遲長安，彭思祺，申長慶，王世成，涂靜怡，肖 雄，邱小燕*

(1.西南大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，重慶 400715； 2.西南大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，重慶 400715)

1 家畜認(rèn)知功能及認(rèn)知障礙概述

認(rèn)知(cognition)是個體認(rèn)識客觀世界的信息加工活動。廣義的認(rèn)知包括感知、學(xué)習(xí)、記憶和決策，簡言之，就是個體通過一系列活動，如感覺、知覺、記憶、思維、想象和語言等獲取知識的能力或過程，這個過程就是認(rèn)知過程。對動物而言，動物認(rèn)知是指動物受到環(huán)境變化的刺激或應(yīng)激時，動物個體做出的關(guān)聯(lián)性學(xué)習(xí)和記憶，并做出適當(dāng)?shù)臎Q定與反應(yīng)的能力。家畜的認(rèn)知功能和認(rèn)知學(xué)習(xí)行為也逐漸被研究，前期采用目前國際上公認(rèn)并廣泛使用的羊認(rèn)知功能的行為學(xué)表型測試方法——“認(rèn)知識別測試”以及“左右空間Y-型測試”發(fā)現(xiàn)澳洲美利奴羊具有良好的認(rèn)知識別能力，隨后研究發(fā)現(xiàn)，同群測試羊中大概有15%～20%的個體具有認(rèn)知功能障礙，且認(rèn)知障礙對其母性表達(dá)、繁殖性能和生產(chǎn)性能具有重要影響，近期在白絨山羊上開展的認(rèn)知行為相關(guān)研究也獲得了類似的結(jié)論。除了羊，目前國內(nèi)外在豬、牛、馬等多種動物個體上也進(jìn)行了認(rèn)知識別相關(guān)研究。

家畜認(rèn)知功能的調(diào)控非常復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，與認(rèn)知功能關(guān)系較密切的腦區(qū)為前額葉皮質(zhì)和海馬。Gueniot等和Farfara等研究表明，認(rèn)知障礙個體中，腦的損害是多位點(diǎn)、多層次的，涉及血腦屏障、血管、神經(jīng)元，即所謂的“神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)”。另外，最新研究表明，線粒體功能異常包括氧化應(yīng)激、Ca紊亂、動力學(xué)損傷及自噬缺陷，以及表觀遺傳修飾包括DNA修飾、組蛋白修飾和mRNA翻譯等均可能通過對大腦認(rèn)知區(qū)域基因表達(dá)的改變等從而對認(rèn)知功能的調(diào)控發(fā)揮重要作用。因此，本文就近年來國內(nèi)外在牛、羊、馬、豬等多個物種個體上進(jìn)行的認(rèn)知識別研究及其對畜牧生產(chǎn)和繁殖性能的影響進(jìn)行綜述，并從“神經(jīng)血管單元”、表觀遺傳修飾和線粒體功能等方面對認(rèn)知功能的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了較為全面的闡述，為家畜認(rèn)知行為和認(rèn)知功能的深入研究提供重要的參考。

2 家畜認(rèn)知功能及認(rèn)知障礙的國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 牛的認(rèn)知及認(rèn)知障礙

2.1.1 牛認(rèn)知功能的表型測試裝置 牛認(rèn)知功能的測試裝置如圖1所示，走廊盡頭是一扇膠合板門(A、B之間)，門上有一扇23 cm×28 cm小窗戶?！芭嘤?xùn)師”留在門后面，門向識別測試區(qū)域敞開。該競技場遠(yuǎn)端膠合板屏障高出地面40 cm，在初始培訓(xùn)期間，喂料箱被放置在A，在識別測試階段，喂料箱被放置在B。蓋子是可操作目標(biāo)，懸掛在與眼睛水平的位置。用斜線標(biāo)記的區(qū)域為“訓(xùn)練區(qū)”。測試牛在多次訓(xùn)練后是否能建立辨別食物的認(rèn)知。

圖1 牛認(rèn)知識別測試裝置的平面設(shè)計圖[15]Fig.1 Schema of cow cognitive recognition test apparatus[15]

2.1.2 牛認(rèn)知功能的表型測試方法 被測試牛首先需為最后的識別測試任務(wù)做準(zhǔn)備，包括4個主要步驟：1)習(xí)慣化：通過讓小母牛連續(xù)2 d進(jìn)入訓(xùn)練小巷來完成，然后開始日常訓(xùn)練。在訓(xùn)練區(qū)內(nèi)放置一個飼料箱(圖1)，并記錄接近該區(qū)域的延遲時間，接近時間定義為小母牛頭朝著該方向穿過距離大門約1 m的小巷一側(cè)柱子的時間；2)點(diǎn)擊器訓(xùn)練：當(dāng)牛接近飼料箱時，培訓(xùn)師用響片發(fā)出信號，表示將提供食物獎勵。在牛經(jīng)歷至少20對“咔嗒”與“谷物”的配對之后，開始學(xué)習(xí)操作反應(yīng)；3)操作性反應(yīng)和可變間隔訓(xùn)練：使用透明的藍(lán)色塑料蓋(8.25 cm×15.5 cm)，懸掛在牛眼睛水平的繩子上，作為目標(biāo)。牛用嘴觸碰繩子或蓋子會得到獎勵，每次點(diǎn)擊后會得到最多10次谷物獎勵。一旦建立這一反應(yīng)，就引入了可變間隔(variable interval， VI)訓(xùn)練，這樣牛第一次觸到蓋子就會得到獎勵，之后就有一個沒有獎勵的間隔。引入可變間隔隨機(jī)產(chǎn)生，范圍為20～40 s，平均30 s (VI-30)；4)識別測試：一旦牛熟悉了VI-30訓(xùn)練，牛就被訓(xùn)練通過敞開的大門進(jìn)入競技場，在那里進(jìn)行識別測試以獲得獎勵。

從操作性反應(yīng)開始，所有牛在進(jìn)入小巷時最多有6 min的時間接近訓(xùn)練區(qū)。如果他們未能進(jìn)入訓(xùn)練區(qū)，他們將被送回原地。當(dāng)牛完成訓(xùn)練后，引入辨別性刺激。這些刺激是牛必須從飼料箱上推開蓋子，由純白色塑料制成或覆蓋著一層紅色泡沫。它們的顏色和質(zhì)地都各不相同，紅色的泡沫蓋總是表示箱子里有谷物，因此是“正確的選擇”，而普通的白色蓋放在裝有稻草的箱子上，是“不正確的選擇”。以做出正確選擇與否以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標(biāo)，統(tǒng)計分析認(rèn)知識別能力的差異。

2.1.3 牛認(rèn)知障礙對繁殖和生產(chǎn)性能的影響 研究表明，牛的認(rèn)知障礙對其產(chǎn)奶性能、壽命和生產(chǎn)性能都具有不良影響。Neja等提取了11 629頭波蘭荷爾斯坦-弗里斯牛的產(chǎn)奶性能和壽命等數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知功能正常的牛在產(chǎn)乳性能方面更好，壽命也較認(rèn)知障礙的牛要長。Choudhary等研究發(fā)現(xiàn)，穆拉水牛認(rèn)知功能障礙導(dǎo)致卵巢循環(huán)性的恢復(fù)延遲，且體重、身體狀況和產(chǎn)奶量都有所下降。Vann等研究發(fā)現(xiàn)，牛的認(rèn)知障礙對后代的性情、體重、日增重和母性表達(dá)均有不良影響。

認(rèn)知障礙除了影響牛的繁殖性能和泌乳性能外，對其生產(chǎn)性能和胴體性能也有很大的影響。Bruno等研究發(fā)現(xiàn)，牛的認(rèn)知障礙影響飼養(yǎng)牛的日增重和日增重指數(shù)。Olson等研究發(fā)現(xiàn)，與認(rèn)知障礙的肥育母牛相比，認(rèn)知正常的肥育母牛生長效率更快、飼料效率更高和胴體品質(zhì)更好。Cooke等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙的內(nèi)洛爾肉牛生長速度減慢，血漿皮質(zhì)醇濃度升高，青春期發(fā)育受阻。Braga等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙的內(nèi)洛爾公牛在日常飼養(yǎng)中表現(xiàn)出更大的行為反應(yīng)性，在面對壓力時有更強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)。隨后Sant Anna等研究發(fā)現(xiàn)，與認(rèn)知正常的內(nèi)洛爾公牛相比，認(rèn)知障礙的內(nèi)洛爾公牛其胴體肉質(zhì)更差。White等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙對婆羅門牛的骨骼肌線粒體功能有一定的影響，但其內(nèi)在聯(lián)系還需要進(jìn)一步研究。Caroline等研究發(fā)現(xiàn)，在放牧系統(tǒng)中，認(rèn)知障礙影響內(nèi)洛爾牛的進(jìn)食行為和生長性能。

2.2 羊的認(rèn)知及認(rèn)知障礙

2.2.1 羊認(rèn)知功能的表型測試裝置 采用目前國際上廣泛使用的羊認(rèn)知功能的行為學(xué)測試方法-“視覺認(rèn)知識別測試(visual discrimination test)”和“空間認(rèn)知識別及顛倒測試(spacial Y-test and reversal test)”。

2.2.1.1 視覺認(rèn)知識別測試裝置：羊的視覺認(rèn)知識別測試裝置(圖2)由2個相鄰的測試區(qū)(灰色和白色區(qū)域； 2.4 m×7.2 m)組成。測試裝置四周均用遮光布與外界隔離。每個測試小區(qū)域中間有隔板(圖2)，隔板末端的門可以向左右關(guān)閉(圖2虛線)，每個測試小區(qū)域中分別有兩種“刺激”(代表兩種顏色“藍(lán)色”和“黃色”裝有食物豆子的桶和空桶；顏色不同，但形狀一樣，一個裝有豆子，一個為空桶)。本測試目的在于測試羊在通過多次訓(xùn)練后是否能建立顏色與食物的聯(lián)系認(rèn)知。

2.2.1.2 空間認(rèn)知識別及顛倒測試裝置：空間識別測試裝置(圖3)由3個臂組成(A、B和C)，測試裝置四周均用遮光布與外界隔離。將裝有食物的盆放在B或C臂末端。本測試目的在于測試羊在通過多次訓(xùn)練后是否能建立左右與食物的聯(lián)系認(rèn)知，從而記住哪個方向代表食物，進(jìn)而在變化方向后即如原來左邊有食物，變?yōu)橛疫呌惺澄?顛倒識別，reversal learning)時，是否又能將右邊與食物聯(lián)系起來的這種左右空間識別認(rèn)知能力。

2.2.2 羊認(rèn)知功能的表型測試方法

2.2.2.1 視覺認(rèn)知識別測試方法：被測試羊從“入口門”(圖2)進(jìn)入。開始的訓(xùn)練階段是：先將“藍(lán)色”與食物相聯(lián)系，即如圖2第一個測試小區(qū)域(灰色區(qū)域)左邊“刺激”即藍(lán)色裝豆子桶，右邊“刺激”即黃色空桶，被測試羊在進(jìn)入后，會面臨選擇，如果羊跑向左邊藍(lán)色桶，則立即將中間的鐵柵欄關(guān)閉，使羊在正確區(qū)域待上1 min，保證羊能吃到藍(lán)色桶的豆子；如果羊在進(jìn)入后，錯跑向了右邊黃色空桶，同樣立即將中間的鐵柵欄向右關(guān)閉，給予1 min，讓羊發(fā)現(xiàn)右邊黃色桶中無豆子。羊完成第一個識別后，進(jìn)入第二個測試小區(qū)域(圖2，白色區(qū)域)完成下一個識別，識別原理和過程同上。以整個一套(8次)測試中，被測試羊能6次直接跑向正確一邊，即要達(dá)到75%正確率視為羊?qū)W會了這種識別，具有簡單認(rèn)知識別能力。以做出錯誤選擇的次數(shù)以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標(biāo)，統(tǒng)計分析認(rèn)知識別能力的差異。

圖2 視覺認(rèn)知識別測試裝置的平面設(shè)計圖[1](根據(jù)Morton和Avanzo研究[2]改造而成)Fig.2 Schema of visual discrimination test apparatus[1] (based on Morton and Avanzo[2])

上述顏色識別完成后進(jìn)行顛倒測試，即將原先“藍(lán)色桶裝豆子”顛倒改變成“黃色桶裝有豆子”，測試羊在一定數(shù)量訓(xùn)練后能不能將原先建立起來的藍(lán)色與食物的認(rèn)知聯(lián)系轉(zhuǎn)變成黃色與食物的認(rèn)知聯(lián)系，學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計指標(biāo)同上。

2.2.2.2 空間認(rèn)知識別及顛倒測試方法：被測試羊從“入口門”(圖3)進(jìn)入，在通道(圖3中A臂)末端將會面臨左右(圖3中B臂和C臂)的選擇。開始的訓(xùn)練階段是：先將裝有食物的盆放在左邊B臂末端(C臂末端為空桶)。被測試羊在進(jìn)入后，會看見B臂和C臂末端的桶，面臨選擇，允許被測試羊在3個臂之間來回走動(以每個臂的虛線為準(zhǔn)判斷進(jìn)入哪一個臂)。被測試羊如能連續(xù)4次跑向正確一邊(如裝食物盆在左邊，即左邊B臂為正確選擇)，視為羊?qū)W會了這種識別，具有簡單的左右認(rèn)知記憶能力；反之，被測試羊?qū)W不會，其左右認(rèn)知記憶功能障礙。以正確選擇前走錯臂的次數(shù)和做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標(biāo)，分析認(rèn)知能力的差異。

圖3 左右空間的識別記憶測試(Y-test)平面圖[1]Fig.3 Schema of the Y-maze apparatus[1]

上述左右識別記憶測試完成后進(jìn)行顛倒測試，即將原先“左邊B臂放食物”顛倒改變成“右邊C臂放食物”，測試羊在一定數(shù)量訓(xùn)練后能否將原先建立起來的左邊與食物的認(rèn)知聯(lián)系轉(zhuǎn)變成右邊與食物的認(rèn)知聯(lián)系，經(jīng)過一定數(shù)量的反復(fù)訓(xùn)練(次數(shù)會比之前的稍多，因為要有一個發(fā)現(xiàn)原來的認(rèn)知聯(lián)系錯誤，糾正，然后建立相反方向的認(rèn)知過程)，學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計指標(biāo)同上。

2.2.3 羊認(rèn)知障礙對繁殖和生產(chǎn)性能的影響 研究表明，羊的認(rèn)知障礙對其繁殖性能包括同期發(fā)情率、懷多胎比率以及后代存活率等方面都具有不良影響。前期研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙的中國美利奴羊的排卵率和懷多胎比率顯著低于認(rèn)知正常羊；認(rèn)知障礙羊的母性表達(dá)包括對出生后羔羊的舔舐時間、允許羔羊的吮吸時間等均顯著低于認(rèn)知正常羊，且認(rèn)知障礙羊的后代死亡率顯著高于認(rèn)知正常羊。Hart等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知正常的母羊具有較高的同期發(fā)情排卵率和孿生率，在產(chǎn)后最初6 h內(nèi)，其初乳更黏稠，且免疫球蛋白G濃度更高、乳糖比例更大、乳脂濃度更低。Pajor等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙的母羊在產(chǎn)奶期產(chǎn)奶量較低，且斷奶前增重和斷奶體重較認(rèn)知正常的母羊更低，且認(rèn)知正常母羊的羔羊比認(rèn)知障礙母羊的羔羊更平靜，具有更好的育肥性能。隨后又發(fā)現(xiàn)在育肥結(jié)束時，認(rèn)知正常的羔羊皮質(zhì)醇濃度低于認(rèn)知功能障礙的羔羊，且膽固醇和葡萄糖較低，日增重顯著增高。Gavojdian等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知正常的杜泊羊母羊比認(rèn)知障礙母羊更多產(chǎn)，活體重更高，母羊的小崽體型更大，出生至斷奶羔羊生長速度更快。

認(rèn)知障礙除了影響羊繁殖性能和母性表達(dá)外，對羊的生產(chǎn)性能也有很大的影響。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知正常的湖羊，其羔羊的干物質(zhì)消化率較高，血清TNF-α水平較低, 總抗氧化能力、總超氧化物歧化酶活性、屠宰率、腰橫截面積、肌纖維密度、肉的最終pH以及羔羊育肥結(jié)束時體重和日增重均高于認(rèn)知障礙的湖羊

2.3 馬的認(rèn)知及認(rèn)知障礙

2.3.1 馬認(rèn)知功能的表型測試裝置 馬的認(rèn)知識別測試裝置(圖4)由兩個面板(140 cm×90 cm×3 cm)組成，被放置在一個小圍欄中。在面板表面有兩個洞：右邊是一個黃色圓圈，左邊是一個藍(lán)色三角形(從動物的角度來看)，操作者(圖4中“人1”)手持有兩個胡蘿卜片，作為獎勵插入其中，被測試動物識別選擇。另一個操作員(圖4中“人2”，總是在動物的左邊)帶領(lǐng)馬至面板前面1.5 m，馬可以自由地從兩只手中選擇一只。

圖4 馬的認(rèn)知測試模型[32]Fig.4 Schema of horse cognitive recognition test apparatus[32]

2.3.2 馬認(rèn)知功能的表型測試方法 馬在兩個面板前(圖4)，在藍(lán)色三角形和黃色圓圈之間進(jìn)行選擇。所有操作員停止任何互動，盡可能減少對馬做出選擇的影響。每匹馬都習(xí)慣于兩個面板，有一個預(yù)定的獎勵設(shè)置(當(dāng)動物對設(shè)備或操作者表現(xiàn)出積極反應(yīng)時，就會給予獎勵)。在第一次(學(xué)習(xí))和第二次(回憶)階段，訓(xùn)練馬面臨區(qū)分兩個幾何圖形并選擇黃色圓圈(通常在馬的右邊)。在第三次中，馬必須選擇相反的顏色圖形(顛倒；當(dāng)位于馬的左邊的藍(lán)色三角形成為新的正確選擇)。第二次和第三次在同一天連續(xù)進(jìn)行，從第一次后的2～3周連續(xù)進(jìn)行。如果馬在2 min內(nèi)成功連續(xù)做出4個正確選擇，則被認(rèn)為通過測試，具有這種認(rèn)知識別能力，以做出正確選擇與否以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標(biāo)，統(tǒng)計分析認(rèn)知識別能力的差異。

2.4 豬的認(rèn)知及認(rèn)知障礙

2.4.1 豬認(rèn)知功能的表型測試裝置 豬食物獎勵與顛倒學(xué)習(xí)測驗裝置(圖5)采用T型迷宮。獎勵的食物碗(直徑18 cm)只含有壓碎的香蕉或含有壓碎的香蕉和草莓醬。目的在于測試豬是否具有學(xué)習(xí)認(rèn)知能力。

圖5 食物獎勵與顛倒學(xué)習(xí)測驗裝置平面設(shè)計圖[39]Fig.5 Schema of food reward and reverse learning test apparatus[39]

2.4.2 豬認(rèn)知功能的表型測試方法 被測試豬在5 d的時間內(nèi)進(jìn)行12次食物獎勵試驗，包括訓(xùn)練個體將隨機(jī)選擇的T型迷宮手臂(圖5)與食物獎勵(即用壓碎的香蕉作為誘餌的熟悉食物碗)相關(guān)聯(lián)。食物獎勵的位置在所有試驗中保持一致。為了盡量減少視覺和嗅覺的影響，在T型迷宮的對側(cè)臂(即錯誤臂)放置一個先前含有食物獎勵的非誘餌碗。在每次試驗中，豬通過位于中心的門進(jìn)入迷宮，并記錄找到誘餌碗所需時間。如果豬在進(jìn)入迷宮180 s內(nèi)找到食物獎勵，而沒有進(jìn)入不正確的手臂，則認(rèn)為豬“成功”識別了T型迷宮。在找到食物之前進(jìn)入迷宮錯誤臂的個體被記錄為“不成功”。如果食物獎賞在進(jìn)入迷宮后180 s內(nèi)未找到，則該個體被視為“未通過”試驗，給予180 s的最大潛伏期，并由一名研究人員輕輕引導(dǎo)其走向誘餌碗。為了確保豬持續(xù)測試的動力，從第六次試驗開始，在豬已經(jīng)習(xí)慣于圍欄中的新獎勵后，在食物碗中添加草莓醬(除了壓碎的香蕉)。

之后進(jìn)入顛倒學(xué)習(xí)試驗，誘餌碗被重新定位到之前不正確的迷宮臂，而非誘餌碗被放置在之前正確的位置。同樣，記錄豬只發(fā)現(xiàn)帶誘餌碗所需的時間，進(jìn)入第一只手臂的時間，進(jìn)入每個手臂的次數(shù)。以做出正確選擇次數(shù)以及做出正確選擇吃到食物的時間為統(tǒng)計指標(biāo)，統(tǒng)計分析學(xué)習(xí)認(rèn)知識別能力的差異。

2.4.3 豬認(rèn)知障礙對繁殖和生產(chǎn)性能的影響 研究表明，豬的認(rèn)知障礙對其繁殖性能及生產(chǎn)性能都具有不良影響。D’Eath等研究發(fā)現(xiàn)，與認(rèn)知正常母豬相比，認(rèn)知障礙的母豬在遇到陌生個體后表現(xiàn)出的攻擊性行為增加，導(dǎo)致皮膚損傷及生產(chǎn)性能的下降，嚴(yán)重影響豬的福利和經(jīng)濟(jì)效益。Yoder等研究了4 774頭白切斯特公豬、杜洛克公豬、長白豬、約克郡公豬和小母豬的核心群體來估計認(rèn)知的品種差異及其與生產(chǎn)性能的關(guān)系，結(jié)果表明，不同品種豬的認(rèn)知水平不同，認(rèn)知障礙的豬體肥胖，腰深寬大，對瘦肉率有不利的影響，且生長較慢。認(rèn)知障礙對豬與人類的互動行為方面也有所影響。Rault研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知正常的豬，腦脊液中含有更高濃度的催產(chǎn)素(OXT)，且與人類有更積極的互動，豬的福利方面較認(rèn)知障礙豬也更好。

3 家畜認(rèn)知功能的調(diào)控機(jī)制

3.1 “神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)對認(rèn)知功能的調(diào)控

認(rèn)知障礙個體中，腦的損害是多位點(diǎn)、多層次的，研究發(fā)現(xiàn)“神經(jīng)血管單元”(包括血腦屏障、血管、神經(jīng)元)對認(rèn)知功能具有非常重要的調(diào)節(jié)作用。

3.1.1 認(rèn)知障礙與血腦屏障的損傷 研究表明，若血腦屏障的屏障功能和轉(zhuǎn)運(yùn)功能受損，個體對葡萄糖、鈉、鉀、膽堿和胰島素等重要物質(zhì)的通透性增加，引起腦微循環(huán)的血流動力學(xué)、微血管生化物質(zhì)以及神經(jīng)遞質(zhì)活性改變，甚至微血管閉塞，進(jìn)而影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，最終影響認(rèn)知功能。Takechi等在小鼠上的研究發(fā)現(xiàn)，血腦屏障的破壞或損傷導(dǎo)致小鼠認(rèn)知功能障礙，Geng等也得出類似結(jié)論。血腦屏障的特異性結(jié)構(gòu)是血管內(nèi)皮細(xì)胞及其緊密連接，緊密連接由細(xì)胞骨架蛋白、跨膜蛋白和胞質(zhì)附著蛋白共同組成?？缒さ鞍装?種膜蛋白：閉鎖蛋白(occludin)、封閉蛋白(claudin)和黏著分子(junctional adhesive molecule, JAM)；胞質(zhì)附著蛋白有閉合小環(huán)蛋白ZO-1、ZO-2和ZO-3三種。研究顯示，血腦屏障被破壞時，緊密連接蛋白Occludin、Claudin-5、ZO-1等的表達(dá)均降低。因此，增加Occudin、Claudin-5、ZO-1等的表達(dá)，修復(fù)血腦屏障緊密連接有可能成為認(rèn)知障礙治療或改善的有效途徑。

3.1.2 認(rèn)知障礙與血管功能的損傷 研究表明，認(rèn)知障礙的腦損傷修復(fù)過程中，神經(jīng)血管單元的多種細(xì)胞之間相互作用共同參與神經(jīng)血管的重塑。在外周血中存在一種細(xì)胞，是血管新生的重要物質(zhì)，稱為內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells, EPCs)，可進(jìn)一步分化為內(nèi)皮細(xì)胞而參與受損害血管內(nèi)皮的修復(fù)與血管新生。研究表明，認(rèn)知障礙個體中存在EPCs數(shù)量的減少以及增殖能力、黏附能力和血管形成能力的下降。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，增加EPCs的數(shù)量可提高小鼠的認(rèn)知功能。低氧誘導(dǎo)因子-1ɑ(hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1ɑ)和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)被認(rèn)為是EPCs遷移增殖、血管新生重構(gòu)過程中起重要作用的2個因子。HIF-1ɑ是哺乳動物組織細(xì)胞在缺氧/缺血條件下產(chǎn)生的一種核轉(zhuǎn)錄因子，VEGF是HIF-1ɑ的下游靶基因。Zhu等研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1ɑ和VEGF能特異性促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞有絲分裂，增加血管通透性，促進(jìn)EPCs增殖和新生血管形成。因此，增加EPCs數(shù)量及VEGF的表達(dá)來促進(jìn)血管新生也有可能成為認(rèn)知障礙治療或改善的有效途徑。

3.1.3 認(rèn)知障礙與神經(jīng)元的損傷 神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)除了血腦屏障、血管，還有一個非常重要的構(gòu)成就是神經(jīng)元。眾多關(guān)于認(rèn)知障礙的研究都表明，認(rèn)知功能損傷的同時往往伴隨前額葉皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元的損傷。在小鼠/大鼠上的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)炎性因子(Fas-L、IL-6、iNOS、TNF-ɑ、MMP-9、MCP-1)和神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF、BDNF)參與神經(jīng)元的損傷和修復(fù)。那么神經(jīng)炎性因子或營養(yǎng)因子是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)元的可塑性和數(shù)量從而影響神經(jīng)元功能的呢？研究表明，神經(jīng)元突觸的可塑性與認(rèn)知功能密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element-binding protein, CREB)參與認(rèn)知和記憶相關(guān)蛋白的表達(dá)及新突觸生成，在神經(jīng)元再生和突觸形成等方面具有重要的調(diào)節(jié)作用。PI3K/PKB/CREB是CREB激活通路中非常重要的一條信號通路，PI3K(磷脂酰肌醇-3-羥激酶)活化后可激活PKB(蛋白激酶B)，使CREB磷酸化，增加突觸可塑性基因及相關(guān)蛋白的表達(dá)。研究表明，神經(jīng)營養(yǎng)因子通過PI3K/PKB信號通路參與神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的調(diào)控，從而影響認(rèn)知和學(xué)習(xí)記憶等相關(guān)功能。

3.2 表觀遺傳修飾對認(rèn)知功能的調(diào)控

表觀遺傳失調(diào)可能導(dǎo)致大腦認(rèn)知區(qū)域基因表達(dá)的改變，是認(rèn)知功能障礙疾病的關(guān)鍵病理生理基礎(chǔ)之一。與認(rèn)知功能調(diào)控相關(guān)的表觀遺傳修飾包括DNA修飾、組蛋白修飾和mRNA翻譯(micro-RNAs)等。

因此，DNA甲基化和羥甲基化在神經(jīng)元分化和功能過程中協(xié)調(diào)基因組結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)水平，從而在大腦發(fā)育和記憶形成中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，它們的損傷與神經(jīng)發(fā)育密切相關(guān)，對認(rèn)知障礙疾病的改善和治療有著至關(guān)重要的作用。

3.2.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾作為基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控的一個主要機(jī)制，已經(jīng)成為探索治療認(rèn)知功能障礙神經(jīng)退行性疾病病理基礎(chǔ)的研究熱點(diǎn)。乙酰化是組蛋白共價修飾的重要調(diào)節(jié)方式之一。研究表明，組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDACs)能使組蛋白的賴氨酸殘基去乙?；斐山M蛋白的低乙酰化，抑制核小體結(jié)構(gòu)的充分打開，從而抑制基因的轉(zhuǎn)錄。前期研究發(fā)現(xiàn)，HDACs引起神經(jīng)細(xì)胞組蛋白去乙酰化，造成組蛋白的低乙酰化，抑制了神經(jīng)細(xì)胞存活相關(guān)基因或突觸可塑性相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致了記憶和認(rèn)知功能缺損等一系列的病理變化。I類HDACs，尤其是HDAC1、HDAC2和HDAC8是抑制神經(jīng)炎癥，預(yù)防和治療認(rèn)知功能障礙的潛在治療靶點(diǎn)。HDACs抑制劑(histone deacetylase inhibitors, HDACis) 由于能抑制組蛋白去乙?；瘡亩謴?fù)或增加組蛋白乙?；?，因此有望用于認(rèn)知障礙的神經(jīng)疾病治療。近年來，幾種 HDACis包括丙戊酸(VPA)、丁酸(SB)、曲古菌素A(TSA)、伏立諾他(SAHA)、苯基丁酸鈉(NaPB)在國內(nèi)外已經(jīng)被應(yīng)用于認(rèn)知損害性疾病模型中，且發(fā)現(xiàn)對認(rèn)知損傷具有一定的恢復(fù)和改善效應(yīng)。Okado研究發(fā)現(xiàn)，類鋅指轉(zhuǎn)錄抑制物(POK家族)的許多重要分子，包括RP58(也稱為Znf238、Znp238和Zbtb18)，通過染色質(zhì)重塑和組蛋白去乙?；{(diào)節(jié)神經(jīng)元產(chǎn)生、遷移和成熟的各種生理過程。

因此，組蛋白修飾尤其是乙?；揎椩谡J(rèn)知功能調(diào)控中發(fā)揮重要作用，組蛋白去乙?；敢种苿〩DACi為認(rèn)知障礙疾病的治療提供了新的表觀遺傳機(jī)制和潛在的治療策略。

3.2.3 mRNA翻譯 研究表明，mRNA的降解或翻譯是通過與microRNAs相互作用而實現(xiàn)的。microRNAs(miRNAs)是一類新的短(18～25個核苷酸)單鏈非編碼RNA，參與基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。研究表明，miRNA對細(xì)胞生長、細(xì)胞凋亡、癌癥和與衰老相關(guān)的認(rèn)知功能障礙具有調(diào)控作用。Liu等對認(rèn)知障礙鼠側(cè)腦室注射miR-134-5p拮抗劑，發(fā)現(xiàn)其可以阻止突觸蛋白的丟失和認(rèn)知功能障礙表型的形成。Wu等研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙小鼠的miR-181a表達(dá)下降，過表達(dá)miR-181a可改善認(rèn)知障礙。Sun等研究了miR-144在體內(nèi)外對認(rèn)知功能的影響，發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)抑制miR-144可使神經(jīng)功能得到改善，尤其是認(rèn)知功能障礙的改善；在體外，miR-144敲除通過增強(qiáng)細(xì)胞活力、抑制caspase-3活性以及降低認(rèn)知相關(guān)蛋白水平來保護(hù)神經(jīng)元損傷。Tang等研究表明，miR-192-5p表達(dá)水平的上調(diào)改善認(rèn)知障礙，增強(qiáng)認(rèn)知功能。因此，miRNAs調(diào)控基因表達(dá)是治療或改善認(rèn)知障礙的另一個有效途徑。

3.3 線粒體對認(rèn)知功能的調(diào)控

3.3.1 線粒體氧化應(yīng)激和ATP缺失 研究表明，認(rèn)知障礙疾病中的線粒體功能障礙來自于神經(jīng)元ATP水平的下降，與過量的自由基ROS產(chǎn)生有關(guān)，因此ROS的異常導(dǎo)致線粒體功能障礙是認(rèn)知障礙疾病發(fā)病機(jī)制的重要因素。線粒體ATP合成酶是控制ATP產(chǎn)生、細(xì)胞信號和命運(yùn)等細(xì)胞功能的關(guān)鍵樞紐。Cunnane等發(fā)現(xiàn),線粒體ATP合成酶由ATP酶抑制因子1(IF1)調(diào)節(jié)，Esparza-Moltó等通過在小鼠神經(jīng)元中切除或過度表達(dá)IF1來控制線粒體功能和線粒體活性氧(mtROS)的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)IF1劑量可以調(diào)節(jié)線粒體代謝、突觸功能和認(rèn)知，IF1的消融會損害記憶，而IF1的過度表達(dá)會增強(qiáng)突觸傳遞和學(xué)習(xí)能力。因此，阻斷ROS恢復(fù)ATP合成酶的活性，可以成為改善線粒體功能從而治療認(rèn)知功能障礙性疾病的新策略。

3.3.2 線粒體Ca紊亂 研究表明，Ca在重要的神經(jīng)元過程如分泌、代謝調(diào)節(jié)、突觸可塑性、增殖和凋亡中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。Diaz-Juarez等研究發(fā)現(xiàn)，游離線粒體鈣濃度是激活線粒體呼吸鏈復(fù)合物和ATP生成的基礎(chǔ)，且可調(diào)節(jié)關(guān)鍵線粒體脫氫酶的活性，線粒體Ca除了可調(diào)節(jié)參與三羧酸循環(huán)(TCA)的Ca敏感脫氫酶的活性從而直接控制ATP合成的作用之外，線粒體基質(zhì)中過多的Ca濃度會升高線粒體活性氧水平，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的開放，釋放細(xì)胞色素c到細(xì)胞質(zhì)中，最終觸發(fā)內(nèi)源性凋亡，因此細(xì)胞Ca穩(wěn)態(tài)對認(rèn)知功能至關(guān)重要。Kostic和Sekler發(fā)現(xiàn)，線粒體Ca單轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MCU)及關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子線粒體Ca攝取蛋白(MICU1、MICU2和MICU3)、MCU調(diào)節(jié)亞單位b(MCUb)、必需MCU調(diào)節(jié)因子(EMRE)和線粒體Ca單轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)因子1(MCUR1)在介導(dǎo)線粒體Ca穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。

Zhang等研究表明，下調(diào)MCU相關(guān)信號通路，抑制神經(jīng)元的凋亡，可以實現(xiàn)腦保護(hù)作用。Calvo-Rodriguez等以神經(jīng)元線粒體為靶點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，在腦β-淀粉樣變性轉(zhuǎn)基因小鼠模型中線粒體Ca水平升高與斑塊沉積和神經(jīng)元死亡相關(guān)，Aβ積累通過線粒體Ca單轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCU)復(fù)合物誘導(dǎo)體內(nèi)線粒體Ca過載，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。Fross等研究表明，抑制鈣蛋白酶激活可防止神經(jīng)元細(xì)胞骨架蛋白斷裂和神經(jīng)元細(xì)胞死亡，表明鈣蛋白酶激活是外周神經(jīng)退行性病變的關(guān)鍵執(zhí)行者。因此，線粒體鈣(Ca)動力學(xué)作為校準(zhǔn)細(xì)胞能量學(xué)和生存功能的關(guān)鍵決定因素之一，是研究認(rèn)知功能障礙疾病的重要機(jī)制，而MCU復(fù)合物抑制和阻斷mPTP的激活可能成為認(rèn)知功能障礙疾病新的治療方法。

3.3.3 線粒體動力學(xué)損傷及自噬缺陷 線粒體在形狀、大小、數(shù)量和位置上是處于動態(tài)變化中的。線粒體的質(zhì)量和穩(wěn)態(tài)通過裂變(分裂)和融合維持，裂變與融合是線粒體生物學(xué)和質(zhì)量控制的基本方式。Stanga等研究表明，線粒體動力學(xué)缺陷(如裂變和/或融合過程的紊亂)可導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。在線粒體動力學(xué)的中心階段，動力相關(guān)GTP酶(GTPases)驅(qū)動線粒體分裂和融合，維持線粒體分裂和融合之間的平衡。裂變由GTPases動力相關(guān)蛋白-1(Drp1)和動力蛋白-2(Dyn2)執(zhí)行，而GTPase蛋白絲裂分裂蛋白-1(Mfn1)、絲裂分裂蛋白-2(Mfn2)和視神經(jīng)萎縮1型(OPA1)蛋白促進(jìn)聚變。Duboff等研究發(fā)現(xiàn),Drp1向線粒體的募集是裂變的關(guān)鍵步驟，而Drp1向線粒體的定位募集受到肌球蛋白II調(diào)控。因此，調(diào)控線粒體分裂和融合可以成為改善線粒體功能,治療認(rèn)知功能障礙的新策略。

同時，線粒體的不斷更新對于維持健康線粒體的數(shù)量至關(guān)重要。Cai和Jeong研究發(fā)現(xiàn)，線粒體數(shù)量和大小增加的過程是通過一種線粒體自噬機(jī)制完成的，線粒體自噬是一種選擇性的自噬，是線粒體質(zhì)量數(shù)量控制的關(guān)鍵途徑，有缺陷的線粒體被隔離成自噬體進(jìn)行隨后的溶酶體降解。線粒體自噬功能障礙影響細(xì)胞的蛋白質(zhì)穩(wěn)定，從而對記憶和認(rèn)知造成損傷，與衰老和許多認(rèn)知功能障礙類疾病密切相關(guān)。PTEN (磷酸酶-張力蛋白)誘導(dǎo)的激酶蛋白1(PINK1)-Parkin(E3泛素連接酶)介導(dǎo)的線粒體自噬是研究最廣泛的線粒體吞噬途徑，當(dāng)線粒體因細(xì)胞應(yīng)激而受損時，其內(nèi)膜發(fā)生持續(xù)去極化，導(dǎo)致線粒體膜電位的丟失，穩(wěn)定線粒體外膜(OMM)中的PINK1。PINK1磷酸化Mfn2(絲裂分裂蛋白-2)，然后刺激泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)，反過來，將Parkin招募到線粒體外膜(OMM)，進(jìn)一步促進(jìn)了受損的線粒體被吞噬，形成線粒體吞噬體，最后通過溶酶體去除，維持線粒體質(zhì)量控制。因此，穩(wěn)定線粒體中的PINK1，促進(jìn)受損線粒體降解，維持線粒體健康與更新有望成為認(rèn)知功能障礙治療的新方向。

4 總結(jié)與展望

國內(nèi)外越來越多的研究開始關(guān)注家畜認(rèn)知行為和認(rèn)知功能。目前，已在豬、馬、牛、羊上開展了認(rèn)知相關(guān)的研究，雖然表型測試裝置和方法有細(xì)微區(qū)別，但測試原理大致一樣，均是通過食物誘導(dǎo)，訓(xùn)練并測試動物將食物與左右空間、物體顏色、形狀等的聯(lián)系識別和認(rèn)知記憶能力，且家畜的認(rèn)知障礙均影響其繁殖性能、生產(chǎn)性能和動物福利。

家畜認(rèn)知功能的調(diào)控非常復(fù)雜，本文從“血管神經(jīng)單元”、表觀遺傳修飾和線粒體三方面較為全面地闡述了認(rèn)知功能的調(diào)控機(jī)制(圖6)。但認(rèn)知障礙致病因素及發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，還有待更深入的研究來揭開復(fù)雜的認(rèn)知功能調(diào)控過程。

圖6 認(rèn)知功能的調(diào)控機(jī)制Fig.6 Regulation mechanisms of cognitive function