酸蛋白酶，可以降解细胞外基质(extracellular matrix，ECM)、促进脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的成熟，或与多种突触受体相互作用调节神经元功能，在发育中会发生经验依赖性减少。研究发现，对成年小鼠的MD不会影响视皮层神经元之间的连接结构，但是对

Lynx1

-KO成年小鼠进行短暂的MD后发现，tPA活性增加，树突棘密度下降，眼优势发生转移，而去除

tPA

基因的

Lynx1

-KO成年小鼠则不发生以上情况。还有研究者在增加外源性tPA后发现小鼠视皮层树突棘的运动性显著提高。以上研究提示Lynx1对视皮层神经元结构可塑性的影响可能是通过tPA介导的。

2.3 勿动蛋白受体对视皮层神经元结构可塑性的影响

勿动蛋白(Nogo)是一种神经系统髓鞘蛋白，主要包括Nogo-A、Nogo-B、Nogo-C 3种亚型，能与神经元表面Nogo受体1(Nogo receptor 1，Ngr1)相结合，对神经元生长起到调控作用。

Ngr1

对结束视觉发育关键期至关重要，对经验依赖的视皮层可塑性具有限制作用，PirB与Nogo亲和力很高，可以结合Nogo的功能性抑制域，抑制轴突生长，与Ngr1共同介导髓磷脂抑制信号的传递，发挥抑制作用。神经元上的Ngr1受体能与中枢神经髓鞘来源的髓磷脂轴突生长抑制物，包括Nogo-A、MAG、OMgp相结合，但是由于Ngr1无跨膜结构域，信号转导可能与共受体有关。肿瘤坏死因子受体19和低亲和力神经营养素受体p75被认为是能够传递Ngr1胞内信号的功能同源蛋白，由此发生信号级联反应，抑制神经元突起生长。基因敲除

Ngr1

的小鼠在其成年期仍然具有类似视觉发育关键期的眼优势可塑性。研究发现，Ngr1还可以通过阻止小清蛋白(parvalbumin，PV)阳性抑制性中间神经元突触的丢失，从而增强视皮层内抑制性神经元活动的水平，促使关键期结束。近年来研究发现，抗抑郁药氟西汀的使用能重新激活成年小鼠视皮层的可塑性，使剥夺眼视皮层中内源性信号反应明显下降，但对视皮层中神经元周围网络结构(perineuronal nets，PNNs)的影响不大。但也有研究证明，氟西汀的使用可以显著减少成年大鼠视皮层中PNNs的数量。PNNs是包围在神经元周围特殊的ECM结构，会限制神经元生长。PNNs在关键期结束时显著增加，其主要围绕在PV阳性抑制性神经元周围，标志神经元发育逐渐走向成熟，视皮层可塑性受到限制。另外，氟西汀对成年大鼠视皮层可塑性的再激活作用可能与Nogo受体表达降低有关，但其作用机制尚不明确。

3 小胶质细胞对视皮层神经元结构可塑性的影响

小胶质细胞属于大脑的免疫细胞，在有病理损伤时会被迅速激活并释放炎性因子。小胶质细胞既可以将较弱的突触吞噬清除，又可以促进新突触的形成。大多数小胶质细胞可以直接参与突触的形成和调节，当神经元活动发生经验依赖变化时，小胶质细胞直接与树突接触，通过钙离子诱导肌动蛋白促进神经元丝状伪足的形成。Tremblay等研究发现，与小胶质细胞接触的树突棘更容易消失，如对关键期小鼠进行暗饲养，视皮层中小胶质细胞会与较大的树突棘接触，这些与小胶质细胞接触的树突棘便出现收缩现象。在正常视觉经验条件下小胶质细胞的突起中会有吞噬细胞的成分，在异常视觉经验条件下小胶质细胞突起中的吞噬结构会更加明显，说明异常视觉经验可能激活了小胶质细胞，使其更加活跃。小胶质细胞的突起还与细胞外间隙联系密切。在正常和异常的视觉经验条件下，与细胞外间隙之间的依存状态明显不同。MD后短时间内小胶质细胞突起高度分支化，且限于对侧视皮层的双眼区。若用分子遗传学或药理学方法阻断小鼠初级视皮层小胶质细胞表达的嘌呤能受体，再在关键期进行MD，则发现眼优势未发生转移，推测可能的原因是嘌呤能受体的破坏抑制了小胶质细胞突起分支，使细胞与突触之间的相互作用受到阻碍。小胶质细胞还可以通过释放BDNF促进小鼠成年视皮层中树突棘形成。可见，小胶质细胞在内、外环境的影响下，不仅可以直接与突触接触，改变与突触之间的相互作用，调节神经元活动，还与细胞外间隙紧密相关，这说明小胶质细胞也可能通过调节神经细胞的细胞外间隙来间接调节神经元的活动，影响视皮层可塑性。

4 细胞外基质对视皮层神经元结构可塑性的影响

大脑神经元周围包绕着复杂的ECM，由胶原、蛋白多糖/糖胺聚糖、弹性蛋白、纤维连接蛋白、层粘连蛋白等多种糖蛋白组成。ECM随着生长发育逐渐成熟，稳定神经元之间的连接，在神经元间形成物理屏障，影响树突棘结构并且阻碍皮层的可塑性。暗饲养、丰富环境等干预措施使视皮层可塑性增加，部分原因可能是通过抑制ECM分子的活性，使神经元之间的相互交流增加，树突棘的动态变化更加活跃。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)可以调节ECM蛋白、受体、黏附分子、生长因子和细胞骨架，是一种依赖于Zn的内肽酶，对正常大脑发育和神经可塑性非常重要。MMPs由神经元和小胶质细胞分泌，其活性受其他蛋白酶，如tPA和纤溶酶以及金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs)的调节，基因敲除

MMP

-

9

会使小鼠视皮层树突棘密度显著下降。Murase等对成年小鼠进行暗饲养后进行光的再暴露，发现可改变视皮层结构和功能可塑性。光的再暴露增加了MMP-9活性，降解ECM，再进行MD会使视皮层树突棘密度显著下降，而缺少

MMP

-

9

基因的小鼠中未发现此现象。MMP-3可以激活MMP-9，但是MMP-3缺失的成年小鼠视皮层树突棘发育会更加成熟。硫酸软骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)是ECM的一种重要成分，通过降解CSPGs也可以重新激活成年小鼠视皮层可塑性。de Vivo等通过酶解CSPGs，在成年小鼠视皮层中观察到树突棘活动性增强，丝状伪足出现。丝状伪足存在于幼年时期，在神经系统发育成熟后几乎观察不到，说明降解CSPGs激活了树突棘的结构可塑性。软骨素酶ABC(chondroitinase ABC，chABC)可以降解CSPGs，在动物视皮层和杏仁核注射chABC联合反剥夺治疗，可增加树突棘密度，使弱视眼视功能得到部分恢复，从而再次激活成年视皮层可塑性。通过调节MMPs或降解CSPGs，去除了对神经元生长有抑制作用的ECM成分，使视皮层功能和结构可塑性重新激活。可能是因为ECM在神经元周围形成的特殊结构PNNs，PNNs主要包绕在PV阳性抑制性细胞周围，其降解改变了视皮层中抑制性和兴奋性信号输入的活动水平。

5 异常视觉经验对视皮层神经元结构可塑性的影响

外界环境对视皮层经验依赖的可塑性有很大影响，暗饲养、MD、BD等异常视觉经验均会影响视皮层的可塑性。Wallace等研究发现，对出生后30 d的大鼠进行暗饲养，视皮层树突棘密度明显下降。暗饲养后再进行短时间光暴露，小鼠视皮层新生树突突起的生长速度是对照组完全暗饲养小鼠的4倍。采用活体双光子显微镜成像结合内源性光学成像技术发现随着暗饲养后再次光照，突触会以N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)依赖的方式迅速重塑，视皮层内源性信号反应增加，稳定成熟的树突棘结构也相应增加。如果给暗饲养小鼠注射地西泮也可出现相似现象，表明抑制性信号在此过程中起到重要作用。可见，暗饲养通过减少视皮层内抑制性信号的输入，调节视皮层中抑制性和兴奋性信号输入的平衡关系，延长视觉发育过程，使视觉发育的关键期较晚结束，或可重新激活成年视皮层可塑性。树突棘具有可塑性的一个重要特征就是树突棘头部直径大小的变化，树突棘头部直径大小与树突棘活性和强度有关。Wallace等通过实验发现，暗饲养的大鼠与对照组相比，视皮层树突棘密度下降，但是树突棘头部直径变大，这说明虽然突触数量变少，但是突触强度变大。PV阳性抑制性神经元在视觉发育关键期可塑性中起着重要作用，神经元周围网络结构(perineuronal nets，PNNs)稳固地聚集在PV阳性抑制性神经元周围可作为关键期结束的重要结构特点，会对感觉输入的剥夺作出反应。完全暗饲养的小鼠在成年期视皮层中PNNs包围的PV阳性神经元密度会下降，对成年弱视小鼠暗饲养，也会使PNNs包围的PV阳性神经元数量减少。这也进一步说明了通过暗饲养不仅使视皮层内抑制性信号的传入减少，也延缓了限制可塑性分子的成熟或使其向不成熟状态转变。暗饲养还会降低视皮层神经丝蛋白水平，从而破坏神经元的细胞骨架结构稳定性，影响视皮层可塑性。

研究发现，在关键期对小鼠进行BD不会使树突棘的形成或者消失发生变化，但是会使树突棘头部直径增大。睁眼前就进行BD的小鼠在关键期可塑性最高峰第28天时树突棘的活动性会增加，但是对树突棘的长短、类型和密度均无影响。BD使视皮层树突棘头部直径变大说明突触强度有所增加，可能是通过增强突触强度来补偿功能的缺失。Zhou等研究发现，对关键期小鼠进行MD使双眼树突棘数量减少，大小减小。Yu等在视觉发育的关键期对雪貂进行MD，发现剥夺眼视皮层树突棘密度迅速下降，再次打开剥夺眼在短时间内便可以使树突棘数量恢复。相反，短期MD后非剥夺眼的驱动明显增强，并且非剥夺眼主导的视皮层树突棘数量有增加趋势。树突棘数量增加或减少同时也伴随着视觉功能的增强或减弱。可见，通过异常的视觉经验可以使幼年以及成年后的视皮层神经元结构发生变化。发生在视觉发育关键期内异常的视觉经验会对视皮层神经元结构造成很大的影响。

6 丰富环境对视皮层结构可塑性的影响

丰富环境即为动物提供更多的视觉输入、躯体感觉输入以及社会互动，通过环境信息的不断刺激调节神经系统的可塑性。丰富环境中的成年弱视动物视皮层可塑性的恢复伴随着BDNF增加，CSPGs密度降低，以及弱视眼对侧视皮层γ-氨基丁酸释放减少等。丰富环境对成年弱视的调节是通过减少视皮层中抑制性信号的输入，重新调节皮层中抑制性与兴奋性信号输入的平衡，使视皮层可塑性改变。将成年小鼠饲养在丰富环境中进行2 d的MD可以使眼优势明显向未剥夺眼方向转移。有研究者对幼年大鼠行MD，成年后再对对侧眼进行1个月的反剥夺，发现反剥夺联合丰富环境不仅使成年弱视大鼠的视功能明显恢复，还使得视皮层第Ⅱ/Ⅲ层中突触后致密物蛋白95(postsynaptic density protein 95，PSD-95)的表达明显上调。PSD是调节突触后受体活动最为重要的蛋白，调节突触特定区域的多个受体和其他蛋白质的信号传导，促使突触发育成熟。PSD-95也可以对NMDA受体和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑烯丙酸受体进行调节，控制视觉发育关键期的持续时间，从而使视皮层可塑性发生变化。

7 小结

视皮层神经元结构可塑性涉及已经存在的突触连接改变、新突触连接的形成、现有突触连接的消除、树突或轴突分枝的变化，以及神经调节物质或神经激素的产生与信号传递。出生后至关键期结束这段时间外界环境对视皮层的发育影响最大，期间抑制性回路的不断成熟使得视皮层兴奋性和抑制性活动水平的平衡关系发生变化，视皮层神经元结构不断发育成熟，随后视皮层可塑性逐渐降低，直至兴奋性和抑制性活动水平达到新的平衡。BDNF也在另一方面促使视觉系统发育成熟，从而使视皮层可塑性逐渐下降。此外，ECM的成熟使神经元之间的连接更加稳定，但也进一步降低了视皮层的可塑性。增加或恢复视皮层可塑性主要是通过改变兴奋性和抑制性信号输入的平衡关系，或是去除限制视皮层可塑性的相关分子。MD、BD、暗饲养、丰富环境这些非侵入性干预措施都可以改变视皮层的结构和功能，在改变神经元抑制与兴奋之间关系的同时，又可能使视皮层某些分子的表达发生变化。事实上，神经元结构的改变多数情况下伴随相关分子表达的变化，同时若改变相关限制视皮层可塑性分子的表达，同样也会引起结构上的相应变化，结构和功能的变化与神经元内外分子的活动密切相关。我们通过调控抑制性因素，或者增加兴奋性因素，使视皮层神经元连接结构发生改变，可再激活成年视皮层的可塑性，从而最终改善或恢复受损的视功能。相信随着各种细胞及亚细胞水平的高级成像技术手段的进步，对视皮层神经元结构可塑性的研究必将取得新的成果，推动视觉发育与可塑性相关疾病的研究进展。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突