病理条件下的神经可塑性及在针灸研究中的可能应用

赵慧英1 牟 萍2 董 岩3
（1．西北农林科技大学 陕西杨凌 712100? 2．兰州大学 甘肃兰州 730000
3．Department of Vet. and Comparative Anatomy Pharmacology and Physiology
Washington State University Pullman WA 99164 USA）

摘要：大脑是由可塑性极强的神经元组成。许多病理因素通过神经可塑性的分子细胞学机制诱导出特异性的神经活动模式，从而在细胞学水平引起脑的病理生理变化。这一逐步完善的理论不仅为理解诸多极为复杂的神经系统疾病提供了理论依据，亦为将来的临床治疗提供了可行的途径。针灸效用的生物学机制目前尚不十分清楚，有证据表明经络可能直接或间接地传入中枢神经系统，并通过重塑神经元活动模式（可塑性）达到某些治疗效果。由于这方面的研究尚处于起步阶段，这里以药物成瘾中神经可塑性作为范例，论述外周刺激如何利用神经可塑性改变脑的功能。药物成瘾是一种中枢神经系统性疾病，通常被定义为无法自拔的药物使用。充分证据表明，反复使用某种依赖性药物后，中脑边缘多巴胺（DA）系统的神经回路会发生一系列病理性的持久变化，从而导致动物情绪上的巨大改变。发现、鉴定和总结成瘾性药物在中脑边缘DA系统引发的长时程细胞学变化，是目前揭开成瘾的神经学机制的一条可行之路。突触可塑性变化是长时程神经变化中，进展最快、最深入的研究领域。因此，本综述试图以药物成瘾为例，阐明在特定病理条件下神经系统可塑性的普遍机制和在针灸研究中的可能应用。
关键词：药物成瘾，中脑边缘多巴胺系统，神经可塑性，针灸
中枢神经系统与许多病理状态相关。除了中枢神经原发性疾病（如帕金森老年性痴呆），许多外周性疾病都有其中枢的生理基础，如持久性四肢腰背疼痛，虽然疼痛点在外周，人体感觉疼痛的核心却在中枢系统，疼痛调节中枢的病理性变化，易化了外周对疼痛的敏感性和持久性；一些治疗疼痛的手段也集中在中枢系统，如鸦片类受体的刺激剂。针灸治疗对持久性疼痛、脏腑的功能性调节是否也是通过中枢神经系统起作用，引起哪些功能性变化及其作用的中枢机制是什么，目前人们了解还较少，这将是一条了解针灸治疗机制的崭新而有效的途径。由于这方面的研究尚处于起步阶段，目前尚未建立开展此类研究必需的完善的动物学和细胞学模型，此篇综述以成瘾性药物引起的中枢神经系统的可塑性变化为例，总结外周刺激（如针灸）引起的中枢神经元功能性变化，以及如何控制这些变化来达到治疗效果。需要特别指出的是，限制针灸学基础研究的一个很大的障碍，就是缺乏成熟的动物学和细胞学模型，而药物成瘾的动物学模型也有很大的理论欠缺，此篇综述也着重探讨了如何利用神经生物学和细胞生物学的前沿知识，在现有动物模型中深入研究外周刺激对中枢神经系统的作用。
急性使用成瘾性药物，通常会产生一种强烈的诱使用药者再次使用这种药物的愉悦感。在多次用药后，一些人会发展为成瘾，使用者虽然清楚药物所带来的一系列不良后果（如疾患、家庭关系破裂、社会角色丧失等），却仍表现出强烈的强迫性药物使用[1]。二十年来，人们在阐明药物成瘾的神经机制方面，作了大量的工作。早期的工作考虑到成瘾性药物的奖赏和激励作用，主要集中在对天然奖赏（如食物、饮水和性）及奖赏相关的情绪和动机的脑奖赏环路的研究[2]，所以最初定义的奖赏通路的主要区域为中脑腹侧被盖区（VTA）和伏隔核（NAc），随后的研究扩展到更多相关的区域，如额前皮质（PFC）、海马结构和杏仁核。
脑的奖赏通路调节奖赏、情感和动机相关的学习和记忆，与我们在教室里有意识的学习和记忆不同，奖赏、情感和动机的学习和记忆是潜意识的、可感知但不表露。由成瘾药物产生的成瘾状态会僭取正常生理性奖赏调节通路。当成瘾药物所诱发的持久性情绪记忆被唤醒时，动物则表现出强烈的嗜药行为。大量证据表明，成瘾药物对脑功能产生持久性改变。这些变化被认为与突触经验依赖性神经可塑性具有共同的分子学和细胞学机制[3-4]。所以这个领域的主要研究目标之一，就是期望通过确定脑中药物诱发的奖赏通路的神经可塑性，确定导致成瘾的特异性神经可塑性。由于兴奋性突触在神经元可塑性方面的研究最为深入，本篇重点对药物诱导的奖赏通路中兴奋性突触的可塑性做一总结。
1．突触可塑性：
突触可塑性对记忆的形成起着关键性作用，所谓突触可塑性是指突触传递的效率和强度的变化[5]。研究最多和熟知的突触可塑性细胞分子模型，就是长时程增强效应（LTP）和长时程抑制效应（LTD）[6]。不同脑区的LTP和 LTD具有不同的分子学机制。其中较为典型的一种是海马CA3→CA1突触中的LTP和LTD。α-氨基-羟基甲基噁唑丙酸受体（AMPAR）和N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）是两种相关的谷氨酸受体。这两种受体均在海马CA1神经元中表达。突触前释放的谷氨酸与AMPAR结合并激活之，产生去极化电流，触发突触后神经元的膜电位去极化。而NMDAR的激活不仅需要谷氨酸的结合，而且需要很强的突触后膜去极化来去除Mg2+ 对通道的阻断作用；与AMPAR的Na+ 通透性不同，NMDAR的激活使Ca2+ 内流，从而激活一系列细胞内Ca2+ 依赖性信号通路，触发LTP和LTD[6]。需要指出的是，不同Ca2+ 浓度和不同亚细胞区域的Ca2+ 激活不同底物钙调蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）或蛋白磷酸酶1（PP1）[7]。CaMKⅡ触发胞内AMPAR转运到突触后膜表面，产生LTP，而PP1和/或神经钙蛋白诱发AMPAR进入突触后胞浆，产生LTD [8]。因此，当突触后AMPAR数量增加时，兴奋性突触的强度将持续上调（LTP），反之，则持续下调（LTD）。
AMPAR是由GluR1、GluR2、GluR3及GluR4四个亚基组成的四聚体复合物[7]，每个亚基包含一个特有的胞内C末端，这个C末端可以选择性地干预不同的结合物并激活不同的胞内信号级联反应，并对LTP和LTD产生不同的调节。例如，GluR1对LTP的产生必不可少，在GluR1敲除动物[9]或当GluR1 C末端及胞内信号级联的交互作用被阻断时[10]，海马不出现LTP。海马LTP和LTD的分子机制已被用作研究其它脑区突触可塑性的模型。不难想象，突触可塑性是针灸或其它外周刺激影响中枢系统的一条细胞途径。
2．脑奖赏通路中的突触可塑性：
中脑皮质边缘DA系统是脑内奖赏通路的中心，能够强化成瘾药物的作用[2，11]。奖赏通路由VTA、NAc和PFC等脑区组成[11]。其中，VTA中的DA能神经元投射到NAc和PFC，并接受PFC、脑桥脚核和终纹床核的兴奋性投射[11]；PFC的谷氨酸能神经投射到VTA和NAc。抑制性GABA能神经元（medium spinal neurons）为NAc的主要细胞类型。这些神经元接受来自PFC、海马和杏仁核的兴奋性投射[11]。大部分NAc细胞需要皮质和皮质下边缘叶兴奋性传入信号的激活[11-12]。
大量资料表明，脑奖赏通路的突触可塑性具有许多明显的，但区别于海马CA1神经元的共性的核心特征。脑奖赏通路中的兴奋性突触神经元产生LTP和LTD。如在海马，LTP在VTA内DA神经元的兴奋性突触的产生需要激活NMDAR[13]，但CaMKⅡ是否是NMDAR介导的钙内流的下游影响因素还不清楚。LTD在VTA内DA神经元的兴奋性突触的产生不需要激活NMDAR和电压依赖性钙通道[14-16]；另外，LTD在VTA内DA神经元的表达是通过突触后AMPAR的胞吞过程实现的。这个过程只激活cAMP和蛋白激酶A（PKA），不激活PP1/2A[16]。与VTA内DA神经元相似，NAc神经元产生的LTP是由NMDAR的激活而开始的，是由AMPAR功能和/或数量增高而实现的[17]。NAc神经元产生的LTD较复杂。两种常见的LTD是：（1） NMDAR依赖性LTD，这一过程涉及NMDAR媒介的钙内流和突触后AMPAR的减少[15]；（2）CB1受体依赖性LTD，内源性大麻介导的负反馈引起突触前谷氨酸释放的长效抑制[18]。现有的证据表明，在PFC神经元可以诱发LTD和LTP。LTP的产生需要激活NMDAR，LTD为NMDAR依赖型，包括CB1受体和代谢性谷氨酸受体[19]。由于NAc和PFC接收较多的DA投射，因此DA在调节和/或维持这两个脑区的突触可塑性方面也起关键作用[19-23]。
3．脑奖赏通路中药物诱导的突触可塑性：
DA能神经元和GABA神经元是VTA两种主要类型的细胞。两者均投射到NAc和PFC等靶区[11]。DA能神经元的神经活性表现在，可以对奖赏和激励相关的不同外部刺激的信息进行编码[24-25]。PFC和其它边缘区的谷氨酸能传入与VTA内DA及GABA神经元形成突触，并对VTA内DA神经元的活性有重要的调节作用[24]。
关键问题是，成瘾性药物是否诱导脑奖赏通路中的长时程突触可塑性。由于LTP和LTD可能影响AMPAR嵌入突触后膜，所以，早期重点对滥用药物对VTA中GLuR1蛋白水平的影响进行了测试。大量研究报道，重复使用可卡因、吗啡[26]或酒精[27]会导致VTA中AMPAR的GLuR1亚基水平提高；但也有研究者发现，使用可卡因和安非他命后，GLuR1水平基本没有变化[28]。不同的给药方式、不同的药量，以及不同的药物类型可能是这些研究出现不一致结果的原因。值得注意的是，许多神经元都有相当的胞内AMPAR储备，仅对GLuR1转录或总体蛋白水平表达的研究，不可能揭示受体在突触后膜上的动态过程。为了直接测定成瘾性药物对VTA内AMPAR的影响，White和他的同事[29]对活体动物的胞外电生理学变化进行记录，他们发现，反复使用可卡因或安非他命使VTA内DA神经元对AMPA更敏感。这一重要发现被认为是药物诱使VTA内DA神经元产生“LTP”样现象的生理学证据。但是，以上研究是对AMPAR触发的动作电位的生理学测定，而不是对AMPAR的直接测定。 因此，敏感性提高是否是由于AMPAR功能的提高或者是电压依赖性离子通道调制的结果，目前仍不清楚。
为了直接测定成瘾性药物对VTA内DA神经元兴奋性突触的影响，一系列研究集中在AMPAR与NMDAR介导的突触电流比率的测定。这种方法用于测量LTP和LTD发生期间对突触AMPAR功能或数量的变化。由于NMDAR的功效和数量在LTP和LTD期间相对稳定，而AMPAR的功能随LTP和LTD而上升或下降，LTP会伴随AMPA/NMDA的升高，而LTD伴随AMPA/NMDA的降低。所以当一种刺激（如使用成瘾性药物）引起AMPA/NMDA值升高或降低时，我们可以推测这一过程可能诱发了LTP或LTD。这种方法的主要优点在于不必考虑被激活的突触数量、电极位置，以及组织解剖结构的变化。Ungless等[30]用这种方法在可卡因处理动物脑片的VTA内DA 神经元上，观察到AMPA/NMDA值明显升高，而在GLuR1（-/-）敲除小鼠和NMDAR被其拮抗剂MK801选择性阻隔时，这种现象消失[30-31]。这些结果表明，中脑DA能神经具有与海马核心特征相同的LTP，即使用可卡因可以诱发一种兴奋性突触可塑形式。
时程研究为药物诱发的突触可塑性，以及相关的行为学研究提供了重要线索。VTA内DA神经元上由可卡因所诱发的“LTP”出现迅速、持续时间短暂，在体内给药2小时后即可检测出来[32]，并可持续5～10天[30]；在停用可卡因的10天内，AMPA/NMDA比值可恢复到基础水平[33]。这些证据表明，在药物诱发的VTA 内LTP可能触发早期的成瘾过程，但并不是维持成瘾状态的神经元基础[34]。
为了进一步证明是否VTA内DA神经元的突触变异是可卡因及所有成瘾性药物的一个共有机制，有两项工作[31，35]对可卡因、安非他命、吗啡、尼古丁和酒精等五种成瘾药物，以及百忧解（含盐酸氟西汀）和卡马西平（酰胺咪素）两种非成瘾精神性药物进行了研究。成瘾性药物在体内的即性药理作用明显不同：可卡因和安非他命通过阻滞或逆转DA 转运体，而迅速增强DA的传递；吗啡可以迅速激活鸦片类受体；尼古丁迅速激活尼古丁受体，而酒精则迅速增强GABA能传递；相同的是均可以引起成瘾。两种对照组药物有着与成瘾性药物相同或相似的心理学和药理学效果，但使用它们不会成瘾。例如：与可卡因、安非他命一样，百忧解（含盐酸氟西汀）是一种单胺回收抑制物，而酰胺咪素与可卡因一样可以抑制Na+ 通道。五种成瘾性药物都会提高VTA内DA 神经元AMPA/NMDA[35]。以上结果表明在VTA内DA神经元上突触可塑性变化可能是成瘾性药物共有的细胞学机制。
成瘾行为与压力有关[36-37]。在动物模型中，压力可以易化成瘾性药物的自我摄取[38]、触发毒瘾的复发[39]及停药诱发的觅药行为[40-42]；与滥用药物的方式相似，施压可以提高VTA内DA神经元的AMPA/NMDA值[35]。压力和可卡因都可以影响突触连接，并被NMDAR拮抗剂MK801阻断。另一方面，VTA内DA神经元上可卡因诱发的突触变化，可以被DA 神经元D1受体拮抗剂所阻断，而压力诱发的突触变化被糖皮质激素受体阻断[31]。以上发现表明，这些经验依赖性突触变化在体内的触发机制既有相同之处，又有不同之处[31]。药物引起的VTA内 DA神经元LTP的直接作用就是增强DA传递。这可以理解为药物或药物相关性刺激增强的结果。行为学上，DA信号的增强表现为成瘾相关的行为敏感化[43]；同时，DA信号的增强能够帮助建立和维持奖赏相关的条件反射[25]。
成瘾药物的行为致敏，是显示嗜药程度的一种动物模型。在重复给药后，长期戒断会引起行为致敏[44]。这种成瘾行为有很高的条件性：当动物所处的环境与药物相关时，动物会表现出强烈的致敏[45]。另一种研究条件性药物行为的动物模型是条件性位置偏爱（CPP）：动物会对所体验药物的地方表现出强烈的偏爱。实验表明，可卡因诱发的VTA内DA神经元“LTP”在可卡因诱发的行为致敏、可卡因条件性致敏、可卡因诱发的CPP，以及可卡因复吸中起关键性作用。这一观点得到了大量研究结果的支持[4，46-47]。比如，VTA内注射NMDAR拮抗剂，阻断VTA内DA神经元上LTP，这一操作可以抑制行为致敏[48]和可卡因引起的CPP[49-50]。VTA内DA神经元上，可卡因诱发AMPA/NMDA值提高时，动物会表现出高运动致敏[33]。在反复使用可卡因等成瘾性药物后，VTA内DA神经元由于LTP的形成，会维持几天的高水平活动，其时程性与可卡因诱发的AMPA/NMDA值上升相一致[29]。VTA内DA神经元的这种相对短暂的超活性，促成了行为致敏从诱发到表达的过度[48]。过量表达GluR1会造成与LTP相类似的突触改变，在VTA中过量表达GluR1会增强吗啡诱发的CPP，而AMPAR亚基GluR2的过量表达不导致LTP样突触变化，也不增强CPP[51-52]。VTA内“LTP”在CPP的作用被其它发现进一步证实。例如，相同剂量的DA神经元 D1R阻断剂，能够在细胞水平阻断可卡因诱发的VTA内“LTP”，在行为学水平上，可以阻断可卡因诱发的CPP[53]。
为了直接检验VTA内“LTP”是否为可卡因诱发的行为致敏和CPP所必需，我们用GluR1（-/-）敲除小鼠进行了一系列的行为学试验[31]。结果发现，这些小鼠的VTA内 DA神经元不出现可卡因诱发的兴奋性突触转移电位（可卡因诱发的“LTP”），但却表现出很强的可卡因致敏化[31]。这些结果表明，可卡因诱发的LTP并不是行为致敏所必需；另一方面，敲除GluR1却减轻了其他两个行为，即GluR1敲除动物不表现可卡因诱发的CPP和环境诱发的复吸行为[31]。另外，可卡因诱发的VTA内LTP和CPP[53]可以被相同剂量的D1受体拮抗剂所阻滞。可卡因诱发的VTA内LTP[33]和可卡因-吗啡相互作用引起的CPP的增强[54]能够持续到第5天，但都能被NMDAR拮抗剂所阻滞。总之，这些研究表明，可卡因诱发的VTA内LTP与条件依赖性相关学习，以及药物相关信号的刺激程度有关。
4．结论