神經元樹突棘病理學改變的研究進展

趙凱冰，臧建峰，崔占軍

1.開封大學 醫學部，河南 開封 475000；2.河南大學 基礎醫學院，河南 開封475000

在大腦多數神經元的樹突上都覆蓋有一些小的突起，稱為樹突棘。它是構成眾多神經元之間發生突觸連接的主要部位，也是神經元興奮性突觸信息輸入的關鍵部位。樹突棘的分布和結構在很多疾病包括各種形式的智力障礙性疾病中都會發生相應的改變。一些研究人員發現許多不同的神經系統智力障礙性疾病，其樹突棘的病理改變卻是相似的，基于這一現象，有人［1］提出多種類型的智力障礙是由于一個共同的原因即那些應該具有許多樹突棘的神經元形成樹突棘的能力低下所引起，樹突棘的這種病理改變可能會導致神經元之間信息的傳遞出現障礙。

樹突棘的病理改變是多種因素共同作用的結果。樹突棘具有若干不同的功能［2-4］，對由于疾病、損傷以及實驗等所導致的極端條件下樹突棘改變的研究有助于我們理解樹突棘的這些重要的功能。作為形成突觸、進行細胞之間信息傳遞的主要部位，樹突棘在腦內神經元之間的連接中至關重要。隨著疾病的發展，樹突棘的形態亦發生相應的改變，從而對腦功能產生明顯的影響。了解病理條件下樹突棘改變的可塑性，非常有助于我們理解大腦在學習、記憶過程中正常突觸的可塑性。

由于樹突棘是借助于光學顯微鏡就能看到的罕見的神經元之間連接的結構，因此得到了廣泛的研究［5-6］。在現有的研究條件下，一般的疾病對樹突棘結構及分布的影響在光學顯微鏡下變化不明顯，只有非常嚴重的疾病才能導致中樞神經組織的退化，例如重度營養不良、腦水腫時，在常規的電子顯微鏡下即可觀察到樹突棘結構有明顯的變化。

1 樹突棘的正常生理狀態

1.1 樹突棘的形態結構

神經元樹突上突起的形態多種多樣，Fiala 等［7］認定了九種中樞神經系統中從神經元樹突上發出的突起形成了突觸特化結構。這些突起中既有單一的樹突棘，也有復雜的形成多個突觸的突起。單一的樹突棘是中樞神經系統中主要神經元上的最常見的、數量最多的類型，也是病理學研究的焦點所在，本綜述主要圍繞單一的樹突棘進行。

單一的樹突棘通常包括一個球狀的頭和與樹突相連的狹窄的柄兩部分。樹突棘的柄部直徑、長度、體積和表面積會在一定范圍內出現較大的變化，巨大樹突棘（通常稱蘑菇狀樹突棘）的頭部直徑可達1.0 μm，一般的樹突棘頸部的直徑是100～200 nm，有一些樹突棘頸部狹窄，其直徑只有40～50 nm，單一樹突棘在神經氈密集區的長度一般小于2.0 μm。

1.2 樹突棘的發育

神經元的樹突并不是一開始就有樹突棘。新形成的樹突缺乏樹突棘樣的突起，其形成的突觸也較少。在突觸形成早期，樹突上開始出現動態的指狀的突起，這些突起稱為絲狀偽足，它們可以和另一神經元的軸突或軸突的絲狀偽足之間相互作用，逐漸形成新生的突觸［8-9］。此時的絲狀偽足具有高度的能動性，其全長可在10 min 內完成伸展和收縮的運動［9-10］，絲狀偽足的長度一般要超過2.0 μm，其內部布滿密集的肌動蛋白。

在絲狀偽足形成突觸的部位經常會出現球狀的頭部，在一條絲狀偽足上可以出現多個球狀的頭部，形成多個突觸。因此，早期的樹突棘經常形成多個突觸聯系，使得突觸發生期樹突棘的密度明顯增加。有報道［11］顯示，出生后15 d 海馬CA1 區錐體細胞的樹突上的樹突棘的密度是成年期的2 倍。隨著年齡的增長，樹突棘的密度相對降低，到成熟期穩定于一定的水平。

1.3 樹突棘的超微結構

人們對樹突棘內的細胞器的研究相對較少，主要是因為這些結構只能通過電子顯微鏡來觀察到。樹突棘中很少有線粒體，但可以觀察到其他的細胞器，比如許多樹突棘內都有多聚核糖體［12-13］，有些樹突棘內還有吞噬小泡，可能與細胞吞噬現象和細胞膜循環有關。在較大的樹突棘中偶爾可發現多泡體［14］，在一些樹突棘內還出現了滑面內質網，小腦蒲肯野細胞樹突棘內滑面內質網比較常見［15］。樹突棘內的滑面內質網與樹突內的網狀組織是相延續的［16］。較大的樹突棘內所包含的滑面內質網往往具有特征性的分層結構稱為棘器［17-18］。

樹突棘表面積、體積和突觸前小泡的數量都與所形成的突觸面積高度相關，而樹突棘的長度和柄部直徑與突觸大小無關［15，19-20］。突觸面積大約是棘頭表面積的10%～17%［7，15］，因此，大的樹突棘可形成較大的突觸。

2 樹突棘的病理變化

在通常情況下樹突棘的某些病理方面的改變比較常見，尤其是樹突棘的缺失和延長這兩種情況常見于先天性神經發育不全、營養不良、酗酒、中毒和海綿狀腦病中。在不同的疾病情況下出現相似的樹突棘改變，提示我們是否存在共同的致病原因。例如，精神發育遲滯的樹突棘病理學是否與去分化的樹突棘病理學有相似的病因？

出現上述情況的原因可能是樹突和樹突棘固有的發育缺陷。這一假說將大多數智力低下患者的樹突棘病理解釋為病變神經元的功能異常。但這種樹突棘的特征性改變模式在很多的病理條件下都被發現，所以不能簡單認為這些改變僅僅代表突觸后細胞的發育失敗。

在另一種假設中，在智力低下等出現的樹突棘病理學特征主要是由于傳入神經元軸突的丟失所致。與急性去分化一樣，失去軸突突觸的樹突棘會收縮，樹突棘密度會降低。在某些情況下，樹突棘可能通過與神經膠質或非軸突終末成分的低親和力突觸樣連接而穩定。受影響神經元附近較低密度的軸突也可能刺激樹突棘的伸長，以到達更遠的軸突，從而形成新的突觸。

2.1 樹突棘密度改變

2.1.1 樹突棘密度降低

許多病理狀態都可導致樹突棘密度降低。樹突棘缺失通?？赡苁怯捎谠跇渫患吓c之形成突觸的軸突的缺失引起的，這種情況的樹突棘缺失一般發生在突觸前神經元軸突缺失的幾天之內，而且樹突棘缺失后很少發生恢復［21］。這種不可復性樹突棘缺失在大多數智力低下的患者中很明顯，尤其常見于產前感染、營養不良和毒素暴露的患者，樹突棘密度降低也多見于發育性疾病、酒精暴露、癲癇、朊病毒病和神經退行性疾病。以上這些特定的病理情況可明顯減少神經元的數量，從而出現突觸前神經元軸突輸入的數量和可用性的嚴重下降，導致突觸后神經元樹突棘的大量丟失。在一些進行性加重的疾病中，樹突棘損傷是從軸突變性開始的，之后才可以檢測到神經元的損傷［22-25］。此外，在沒有突觸前神經元軸突輸入丟失的情況下，樹突棘也可能出現丟失。例如，在發情周期期間，海馬CA1 區錐體細胞頂端樹突上的樹突棘密度減少30%，可能與體內雌激素的水平有關［26］。

2.1.2 樹突棘密度升高

疾病或損傷導致樹突棘密度增加的情況相對不多見，但也時有發生。在大腦許多區域正常的發育過程中，突觸數量會顯著增加，樹突棘密度相應增加，然后選擇性修剪到正常成熟水平［27］。若破壞這種發育性修剪可能會導致樹突棘密度異常增加。例如，卵巢切除會破壞視覺皮層發育性突觸的修剪［28］，同樣對死于嬰兒猝死綜合征的尸體解剖中可現其網狀結構、迷走神經核和延髓腹外側部的樹突棘密度過高，似乎代表著發育性突觸修剪的失?。?9-32］。同樣阿爾茨海默?。?3］和脆性X 綜合征［34］患者樹突棘密度增加的原因也可能是發育性突觸修剪的失敗。

發育過程中復雜的環境也可導致枕皮質和海馬CA1 區錐體細胞上的樹突棘和突觸密度增加［35］。但復雜的環境不會增加胎兒酒精綜合征患者的樹突棘密度［35］。一些可導致樹突棘密度降低的因素，如胎兒酒精綜合征等，也降低了樹突棘由于復雜環境刺激導致密度增加的可能性。

2.2 樹突棘體積改變

研究表明，樹突棘的形態不僅依賴于傳入軸突（與樹突棘形成突觸的突觸前成分）的結構完整性，而且還依賴于它們的功能完整性。為了證明以上觀點，研究者設計了視覺剝奪的實驗，通過瞼裂閉合完成的視覺剝奪的實驗顯示視覺皮層樹突棘密度的變化［36-40］。一些研究［39，41-42］表明，出生后就進行視覺剝奪會出現突觸和樹突棘體積減小，顯然，在視皮層沒有形成正常水平的功能性突觸的情況下，視覺剝奪會導致視皮層神經元樹突棘體積減小，而樹突棘的數量保持相對不變。另外一些研究［43］顯示，在視皮層突觸形成過程中進行視覺剝奪會減少樹突狀突起的運動，而不會減少突起的大小或密度。還有一些研究［44-45］報道，精神分裂癥患者的紋狀體和唐氏綜合征嬰兒的運動皮質中，神經元樹突棘體積會減小。

2.3 樹突棘形態改變

許多智力低下的患者其主要神經元大多出現樹突和樹突棘形態的扭曲。樹突棘出現異常的增長和曲折，有時還伴有多發性腫脹或出現增大的頭部等。一般來說，出現這種形態改變的樹突棘可能是對相應軸突丟失的一種反應。這種扭曲的樹突棘的形態與神經元的早期發育狀態相似，其中樹突顯示出長的絲狀突起，有時伴有多個梭狀突起。這種智力低下時出現的類似于神經元早期的發育過程狀態的細長樹突棘［8，46］的可能的機制是：在受影響的樹突附近出現軸突的密度降低，從而激發了類似于在神經元發育過程中所見到的代償機制。在這種機制中，樹突棘拉長并蛇形穿過神經氈以便到達更遠的軸突，形成突觸。

2.4 異位樹突棘

若樹突棘出現在通常沒有樹突棘存在的地方，可能表示神經元處于一種持續的或追溯的發育狀態。與樹突絲狀體一樣，胞體棘突只在發育早期的一些神經元上才能發現［47］。如橄欖腦橋小腦萎縮［48］、胎兒酒精綜合征［49］、門克斯?。?0］、局灶性皮質發育不良［51］和傳染性海綿狀腦?。?2］等疾病中，浦肯野神經元在異常發生之后出現胞體棘突。

異位樹突棘的其他原因包括異常的神經支配模式和代謝儲存障礙等。實驗性癲癇的軸突萌動亦可導致齒狀回顆粒細胞上樹突棘異常［53］。此外，顆粒細胞胞體棘突可在癲癇發作開始后3 h 內出現［54-55］，神經節瘤?。?6］和鞘氨醇髓鞘脂肪?。?7］中發現異位樹突和棘突從軸突小丘處萌生。異位棘突的病因多種多樣，但一些異位棘突的出現可能表明代償性突觸形成是對軸突輸入喪失的一種反應。

2.5 樹突棘細胞器的改變

在某些病理情況下樹突棘細胞器也會出現改變，目前在這一方面的研究程度遠落后于疾病中樹突棘分布情況的改變。棘器是在許多樹突棘中發現的一種細胞器，因此受到了研究人員廣泛的關注，它主要是由滑面內質網構成。缺氧／缺血使突觸后密度增加［58］，在去分化后的樹突棘中也觀察到了更高密度的核糖體［59］。在水腫狀態時偶爾可觀察到樹突棘棘器和細胞骨架的變化，水腫組織中常見的病理表現是樹突和樹突棘的內質網腫脹和空泡化［60-61］。這種情況也見于慢性酒精濫用的浦肯野神經元樹突棘。除了腫脹外，樹突棘棘器還可能變得細小或萎縮。還有研究發現，接受麻醉的動物的樹突棘棘器也會有減少。樹突棘細胞器的改變是由多種原因引起的，較常見情況是突觸后細胞的損傷所致。另外，突觸前谷氨酸過度釋放引起的興奮性毒性損傷可能也是主要因素。

3 樹突棘研究過程中存在的問題

通過各種方法獲取的研究數據絕大多數的人體組織來自死亡后材料，基本是用快速高爾基染色法分析。高爾基染色技術廣泛應用于人與動物實驗中，適用于做出樹突棘密度的定性、定量分析。然而高爾基染色的不均勻性和光鏡下計數樹突棘的困難，無疑會導致一些實驗數據的不準確。因此，在這種情況下，為防止樹突棘的不完全染色或計數，得到可靠的結論，應始終準備對照組進行充分的比較。即便如此，樹突棘數量的微小增加或減少也很難被光學顯微鏡準確檢測到。同樣的利用普通光學顯微鏡研究觀察樹突棘，用于量化樹突棘形狀、樹突棘頭部大小、樹突棘柄的長度和直徑以及突觸的大小、形狀和分布的變化，存在精準性的問題。很少有更合適的三維技術被應用到樹突棘觀察的這些問題上，因此，許多發現仍有爭議。

樹突棘研究中存在的另一個問題是研究對象死亡后腦組織的停藥和固定之間的時間間隔問題，若固定時間延遲會給神經元的狀態帶來較大的改變。當然，活檢材料由于固定迅速，肯定保存的會更好。無論如何，我們都必須考慮幾分鐘的缺氧以及可能的機械損傷的因素，因為它可能對樹突棘結構產生負面影響。

4 結語

目前研究的樹突棘病理分類主要有兩種類型。其中一種病理學表現為神經元連接中斷，這種病理最常見的特征是樹突棘丟失和光鏡下常見的樹突棘形態紊亂；另一種病理學類型是樹突棘所在的神經元損傷或改變，這種病理學的特點是樹突棘的超微結構改變，如局部腫脹等，有時甚至可以用光學顯微鏡看到。

鑒于樹突棘在主要神經元興奮性輸入中的中心地位，樹突棘病理學正在成為神經病理學中一個異常重要的分支。研究樹突棘的病理學改變無疑將有助于進一步了解樹突棘的正常功能和中樞神經系統疾病的發病機制。