唐渙垚,周 亮

(遵義醫(yī)科大學(xué) 貴州省普通高等學(xué)校腦科學(xué)特色重點實驗室,貴州 遵義 563099)

傳統(tǒng)研究認為小腦主要調(diào)節(jié)運動功能,而新近報道發(fā)現(xiàn)小腦在調(diào)控許多高級認知功能中發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。小腦病變或切除可能會導(dǎo)致不同方面的認知功能受損以及社交行為的異常,例如自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders,ASD)和精神分裂癥患者常伴隨小腦畸形。本文闡述了小腦的神經(jīng)解剖、認知功能研究進展以及ASD患者小腦結(jié)構(gòu)的變化等方面,以期較深入認識小腦在高級認知功能與認知功能障礙中發(fā)揮的作用。

1 小腦的結(jié)構(gòu)與神經(jīng)投射

按形態(tài)結(jié)構(gòu)和進化可將小腦分為小腦前葉、小腦后葉和絨球小結(jié)葉,進一步可細分為13個小葉,分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Crus 1、Crus 2、ⅦB、ⅧA、ⅧB、Ⅸ、Ⅹ。其中Ⅰ～Ⅴ屬于小腦前葉,Ⅵ～Ⅸ屬于小腦后葉,Ⅹ為絨球小結(jié)葉。

小腦中主要包括浦肯野細胞和顆粒細胞,其中浦肯野細胞的形態(tài)較為復(fù)雜。小腦的浦肯野細胞為γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)能神經(jīng)元,能將抑制性信號發(fā)送到小腦的輸出核團即小腦深部核團(deep cerebellar nuclei,DCN),通過DCN投射到大腦不同的區(qū)域,包括皮層、腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area,VTA)、腦橋核(ponti nucleus,PN)以及下橄欖核(inferior olivary nucleus,IO)。每個浦肯野細胞伸出繁雜的平面樹突,從平行纖維接收104～105個興奮性突觸[3],還接收單條攀緣纖維的輸入,后者是源于腦干下橄欖核神經(jīng)元的一個軸突分支,沿浦肯野細胞樹突主枝“攀緣”而上,沿途形成很多興奮性突觸。

顆粒細胞是腦中數(shù)量最多的細胞,位于顆粒層,受到苔蘚纖維興奮性信號的調(diào)控。此外,小腦皮質(zhì)還包含可接收平行纖維信號的3種局部中間神經(jīng)元——籃狀細胞、星狀細胞、高爾基細胞?；@狀細胞和星狀細胞分別向浦肯野細胞胞體和遠端樹突發(fā)送抑制性輸出,提供前饋抑制,而高爾基細胞將抑制性信號發(fā)送回顆粒細胞,提供反饋控制[4](圖1)。

basket cell:籃狀細胞;climbing fiber:攀緣纖維;granule cell:顆粒細胞;golgi cell:高爾基細胞;IO:下橄欖核;mossy fibers:苔蘚纖維;parallel fibers:平行纖維;purkinje cell:浦肯野細胞;stellate cell:星狀細胞。圖1 小腦的信號通路聯(lián)系

小腦和大腦之間存在廣泛的雙向聯(lián)系,幾乎所有皮層第5層錐體神經(jīng)元都能發(fā)送軸突到達PN,后者的神經(jīng)元通過苔蘚纖維將信號輸送至小腦,再由小腦核將抑制性γ-氨基丁酸能神經(jīng)元的信號轉(zhuǎn)換為興奮性谷氨酸能神經(jīng)元,后者將信號經(jīng)丘腦投射回新皮層,但不能明確投射到新皮層的位置[3]。此外,還有一些小腦區(qū)域(主要是VI-VIII小葉和鄰近的小腦半球)與新皮層有著密切的聯(lián)系,尤其是邊緣的新皮層區(qū)域(圖2)。小腦與大腦之間豐富的連接構(gòu)成了重要的認知功能環(huán)路,小腦通過該環(huán)路對大腦的認知功能腦區(qū)進行調(diào)控。

cerebellar:小腦;DCN:小腦深部核團;IO:下橄欖核;PN:腦橋核;thalamus:丘腦;VTA:腹側(cè)被蓋區(qū);GABAergic neuron:γ-氨基丁酸能神經(jīng)元;glutamatergic neuron:谷氨酸能神經(jīng)元。圖2 小腦與其他核團的神經(jīng)纖維投射聯(lián)系

2 小腦與認知功能

隨著人們對小腦認識的不斷深入,研究表明除了傳統(tǒng)的運動協(xié)調(diào)功能外,小腦在調(diào)控許多高級認知功能中發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2],但具體機制仍需進一步探索和挖掘。

2.1 小腦與獎賞 獎賞是一種能產(chǎn)生愉悅和興奮感覺的正性強化效應(yīng),導(dǎo)致趨向行為,最終引導(dǎo)行為加強,誘發(fā)生物體有目的、有動機的行為反應(yīng)。新近研究表明,小腦會影響?yīng)勝p相關(guān)認知行為[5]。大腦中經(jīng)典的獎賞回路由多個重要的節(jié)點構(gòu)成,包括VTA的多巴胺能神經(jīng)元及其2個重要的投射靶點:伏隔核和前額葉皮層[6-7]。部分來源于新皮層的獎賞信號傳送至小腦,再由小腦的輸出核團DCN發(fā)出纖維束經(jīng)丘腦傳至紋狀體和前額葉皮層[8-9],或者通過單突觸連接傳到VTA的多巴胺能神經(jīng)元上[10]。

有研究表明,小腦核-VTA通路與獎賞系統(tǒng)密切相關(guān)[11]。該研究的結(jié)果顯示,利用光遺傳學(xué)技術(shù)激活這條通路可以明顯促進小鼠進入獎賞區(qū)域的次數(shù)。同樣,在明暗箱實驗中,小鼠進入白箱時給予一定的光照刺激激活該通路,發(fā)現(xiàn)與對照組相比實驗組的小鼠進入白箱的次數(shù)明顯增加,2種實驗方法所得結(jié)果一致,反映了小腦核-VTA通路與獎賞系統(tǒng)密切相關(guān)[11],小腦在獎賞相關(guān)的高級認知功能中發(fā)揮重要作用。

Gao等[12]將小鼠頭部固定,利用胡須辨別物體的位置,觀察其向左或向右舔爪報告物體正確位置以獲取水獎勵,發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)小腦核的損傷或者光遺傳學(xué)干擾會影響小鼠的舔爪選擇。采用電生理在前外側(cè)運動皮層(anterolateral motor cortex,ALM)或者小腦核記錄神經(jīng)元放電情況,結(jié)果顯示這2個位置的神經(jīng)元表現(xiàn)出相似的激活程度,而用光遺傳學(xué)抑制ALM能明顯減少小腦核中神經(jīng)元的活性,干擾小腦核也存在相似的情況,以上研究結(jié)果揭示了小腦核與ALM之間存在一定的聯(lián)系。Chabrol等[13]將小鼠放在軌道上奔跑以獲得水獎勵,并且記錄其腦中ALM、外側(cè)小腦核(小腦齒狀核)以及位于外側(cè)小腦皮質(zhì)的浦肯野細胞的放電活性,結(jié)果顯示接近獎勵發(fā)放時,這3個區(qū)域的神經(jīng)元開始調(diào)控放電活性,在獎勵發(fā)放時,ALM與齒狀核的神經(jīng)元活性都增強,而浦肯野細胞則會降低自身的活性,減少通過單突觸連接輸出到齒狀核的抑制信號,隨之激活A(yù)LM,而獎勵過后浦肯野細胞放電活性增加,證明獎勵發(fā)放時浦肯野細胞放電的減少可能是獎勵誘發(fā)的學(xué)習(xí)結(jié)果。此外,Chabrol等[13]通過在獎勵發(fā)放之前激活浦肯野細胞來抑制齒狀核,發(fā)現(xiàn)在短期內(nèi)ALM大多數(shù)神經(jīng)元的活性被抑制,以上研究結(jié)果支持小腦信號輸出對于維持新皮層的基本活性十分重要,從而有助于執(zhí)行任務(wù)。

上述研究都表明小腦與獎賞密不可分,小腦能通過與大腦皮質(zhì)不同核團之間的連接構(gòu)成多種神經(jīng)環(huán)路來影響大腦功能,但目前對小腦參與獎賞相關(guān)的高級認知功能的研究較少,缺乏微觀上的理論與證據(jù)支持小腦與獎賞之間的聯(lián)系,今后尚需更多更深入的研究,用多種方法從不同方面對小腦在獎賞過程中的作用進行探索。

2.2 小腦與自閉癥 小腦病變或者切除可能會引起不同類型的認知功能受損和異常的社交行為,其形態(tài)畸形與成癮、ASD、認知情感綜合征和精神分裂癥有著密切聯(lián)系[14-15]。小腦在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育疾病中的作用越來越為人們所關(guān)注,如智力障礙、ASD、注意力缺陷、多動癥和唐氏綜合征。目前小腦已被認為是ASD相關(guān)的重要腦區(qū)之一。

2.2.1 自閉癥影響皮層-小腦環(huán)路 小腦影響認知功能的基礎(chǔ)是“大腦-小腦”環(huán)路,即大腦與小腦間廣泛的纖維聯(lián)系,小腦就像丘腦和皮層的上游調(diào)控器一樣,特定區(qū)域的病變會造成整個大腦網(wǎng)絡(luò)的認知和情感障礙。Ito等[16]提出一個假說來解釋小腦在認知功能中扮演的角色,即由前額葉皮層,顳頂皮層以及小腦半球共同編碼的神經(jīng)環(huán)路理論。

通過功能性磁共振成像對ASD患者大腦進行檢查發(fā)現(xiàn)小腦與感覺運動皮層之間連接增加,與聯(lián)合皮層中主要負責(zé)意識管理的多模態(tài)腦區(qū)(supramodal)連接減少[17-18]。Igelstrom等[19]將與社會認知相關(guān)的顳頂交界區(qū)分為11個亞區(qū),結(jié)果表明ASD患者中右背側(cè)顳頂交界處與小腦左側(cè)Crus Ⅱ區(qū)連接減少;而另一個研究報道中左下頂葉與小腦右側(cè)Crus Ⅰ區(qū)之間的連接增加[20]。Olivito等[21]研究發(fā)現(xiàn)左側(cè)小腦齒狀核與皮層之間的靜態(tài)連接減少,小腦左側(cè)齒狀核與多模態(tài)腦區(qū)之間連接增加,小腦右側(cè)Crus Ⅱ區(qū)的體積減小以及它與額葉、顳葉、頂葉之間的連接減少。以上研究結(jié)果從不同方面說明ASD患者中存在異常的皮層-小腦環(huán)路連接,這可能是ASD認知功能障礙的原因之一。

2.2.2 小腦功能障礙相關(guān)的自閉癥基因模型 目前的觀點認為ASD患者小腦結(jié)構(gòu)和功能存在異常,具體的改變?nèi)蕴幱谔剿麟A段,而大多數(shù)ASD都與基因突變相關(guān),且具有高度遺傳性。建立相關(guān)的基因突變模型對于研究這類患者小腦結(jié)構(gòu)、功能以及相關(guān)認知行為的改變十分重要,包括嚙齒動物和非人類靈長類動物模型。轉(zhuǎn)基因小鼠模型能證實并擴展基因改變對神經(jīng)化學(xué)和行為的影響,最終有助于尋找ASD的生物標(biāo)記。下面將逐一介紹相關(guān)的基因小鼠模型,如Fmr1、EN2敲除鼠、Staggerer小鼠、Shank3突變小鼠、Tsc1PC和Tsc2PC小鼠、Pten和Shank2敲除鼠。運用這些模型,可以進一步了解小腦功能障礙自身是否會引起ASD相關(guān)行為。

ASD小鼠模型存在自閉樣行為,同時伴隨小腦功能障礙,例如Fmr1、EN2敲除小鼠和Staggerer小鼠。Fmr1基因編碼脆性X染色體智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein,FMRP),參與發(fā)育中的認知功能調(diào)節(jié),脆性X染色體綜合征(fragile X syndrome,FXS)病人表現(xiàn)出自閉癥樣的認知功能障礙[22],相應(yīng)的Fmr1敲除鼠具有多種自閉樣行為,如多動癥、刻板行為、空間學(xué)習(xí)能力受損、條件性恐懼減少,且這種模型小鼠小腦中浦肯野細胞樹突延長,小腦深部核團體積減小。在Fmr 1敲除鼠和其他ASD模型小鼠上觀察到眨眼頻率減少[23],已知眨眼條件取決于小腦神經(jīng)元的突觸可塑性,表明這些小鼠存在小腦功能異常。EN2能調(diào)控小腦發(fā)育相關(guān)的基因表達,EN2敲除鼠存在小腦功能異常,如浦肯野細胞的數(shù)量減少近40%且小葉形成不良[18],表現(xiàn)出社交能力受損,如社交和攻擊性行為減少[24]。Staggerer模型小鼠是RORα基因突變所得,RORα基因?qū)τ谄挚弦凹毎纳婧头只潜匦璧?Staggerer小鼠的浦肯野細胞在發(fā)育期出現(xiàn)丟失,剩下的細胞體積減小,位置也存在異常[20,25],顆粒細胞幾乎完全消失,小腦深部核團體積減少,從而引起運動失調(diào)、空間學(xué)習(xí)能力下降、記憶受損、刻板行為以及對新環(huán)境的異常反應(yīng)[26]。

隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)大約2%的ASD患者存在Shank3基因突變,并出現(xiàn)嚴重的典型癥狀和精神障礙,在多種Shank3突變小鼠模型中也得以體現(xiàn)[27]。無論人類還是嚙齒動物存在Shank3突變可以觀察到小腦畸形,Shank3能控制軸突定位到小腦顆粒細胞樹突,其突變會減少谷氨酸受體在突觸的表達[28]。最近一項研究采用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了攜帶Shank3突變的獼猴,表現(xiàn)出運動缺陷、刻板行為增加以及社交和學(xué)習(xí)能力受損[29]。

研究表明,在浦肯野細胞中條件性敲除Tsc1,即Tsc1PC小鼠,不僅運動失調(diào),還表現(xiàn)出自閉樣行為,包括社交能力受損、刻板行為以及異常的超聲發(fā)聲[30]。Tsc1PC小鼠中浦肯野細胞的內(nèi)在興奮性下降,且樹突棘密度異常。浦肯野細胞Tsc2敲除的小鼠(Tsc2PC小鼠)也會出現(xiàn)自閉樣行為,但沒有運動缺陷[31]。在Tsc1PC和Tsc2PC小鼠上使用mTOR抑制劑雷帕霉素均能挽救行為缺陷,有研究報道Pten和Shank2分別對mTOR信號通路和突觸形成有重要作用,在浦肯野細胞分別特異性敲除這2個基因,發(fā)現(xiàn)Pten敲除會造成浦肯野細胞形態(tài)以及放電活性的異常,突變小鼠會表現(xiàn)刻板行為和社交缺陷[32];但是Shank2的缺失則產(chǎn)生不一致的結(jié)果,一項研究結(jié)果證明會出現(xiàn)異常社交行為和刻板行為[33],而另一項報道顯示只有重復(fù)行為和焦慮相關(guān)行為會有所增加[34]。

綜上所述,為明確小腦與ASD之間的關(guān)系,條件性轉(zhuǎn)基因模型是常用的方法之一。事實上物種之間,小腦結(jié)構(gòu)高度保守,所以小鼠小腦與人類小腦具有高度相關(guān)性,小鼠模型能有效證明小腦缺陷與ASD發(fā)病機制密切相關(guān)。

3 展望

新近研究表明,小腦信號主要投射至前額葉和后頂葉皮層的多個非運動區(qū)域,因此小腦在非運動功能中的作用越來越為人們所關(guān)注,包括語言、工作記憶、執(zhí)行處理、獎賞等高級認知功能。而小腦結(jié)構(gòu)和功能的異常可能產(chǎn)生多種運動和非運動相關(guān)缺陷,如ASD患者小腦存在結(jié)構(gòu)、功能以及小腦-皮層連接異常。轉(zhuǎn)基因小鼠在闡明ASD病理生理學(xué)的不同機制方面發(fā)揮了重要作用,為研究ASD解剖、病理、分子以及治療提供了良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上尋找小腦與ASD之間關(guān)聯(lián)的更有力的證據(jù),可以全面闡明小腦在認知功能中的作用。隨著生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和運用,為進一步探索小腦非運動功能提供了更好的技術(shù)支持,小腦的不同分區(qū)之間的功能差異已被逐步揭示,如Ⅶ和ⅧA亞區(qū)與工作記憶相關(guān),Ⅵ和Ⅶ亞區(qū)與語言相關(guān),而這些不同亞區(qū)在認知功能中的調(diào)控作用仍有待進一步研究,以期更深入地闡明小腦參與高級認知功能的機制。