成年哺乳动物脑内神经元的增殖
作者：何海燕 黄华 孙久荣
单位：北京大学生命科学学院，北京100871
关键词：神经元增殖；前体细胞；神经可塑性
生理科学进展000311 摘要 成年哺乳动物的齿状回中仍保有一群具有增生能力并能分化成神经元的前体细胞，增生后分化成的神经元移入颗粒细胞层并发出轴突到苔藓纤维通路组成突触连接。在正常生理条件下这些细胞的再生能力很低，但在特殊环境或某些病理条件下增殖水平急剧升高，产生大量新生神经元。本文综述迄今为止有关这一类神经元前体细胞的研究结果。
学科分类号 Q253; Q426
一般认为，成年哺乳动物大脑皮层中的神经元的丧失是永久性的。有许多因素导致大脑神经元群的不可再生性，发育完成后前体细胞的消失可能是其中之一。近年来发现，成年哺乳动物的海马组织的齿状回(DG)中仍然保有一群具有增生能力并能进一步分化成神经元的前体细胞。本文简介迄今为止有关这一类神经元前体细胞的研究结果。
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一、成年哺乳动物海马中存在前体细胞
新近发现，哺乳动物海马组织齿状回(DG)颗粒细胞终身有增殖的能力。这一现象在大鼠(Nilsson等.1999)、小鼠[1]、沙鼠(Dawirs等.1998)、树鼩(Gould等.1997)、猴(Gould等.1998)和人类(Eriksson等.1998)中均有报道。并发现，将从啮齿类动物海马中分离培养的细胞进行遗传标记后,移植到成年动物脑中,细胞可存活并表现出前体细胞的特征,分化成为神经元或神经胶质细胞[2]。有关这些细胞的存活、增殖、迁移、分化的影响因素正被逐步澄清,但其生物学功能尚不完全明了。
二、影响成年哺乳动物海马中的前体细胞增殖的因素
(一)学习因子 “复杂环境”(enriched environment)是近年来用于研究哺乳动物海马中前体细胞增生的一个常用模型。在复杂环境中生活一个月后,成年大鼠海马DG神经元的净增长显著增加,空间学习能力明显增强(Gould等.1999，Nilsson等.1999)。自觉的跑步训练对成年小鼠造成的影响与复杂环境相似(Parent等.1999)，说明主动性学习对神经元增殖和神经可塑性有促进作用。主动学习因素对原本学习能力较差的个体作用更加明显[3]。躲避训练可在5～7小时内诱导成年大鼠DG的脊部出现大量的多染色体颗粒细胞,超微结构分析表明,胞质和树突中的核糖体和微管都有不同程度的增多(O'Connell等.1997)。这一细胞超微结构的变化可能与记忆的形成有关。
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(二)紧张因素 动物处于持续的紧张状态(危险环境中)会导致细胞增生明显下降。将成年绒猴置于“抗击侵略者”模型中几小时即造成DG新生细胞数目显著下降。正常时,这些新生细胞的80% 将分化成颗粒神经元(Gould等.1998)。新生乳鼠置于其捕食者成年雄鼠的气味中甚至会导致海马DG结构发育的异常(Tanapat等.1998)。
(三)年龄因素 前体细胞的增生能力随年龄的增高而显著下降。年轻和年老大鼠的DG中都能观测到新生的颗粒细胞,数量随年龄增长而减少(Seki等.1995)。在人脑切片中也观察到随年龄增长海马神经细胞增生比率降低趋势(Eriksson等.1998)。前体细胞增生能力随年龄的下降伴随着一种神经细胞表面粘性分子(poly-sialylated)免疫反应活性的下降,后者在发育过程的神经元迁移及轴突延伸中起重要作用。但其它具有丝分裂活性的脑区[如：门区(hillus)和侧脑室壁]未见与年龄相关的增生下降现象,因而，此现象不应是由一般老化导致的代谢损伤所致,而与前体细胞自身的生物钟有关(Kuhn等.1996)。
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(四)遗传因素 不同基因型对小鼠神经元的增殖有明显的影响。在做比较的几个品系中,前体细胞增生能力最强的和新生神经元存活率最高的品系各不相同。其中，129/SVJ型小鼠在正常情况下增生的细胞分化成神经胶质细胞的比率最大,同时,该系小鼠又是学习能力最差且最易受外界因素影响而使神经元增殖水平升高的品系[4]，暗示学习能力可能与新生细胞分化成神经元的比率有关。
三、脑损伤对成年哺乳动物海马中细胞增殖的影响
脑损伤可诱发DG颗粒细胞的增殖。这种增殖中常伴有颗粒细胞的死亡，有人提出细胞死亡可诱导细胞前体的再生。末端脱氧核苷酰转移酶介导的dUTP缺刻末端标记实验显示，伤后3周，所有应答损伤而新生的细胞均显示出神经元的形态特征并表达多种成熟神经元的特异性标记蛋白[5]。 成年沙鼠在脑半球瞬时缺血再灌后1～2周，在DG区新生细胞增多了12倍。这些新生细胞从下颗粒区迁移到颗粒细胞层并在此分化成神经元[6]。DG神经元增殖水平的上调可能是对缺血引起的损伤的代偿性适应，有助于促进海马损伤后的功能恢复。
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在人类颞叶癫痫和啮齿类癫痫模型中，DG颗粒细胞轴突(苔藓纤维)会发生异常的重组；惊厥还诱发DG颗粒细胞神经元增殖能力的大幅度增强(Parent等.1997)。在成年大鼠的颞叶癫痫模型中发现，单侧脑室注射海人酸1周后，同侧的颗粒细胞增殖提高6倍，对侧也至少提高3倍。但癫痫引起的海马苔藓纤维的异常重组有赖于成熟的颗粒细胞而不是新发生的神经元[1]。本室在单侧硬性挫伤大鼠运动皮层的脑损伤模型中发现，神经生长相关蛋白GAP-43mRNA在 DG中表达上调，伤侧高于对侧。这一高表达可能源自原神经元表达的上调和损伤诱发新生神经元的表达。
四、有关哺乳动物海马中的前体细胞增殖机制的研究
(一)谷氨酸受体(NMDAR)和肾上腺素 胚胎期注射NMDAR的拮抗剂MK-801大大降低哺乳动物成年后纹状体中GABA能神经元的密度,推测谷氨酸可由NMDAR中介而影响纹状体神经元的增殖(Sakikot等.1998)；而MK-801可引起DG区被溴脱氧尿嘧啶(BrdU)标定的细胞数增多(Gould等.1997)， NMDAR的激活可迅速降低合成DNA的细胞的数量(Cameron等.1995)。
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将新生小鼠置于成年雄鼠的气味中，观察到DG新生细胞数下降之前皮质酮水平有迅速上升(Tanapat等.1998)；用肾上腺皮质酮做急性处理可使DG门区新生细胞的密度显著下降(Cameron等.1994)；移去内生的肾上腺素则刺激细胞增殖；摘除肾上腺导致颗粒细胞层中新生的神经元显著增多(Montaron等.1999)。
Cameron等研究了肾上腺素和NMDAR 在调节前体细胞增殖途径中的相关性。结果显示，NMDAR和肾上腺素可能通过一条公共的信号转导途径参与成年动物海马中神经元增殖的调节，且NMDAR在该途径中可能处于肾上腺素的下游[7]。
(二)生长因子 表皮生长因子(EGF)和纤维原生长因子-2(FGF-2)对成年大鼠脑内的神经元的增殖和分化都有影响。脑室注射EGF和FGF-2均引起脑室下区前体细胞的扩增。这些扩增的细胞可迁移入新皮层做进一步分化。EGF可促进前体细胞向神经胶质细胞的分化； FGF-2则促进前体细胞分化成神经元[8]。
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(三)5-羟色胺(5-HT) 出生前耗尽5-HT可延迟其靶神经元增殖的启动, 若施予5-HT则促进皮层及海马神经元的分化。在成年大鼠中，5-HT参与神经可塑性的机制,其作用在于保持皮层—海马的突触联系，认知混乱可能与海马中缺乏5-HT有关。抑制5-HT合成或选择性损伤5-HT能神经元则引起DG及脑室下区神经元增殖活性下降[9]。
最近，Gould小组在对成年恒河猴的研究中发现，在脑室下带中也存在一些前体细胞，它们可以在适当条件下增殖并穿过白质进入包括额叶、颞叶和后顶叶联络皮层[10]。对脑内这种前体细胞群的研究将加深甚至可能突破传统上对学习和记忆以及脑损伤后机能修复等与神经系统可塑性有关机制的理解。
国家自然科学基金资助课题(G1999053905)
参考文献
1，van Praag H, Kempermann G, Gage FH. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nat Neurosci, 1999,2∶266～270.
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2，Gage FH, Kempermann G, Palmer TD, Peterson DA. Multipotent progenitor cells in the adult dentate gyrus. J Neurobiol, 1998,36∶249～266.
3，Kempermann G, Kuhn HG, Gage FH. Experience-induced neurogenesis in the senescent dentate gyrus. J Neurosci, 1998,18∶3206～3212.
4，Kempermann G, Kuhn HG, Gage FH. Genetic influence on neurogenesis in the dentate gyrus. Proc Natl Acad Sci USA, 1997,94∶10409～10414.
, http://www.100md.com
5，Gould E, Tanapat P. Lesion-induced proliferation of neuronal progenitors in the dentate gyrus of the adult rat. Nat Neuroscience, 1997,80∶427～436.
6，Liu J, Solway K, Messing RO, Sharp FR. Increased neurogenesis in the dentate gyrus after transient global ischemia in gerbils. J Neurosci, 1998,18∶7768～7778.
7，Cameron HA, Tanapat P, Gould E. Adrenal steroids and N-methyl-D-aspartate receptor activation regulate neurogenesis in the dentate gyrus of adult rats through a common pathway. Neuroscience, 1998,82∶349～354.
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8，Kuhn HG, Winkler J, Kempermann G, et al. Epidermal growth factor and fibroblast growth factor-2 have different effects on neural progenitors in the adult rat brain. Neurosci, 1997,17∶5820～5829.
9，Brezun JM, Daszuta A. Depletion in serotonin decreases neurogenesis in the dentate gyrus and the subventricular zone of adult rats. Neuroscience, 1999,89∶999～1002.
10，Gould E, Reeves AJ, Graziano MSA, et al. Neurogenesis in the neocortex of adult primates. Science, 1999,286∶548～559., http://www.100md.com
单位：北京大学生命科学学院，北京100871
关键词：神经元增殖；前体细胞；神经可塑性
生理科学进展000311 摘要 成年哺乳动物的齿状回中仍保有一群具有增生能力并能分化成神经元的前体细胞，增生后分化成的神经元移入颗粒细胞层并发出轴突到苔藓纤维通路组成突触连接。在正常生理条件下这些细胞的再生能力很低，但在特殊环境或某些病理条件下增殖水平急剧升高，产生大量新生神经元。本文综述迄今为止有关这一类神经元前体细胞的研究结果。
学科分类号 Q253; Q426
一般认为，成年哺乳动物大脑皮层中的神经元的丧失是永久性的。有许多因素导致大脑神经元群的不可再生性，发育完成后前体细胞的消失可能是其中之一。近年来发现，成年哺乳动物的海马组织的齿状回(DG)中仍然保有一群具有增生能力并能进一步分化成神经元的前体细胞。本文简介迄今为止有关这一类神经元前体细胞的研究结果。
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一、成年哺乳动物海马中存在前体细胞
新近发现，哺乳动物海马组织齿状回(DG)颗粒细胞终身有增殖的能力。这一现象在大鼠(Nilsson等.1999)、小鼠[1]、沙鼠(Dawirs等.1998)、树鼩(Gould等.1997)、猴(Gould等.1998)和人类(Eriksson等.1998)中均有报道。并发现，将从啮齿类动物海马中分离培养的细胞进行遗传标记后,移植到成年动物脑中,细胞可存活并表现出前体细胞的特征,分化成为神经元或神经胶质细胞[2]。有关这些细胞的存活、增殖、迁移、分化的影响因素正被逐步澄清,但其生物学功能尚不完全明了。
二、影响成年哺乳动物海马中的前体细胞增殖的因素
(一)学习因子 “复杂环境”(enriched environment)是近年来用于研究哺乳动物海马中前体细胞增生的一个常用模型。在复杂环境中生活一个月后,成年大鼠海马DG神经元的净增长显著增加,空间学习能力明显增强(Gould等.1999，Nilsson等.1999)。自觉的跑步训练对成年小鼠造成的影响与复杂环境相似(Parent等.1999)，说明主动性学习对神经元增殖和神经可塑性有促进作用。主动学习因素对原本学习能力较差的个体作用更加明显[3]。躲避训练可在5～7小时内诱导成年大鼠DG的脊部出现大量的多染色体颗粒细胞,超微结构分析表明,胞质和树突中的核糖体和微管都有不同程度的增多(O'Connell等.1997)。这一细胞超微结构的变化可能与记忆的形成有关。
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(二)紧张因素 动物处于持续的紧张状态(危险环境中)会导致细胞增生明显下降。将成年绒猴置于“抗击侵略者”模型中几小时即造成DG新生细胞数目显著下降。正常时,这些新生细胞的80% 将分化成颗粒神经元(Gould等.1998)。新生乳鼠置于其捕食者成年雄鼠的气味中甚至会导致海马DG结构发育的异常(Tanapat等.1998)。
(三)年龄因素 前体细胞的增生能力随年龄的增高而显著下降。年轻和年老大鼠的DG中都能观测到新生的颗粒细胞,数量随年龄增长而减少(Seki等.1995)。在人脑切片中也观察到随年龄增长海马神经细胞增生比率降低趋势(Eriksson等.1998)。前体细胞增生能力随年龄的下降伴随着一种神经细胞表面粘性分子(poly-sialylated)免疫反应活性的下降,后者在发育过程的神经元迁移及轴突延伸中起重要作用。但其它具有丝分裂活性的脑区[如：门区(hillus)和侧脑室壁]未见与年龄相关的增生下降现象,因而，此现象不应是由一般老化导致的代谢损伤所致,而与前体细胞自身的生物钟有关(Kuhn等.1996)。
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(四)遗传因素 不同基因型对小鼠神经元的增殖有明显的影响。在做比较的几个品系中,前体细胞增生能力最强的和新生神经元存活率最高的品系各不相同。其中，129/SVJ型小鼠在正常情况下增生的细胞分化成神经胶质细胞的比率最大,同时,该系小鼠又是学习能力最差且最易受外界因素影响而使神经元增殖水平升高的品系[4]，暗示学习能力可能与新生细胞分化成神经元的比率有关。
三、脑损伤对成年哺乳动物海马中细胞增殖的影响
脑损伤可诱发DG颗粒细胞的增殖。这种增殖中常伴有颗粒细胞的死亡，有人提出细胞死亡可诱导细胞前体的再生。末端脱氧核苷酰转移酶介导的dUTP缺刻末端标记实验显示，伤后3周，所有应答损伤而新生的细胞均显示出神经元的形态特征并表达多种成熟神经元的特异性标记蛋白[5]。 成年沙鼠在脑半球瞬时缺血再灌后1～2周，在DG区新生细胞增多了12倍。这些新生细胞从下颗粒区迁移到颗粒细胞层并在此分化成神经元[6]。DG神经元增殖水平的上调可能是对缺血引起的损伤的代偿性适应，有助于促进海马损伤后的功能恢复。
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在人类颞叶癫痫和啮齿类癫痫模型中，DG颗粒细胞轴突(苔藓纤维)会发生异常的重组；惊厥还诱发DG颗粒细胞神经元增殖能力的大幅度增强(Parent等.1997)。在成年大鼠的颞叶癫痫模型中发现，单侧脑室注射海人酸1周后，同侧的颗粒细胞增殖提高6倍，对侧也至少提高3倍。但癫痫引起的海马苔藓纤维的异常重组有赖于成熟的颗粒细胞而不是新发生的神经元[1]。本室在单侧硬性挫伤大鼠运动皮层的脑损伤模型中发现，神经生长相关蛋白GAP-43mRNA在 DG中表达上调，伤侧高于对侧。这一高表达可能源自原神经元表达的上调和损伤诱发新生神经元的表达。
四、有关哺乳动物海马中的前体细胞增殖机制的研究
(一)谷氨酸受体(NMDAR)和肾上腺素 胚胎期注射NMDAR的拮抗剂MK-801大大降低哺乳动物成年后纹状体中GABA能神经元的密度,推测谷氨酸可由NMDAR中介而影响纹状体神经元的增殖(Sakikot等.1998)；而MK-801可引起DG区被溴脱氧尿嘧啶(BrdU)标定的细胞数增多(Gould等.1997)， NMDAR的激活可迅速降低合成DNA的细胞的数量(Cameron等.1995)。
, 百拇医药
将新生小鼠置于成年雄鼠的气味中，观察到DG新生细胞数下降之前皮质酮水平有迅速上升(Tanapat等.1998)；用肾上腺皮质酮做急性处理可使DG门区新生细胞的密度显著下降(Cameron等.1994)；移去内生的肾上腺素则刺激细胞增殖；摘除肾上腺导致颗粒细胞层中新生的神经元显著增多(Montaron等.1999)。
Cameron等研究了肾上腺素和NMDAR 在调节前体细胞增殖途径中的相关性。结果显示，NMDAR和肾上腺素可能通过一条公共的信号转导途径参与成年动物海马中神经元增殖的调节，且NMDAR在该途径中可能处于肾上腺素的下游[7]。
(二)生长因子 表皮生长因子(EGF)和纤维原生长因子-2(FGF-2)对成年大鼠脑内的神经元的增殖和分化都有影响。脑室注射EGF和FGF-2均引起脑室下区前体细胞的扩增。这些扩增的细胞可迁移入新皮层做进一步分化。EGF可促进前体细胞向神经胶质细胞的分化； FGF-2则促进前体细胞分化成神经元[8]。
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(三)5-羟色胺(5-HT) 出生前耗尽5-HT可延迟其靶神经元增殖的启动, 若施予5-HT则促进皮层及海马神经元的分化。在成年大鼠中，5-HT参与神经可塑性的机制,其作用在于保持皮层—海马的突触联系，认知混乱可能与海马中缺乏5-HT有关。抑制5-HT合成或选择性损伤5-HT能神经元则引起DG及脑室下区神经元增殖活性下降[9]。
最近，Gould小组在对成年恒河猴的研究中发现，在脑室下带中也存在一些前体细胞，它们可以在适当条件下增殖并穿过白质进入包括额叶、颞叶和后顶叶联络皮层[10]。对脑内这种前体细胞群的研究将加深甚至可能突破传统上对学习和记忆以及脑损伤后机能修复等与神经系统可塑性有关机制的理解。
国家自然科学基金资助课题(G1999053905)
参考文献
1，van Praag H, Kempermann G, Gage FH. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nat Neurosci, 1999,2∶266～270.
, http://www.100md.com
2，Gage FH, Kempermann G, Palmer TD, Peterson DA. Multipotent progenitor cells in the adult dentate gyrus. J Neurobiol, 1998,36∶249～266.
3，Kempermann G, Kuhn HG, Gage FH. Experience-induced neurogenesis in the senescent dentate gyrus. J Neurosci, 1998,18∶3206～3212.
4，Kempermann G, Kuhn HG, Gage FH. Genetic influence on neurogenesis in the dentate gyrus. Proc Natl Acad Sci USA, 1997,94∶10409～10414.
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5，Gould E, Tanapat P. Lesion-induced proliferation of neuronal progenitors in the dentate gyrus of the adult rat. Nat Neuroscience, 1997,80∶427～436.
6，Liu J, Solway K, Messing RO, Sharp FR. Increased neurogenesis in the dentate gyrus after transient global ischemia in gerbils. J Neurosci, 1998,18∶7768～7778.
7，Cameron HA, Tanapat P, Gould E. Adrenal steroids and N-methyl-D-aspartate receptor activation regulate neurogenesis in the dentate gyrus of adult rats through a common pathway. Neuroscience, 1998,82∶349～354.
, 百拇医药
8，Kuhn HG, Winkler J, Kempermann G, et al. Epidermal growth factor and fibroblast growth factor-2 have different effects on neural progenitors in the adult rat brain. Neurosci, 1997,17∶5820～5829.
9，Brezun JM, Daszuta A. Depletion in serotonin decreases neurogenesis in the dentate gyrus and the subventricular zone of adult rats. Neuroscience, 1999,89∶999～1002.
10，Gould E, Reeves AJ, Graziano MSA, et al. Neurogenesis in the neocortex of adult primates. Science, 1999,286∶548～559., http://www.100md.com