趙凱冰，臧建峰，崔占軍

1.開(kāi)封大學(xué) 醫(yī)學(xué)部，河南 開(kāi)封 475000；2.河南大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 開(kāi)封475000

在大腦多數(shù)神經(jīng)元的樹(shù)突上都覆蓋有一些小的突起，稱(chēng)為樹(shù)突棘。它是構(gòu)成眾多神經(jīng)元之間發(fā)生突觸連接的主要部位，也是神經(jīng)元興奮性突觸信息輸入的關(guān)鍵部位。樹(shù)突棘的分布和結(jié)構(gòu)在很多疾病包括各種形式的智力障礙性疾病中都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。一些研究人員發(fā)現(xiàn)許多不同的神經(jīng)系統(tǒng)智力障礙性疾病，其樹(shù)突棘的病理改變卻是相似的，基于這一現(xiàn)象，有人［1］提出多種類(lèi)型的智力障礙是由于一個(gè)共同的原因即那些應(yīng)該具有許多樹(shù)突棘的神經(jīng)元形成樹(shù)突棘的能力低下所引起，樹(shù)突棘的這種病理改變可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元之間信息的傳遞出現(xiàn)障礙。

樹(shù)突棘的病理改變是多種因素共同作用的結(jié)果。樹(shù)突棘具有若干不同的功能［2-4］，對(duì)由于疾病、損傷以及實(shí)驗(yàn)等所導(dǎo)致的極端條件下樹(shù)突棘改變的研究有助于我們理解樹(shù)突棘的這些重要的功能。作為形成突觸、進(jìn)行細(xì)胞之間信息傳遞的主要部位，樹(shù)突棘在腦內(nèi)神經(jīng)元之間的連接中至關(guān)重要。隨著疾病的發(fā)展，樹(shù)突棘的形態(tài)亦發(fā)生相應(yīng)的改變，從而對(duì)腦功能產(chǎn)生明顯的影響。了解病理?xiàng)l件下樹(shù)突棘改變的可塑性，非常有助于我們理解大腦在學(xué)習(xí)、記憶過(guò)程中正常突觸的可塑性。

由于樹(shù)突棘是借助于光學(xué)顯微鏡就能看到的罕見(jiàn)的神經(jīng)元之間連接的結(jié)構(gòu)，因此得到了廣泛的研究［5-6］。在現(xiàn)有的研究條件下，一般的疾病對(duì)樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)及分布的影響在光學(xué)顯微鏡下變化不明顯，只有非常嚴(yán)重的疾病才能導(dǎo)致中樞神經(jīng)組織的退化，例如重度營(yíng)養(yǎng)不良、腦水腫時(shí)，在常規(guī)的電子顯微鏡下即可觀察到樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)有明顯的變化。

1 樹(shù)突棘的正常生理狀態(tài)

1.1 樹(shù)突棘的形態(tài)結(jié)構(gòu)

神經(jīng)元樹(shù)突上突起的形態(tài)多種多樣，F(xiàn)iala 等［7］認(rèn)定了九種中樞神經(jīng)系統(tǒng)中從神經(jīng)元樹(shù)突上發(fā)出的突起形成了突觸特化結(jié)構(gòu)。這些突起中既有單一的樹(shù)突棘，也有復(fù)雜的形成多個(gè)突觸的突起。單一的樹(shù)突棘是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要神經(jīng)元上的最常見(jiàn)的、數(shù)量最多的類(lèi)型，也是病理學(xué)研究的焦點(diǎn)所在，本綜述主要圍繞單一的樹(shù)突棘進(jìn)行。

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

1.2 樹(shù)突棘的發(fā)育

神經(jīng)元的樹(shù)突并不是一開(kāi)始就有樹(shù)突棘。新形成的樹(shù)突缺乏樹(shù)突棘樣的突起，其形成的突觸也較少。在突觸形成早期，樹(shù)突上開(kāi)始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的指狀的突起，這些突起稱(chēng)為絲狀偽足，它們可以和另一神經(jīng)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(shí)的絲狀偽足具有高度的能動(dòng)性，其全長(zhǎng)可在10 min 內(nèi)完成伸展和收縮的運(yùn)動(dòng)［9-10］，絲狀偽足的長(zhǎng)度一般要超過(guò)2.0 μm，其內(nèi)部布滿(mǎn)密集的肌動(dòng)蛋白。

在絲狀偽足形成突觸的部位經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)球狀的頭部，在一條絲狀偽足上可以出現(xiàn)多個(gè)球狀的頭部，形成多個(gè)突觸。因此，早期的樹(shù)突棘經(jīng)常形成多個(gè)突觸聯(lián)系，使得突觸發(fā)生期樹(shù)突棘的密度明顯增加。有報(bào)道［11］顯示，出生后15 d 海馬CA1 區(qū)錐體細(xì)胞的樹(shù)突上的樹(shù)突棘的密度是成年期的2 倍。隨著年齡的增長(zhǎng)，樹(shù)突棘的密度相對(duì)降低，到成熟期穩(wěn)定于一定的水平。

1.3 樹(shù)突棘的超微結(jié)構(gòu)

人們對(duì)樹(shù)突棘內(nèi)的細(xì)胞器的研究相對(duì)較少，主要是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)只能通過(guò)電子顯微鏡來(lái)觀察到。樹(shù)突棘中很少有線粒體，但可以觀察到其他的細(xì)胞器，比如許多樹(shù)突棘內(nèi)都有多聚核糖體［12-13］，有些樹(shù)突棘內(nèi)還有吞噬小泡，可能與細(xì)胞吞噬現(xiàn)象和細(xì)胞膜循環(huán)有關(guān)。在較大的樹(shù)突棘中偶爾可發(fā)現(xiàn)多泡體［14］，在一些樹(shù)突棘內(nèi)還出現(xiàn)了滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，小腦蒲肯野細(xì)胞樹(shù)突棘內(nèi)滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)比較常見(jiàn)［15］。樹(shù)突棘內(nèi)的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與樹(shù)突內(nèi)的網(wǎng)狀組織是相延續(xù)的［16］。較大的樹(shù)突棘內(nèi)所包含的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)往往具有特征性的分層結(jié)構(gòu)稱(chēng)為棘器［17-18］。

樹(shù)突棘表面積、體積和突觸前小泡的數(shù)量都與所形成的突觸面積高度相關(guān)，而樹(shù)突棘的長(zhǎng)度和柄部直徑與突觸大小無(wú)關(guān)［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(shù)突棘可形成較大的突觸。

2 樹(shù)突棘的病理變化

在通常情況下樹(shù)突棘的某些病理方面的改變比較常見(jiàn)，尤其是樹(shù)突棘的缺失和延長(zhǎng)這兩種情況常見(jiàn)于先天性神經(jīng)發(fā)育不全、營(yíng)養(yǎng)不良、酗酒、中毒和海綿狀腦病中。在不同的疾病情況下出現(xiàn)相似的樹(shù)突棘改變，提示我們是否存在共同的致病原因。例如，精神發(fā)育遲滯的樹(shù)突棘病理學(xué)是否與去分化的樹(shù)突棘病理學(xué)有相似的病因？

出現(xiàn)上述情況的原因可能是樹(shù)突和樹(shù)突棘固有的發(fā)育缺陷。這一假說(shuō)將大多數(shù)智力低下患者的樹(shù)突棘病理解釋為病變神經(jīng)元的功能異常。但這種樹(shù)突棘的特征性改變模式在很多的病理?xiàng)l件下都被發(fā)現(xiàn)，所以不能簡(jiǎn)單認(rèn)為這些改變僅僅代表突觸后細(xì)胞的發(fā)育失敗。

在另一種假設(shè)中，在智力低下等出現(xiàn)的樹(shù)突棘病理學(xué)特征主要是由于傳入神經(jīng)元軸突的丟失所致。與急性去分化一樣，失去軸突突觸的樹(shù)突棘會(huì)收縮，樹(shù)突棘密度會(huì)降低。在某些情況下，樹(shù)突棘可能通過(guò)與神經(jīng)膠質(zhì)或非軸突終末成分的低親和力突觸樣連接而穩(wěn)定。受影響神經(jīng)元附近較低密度的軸突也可能刺激樹(shù)突棘的伸長(zhǎng)，以到達(dá)更遠(yuǎn)的軸突，從而形成新的突觸。

2.1 樹(shù)突棘密度改變

2.1.1 樹(shù)突棘密度降低

許多病理狀態(tài)都可導(dǎo)致樹(shù)突棘密度降低。樹(shù)突棘缺失通?？赡苁怯捎谠跇?shù)突棘上與之形成突觸的軸突的缺失引起的，這種情況的樹(shù)突棘缺失一般發(fā)生在突觸前神經(jīng)元軸突缺失的幾天之內(nèi)，而且樹(shù)突棘缺失后很少發(fā)生恢復(fù)［21］。這種不可復(fù)性樹(shù)突棘缺失在大多數(shù)智力低下的患者中很明顯，尤其常見(jiàn)于產(chǎn)前感染、營(yíng)養(yǎng)不良和毒素暴露的患者，樹(shù)突棘密度降低也多見(jiàn)于發(fā)育性疾病、酒精暴露、癲癇、朊病毒病和神經(jīng)退行性疾病。以上這些特定的病理情況可明顯減少神經(jīng)元的數(shù)量，從而出現(xiàn)突觸前神經(jīng)元軸突輸入的數(shù)量和可用性的嚴(yán)重下降，導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元樹(shù)突棘的大量丟失。在一些進(jìn)行性加重的疾病中，樹(shù)突棘損傷是從軸突變性開(kāi)始的，之后才可以檢測(cè)到神經(jīng)元的損傷［22-25］。此外，在沒(méi)有突觸前神經(jīng)元軸突輸入丟失的情況下，樹(shù)突棘也可能出現(xiàn)丟失。例如，在發(fā)情周期期間，海馬CA1 區(qū)錐體細(xì)胞頂端樹(shù)突上的樹(shù)突棘密度減少30%，可能與體內(nèi)雌激素的水平有關(guān)［26］。

2.1.2 樹(shù)突棘密度升高

疾病或損傷導(dǎo)致樹(shù)突棘密度增加的情況相對(duì)不多見(jiàn)，但也時(shí)有發(fā)生。在大腦許多區(qū)域正常的發(fā)育過(guò)程中，突觸數(shù)量會(huì)顯著增加，樹(shù)突棘密度相應(yīng)增加，然后選擇性修剪到正常成熟水平［27］。若破壞這種發(fā)育性修剪可能會(huì)導(dǎo)致樹(shù)突棘密度異常增加。例如，卵巢切除會(huì)破壞視覺(jué)皮層發(fā)育性突觸的修剪［28］，同樣對(duì)死于嬰兒猝死綜合征的尸體解剖中可現(xiàn)其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、迷走神經(jīng)核和延髓腹外側(cè)部的樹(shù)突棘密度過(guò)高，似乎代表著發(fā)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(shù)突棘密度增加的原因也可能是發(fā)育性突觸修剪的失敗。

發(fā)育過(guò)程中復(fù)雜的環(huán)境也可導(dǎo)致枕皮質(zhì)和海馬CA1 區(qū)錐體細(xì)胞上的樹(shù)突棘和突觸密度增加［35］。但復(fù)雜的環(huán)境不會(huì)增加胎兒酒精綜合征患者的樹(shù)突棘密度［35］。一些可導(dǎo)致樹(shù)突棘密度降低的因素，如胎兒酒精綜合征等，也降低了樹(shù)突棘由于復(fù)雜環(huán)境刺激導(dǎo)致密度增加的可能性。

2.2 樹(shù)突棘體積改變

研究表明，樹(shù)突棘的形態(tài)不僅依賴(lài)于傳入軸突（與樹(shù)突棘形成突觸的突觸前成分）的結(jié)構(gòu)完整性，而且還依賴(lài)于它們的功能完整性。為了證明以上觀點(diǎn)，研究者設(shè)計(jì)了視覺(jué)剝奪的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)瞼裂閉合完成的視覺(jué)剝奪的實(shí)驗(yàn)顯示視覺(jué)皮層樹(shù)突棘密度的變化［36-40］。一些研究［39，41-42］表明，出生后就進(jìn)行視覺(jué)剝奪會(huì)出現(xiàn)突觸和樹(shù)突棘體積減小，顯然，在視皮層沒(méi)有形成正常水平的功能性突觸的情況下，視覺(jué)剝奪會(huì)導(dǎo)致視皮層神經(jīng)元樹(shù)突棘體積減小，而樹(shù)突棘的數(shù)量保持相對(duì)不變。另外一些研究［43］顯示，在視皮層突觸形成過(guò)程中進(jìn)行視覺(jué)剝奪會(huì)減少樹(shù)突狀突起的運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)減少突起的大小或密度。還有一些研究［44-45］報(bào)道，精神分裂癥患者的紋狀體和唐氏綜合征嬰兒的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中，神經(jīng)元樹(shù)突棘體積會(huì)減小。

2.3 樹(shù)突棘形態(tài)改變

許多智力低下的患者其主要神經(jīng)元大多出現(xiàn)樹(shù)突和樹(shù)突棘形態(tài)的扭曲。樹(shù)突棘出現(xiàn)異常的增長(zhǎng)和曲折，有時(shí)還伴有多發(fā)性腫脹或出現(xiàn)增大的頭部等。一般來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)這種形態(tài)改變的樹(shù)突棘可能是對(duì)相應(yīng)軸突丟失的一種反應(yīng)。這種扭曲的樹(shù)突棘的形態(tài)與神經(jīng)元的早期發(fā)育狀態(tài)相似，其中樹(shù)突顯示出長(zhǎng)的絲狀突起，有時(shí)伴有多個(gè)梭狀突起。這種智力低下時(shí)出現(xiàn)的類(lèi)似于神經(jīng)元早期的發(fā)育過(guò)程狀態(tài)的細(xì)長(zhǎng)樹(shù)突棘［8，46］的可能的機(jī)制是：在受影響的樹(shù)突附近出現(xiàn)軸突的密度降低，從而激發(fā)了類(lèi)似于在神經(jīng)元發(fā)育過(guò)程中所見(jiàn)到的代償機(jī)制。在這種機(jī)制中，樹(shù)突棘拉長(zhǎng)并蛇形穿過(guò)神經(jīng)氈以便到達(dá)更遠(yuǎn)的軸突，形成突觸。

2.4 異位樹(shù)突棘

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

異位樹(shù)突棘的其他原因包括異常的神經(jīng)支配模式和代謝儲(chǔ)存障礙等。實(shí)驗(yàn)性癲癇的軸突萌動(dòng)亦可導(dǎo)致齒狀回顆粒細(xì)胞上樹(shù)突棘異常［53］。此外，顆粒細(xì)胞胞體棘突可在癲癇發(fā)作開(kāi)始后3 h 內(nèi)出現(xiàn)［54-55］，神經(jīng)節(jié)瘤?。?6］和鞘氨醇髓鞘脂肪病［57］中發(fā)現(xiàn)異位樹(shù)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(xiàn)可能表明代償性突觸形成是對(duì)軸突輸入喪失的一種反應(yīng)。

2.5 樹(shù)突棘細(xì)胞器的改變

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

3 樹(shù)突棘研究過(guò)程中存在的問(wèn)題

通過(guò)各種方法獲取的研究數(shù)據(jù)絕大多數(shù)的人體組織來(lái)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(shù)廣泛應(yīng)用于人與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，適用于做出樹(shù)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(jì)數(shù)樹(shù)突棘的困難，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。因此，在這種情況下，為防止樹(shù)突棘的不完全染色或計(jì)數(shù)，得到可靠的結(jié)論，應(yīng)始終準(zhǔn)備對(duì)照組進(jìn)行充分的比較。即便如此，樹(shù)突棘數(shù)量的微小增加或減少也很難被光學(xué)顯微鏡準(zhǔn)確檢測(cè)到。同樣的利用普通光學(xué)顯微鏡研究觀察樹(shù)突棘，用于量化樹(shù)突棘形狀、樹(shù)突棘頭部大小、樹(shù)突棘柄的長(zhǎng)度和直徑以及突觸的大小、形狀和分布的變化，存在精準(zhǔn)性的問(wèn)題。很少有更合適的三維技術(shù)被應(yīng)用到樹(shù)突棘觀察的這些問(wèn)題上，因此，許多發(fā)現(xiàn)仍有爭(zhēng)議。

樹(shù)突棘研究中存在的另一個(gè)問(wèn)題是研究對(duì)象死亡后腦組織的停藥和固定之間的時(shí)間間隔問(wèn)題，若固定時(shí)間延遲會(huì)給神經(jīng)元的狀態(tài)帶來(lái)較大的改變。當(dāng)然，活檢材料由于固定迅速，肯定保存的會(huì)更好。無(wú)論如何，我們都必須考慮幾分鐘的缺氧以及可能的機(jī)械損傷的因素，因?yàn)樗赡軐?duì)樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。

4 結(jié)語(yǔ)

目前研究的樹(shù)突棘病理分類(lèi)主要有兩種類(lèi)型。其中一種病理學(xué)表現(xiàn)為神經(jīng)元連接中斷，這種病理最常見(jiàn)的特征是樹(shù)突棘丟失和光鏡下常見(jiàn)的樹(shù)突棘形態(tài)紊亂；另一種病理學(xué)類(lèi)型是樹(shù)突棘所在的神經(jīng)元損傷或改變，這種病理學(xué)的特點(diǎn)是樹(shù)突棘的超微結(jié)構(gòu)改變，如局部腫脹等，有時(shí)甚至可以用光學(xué)顯微鏡看到。

鑒于樹(shù)突棘在主要神經(jīng)元興奮性輸入中的中心地位，樹(shù)突棘病理學(xué)正在成為神經(jīng)病理學(xué)中一個(gè)異常重要的分支。研究樹(shù)突棘的病理學(xué)改變無(wú)疑將有助于進(jìn)一步了解樹(shù)突棘的正常功能和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制。