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神经生物学疾病。作者手稿;PMC 2014年5月1日提供。
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预防性维修识别码:项目经理3954843
NIHMSID公司:美国国立卫生研究院446849
PMID:23336981

突触特异性在精神分裂症皮层病理学中的作用

摘要

精神分裂症(SZ)常被描述为一种神经连接疾病。认知过程,如工作记忆,特别依赖复杂皮层电路的正常功能,在疾病中受到干扰。锥体神经元和中间神经元之间的相互联系,以及多巴胺能神经支配,构成了皮层高级认知的基础。尽管如此,目前只有少数综述文章阐述了每个突触是如何运作的,并且可能在SZ中受到干扰,至少部分是由涉及SZ遗传易感性因素的机制引起的。在这篇综述中,我们概述了皮质谷氨酸能、GABA能和多巴胺能回路,回顾这些突触中每一个的SZ相关缺陷,并讨论SZ的遗传因素如何以突触特异性的方式导致SZ相关表型缺陷。指出推测的SZ敏感性因子在空间和时间上不同的作用位点,可能有助于我们更好地了解SZ的病理机制,尤其是与突触功能和神经元连接相关的机制。

关键词:精神分裂症、突触、连接性、遗传因素、DISC1、dysbindin、neuregulin-1

1.简介

神经元连接障碍通常被认为是与精神分裂症(SZ)相关的关键病理学(Hayashi-Takagi和Sawa,2010年). 在神经解剖学层面,SZ患者表现出额叶灰质体积减少,主要表现为磁共振成像(MRI),以及扩散张量成像(DTI)显示的皮质-皮质白质束结构完整性减少(Glahn等人,2008年;Honea等人,2005年;Mathalon等人,2001年;菲利普斯等人,2011年). 在临床生理水平上,在SZ患者的前额叶皮层中发现了皮层同步性缺陷(尤其是兴奋性和抑制性神经元的功能连接导致的γ带振荡)(Farzan等人,2010年;Lee等人,2003年). 在细胞水平上,许多对SZ大脑的尸检研究表明,细胞构筑和蛋白质表达缺陷可能导致疾病中兴奋-抑制平衡的改变。例如,据报道,SZ患者的树突棘密度降低,树突棘是锥体神经元上的兴奋性突触结构(加里,2010年;格兰茨和刘易斯,2000年;Kolluri等人,2005年). 谷氨酸脱羧酶(GAD67)是一种抑制性神经递质GABA的合成酶,其mRNA表达在SZ患者的大脑中持续下降(Akbarian等人,1995年;Knable等人,2002年). 此外,通过微阵列分析对基因表达的研究表明,SZ患者组织中突触调节蛋白的表达降低(Horvath等人,2011年).

遗传易感性因素和环境损伤的组合可能是与SZ病理学相关的连接中断的基础(Jaaro-Peled等人,2009年). 在过去的十年里,许多研究已经确定了SZ的候选遗传易感性因素,包括精神分裂症1型(DISC1)的中断(Brandon和Sawa,2011年),神经调节蛋白-1(NRG1)(梅和熊,2008年;里科和马林,2011年),去结合蛋白(Mullin等人,2011年),锌指蛋白(ZNF)804a(Williams等人,2011年)和电压依赖性钙通道α1C亚单位(CACNA1C)(Hamshere等人,2012年;Ripke等人,2011年). 基因的多态性1号核反应堆,ErbB4型、和去结合蛋白与大脑皮层结构连接性的改变有关(Konrad等人,2009年;Nickl-Jockschat等人,2012年;Winterer等人,2008年). 最近的一项研究还发现圆盘1通过扩散MRI测量,基因与大脑网络连接受损有关(Li等人,2012b). 我们必须承认,每个因素本身对疾病的个别贡献仍在辩论中。尽管如此,许多研究人员认为这些因素可以作为有用的“探针”,了解它们的功能可能有助于深入了解疾病相关的分子途径和疾病机制。

我们目前对SZ相关病理生理学的理解很大程度上是通过对单个神经递质系统的研究形成的。对谷氨酸能N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体拮抗剂(如苯环利定(PCP)和氯胺酮)的拟精神病作用以及多巴胺D2受体拮抗剂,如氯丙嗪和氟哌啶醇的抗精神病作用的早期药理学观察,最初导致SZ的NMDA功能减退和多巴胺功能亢进的概念模型过于简化。然而,随后的大量证据表明,该病的病理生理学并非如此简单(阿比·达格姆,2004年;Kantrowitz和Javitt,2010年). 研究发现,服用兴奋性NMDA受体拮抗剂主要导致神经元间活动的抑制,导致皮层锥体神经元的去抑制和活性增加,至少在大鼠前额叶皮层是如此(Homayoun和Moghaddam,2007年). 由于NMDA受体通过谷氨酸介导兴奋性神经传递,令人惊讶的是,阻断这些受体会增加皮层主要细胞类型锥体神经元的放电,而不是减少其放电。正电子发射断层扫描(PET)对多巴胺的研究表明,皮质减少和皮质下(如纹状体)多巴胺能信号增加可能是SZ患者的特征(阿比·达格姆,2004年;Davidson和Heinrichs,2003年). 这也是一个意料之外的结果:如果皮层多巴胺信号减少是SZ的关键病理生理学,那么使用D2受体拮抗剂进一步抑制多巴胺信号在SZ治疗中的作用尚不明确。这些结果突出了SZ病理生理学的复杂性,并首次表明,为了了解信号和连接性缺陷是如何导致疾病状态的,大脑区域、细胞类型以及最终的突触特异性方法可能是必要的。

单个神经元形成不同类型的突触,根据突触前和突触后所涉及的细胞、神经递质和受体,突触对大脑功能的贡献差异很大。在这里,我们将概述大脑皮层中区分单个突触的特征,以及每种类型的突触如何对SZ做出独特的贡献。我们特别关注锥体神经元中间神经元的相互连接和皮层多巴胺能神经元的输入(图1). 这一大脑区域是本文的重点,因为SZ中受损的许多高级认知功能,如工作记忆,都是由大脑皮层控制的(Arnsten,2011年;Fleming等人,1997年;Gold等人,1997年;Goldman-Rakic,1995年). 为了解决这种细胞类型和突触特异性连接缺陷导致疾病易感性和病理生理学的机制,我们建议研究SZ的候选遗传易感性因子。通过使用这些分子“探针”,我们可以结合前沿小鼠基因工程技术,病毒载体,子宫内电穿孔等体内针对特定细胞和神经回路的技术。来自小鼠模型的证据可能与人脑功能没有直接关系,但已经证明人脑和小鼠脑在脑结构和基因表达模式方面有很大程度的相似性(Zeng等人,2012年).

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皮质层II/III锥体神经元形成的突触连接示意图(蓝色)。这些细胞接收来自其他锥体神经元的兴奋性谷氨酸能输入,以及来自快刺(FS)和非快刺(NFS)中间神经元(橙色)的抑制性GABA能输入。多巴胺能传入神经(粉红色)支配锥体神经元和中间神经元。第II/III层锥体神经元向大脑其他区域形成兴奋性投射,包括皮层第V层、基底外侧杏仁核(BLA)、外侧下丘脑(LH)和腹侧纹状体(VS)。特别有趣的突触用绿色圈出;它们是:1)锥体神经元上的谷氨酸能突触;2) 中间神经元上的谷氨酸能突触;3) 锥体神经元上的GABA能突触;4) 锥体神经元上的多巴胺能突触;中间神经元上的多巴胺能突触。其他缩写:PFC,前额叶皮层;AIS,轴突起始段;VTA,腹侧被盖区;TH,丘脑。

2.不同类型的突触

大脑皮层不同类型的细胞之间存在几个功能不同的突触(图1). 根据中描述的突触图1,SZ患者的病理观察以突触特异性的方式组织(表1). 在这里,我们将更详细地讨论每种突触类型,包括在SZ观察到的突触特异性缺陷,以及SZ遗传易感性因素在这些缺陷中的可能作用。

表1

SZ基因表达改变的证据概述。各种SZ相关分子的表达研究中可用的证据是根据哪种神经递质系统和哪种突触组织的(根据标签编号图1)受表达改变的影响最大。

神经递质系统分子/病理特征上下文表达研究变更方向受影响的突触
谷氨酸能的NMDA受体激活尸检(Hahn等人,2006年)降低1,2
谷氨酸1尸检(索科洛夫,1998年)降低1,2
mGluR1型尸检(Gupta等人,2005年)增加1,2
mGluR5型尸检(Crook等人,2002年)增加1,2
mGluR2/3型尸检(Gupta等人,2005年)增加1,2
树突棘密度尸检(加里,2010年;格兰茨和刘易斯,2000年;Kolluri等人,2005年)降低1
Soma大小尸检(Selemon和Goldman-Rakic,1999年)降低1,2
树状树木化尸检(Black等人,2004年)降低1,2
GABA能源GAD67型尸检(Hashimoto等人,2003年;Knable等人,2002年)降低
服务贸易总协定1尸检(Volk等人,2001年;Woo等人,1998年)降低
GABA(A)受体尸检(Hashimoto等人,2008年)降低
光伏尸检(Hashimoto等人,2003年)降低
多巴胺能的COMT公司尸检(Ye等人,2012年)降低4,5
DARPP-32标准尸检(Albert等人,2002年)降低4,5
重水反应堆聚酯(Wong等人,1986年)增加4,5
D4R(D4R)PET,尸检(Lahti等人,1998年;Murray等人,1995年;Seeman等人,1993年)增加4,5
DAT阳性轴突终末尸检(Akil等人,1999年)降低4,5

2.1. 锥体神经元上的谷氨酸能突触

锥体神经元是皮层中最丰富的细胞类型,并形成广泛的兴奋性谷氨酸能突触网络。这些细胞的主要功能是整合信息,特别是网络中其他相连神经元的兴奋时间和强度,以协调大脑的高级功能(斯普鲁斯顿,2008). 锥体神经元通过其顶树突和基底树突上的突触接收来自其他锥体神经元的兴奋性输入。这些突触位于树突棘上,树突棘是高度可塑的细胞骨架维持结构,突触后蛋白质定位于树突棘(图2A). 这些突触上的神经递质结合改变了神经元的去极化,而去极化又决定了锥体神经元的输出,即沿单个轴突激发的动作电位。这个轴突通常有密集的分支,使每个锥体神经元能够同时影响其他锥体神经元和中间神经元上的许多其他突触。

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三种主要类型突触的示意图,描绘突触前和突触后终端、主要神经递质受体和其他突触蛋白质。A) 锥体神经元谷氨酸能突触图,包括多巴胺能神经支配;B) 中间神经元谷氨酸能突触图;C) 锥体神经元上的GABA能突触图,包括多巴胺能神经支配。

锥体神经元上的单个谷氨酸能突触在几个方面彼此不同。这些包括突触前输入的“来源”、突触沿树突与躯体的“距离”以及脊椎的“形态”。首先,突触前输入的“来源”包括位于不同皮质层或半球或不同脑区的锥体神经元,如丘脑、杏仁核或海马体。皮层和海马体的投射物支配皮层第一层至第六层的锥体神经元;丘脑皮层传入神经主要作用于第III层和第IV层的锥体神经元;杏仁皮质传入神经以第II–VI层锥体神经元为靶点(培根等人,1996年;De Gois等人,2005年;Jay和Witter,1991年;斯普鲁斯顿,2008). 其次,突触沿树突与胞体的“距离”影响其控制轴突输出的能力。神经递质结合和突触去极化引起的电压变化在沿着树突的长度到达细胞体和轴突丘时变得较弱,如果达到生理学定义的“阈值”电位,可能会在此处触发动作电位。因此,如果突触位于细胞体附近,那么这种突触可能会对神经元的放电产生更大的影响(Katz等人,2009年). 金字塔神经元可分为顶端树突和基底树突(斯普鲁斯顿,2008). 在大鼠皮层切片上进行的实验表明,即使在基底树突树干内,位于不同树突或位于同一树突不同位置的突触之间也会发生输入的不均匀整合(即线性与非线性整合)(Branco和Hausser,2011年;Polsky等人,2004年). 因此,突触的树突位置会影响其对锥体神经元放电的影响。第三,突触的强度取决于树突棘的大小和形状,树突棘是细胞骨架维持的突触结构。在大鼠切片培养中,脊髓增大先于神经递质受体并入脊髓表面和突触增强,或长期增强(LTP)(Kopec等人,2006年). 即使在同一成熟树突上,单个棘的大小和组成也会因活性而异(松崎等人,2004年;索拉和哈里斯,2000年). 这种组成的多样性包括AMPA和NMDA受体的亚基组成(O'Rourke等人,2012年).

对SZ患者大脑的尸检研究表明,与正常对照组相比,神经膜(被认为含有树突棘的细胞间隙)的体积、胞体大小和V层锥体神经元的树突树枝状结构减少(Black等人,2004年;Selemon和Goldman-Rakic,1999年). 其他研究报告了SZ患者第三层神经元树突状棘密度降低(加里,2010年;格兰茨和刘易斯,2000年;Kolluri等人,2005年). 其中一些缺陷的层流特异性可能为SZ病理学提供了机制线索:例如,丘脑对第三层的输入减少可能是感觉运动门控受损的基础,这在SZ患者中经常观察到(布拉夫等人,1992年). 在分子水平上,据报道,SZ患者前额叶皮层谷氨酸能突触的受体分子表达减少,包括NMDA型谷氨酸受体亚单位GluN1、GluN2A和GluN2C,以及GluN2B亚单位的加工和运输受损(Beneyto和Meador-Woodruff,2008年;Kristiansen等人,2010a;Kristiansen等人,2010b). 此外,在SZ皮质的尸检研究中,已报告α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸盐(AMPA)型谷氨酸受体亚单位,尤其是GluR1的表达减少(Eastwood等人,1995年;Mirnics等人,2000年;索科洛夫,1998年). 然而,这些表达水平在哪种特定突触上发生变化仍然是难以捉摸的;这些分子的表达变化可能会影响锥体神经元上的谷氨酸能突触(此处讨论)以及中间神经元上的谷氨酸能突触(将在下一小节中讨论)。

涉及SZ的遗传易感性因子参与锥体神经元上的谷氨酸能突触。人类和灵长类大脑的免疫电子显微镜研究表明,DISC1定位于某些但并非所有皮层突触的棘中(Kirkpatrick等人,2006年;Paspalas等人,2012年). DISC1与突触后密度蛋白PSD-95和Kalirin-7结合,后者是小GTPase蛋白Rac1的鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)。这种结合通过NMDA受体激活释放,导致Kalirin-7自由进入Rac1,从而激活Rac1并增大脊柱。这证明了DISC1在调节脊椎活动依赖性结构可塑性中的细胞自主作用。DISC1的长期紊乱导致Rac1的结构性过度激活,最终导致脊柱收缩(Hayashi-Takagi等人,2010年). 据报道,DISC1突变小鼠锥体神经元的大小显著减小(Lee等人,2011年). 这些来自小鼠模型的结果表明,DISC1功能的丧失可以在锥体神经元形态中产生SZ样表型。DISC1与Traf2和Nck相互作用激酶(TNIK)结合,位于神经元谷氨酸能突触的突触后,在稳定蛋白质表达和调节突触后密度的组成方面起着重要作用;这种机制可能发生在中间神经元和锥体神经元的谷氨酸能突触上(Wang等人,2010年)。另一种SZ危险因子dysbindin的功能丧失,在锥体神经元兴奋性突触的突触前和突触后均表达,导致GluN1 mRNA表达减少,前额叶皮层锥体神经元NMDA激发电流减少,这是通过RT-PCR和电生理在脑片中测量得到的去结合蛋白突变小鼠(Karlsgodt等人,2011年;Mullin等人,2011年). SZ患者前额叶皮层中Dysbinin蛋白水平降低(Tang等人,2009年). 因此,dysbindin介导的机制可能通过受损的皮层GluN1表达和NMDA受体功能而导致疾病中的兴奋性功能障碍。在锥体神经元中,分裂III型NRG1的胞内结构域调节树突生长和分支,并可能影响其与其他神经元(包括其他锥体神经元)形成突触连接的能力(Chen等人,2010年). 这些回路的形成对皮层的正常功能至关重要。

2.2. 中间神经元上的谷氨酸能突触

金字塔神经元也在中间神经元上形成兴奋性谷氨酸能突触。这些突触的兴奋刺激抑制性神经递质GABA的释放,导致锥体神经元的反馈或前馈抑制,这取决于兴奋源(即中间神经元或第三锥体神经元分别针对的锥体神经元)。由于中间神经元上没有树突棘,这些细胞上的谷氨酸能突触沿着树突轴形成(图2B). 这些突触成熟的突触后机制与锥体神经元中的类似,包括突触后密度蛋白(PSD)-95和AMPA受体亚基的聚集(El-Husseni等人,2000年).

在成年大鼠中,使用拮抗剂MK-801对NMDA受体进行系统药理性阻断,导致海马内小白蛋白(PV)免疫反应性降低(Keilhoff等人,2004年). 成年大鼠急性MK-801治疗导致前额叶、眶额叶和内嗅皮质PV表达降低(Romon等人,2011年). 这些结果可以解释为PV中间神经元功能障碍的一种迹象,这种功能障碍是通过阻断细胞上NMDA受体的活性而引起的。为了扩大这些观察,研究人员已经表明,MK-801治疗会导致清醒大鼠皮层中快速尖峰中间神经元(如PV-中间神经元)的活动减少,随后锥体神经元的放电率增加(Homayoun和Moghaddam,2007年). 此外,长期全身注射NMDA受体Glu22A亚基拮抗剂(NVP-AAM077)会损害小鼠皮层中PV的表达和快速尖峰中间神经元的成熟(张和孙,2011年). 对小鼠进行的基因操作研究也证实,NMDA受体兴奋性输入的丢失会导致中间神经元缺陷:NMDA受体GluN1亚单位的PV阳性中间神经元特异性敲除小鼠表现出PV和GAD67的表达减少,同时皮质锥体神经元失去同步放电,这些中间神经元赤字的下游结果(Belforte等人,2010年;Carlen等人,2011年). 这些药理学和遗传学模型也显示了临床前水平上与SZ相关的行为变化(Belforte等人,2010年;Stefani和Moghaddam,2005年). 基于这些结果,中间神经元谷氨酸能突触上的NMDA受体目前被认为是SZ病理生理学最重要的分子介质之一(Lewis等人,2012年;Rotaru等人,2012年).

中间神经元上的谷氨酸能突触是SZ易感基因可能发生突触特异性贡献的另一个部位。ErbB4几乎选择性地表达于中间神经元,包括80%的PV阳性中间神经元(Fazzari等人,2010年;Vullhorst等人,2009年). ErbB4基因编码的中间神经元特异性敲除小鼠皮质PV阳性中间神经元上兴奋性突触的形成受损(Fazzari等人,2010年). 此外,NRG1-ErbB4信号增强了这些突触的兴奋性传递:大鼠原代培养物中NRG1的处理通过ErbB4增加了中间神经元上兴奋性突触的数量和大小,并增强了中间神经元微型兴奋性突触后电流(mEPSC)的频率和幅度(Abe等人,2011年;Ting等人,2011年). 在神经元培养的这些突触中,中间神经元表达的ErbB4胞外结构域与锥体神经元突触前NRG1结合,增加了突触前末端的大小,并导致中间神经元的激活增强(Krivosheya等人,2008年). 上述观察阐明了NRG1/ErbB4信号可能持续促进兴奋性传递至中间神经元的几种机制。有趣的是,来自SZ患者死后大脑的数据显示NRG1和ErbB4 mRNA和蛋白表达增加(Hahn等人,2006年;Law等人,2007年;Law等人,2006年;Silberberg等人,2006年). 与正常对照脑相比,用NRG1治疗死后SZ脑可导致更大的ErbB4激活(Hahn等人,2006年). 如果这些来自SZ患者生物样本的数据是正确的,那么预期的病理生理学与药物诱导的SZ模型所建议的相反(即神经元间激活过度与激活不足)。这种差异是SZ研究中需要解决的一个重要问题。作为第一步,一些研究小组最近培育出了NRG1转基因过表达小鼠,显示出SZ样的行为表型,但NRG1升高导致这些表型的机制尚待确定(Deakin等人,2009年;Deakin等人,2012年;Kato等人,2010年). 最后,去结合蛋白的破坏也被证明会降低前额叶皮层快速尖峰中间神经元的兴奋性,进而削弱γ带振荡(卡尔森等人,2011年).

2.3. 锥体神经元上的GABA能突触

锥体神经元的兴奋性输出受到皮层抑制性中间神经元通过抑制性突触的输入的强烈调节。这些突触都使用神经递质GABA抑制锥体神经元的放电,但它们的特征因突触前中间神经元的特征和这些突触在锥体神经元上的亚细胞位置而显著不同。中间神经元有几种亚型,以形态和标记表达区分。两种PV阳性快突中间神经元,篮细胞和枝形吊灯细胞,在锥体神经元上建立抑制性突触(DeFelipe,1999年;弗伦德,2003). 篮细胞支配锥体神经元的胞体和近端树突,这些细胞对兴奋性输入的整合尤其重要,是突触可塑性的主要部位;枝形吊灯细胞形成突触,靶向锥体神经元的轴突起始段,直接影响锥体细胞的输出(贝内斯和贝雷塔,2001年;Lewis等人,2005年). 也存在胆囊收缩素(CCK)阳性篮细胞,但这些细胞主要是非快突细胞,不太可能介导γ带锥体神经元的同步性(Freund,2003年). 除了这些体周输入外,非快突中间神经元(中间神经元的一种亚型,也包括生长抑素和钙结合蛋白阳性细胞)支配远端树突,并在调节树突兴奋性输入的整合中发挥重要作用(川口和久保田,1998年). 除了锥体神经元上的GABA能突触外,一些中间神经元,包括钙调素阳性细胞,也以其他中间神经元为目标;这种中间神经元-中间神经元的连接可以解除对锥体神经元的抑制,从而进一步控制锥体神经元活动的时间(Conde等人,1994年). 抑制性突触不是使用树突棘等特殊结构,而是由中间神经元直接在锥体神经元胞体或锥体树突轴上形成的(图2C).

几条证据表明,在SZ的病理生理学中,GABA能抑制对锥体神经元的损害。SZ中GABA能神经传递似乎在突触前、突触和突触后室被破坏。如前所述,突触前机制包括中间神经元标记物的表达减少,如GAD67和PV,这已在SZ中重复报道(Akbarian等人,1995年;Fung等人,2008年;Gabriel等人,1996年;Hashimoto等人,2008年;Hashimoto等人,2003年;Knable等人,2002年). 在突触水平上,在SZ患者的大脑中观察到GABA转运体GAT1阳性抑制性突触的数量减少,这些突触由皮质锥体神经元轴突起始段(AIS)上的枝形吊灯细胞形成(Woo等人,1998年). 在SZ患者的锥体神经元AIS中观察到GABA(A)受体α2亚单位表达增加,这可能是对枝形吊灯细胞突触前GABA释放减少的一种补偿反应(Volk等人,2002年). 一些但不是全部的报告表明,通过磁共振波谱(MRS),SZ患者大脑皮层中的GABA减少(Asada等人,1997年;Yoon等人,2010年). 在突触后,SZ患者表现出GABA(a)受体α1亚单位的表达减少,该亚单位在锥体神经元与PV中间神经元的突触后表达(Glausier和Lewis,2011年;Klausberger等人,2002年). 此外,据报道,在SZ的背外侧前额叶皮质(PFC)中GABA(A)受体α5和β2亚单位mRNA表达降低,尽管这些研究可能无法准确地解决细胞类型的特异性(Beneyto等人,2011年;Duncan等人,2010年). 用GABA(a)受体α2和α3亚单位激动剂治疗可以提高SZ患者的γ能,这意味着这些亚单位的激活可能在SZ患者中受损(Lewis等人,2008年). 综上所述,上述发现表明中间神经元,特别是快速尖峰中间神经元有效抑制SZ锥体神经元的能力受损。

只有少数研究探讨了SZ敏感性遗传因素如何参与锥体神经元上的抑制性突触。神经元间激活增强预计会导致活性诱导的GABA释放增加。在人类研究中,ErbB4的SZ风险多态性预测了ErbB4mRNA的表达体内以及MRS测量的皮层GABA水平,表明两者之间存在联系(Marenco等人,2011年). 与这一想法一致,发现由ErbB4在快速尖峰中间神经元中介导的NRG1信号能够促进小鼠活性依赖性GABA的释放(Wen等人,2010年). 在临床前研究中,NRG1-ErbB4信号传导被证明可以增强锥体神经元的抑制,这是神经元间激活增强的结果。如上所述,ErbB4的PV-中间神经元特异性敲除导致成熟快突中间神经元中mEPSCs的频率和振幅降低(Fazzari等人,2010年). 因此,同样的小鼠在锥体神经元中表现出微型抑制性突触后电流(mIPSC)频率降低和放电率增加(Fazzari等人,2010年;Wen等人,2010年).

一些研究虽然没有直接探讨突触机制,但表明SZ敏感性因子的调节会导致中间神经元缺陷,最终可能导致突触功能障碍。例如,以锥体神经元特异性或内源性方式表达显性负性DISC1,导致前额叶皮层PV阳性中间神经元减少(Hikida等人,2007年;沈等,2008). DISC1基因敲除可损害中间神经元向皮层的迁移(Steinecke等人,2012年). NRG1-ErbB4信号调节中间神经元向皮层的切向迁移以及依赖活性的树突状突起生长(Anton等人,2004年;Cahill等人,2012年;Li等人,2012a). 中间神经元在发育中的皮层中的适当位置和成熟对功能性皮层抑制回路的形成至关重要。因此,这些神经发育缺陷,尤其是在迁移过程中,可能会对后期的连通性产生重要影响。

2.4锥体神经元和中间神经元上的多巴胺能突触

多巴胺能神经元通过起源于腹侧被盖区(VTA)的中脑皮层通路向皮层提供外部输入。中脑皮层多巴胺能神经元投射到锥体神经元和皮层中间神经元,在那里它们的活动调节回路兴奋(图1) (Floresco和Tse,2007年). 这种调节在包括工作记忆在内的认知功能中起着关键作用,多巴胺的释放通过中间神经元直接或间接调节锥体神经元的激活(Goldman-Rakic等人,2000年).

多巴胺D1受体(D1R)在兴奋性突触后和锥体神经元和中间神经元的轴突末端表达(Bergson等人,1995年;帕斯帕拉斯和戈德曼·拉基奇,2005年). D1R发出的信号可增强锥体神经元和中间神经元的放电(通过调节兴奋性),并降低其兴奋性或抑制性输出(通过调节神经递质释放),具体取决于它们被激活的突触部位,即谷氨酸能突触后或轴突终末。在皮层锥体神经元的树突状棘处,突触后D1Rs的活性增强了大鼠分离神经元和切片培养物中NMDA受体的表面表达和下游信号传递,以及锥体神经元兴奋性(Lei等人,2009年;曾和奥唐纳,2004年). 相反,在这些锥体神经元的轴突末端,突触前D1R的过度激活会减弱猴皮层中谷氨酸的释放(Gao等人,2001年). 因此,D1R信号可以增强锥体神经元的兴奋性,并降低其兴奋性输出。同时,在快突中间神经元上的谷氨酸能突触处,突触后D1R的激活增强了中间神经元的兴奋性体内(Gao和Goldman Rakic,2003年;Seamans等人,2001年). 然而,在快突中间神经元的轴突末端,突触前D1R激活抑制突触后锥体神经元的抑制(Gao等人,2003年). 这种电路活动的双向调节表明,严格调控的D1R介导的信号可以在皮层中维持兴奋和抑制的平衡。

多巴胺D2受体(D2R)在抑制性轴突终末突触前表达,在兴奋性突触和抑制性突触后表达,在突触前多巴胺能轴突终末期表达,其中D2R激活在调节多巴胺释放中起作用(菲茨杰拉德等人,2012年;Negyessy和Goldman Rakic,2005年;Plantje等人,1987年). 这些受体也有助于维持皮层兴奋-抑制平衡。D2R信号可以降低锥体神经元兴奋性(通过降低锥体神经兴奋性和增加神经元间兴奋性)或增加锥体神经元的兴奋性。在大鼠脑片中,在皮层锥体神经元上的谷氨酸能突触处,D2R激动剂喹吡罗激活突触后D2R并抑制AMPA受体介导的锥体神经元兴奋性(曾和奥唐纳,2004年). 在中间神经元上的谷氨酸能突触,喹吡罗治疗增强了中间神经元的兴奋,从而增加了活动诱导的GABA释放,如上所述,减少了锥体神经元的兴奋(曾和奥唐纳,2004年). 相反,在锥体神经元上的抑制性突触中,锥体神经元表达的突触后D2R的激活(使用喹吡罗)通过导致大鼠PFC切片中GABA(a)受体介导的mIPSC振幅降低而增加其兴奋性(Seamans等人,2001年). 在这些突触中,使用多种D2R激动剂通过激活中间神经元表达的突触前D2R和减少轴突末端释放GABA,增加突触后锥体神经元的兴奋(Retaux等人,1991年;Seamans等人,2001年). 这些明显矛盾的数据可以通过考虑PFC中多巴胺信号的整体发展轨迹来调和。增强中间神经元激活的D2R效应是在青春期获得的(Tseng等人,2007年)而抑制锥体神经元抑制的D2R效应存在于幼年PFC中(Seamans等人,2001年;海员与杨,2004;曾和奥唐纳,2004年).

多巴胺D4受体(D4R)是类D2多巴胺受体家族的一员,由皮层的锥体神经元和中间神经元表达(Mrzljak等人,1996年;Rivera等人,2008年). 几个体外使用选择性D4R激动剂PD168077的研究表明,D4R信号可以增强锥体神经元的兴奋性,并减少中间神经元对皮层锥体神经的抑制。在大鼠分离的PFC培养物中,在锥体神经元上的谷氨酸能突触处,突触后D4R的激活通过锥体神经元特异性激酶αCaMKII促进AMPA受体GluR1亚单位的磷酸化来增强锥体神经元的兴奋(Gu等人,2006年). 在中间神经元上的谷氨酸能突触处,突触后D4R的激活通过调节大鼠PFC切片中AMPA受体的运输来减少中间神经元的兴奋(Yuen和Yan,2009年). 最后,在大鼠分离PFC培养物中,在锥体神经元上的抑制性突触上,刺激突触后D4R通过以肌动蛋白依赖的方式减少GABA(A)受体β2/3亚单位的表面表达,从而降低锥体神经元的抑制电流(Graziane等人,2009年).

多巴胺介导的传播对前额叶皮层功能至关重要,前额叶皮质功能在SZ中受损(Goldman-Rakic等人,2000年). 多巴胺能神经支配,特别是对皮层第六层的神经支配,已被发现在死后的SZ大脑中减少(Akil等人,1999年). 这些观察结果表明,至少在大脑皮层,低多巴胺能状态与SZ有关。D1R和D2R的PET神经成像已用于解决这个问题。已有报道称SZ患者大脑皮层中D1R表达和结合受到干扰,但仍在争论中,一些小组讨论了SZ相关D1R功能障碍的性质和机制(Abi-Dargham等人,2002年;Abi-Dargham和Moore,2003年;Cropley等人,2006年;大久保等人,1997年). 不止一项研究报告了大脑皮层不同区域D2R密度和结合的降低(Buchsbaum等人,2006年;Kegeles等人,2010年;Suhara等人,2002年;Tuppurainen等人,2003年). 在猴子身上进行的几项药理学研究已经检查了大脑皮层多巴胺信号在认知过程中的作用,包括那些已知在SZ受到干扰的过程,例如工作记忆。大脑皮层注射一般多巴胺拮抗剂或选择性D1R拮抗剂会损害工作记忆,而D1R激动剂会改善工作记忆性能(Arnsten等人,1994年;Sawaguchi和Goldman-Rakic,1991年). 然而,多巴胺D1R或D4R拮抗剂的治疗也可以防止应激诱导的猴工作记忆能力受损,这表明高多巴胺血症(在本例中,由环境应激引起)也对认知功能有害(Arnsten和Goldman-Rakic,1998年;Arnsten等人,2000年). 这些观察结果导致了这样一种理论,即多巴胺信号必须存在于最佳范围内(位于“倒u型”曲线的中心),皮质功能才能正常进行(阿恩斯坦,1997;海员与杨,2004). 发育时间点也会影响多巴胺能对精神疾病的贡献:如上所述,多巴胺对青少年PFC中间神经元激活的净效应适中,D1R和D2R起相反的作用。在青春期出现的精神障碍中,如SZ,可能在发育早期改变多巴胺能回路的遗传因素可能会在青春期成熟期发生时,在这种受干扰回路的下游产生行为表型(O'Donnell,2011年). 例如,D2R的激活抑制了幼年PFC中的神经元间激活,但在青春期后增强了这种激活和随后对锥体神经元的抑制(Tseng等人,2007年;曾和奥唐纳,2004年)某些改变D2R信号的SZ敏感性因素可能在这种发育轨迹中起作用。

SZ的遗传易感性因素可能通过多巴胺能突触影响神经传递,这与SZ的病理生理学有关。在神经发育过程中,锥体神经元中DISC1的敲除导致中皮层多巴胺能投射成熟受损,成年期皮层多巴胺水平降低,这可能与SZ患者尸检脑的观察结果一致(Akil等人,1999年;Niwa等人,2010年). NRG1-ErbB4信号刺激中脑多巴胺能神经元的生长和存活体外体内,一种神经发育效应,可能间接与成年皮层多巴胺能神经元的紊乱有关(Carlsson等人,2011年;Zhang等人,2004年). 用NRG1治疗新生小鼠也会导致皮层中的多巴胺能亢进状态,这种状态一直持续到成年,尽管这一观察结果在SZ病理中的意义尚不清楚(Kato等人,2011年). 如前所述,SZ患者PFC中dysbindin的表达降低(Tang等人,2009年). A类去结合蛋白通过Western blotting和体内微透析(Murotani等人,2007年;Nagai等人,2010年). dysbindin表达缺失改变了D2R的细胞内转运,并导致培养物和小鼠中受体的神经细胞表面表达增加(Iizuka等人,2007年;Ji等人,2009年). 此外,与正常对照组相比,在这种情况下,与D2R激动剂喹吡罗相比,观察到神经元间放电增加,随后锥体神经元放电减少(Ji等人,2009年;Papaleo等人,2012年).

3.讨论

上述讨论表明,在得出关于SZ病理生理学的结论时,意识到所研究的特定类型的突触是至关重要的。这也可能适用于其他精神障碍,例如自闭症和双相情感障碍,它们与SZ有一些遗传风险因素。锥体神经元和中间神经元上的谷氨酸能突触、锥体神经元上的GABA能突触和锥体神经元及中间神经元上多巴胺能突触在皮层的神经元连接中发挥着不同的作用,这可能单独介导认知缺陷和SZ的其他症状。在成熟大脑中,SZ的遗传易感性因素可能参与突触特异性机制。我们以DISC1、NRG1/ErbB4和dysbindin为有用探针的例子来研究SZ相关突触机制,并在本文中展示了它们在每个突触中的不同作用。尽管这里没有讨论,但重要的是要记住,其他类型的突触,尤其是那些释放神经递质血清素和乙酰胆碱的突触也会调节这些回路,并且可能包含导致SZ症状的独特遗传机制。

将每个突触视为SZ病理学的独特个体贡献者,可能有助于在突触连接的框架内确定各种分子因素的作用部位。细胞类型特异性基因调控是选择性靶向不同类型突触的有用工具。为了实现这一目标,有几种实验方法:子宫内电穿孔进入心室区影响锥体神经元,而电穿孔进入内侧神经节隆起可用于靶向迁移到皮层的中间神经元(Kubo等人,2010年;Yozu等人,2005年). 在细胞类型特异性启动子的控制下,多种表达Cre重组酶的小鼠的可用性使得在神经发育和成年期改变特定细胞中的基因表达成为可能(Murray等人,2011年). 也可以使用含有细胞型特异性启动子的某些病毒载体(Fazzari等人,2010年;Peel等人,1997年). 了解SZ基因在不同细胞中作用导致疾病状态的机制,可能有助于开发针对单个突触而非整个大脑的新型治疗策略。

突触缺陷的发生不仅是由于成熟回路的功能受到干扰,还因为组成这些回路的神经元的发育轨迹出现问题。在上述几个例子中,SZ遗传易感性因素不仅直接影响涉及突触传递的功能信号,而且在神经发育轨迹中也有作用,而神经发育轨迹反过来又会影响成人大脑中的电路形成和连通性。因此,SZ基因因子可以作为一种特别有用的工具来解决SZ相关的突触病理学,包括发育轨迹的影响。为了确定SZ遗传因素在发育和成年期间对病理的不同贡献,有必要暂时限制基因调控。有几种实验技术可以在出生前和出生后控制基因调控的时间体内(神谷,2009;普列特尼科夫,2009年;Sawa,2009年;Seshadri和Hayashi-Takagi,2009年).

需要注意的另一个重要点是,关键的SZ敏感性因子具有大的结合伙伴网络,并且重要的是要考虑单个分子相互作用的上下文依赖性。例如,DISC1与几个表达在空间和时间上分离的蛋白质相互作用(Camargo等人,2007年),其中许多可能代表不同的机制,介导其对SZ病理学的贡献。多种遗传风险因素的融合似乎越来越有可能成为SZ复杂遗传性质的解释,并且已经努力探索这些因素之间的串扰,至少在细胞水平上是这样(Jaaro-Peled等人,2009年;Mead等人,2010年;Ottis等人,2011年;Seshadri等人,2010年). 任何试图理解这些收敛路径如何影响电路形成的尝试体内以及其在SZ相关病理学中的损伤,应解决其作用的细胞类型和突触特异性。

致谢

我们感谢Patricio O'Donnell博士的讨论。我们还感谢Y.Lema女士整理手稿。这项工作得到了MH-084018 Silvo O.Conte中心(A.S。

脚注

出版商免责声明:这是一份未经编辑的手稿的PDF文件,已被接受出版。作为对客户的服务,我们正在提供这份早期版本的手稿。手稿在以最终可引用的形式出版之前,将经过编辑、排版和校对结果证明。请注意,在制作过程中可能会发现可能影响内容的错误,适用于该期刊的所有法律免责声明均适用。

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