【一起读综述】 应激压力下的大脑结构改变与抑郁症的转变
导读:
重度抑郁障碍(MDD)是一种与应激相关的心境障碍，与许多细胞结构和神经化学改变有关。近期一篇发表在《Biological Psychiatry》杂志 (IF=12.095)的综述“Macro-and Microscale Stress–Associated Alterations in Brain Structure: Translational Link with Depression”回顾了来自人类和啮齿动物的MRI资料，这些资料表明皮质边缘的改变与抑郁症的症状有关。作者还回顾了MDD可影响神经元、星形胶质细胞和突触的细胞结构，并强调了在啮齿类动物慢性应激模型中的也存在类似变化以及这些变化与情绪相关的行为缺陷有关。作者还利用PET技术检测体内突触和星形胶质细胞改变，并讨论该技术用于MDD相关细胞结构改变对症状学和应激相关疾病治疗的作用。
MDD大脑结构的宏观变化
大多数MDD患者大脑结构的改变是通过MRI发现的，这些改变被认为是由下面几节中描述的细胞形态的变化所导致的。作者将重点放在前额叶皮质(PFC)和海马(HIP)，因为关于两个脑区的研究有很多，而且结果更一致(图1A)。例如，有研究发现MDD患者的PFC和HIP的灰质区域体积减少，且在病程早期，体积变化的程度与抑郁症的病程和严重程度有关。PFC和HIP与其他涉及情绪调节的结构之间的功能连接也发生改变，再次证实了这些区域的变化在MDD病理生理学中的重要作用。
除了核心情绪症状外，PFC和HIP的改变也与MDD的认知缺陷相关。这些包括执行功能障碍和记忆变化，即使在抑郁缓解期这些变化也会持续存在。在抑郁症患者中，背外侧PFC (dlPFC)活动的失调在缓解期仍存在，并与执行功能障碍、工作记忆和异常的奖赏处理相关。HIP的体积和激活的变化与工作记忆任务的表现差有关， 且这种异常在缓解期间仍然存在。PFC-HIP连通性的改变也会导致认知过程的失调，并伴有显著的记忆缺陷。据此，未来的治疗方法可关注改善PFC和HIP的结构和连通性变化，可能有助于逆转抑郁症对情感和认知症状的有害影响。
慢性应激临床前模型的大脑结构宏观变化
由于技术限制，对啮齿动物进行MRI和fMRI的研究相对较少，但越来越多的人对在啮齿动物应激模型中进行临床前成像研究感兴趣(图1B)。在啮齿动物应激模型中，PFC的体积变化没有明显的一致性，这可能是因为人和啮齿动物的PFC的细胞结构和相对大小差异较大所致。而在暴露于慢性束缚应激(40只)或慢性心理社会应激后(43只)的大鼠中观察到HIP体积减少。Vestergaard-Poulsen等人使用对水弥散敏感的MRI, 发现慢性约束应激暴露后大鼠HIP树突状萎缩，原因是CA1、CA3和齿状回亚区神经突触密度降低。人类杏仁体体积变化存在争议，但在暴露于社会失败的动物中对压力的更易感者或暴露于慢性不可预知的压力之后，MRI发现动物模型的杏仁核体积均发现增大了。杏仁核体积的增大与该区域与大脑其他部分的结构协方差增加、突触蛋白斑点密度增加和抑郁样行为相关。在有童年创伤史的人类个体中显示了类似的以杏仁核为中心的结构重组，且与当前的抑郁症症状相关。在人类和啮齿动物中，杏仁核中心结构协方差模式的增强与全脑结构协方差的总体损失相关，这表明暴露于慢性压力后，其他大脑区域，如PFC和HIP可能会失去连通性。PFC和HIP的连接障碍与MDD的病理生理学有关，一项啮齿动物研究表明，使用化学遗传学和光遗传学方法增强内侧PFC和腹侧HIP (vHIP)之间的连接，可以起到抗抑郁和抗焦虑作用。在早期生活应激和成人慢性轻度应激模型中，发现杏仁核/HIP和杏仁核/PFC之间的连接与焦虑样行为相关。这些发现与动物研究结果一致，即转基因操作所致的焦虑和应激反应减少与杏仁核/vHIP静息功能MRI连通性降低有关，或杏仁核/ PFC或杏仁核/vHIP回路的光遗传操作可改变动物的焦虑状态。未来研究可关注杏仁核活动改变或杏仁核环路(杏仁核/PFC与杏仁核/VHip)操作后的MRI（或静息状态功能MRI）结果，以阐明杏仁核在与应激相关疾病(包括MDD)体积变化中所起的作用。也应对PFC和HIP进行类似的研究，以确定每个大脑区域的具体作用。总之，利用小动物脑成像和光遗传学/化学遗传学技术的将使人们更好地了解与慢性应激暴露相关的全脑和基于回路的功能改变，从而为了解中枢神经系统应激相关疾病的机制提供关键的见解。
MDD脑组织的细胞结构改变
在MDD患者的死后脑组织样本中观察到细胞数量减少、萎缩/肥大、树突复杂性改变以及突触丢失或增加等现象。神经细胞的丢失仍存争议，但PFC和HIP的细胞丢失是最明显的；在大脑其他区域，如伏隔核和杏仁核的丢失并未得到一致的结论。在抑郁症患者HIP观察到神经元胞体大小减小，堆积密度增加，成熟颗粒细胞数量可能减少。HIP亚区也有胶质细胞缺失的报道，特别是星形胶质细胞。这些数据与灵长类抑郁症模型的研究结果基本一致，与没有抑郁样行为的猴子相比，有抑郁样行为的猴子的几个HIP区域的神经纤维层和细胞层体积减少，胶质细胞密度降低，但却无神经元数量减少。在PFC，胶质细胞数量和密度明显减少(图1C)。一些研究还描述了皮层神经元密度和大小的细微变化。MDD成年（非老年）患者脑组织的尸检研究一致报告了胶质细胞的密度、数量和大小降低。在情绪障碍患者的PFC脑区，胶质纤维酸性(GFAP)mRNA和蛋白质水平均下降，但在其他区域没有下降。这表明星形胶质细胞的改变可能是局部特异性的。PFC内少突胶质细胞数量和改变减少，与星形胶质细胞功能受损有关。总的来说，在MDD患者死后脑组织胶质细胞数量和密度的变化与其他研究一致，这些研究显示情绪障碍患者关键脑区胶质细胞功能的特定蛋白和mRNA水平的表达发生了改变。目前尚不清楚神经元、胶质细胞或其他细胞类型的数量减少是由于细胞丢失、细胞萎缩(或两者兼有)，还是细胞特异性标记物的表达缺失所致。
在几个大脑区域内，包括抑郁症患者的PFC和HIP， 经常报告GABA (γ -氨基丁酸)神经元和GABA能神经元的细胞特异性标记物的减少。MDD患者大脑中GABA能细胞标记物的下降与使用活体磁共振波谱(MRS)获得的抑郁症患者不同大脑区域GABA浓度较低的报告一致。然而也有报告显示GABA水平没有差异，甚至在某些区域(即纹状体)存在潜在的增加。最近的研究表明GABA含量的改变可能与体积变化有关，尽管不一定发生在相同的大脑区域。，在给予不同形式的治疗后，GABA水平均可增加和/或正常化。一些研究表明，MDD与GABA能神经传递密切相关的基因表达减少和GABA能神经元亚型的选择性改变有关，更加证明GABA能神经元的病变是MDD结构异常的原因之一。然而，对于表达生长抑素(SST)的GABA神经元，研究表明MDD大脑中SST阳性神经元的减少是由于细胞内SS蛋白的减少，而不是细胞丢失所致。
虽然发现MDD大脑中存在细胞密度改变，但神经元胞体数量和大小降低程度相对较小，即使将其与胶质细胞数量和密度的较大程度的减少结合在一起，也不能解释MRI中观察到的灰质体积急剧减少。有研究表明皮质体积的改变更可能与神经鞘和树突分枝的改变有关。先前在精神分裂症中发现了与体积效应密切相关的神经纤维变化。在精神分裂症患者和重度抑郁症患者的脑样本中，均可见到海马下托锥体细胞顶端树突的长度和棘突密度的减少。微阵列/RNA测序基因图谱和电子显微镜体视学在亚细胞水平上发现MDD受试者dlPFC中突触功能相关基因表达水平较低，相应突触数量较低，这与啮齿动物应激模型中突触和棘突密度减少的结论一致。几项其他研究，通过使用与谷氨酸受体相关的突触标记物，发现谷氨酸受体位于PFC和HIP的轴棘突触中，间接证实棘突结构和生理学发生了改变。这些改变在缓解期也持续存在。尸检结果突出了与重度抑郁症相关的显著细胞结构异常。在MDD患者死后组织中观察到的一些细胞结构差异可能在疾病之前就存在了，这可能反映了一种抑郁易感性，而不是抑郁所致。由于尸检研究是在相对较小的样本上进行的，这些研究未将其发现与症状学相关联，它们与抑郁症症状(情绪或认知)的表现之间的关系仍有待研究。
慢性应激诱导的细胞结构变化和情感行为的联系:来自啮齿动物模型的见解
大多数能表明突触和细胞结构变化与抑郁症样行为相关的研究来自动物应激模型。慢性应激或给予慢性皮质酮(下丘脑-垂体-肾上腺轴的主要应激激素)可诱导PFC和HIP的树突状重组以及突触数量的减少。相反，在杏仁核中，暴露于慢性应激可导致其肥大，这是由于神经元树突复杂性的增加和棘突数量的增加。暴露于慢性应激下的动物表现出更强的焦虑样行为，这与树突分支的持续增加和杏仁核基底外侧棘神经元的棘突密度更大有关。在暴露于慢性应激的小鼠中，基底外侧杏仁核突触斑点密度的增加与焦虑增强和杏仁核体积的增加有关。
慢性应激诱导的突触数量减少伴随着PFC和HIP中各种突触基因和蛋白表达的减少或杏仁核中表达的增加。慢性应激诱导的PFC和HIP神经元萎缩和突触丧失以及杏仁核树突肥大，与在上述人类和啮齿动物fMRI和MRI研究报告的PFC和HIP连接性丧失(和/或体积减小)和杏仁核连接性增强/体积增加的发现一致。这就是为什么神经元细胞结构的改变被认为是慢性应激相关的大脑宏观结构改变的基础，并介导了抑郁样表型的表达。通过使用经典抗抑郁药和快速抗抑郁药如东莨菪碱或氯胺酮进行长期治疗，可逆转突触的改变进一步证实了这个假说。目前尚不清楚新生成的突触是否具有功能，但这些药物可逆转慢性应激突触密度并伴随着行为缺陷的逆转。罗恩·杜曼(Ron Duman)对皮质锥体神经元进行光遗传刺激来模仿快速抗抑郁作用，并且通过病毒方法增强氯胺酮的细胞内级联反应，人为地增加了PFC中的突触数量，在行为水平上防止了慢性应激的影响。这表明PFC神经元通讯或突触完整性的正常化足以发挥抗抑郁作用。
虽然PFC和HIP神经元萎缩和突触丢失通常在谷氨酸能神经元较多，但慢性应激也会影响中间神经元，特别是GABA能神经元。大量研究表明，慢性应激降低了这些细胞的功能，特别是表达GABA的SST神经元。沉默这些神经元后会在数小时内诱发类似抑郁的行为缺陷(图1D)，相反，增强SST神经元功能的药物或来自这些神经元的突触后信号具有快速的抗抑郁样和/或促认知行为。这些研究都支持通过调节GABA使谷氨酸能神经元突触通讯正常化是抗抑郁药物开发的潜在途径。
在过去的十年里，星形胶质细胞已经成为成人大脑中突触连接、突触发生和突触功能维持的重要调节者。除了能量稳态功能外，星形胶质细胞还调节突触的形成、大小、成熟和清除。它们还有助于制造和维护负责神经元和突触形态的细胞外基。星形胶质细胞有包裹突触的功能，是GABA和谷氨酸突触的内在伴侣。在此条件下，另一种调节（正常化）谷氨酸/GABA神经元活性/形态的方法是调控星形胶质细胞。事实上，在啮齿动物应激模型中曾报道过星形胶质细胞密度、标记物和代谢降低。这些变化与重度抑郁症患者的大脑变化相似，并且在慢性应激模型中高度一致。一项啮齿动物毒素研究表明，虽然神经元消融对经典使用的抑郁样行为读数没有行为影响，但星形胶质细胞消融在几天内就会诱导抑郁样行为。这项研究以及其他操纵与突触功能调节相关的关键星形胶质基因的研究表明，星形胶质细胞的调节作用导致了与中枢神经系统应激相关疾病的突触完整性受损、功能和行为缺陷。有研究表明通过药理学或化学遗传方法来增强星形胶质细胞的功能具有抗应激作用。这表明通过星形胶质细胞维持突触功能可能是治疗情绪障碍的一个潜在的靶点。
虽然目前没有讨论与慢性应激和MDD相关的小胶质细胞和少突胶质细胞变化的作用，但这些细胞群也参与了突触完整性和神经元功能的维护，并在MDD和应激模型中被发现发生了改变。此外，为了限制这篇综述的范围，我们重点关注这些细胞结构改变对行为的影响;我们没有探讨与慢性应激相关的细胞丢失和/或萎缩的各种潜在机制。这些包括改变的下丘脑-垂体-肾上腺调节、营养支持、谷氨酸溢出/兴奋性毒性，以及胞内机制如蛋白酶抑制剂、内质网应激或氧化应激等。
总之，啮齿动物的研究结果表明，突触和调节细胞(GABA神经元和星形胶质细胞)都是受慢性应激影响的“环节”;每个部分的功能受损可以在几周内(突触)、几天内(星形胶质细胞)或几小时内(GABA神经元)模仿慢性应激所致行为缺陷。问题在于是这些细胞病变在啮齿类动物模型和MDD中发生的顺序，以及是如何参与抑郁(样)表型的表达。某一“环节”是否更脆弱?如果是这样，我们能识别它和涉及这个漏洞的机制吗?在开发新的、更有效的治疗方法时，它能被靶向或绕过吗?是否更可能的情况是，所有的“环节”都同样容易受到应激的影响，也就是说，所有的细胞特征都同样导致抑郁，那么针对其中一个就足以起到持久的抗抑郁作用吗？
图1 与MDD和慢性应激啮齿动物模型相关的宏观和微观变化
慢性应激诱导的细胞结构变化和情感行为的联系:来自啮齿动物模型的见解
虽然在人体不能直接测量(GABA能或谷氨酸能)突触或星形胶质细胞密度，但PET的应用可以帮助了解MDD中存在的细胞结构变化及其与抑郁症状的关系。我们与Ron Duman合作，利用[11C]UCB-J(一种结合突触囊泡糖蛋白(SV2A)的放射配体)进行了PET检测，以探究MDD (n = 26)与非精神对照组(n = 21)的突触密度差异。SV2A存在于所有神经元中，与[11C]UCB-J的结合程度可被用作突触密度的指标。研究结果表明，突触密度在在多个脑区包括那些参与情绪调节和认知的区域(dlPFC、前扣带皮层和HIP)的降低可影响抑郁的严重程度。此外，在dlPFC中，与健康对照组相比，在被诊断为MDD和创伤后应激障碍的个体中，观察到全脑静息状态功能连通性降低。以该区域为基础，dlPFC -后扣带皮层连接与dlPFC突触密度呈负相关，与抑郁症状的严重程度呈正相关，表明两个对立网络枢纽之间的拮抗功能缺失可能是由突触丢失引起的。认知功能、突触密度的改变和功能连通性测量之间的关联研究是跨诊断的。这项研究的发现支持突触密度改变在MDD和创伤后应激障碍相关症状中的作用。由于SV2A在兴奋性和抑制性突触中广泛表达，但目前尚不清楚观察到的突触丢失是谷氨酸能突触还是GABA能突触(或两者都有)。使用MRS在MDD中发现谷氨酸和GABA传递改变，将[11C]UCB-J PET与谷氨酸或GABA能配体甚至MRS结合的研究可能有助于揭示受影响的突触类型。
PET还被用来测量代谢型谷氨酸受体5 (mGluR5)的水平，并将其作为突触间隔的标志物。谷氨酸的含量与mGluR5可用性之间的关系是复杂的，而通过评估各自以探究两者之间的关系的方法更加复杂。利用PET测量突触周围或突触外间隙神经和胶质细胞mGluR5水平，1H-MRS评估包含神经元组织、非神经元组织和细胞外液的谷氨酸总量。使用[18F]FPEB PET和MRS对mGluR5可用性进行检测，发现其在对照组(n = 35)和MDD组(n = 30)之间并无差异。然而，mGluR5和组织谷氨酸之间呈负相关，这为谷氨酸水平升高条件下受体的兴奋毒性假说提供了体内的证据。如同在不同的研究中MDD患者谷氨酸(或相关标记物)水平可高可低，mGluR5中的可用性在不同研究中也存在差异。大多数的人体(活体和死后)的研究都不支持mGluR5可用性的改变与MDD相关。然而也有研究表明通过药理作用降低mGluR5的可用性可能缓解一些焦虑症状。这支持了临床前证据表明靶向mGluR5具有抗焦虑特性。
虽然星形胶质细胞密度或星形胶质细胞功能的成像在各种疾病的研究中非常有用，但其配体并无特异性。一些研究建议检测MDD的星形胶质细胞变化。但是并没有配体可以将胶质细胞增生(小胶质细胞增多，反应性星形胶质细胞增多)与包裹突触的星形胶质细胞区分开来。目前，神经胶质活性的体内成像依赖于间接测量。例如，体内转运蛋白18kDa (TSPO)结合增加可能反映炎症过程增加和活化小胶质细胞数量增加。然而，星形胶质细胞和内皮细胞也存在TSPO，因此需要谨慎解释结果。然而，与30例非精神病者(n=30)相比，处在抑郁发作期(n=51)的MDD患者(n=51)的PFC和前扣带皮质中TSPO的结合量明显增加，TSPO的测定已被用来预测MDD患者(n=41)(140)的治疗反应。相似的，由于星形胶质细胞表达高水平的单胺氧化酶B (MAOB)，且该酶已被作为星形胶质细胞增生的脑成像标志物，并曾利用[11C] deuterium-L-depreny在20名认知障碍或阿尔茨海默病患者中检测星形胶质细胞增生。尸检研究表明MAOB(而非MAOA)蛋白水平与星形胶质细胞标志物如波形蛋白和GFAP之间存在正相关。考虑到该酶在单胺代谢和与抑郁发作相关的胶质细胞增多中的作用，MAOB配体是否能够检测MDD中报道的星形胶质细胞密度降低有待确定。
虽然没有提供结构信息，但可以用13C-MRS对星形胶质细胞代谢进行选择性测量。通过使用几乎完全由星形胶质细胞代谢的13C标记物，如醋酸盐，不同代谢产物(利用代谢醋酸酯的碳骨架形成其结构，包括谷氨酸和GABA)的13C富集率的改变可能预示星形胶质细胞代谢(和/或密度)的变化。这一方法证实，在暴露于慢性应激后，啮齿类动物的13C -醋酸测定的星形胶质新陈代谢减少与GFAP表达降低有关。13C -MRS技术的进一步应用表明，利鲁唑(一种增强星形胶质细胞功能的药物)的使用逆转了慢性应激诱导的星形胶质细胞代谢、GFAP表达水平异常，并可减轻慢性应激导致的快感缺失和无助行为。在一项使用13C -MRS检测抑郁症患者(n = 23)和健康受试者(n = 17)之间代谢差异的研究中，用13C标记的葡萄糖来代替醋酸盐。该研究显示，MDD患者皮质中谷氨酸能神经元产生的氧化能量明显较低，但由于葡萄糖是由胶质细胞和神经元共同代代谢的，因此无法评估胶质细胞的功能。在啮齿动物模型中，快速作用的抗抑郁药氯胺酮在同时注射13C标记的葡萄糖和醋酸后，显示谷氨酸、谷氨酰胺和GABA标记增加，这表明该药物对神经元和星形胶质代谢都有影响。使用13C标记的葡萄糖检测到氯胺酮在健康个体(n = 14)和抑郁症患者(n = 7)中均能促进谷氨酸和谷氨酰胺的代谢和循环。但一些问题仍然存在: 13C -acetate MRS是否能够检测MDD中星形胶质细胞代谢改变和/或密度变化?这些变化是否与较低的[11C]UCB-J结合和/或与特定的情感或认知缺陷有关?这些变化是否可以通过抗抑郁治疗逆转？
作者从微观和宏观回顾了MDD与大脑结果相关性的最新进展。这些进展扩大了对包括MDD在内的应激障碍病理生理学相关的结构和细胞构筑变化的理解。如果通过将特定的细胞病理学与特定的症状集联系起来，对患者进行个性化治疗分层，从而进一步了解应激相关疾病。
编 译/ 张丹丹
校 审/蔡玉洁