李婷 蔡朗 林永劍 黃日蘭 謝東敏 陳寧園

血管性認知障礙（vascular cognitive impairment，VCI）是指由血管性因素引起的以認知障礙為特征的一組疾病，包括從輕度VCI 到血管性癡呆。越來越多證據(jù)表明，一系列血管性危險因素（如高血壓、糖尿病、動脈硬化等等）可導致神經(jīng)退行性變、認知障礙和癡呆[1]。為進一步闡明血管性因素與認知功能障礙之間的關系，Bowler 和Hachinski 于20 世紀90 年代起提出了VCI 的概念[2]。學者們將VCI定義為血管源性的從輕度認知障礙發(fā)展至癡呆的一大類綜合征，涵蓋了由腦梗死、腦出血（顯性腦血管?。┗虬踪|疏松、慢性腦缺血（非顯性腦血管病）、高血壓、高脂血癥、糖尿病等腦血管病危險因素所引發(fā)的由輕至重的血管源性認知損害[3]。眾多研究證實，血管性危險因素不僅直接導致VCI 發(fā)生，還可加速其他類型認知障礙進程，是除阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）之外引起癡呆的第二大病因。與AD 不同，由于VCI 病因復雜，目前尚無特效藥物和治療方法，VCI 臨床治療主要以降血壓、降血糖、降血脂、抗血小板等為主，同時采用腦神經(jīng)營養(yǎng)改善認知功能。另一方面，血管病變與AD 之間存在一定相關性，但二者之間的確切關系及機制尚不清楚。

Hebb[4]于1947 年最早提出“豐富環(huán)境”（enriched environment，EE）的概念，是指社會刺激和非生物刺激的結合。19 世紀60 年代，Krech 等首次發(fā)現(xiàn)了給予研究對象感覺、運動、社會交往等方面的綜合刺激可發(fā)揮神經(jīng)保護作用，并從解剖學上證明了大腦結構的明顯變化[5]。Cochrance 系統(tǒng)評價方案將豐富環(huán)境進一步定義為“旨在通過特定設備和組織結構，提供具有刺激性的環(huán)境來干預身體（包括運動和感覺）、認知和社交活動，其中的“豐富”是指增加感官刺激的種類和/或數(shù)量，以增加實驗動物的探索行為。豐富環(huán)境相對標準環(huán)境（僅給飼養(yǎng)動物提供水和食物，活動空間狹小且活動內容單一）而言，其通過增大動物飼養(yǎng)空間、增加群體數(shù)量并添置新奇物品，豐富了感官、觸覺的刺激，也增進了動物之間的社會交往，從而加速大腦的神經(jīng)發(fā)生改善學習記憶能力。近年來大量研究表明，EE 干預作為一種簡單有效的手段，可以提高智力水平，延緩衰老和神經(jīng)退行性疾病進程，促進腦組織損傷后的功能恢復。動物研究及流行病學調查發(fā)現(xiàn)，暴露于EE 條件下的個體學習記憶能力可得到提高，神經(jīng)退行性病變發(fā)展速度也得以減緩[6]；EE 還可通過降低促炎介質釋放減輕海馬區(qū)慢性炎癥反應[7]。就神經(jīng)組織和器官而言，在豐富環(huán)境影響下，皮層可主動建立起皮層網(wǎng)絡聯(lián)系，突觸可塑性（synaptic plasticity，SP）得以增強。因此，系統(tǒng)全面地開展EE 對VCI 的影響及作用機制研究，有助于闡明VCI患者學習和記憶功能減退的原理，為探索VCI 防治新靶點提供理論基礎和實驗依據(jù)。

1 豐富環(huán)境對神經(jīng)營養(yǎng)因子（neurotrophic factors，NTFs）的影響

NTFs 是一類具有神經(jīng)營養(yǎng)活性的細胞因子，與神經(jīng)元的生長和存活有關[8]。因NTFs 有促進神經(jīng)元分化、誘導神經(jīng)干細胞增殖、促進突觸再生、防止神經(jīng)元凋亡的特點，故可支持神經(jīng)元生長發(fā)育，維護神經(jīng)網(wǎng)絡完整性。目前研究熱點主要是神經(jīng)生長因子（nerve growth factor，NGF）、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）、堿性成纖維細胞生長因子和表皮生長因子等。

NGF 主要在大腦皮質、海馬及腦干的神經(jīng)元和膠質細胞內廣泛表達，是首個被發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)營養(yǎng)因子家族成員。NGF 具有營養(yǎng)神經(jīng)元和促進軸突生長的雙重生物學功能，其對調節(jié)中樞及外周神經(jīng)元的發(fā)育、分化、生長和再生起著重要的調控作用[9-10]。此外BDNF 是1982 年首次從豬腦中發(fā)現(xiàn)的一種廣泛分布于大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的二聚體蛋白，主要表達于海馬、大腦皮層、紋狀體、下丘腦、小腦和腦干[11-13]。BDNF 的主要功能包括促進神經(jīng)發(fā)生、提高新神經(jīng)元活力、增加樹突和突觸的形成、抑制神經(jīng)炎癥及影響與記憶和認知功能相關的突觸調節(jié)作用等[14-16]。

以下研究通過觀察EE 干預對實驗動物腦內NTFs 表達的影響，證實了EE 可促進腦缺血動物模型中NGF 和BDNF 表達，進而發(fā)揮NTFs 營養(yǎng)和保護作用，提高實驗動物的行為能力和認知功能。新近研究發(fā)現(xiàn)，NGF 可能通過改善大鼠的運動和探索行為，降低焦慮水平和抑郁樣特征等參與慢性應激下的行為激活。EE 還可恢復NGF 水平，調節(jié)前腦區(qū)域的原肌球蛋白受體激酶A（tropomyosinreceptor-kinase A，TrkA）、 磷 脂 酰 肌 醇3- 激酶（phosphoinositide-3 kinase，PI3K）、 蛋 白 激 酶B（protein kinase B，PKB）、細 胞 外 調 節(jié) 蛋 白 激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）、 細胞內環(huán)磷腺苷效應元件結合蛋白（cyclic adenosine phosphate response element binding protein，CREB）和髓鞘堿性蛋白（myelin basic protein，MBP）等下游信號傳導分子，促進神經(jīng)元髓鞘形成，改善大鼠行為可塑性，并增強大鼠的學習和認知功能[17]。另有研究表明，EE 通過促進大鼠腦梗死區(qū)星形膠質細胞（astrocyte，AST）增殖和上調BNDF 表達水平，在腦缺血再灌注損傷中發(fā)揮神經(jīng)保護作用。此外，暴露于EE 的動物通過增加BDNF 表達表現(xiàn)出更好的空間學習和記憶能力[18-19]。此外，EE 干預后成年雄性小鼠的社會行為增加，這抑制了前額葉皮質中皮質酮和白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）水平的升高，并在成年早期顯示出腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的減少和BDNF 表達的增加[20]。EE 還通過上調腦缺血小鼠同側大腦皮質纖維連接蛋白Ⅲ型結構域蛋白（fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5，F(xiàn)DNC5）和BDNF 的表達，使學習記憶功能得以改善，且BDNF 的表達水平與神經(jīng)功能改善呈正相關[21]。

綜上所述，EE 通過增加NGF 和BDNF 的表達水平影響樹突和突觸的形成，促進神經(jīng)發(fā)生、調節(jié)神經(jīng)回路的可塑性并改善腦缺血動物的神經(jīng)功能和認知能力，由此提高學習記憶功能。

2 豐富環(huán)境對突觸蛋白和SP的影響

記憶的形成被認為是突觸強度和結構變化的結果。突觸蛋白是一種與突觸結構和功能密切相關的膜蛋白，其從成熟的神經(jīng)末梢釋放并覆蓋于突觸小泡的表面，由四種同源蛋白Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa 和Ⅱb 組成。眾所周知，突觸蛋白具有調節(jié)神經(jīng)遞質釋放和維持突觸功能的作用。新近證據(jù)表明，為期兩個月的EE 干預可使Wistar 大鼠海馬背側和腹側區(qū)的突觸蛋白1 及糖皮質激素受體表達增加，行為學測試效果提高[22]。突觸后致密蛋白-95（postsynaptic density protein-95，PSD-95）作為一種重要的骨架蛋白，在突觸興奮和維持突觸結構與功能可塑性方面也起著重要作用。Nithianantharajah 等[23]還發(fā)現(xiàn)EE 干預可致C57BL/6 小鼠大腦多個區(qū)域中突觸前和突觸后蛋白質水平增加，以上研究結果提示EE干預可促進突觸相關蛋白表達，進而影響學習和記憶能力。

SP 為學習記憶的神經(jīng)生物學基礎，是指突觸形態(tài)和功能可發(fā)生較為持久的改變的特性或現(xiàn)象。長時程增強（long-term potentiation，LTP）和長時程抑制（long-term depression，LTD）作為長期SP 的細胞生理學表現(xiàn)形式，已被公認是細胞水平上學習和記憶活動的重要生物學基礎。研究表明在動物飼養(yǎng)環(huán)境中，EE 干預可增加動物學習體驗、感覺刺激和社會活動；缺氧缺血性腦損傷后神經(jīng)功能的重塑可能與EE 調節(jié)SP 相關蛋白的表達和釋放、突觸效能增強并改變凋亡相關因子和自噬相關因子水平相關。SP 的改變可通過突觸功能和結構可塑性兩方面實現(xiàn)。一方面，在接受一定強度的刺激后，海馬突觸連接處的LTP 可引起突觸功能的變化[24]。另一方面，樹突棘是大多數(shù)興奮性突觸的突觸后的結構成分，其在SP 中也起著關鍵作用，與學習和記憶功能密切相關。EE 可有效恢復大鼠缺氧缺血性腦損傷后物體識別中的陳述性記憶損傷，并能防止海馬樹突棘密度損失[25]。此外，LTP 可在樹突棘中誘導一系列分子重塑，包括突觸和樹突棘形成所必需的骨架蛋白PSD-95[26]。在培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元中，PSD-95 過度表達可增加樹突棘的數(shù)量并促進興奮性突觸的成熟。新近研究還表明，樹突棘上的煙堿和膽堿能受體可促進興奮性感覺的傳遞，而某些樹突棘上表達的促腎上腺皮質激素釋放因子受體也可調節(jié)對刺激的突觸反應[27]。這些研究進一步揭示了LTP 和樹突棘在神經(jīng)元SP 中的相互聯(lián)系。綜上所述，在電生理水平上EE 通過增強LTP 促進突觸成熟；在神經(jīng)結構方面，EE 可通過增加樹突棘的密度，促進突觸功能重塑。

除電生理學和突觸形態(tài)結構發(fā)生的變化，SP 還可從蛋白質分子水平中得到更好闡釋。據(jù)報道，長壽命突觸蛋白（long-lived proteins，LLPs）在一定程度上可能在突觸可塑性和學習記憶中發(fā)揮潛在作用，研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)元培養(yǎng)物或暴露于EE 的小鼠中，突觸中含有LLPs 可能是突觸結構和功能保持長期穩(wěn)定的基礎[26]。

3 豐富環(huán)境對神經(jīng)再生因子的影響

海馬體是大腦掌管記憶的核心部分，與認知功能密切相關。該區(qū)域對缺血缺氧異常敏感，是缺血性腦損傷的常見部位。海馬神經(jīng)的再生對認知功能的恢復至關重要，硫酸軟骨素蛋白聚糖（chondroitin sulfate proteoglycans，CSGP）是神經(jīng)發(fā)生的調節(jié)因子，參與成年海馬顆粒細胞的生成和成熟，是海馬神經(jīng)再生的重要指標之一。EE 可增加齒狀回中CSGP 的合成，從而促進海馬顆粒細胞的產生，改善小鼠認知功能[28-29]。另有研究表明，大鼠對EE 的適應是通過增加CSPG 的表達來介導的[29]。

生長相關蛋白-43（growth-associated protein-43，GAP-43）是一種神經(jīng)特異性的蛋白質，參與神經(jīng)細胞再生和突觸發(fā)育形成，可以反映損傷后神經(jīng)的發(fā)育和修復狀況，是神經(jīng)可塑性的指標之一[30]。研究表明，EE 干預通過增加小鼠黑質中GAP-43 的水平以保護受損神經(jīng)，并促進受損神經(jīng)修復和再生，進而改善小鼠學習和記憶功能[31]。此外，EE 還增加了大鼠齒狀回中NGF 的表達，這也被認為與海馬神經(jīng)的再生有關[32]。綜上所述，EE 干預可能通過調節(jié)神經(jīng)再生相關因子的表達和釋放，促進海馬區(qū)神經(jīng)損傷的修復和再生，從而減少缺血性損傷對腦組織結構的影響，最終改善學習記憶功能。

4 豐富環(huán)境對神經(jīng)炎癥反應的調節(jié)作用

神經(jīng)炎癥反應是一個逐步發(fā)展的復雜級聯(lián)過程，主要表現(xiàn)為AST、小膠質細胞（microglia，MIC）等神經(jīng)膠質細胞的活化和增殖、外周炎癥細胞的浸潤以及相關炎癥細胞因子的表達。神經(jīng)炎癥反應猶如一把“雙刃劍”，其作用結局主要取決于炎癥反應的類型、持續(xù)時間和周圍環(huán)境。膠質細胞既可通過釋放炎癥介質誘導炎癥反應，及時定位病變區(qū)域，并通過分泌膠質源性NTFs 促進神經(jīng)元自我修復；又可分泌促炎癥因子，如IL-1β、白細胞介素-6（IL-6）、TNF-α 等加重炎癥反應，導致神經(jīng)元持續(xù)損傷。此外，肥大細胞和AST 的相互攻擊引發(fā)神經(jīng)炎癥的進一步發(fā)展，故神經(jīng)炎癥反應的調節(jié)在VCI 的病理生理進程中起著重要作用[33-34]。

新近研究表明，EE 干預可以抑制AST 的激活和增殖，減少促炎細胞因子的產生，減輕海馬的炎癥反應，進而延緩神經(jīng)元凋亡，增強神經(jīng)元突觸可塑性，改善認知功能[35]。Chabry 等[36]發(fā)現(xiàn)EE 可以通過腦內脂聯(lián)素水平阻斷的促炎活化，致使炎癥因子生成減少。而且EE 可通過抑制促炎基因和促進抗炎基因來緩解慢性不可預知應激誘導的抑郁樣行為，并阻斷MIC 的促炎激活[37]，表明EE 有利于減輕炎癥狀態(tài)。Xu 等[38]發(fā)現(xiàn)，暴露于EE 可有效調節(jié)MIC 的形態(tài)和功能，從而使其對梗死區(qū)的刺激物更具耐受性，但MIC 的數(shù)量顯著減少。此外，在配體和受體水平上，β-腎上腺素能信號傳導的增強介導了EE 對MIC 炎癥的潛在保護作用[39]。

另有研究表明，EE 對神經(jīng)功能恢復的促進作用并不取決于梗死面積的大小，而是取決于大腦結構和功能的可塑性[40]。神經(jīng)炎癥反應可在EE 干預的幾天內持續(xù)下調，促進TLR2 luc 小鼠感覺運動功能的恢復，但梗死面積不受影響[41]。EE 還可抑制IL-1β 而逆轉神經(jīng)炎癥導致的樹突狀棘可塑性受損，促進突觸重塑并介導LTP 形成，改變細胞信號通路和重塑神經(jīng)網(wǎng)絡體系[42]。炎癥介質IL-1β 可調節(jié)樹突棘谷氨酸受體的表達和磷酸化，同時突觸谷氨酸受體對SP 具有調節(jié)作用；此外，IL-1β 可干擾BDNF 信號級聯(lián)，阻止樹突棘結構可塑性所需的絲狀肌動蛋白的形成[43]。

綜上，EE 可能通過抑制促炎基因的表達阻斷神經(jīng)膠質細胞的炎癥反應，進而增強神經(jīng)元突觸可塑性并介導LTP 的形成，改變細胞信號通路，從而改善認知功能。

5 豐富環(huán)境對膽堿能遞質系統(tǒng)的影響

中樞膽堿能系統(tǒng)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，參與學習和記憶的形成，其中乙酰膽堿（acetylcholine，Ach）是中樞膽堿能系統(tǒng)中重要的神經(jīng)遞質。在膽堿能系統(tǒng)中，膽堿乙酰轉移酶（choline acetyltransferase，ChAT）影響神經(jīng)遞質Ach 的合成，而乙酰膽堿酯酶（acetyl cholinesterase，AchE）負責Ach 的分解，兩者之間的協(xié)同作用共同維持膽堿能神經(jīng)的正?；顒?，在神經(jīng)元信息的傳遞和調節(jié)中發(fā)揮作用[44]。大量研究發(fā)現(xiàn)，基底前腦的膽堿能神經(jīng)元廣泛參與認知、學習和記憶等生理過程以及SP調節(jié)[45]。Cao 等[46]研究發(fā)現(xiàn)海馬CA1、CA2 和CA3區(qū)中樞膽堿能神經(jīng)元功能障礙對慢性腦缺血誘導的血管性癡呆大鼠空間學習和記憶產生影響。膽堿能系統(tǒng)的變化與血管性癡呆密切相關，認知障礙的嚴重程度與膽堿能神經(jīng)元受損的程度呈正相關[47]。對中風或血管性癡呆患者的腦組織進行尸檢，發(fā)現(xiàn)伴有AD 的血管性癡呆患者腦組織中的ChAT 活性顯著降低[48]。

在EE 干預對VCI 作用機制的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)EE 對膽堿能遞質系統(tǒng)有顯著影響。Wang等[49]發(fā)現(xiàn)EE 可通過增加基底前腦海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路中的ACh 和ChAT 水平改善乙?；瘍确€(wěn)態(tài)失衡，進而使腦卒中后認知障礙（post-stroke cognitive impairment，PSCI）小鼠的認知功能得以恢復。EE還可逆轉基底前腦CREB 結合蛋白（CREB-binding protein，CBP）及海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路中磷酸化環(huán)磷酸腺苷反應元件結合蛋白（phosphorylated cAMPresponse element binding protein，pCREB）水平的下降，從而增強組蛋白乙?；?。組蛋白乙?；绊懩憠A能系統(tǒng)的作用機制可能與EE 顯著增強ChAT 基因啟動子同一區(qū)域組蛋白H3 的乙酰化，調節(jié)ChAT基因轉錄，進而影響Ach 的合成有關[49-50]。

如上所述，EE 干預通過影響海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路中p-CREB 和CBP 水平，增強與ChAT 基因啟動子結合的組蛋白H3 乙?；讲⒄{節(jié)ChAT 基因的轉錄，從而上調ChAT 表達并增加Ach 的合成，維持乙?；瘍确€(wěn)態(tài)，最終改善膽堿能遞質系統(tǒng)功能、增強學習記憶能力。

6 結語及展望

VCI 是全球老齡化趨勢下中老年群體中常見的神經(jīng)內科疾病且患者數(shù)量不斷增加，故探尋改善VCI 患者認知功能的治療措施尤為重要。研究表明EE 干預后可提高腦中NTFs 和突觸蛋白的表達水平，增強SP 并抑制神經(jīng)炎癥反應，促進大腦皮層神經(jīng)元的發(fā)育和神經(jīng)再生，并通過影響海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路中p-CREB 和CBP 水平增加Ach 的合成，從而有效改善VCI 嚙齒類動物的學習和記憶功能。此外，EE 能有效提高VCI 動物模型對外界刺激的感知和認知，促進學習、記憶和社交等各種功能活動的恢復。隨著研究的深入，EE 干預有望成為防治VCI 的重要手段，其作為一種安全有效、簡單易行的康復治療策略，可能是改善VCI 的潛在治療方法。