大脑白质及白质内有髓神经纤维老年改变的研究进展

大脑白质及白质内有髓神经纤维老年改变的研究进展 大脑白质及白质内有髓神经纤维老年改变 的研究进展 CHINESEJOURNALOFANATOMYVo1.30No.22007解剖学杂志2007年第3O卷 第2期 4Gebicke-HaerterPJ.Microarraysandexpressionprofilinginmi— crogliaresearchandininflammatorybraindisorders.JNeurosci Res.2005,81(3):327—341. 5LiuN,HanS,LuPH,ela1.UpregulationofannexinsI,II, andVaftertraumaticspinalcordinjuryinadultrats.JNeurosci Res,2004,77(3):39卜4O1_ 6LiuNK.ZhangYP.TitsworthWI,ela1.Anovelroleofphos— pholipaseA2inmediatingspinalcordsecondaryinjury.Ann Neurol,2006,59(4):606—619. 7MarkramH,Toledo-RodriguezM,WangY,ela1.Interneurons oftheneocorticalinhibitorysystem.NatRevNeurosci,2004,5 (10):793-807. 8MottDD.DingledineR.Interneurondiversityseries:interneu— ronresearch——challengesandstrategies.TrendsNeurosci, 2003,26(9):484—488. 9SuginoK.HempelCM.MillerMN,ela1.Moleculartaxonomy ofmajorneuronalclassesintheadultmouseforebrain.NatNeu— rosci,2006,9(1):99—107. 10HoltzWA,TuretzkyJM,O'MalleyKIMicroarrayexpression profilingidentifiesearlysignalingtranscriptsassociatedwith6 OHDA-induceddopaminergiccelldeath.AntioxidRedoxSignal, 2005,7(5-6):639—648. 11LienWH.KlezovitchO,FernandezTE,ela1.alphaE-catenin controlscerebralcorticalsizebyregulatingthehedgehogsigna— lingpathway.Science,2006,311(5767):1609—1612. 12McClungCA,NestlerEJ.Regulationofgeneexpressionandco— cainerewardbyCREBandDeltaFosRNatNeurosci,2003,6 (11):1208—1215. 13XuJ,MiaoH,WuH,ela1.Screeninggeneticallymodifiedor— ganismsusingmuhiplex-PCRcoupledwitholigonucleotidemi— croarray.BiosensBioelectron,2006.15(22):1171—1177. 14Fathallah—ShaykhH^,LMicroarrays:applicationsandpitfalls. 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NucleicAcidsRes,2003,31(19):5676—5684. (编辑:黄会龙) 大脑白质及白质内有髓神经纤维老年改变的研究进展 杨妹汪维伟唐勇? (1重庆医科大学组织胚胎学教研室,2基础医学研究所,重庆400016) 2O世纪5O年代,BrodyEIl发现老年人大脑皮质的神经元 死亡高达49%,以后的研究工作l_2]也证实了这一发现.因 此,几十年来一直认为老年脑必然存在广泛的大脑皮质神经 元死亡.但是,自20世纪8O年代以来,以Gundersen[4]为 首的丹麦科学家在全世界首次创立了在三维空间内对形态结 构进行准确定量研究的新方法,即新的体视学方法.Pakken— berg和Gundersen[5]率先在国际上将新的体视学方法运用于 人大脑皮质神经元的定量研究,他们的研究工作显示正常老 国家自然科学基金(30440082,30572075) ?通讯作者,E-mail:ytang062@yahoo.com.cn 收稿日期:2006—07—20;修回日期:2006—11-20 年脑不存在显着性大脑皮质神经元死亡,这一结果向传统观 念提出了挑战. 如果不能用皮质神经元的死亡来解释老年认知功能,记 忆功能的降低,那么什么是老年大脑功能降低的神经生物学 基础呢?这就促使研究者去寻找老年脑功能降低的其他原 因.因此,很多科学家开始关注大脑白质老年性改变的研究. 1大脑白质体积的老年性改变 大脑白质由大量神经纤维构成,实现了皮质各部及皮质 与皮质下结构间的联系,并且与大脑皮质神经元的死亡不同, 白质神经纤维及髓鞘的改变可以通过药物和行为学手段来防 止或修复.关于大脑白质体积是否存在老年性改变,意见尚 --—— 247—— 不完全统一.Merier-Ruge把收集到的33个正常脑标本分 成3组:5,50岁组,51,70岁组,71,93岁组,在每一侧大 脑标本的中央前回,直回和胼胝体抽取组织,然后测量单位面 积组织中毛细血管的断面数,长度密度和毛细血管之间的距 离等.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明在中央前回,直回的白质和胼胝体,71,93 岁组与15,50岁组相比,这些毛细血管参数存在16, 20的差异;而在相应脑回的皮质区域,二组的这些参数差异 少于6.他们认为毛细血管网在正常人的一生应该保持一 致,因此,这些结果间接地表明老年大脑回的皱缩不是因为大 脑皮质体积的改变,而是大脑皮质下结构体积降低所致.但 是,Merier-Ruge等的研究只是间接指出白质体积的老年性降 低,并且他们测得的只是毛细血管长度的密度值,而用密度值 并不能真实地反映大脑白质的生物学特性,因为密度值的组 间差异可能是由于毛细血管总长度降低所致,也可能是由于 参照空间的萎缩所致. Merier-Ruge等的研究结果为老年人存在大脑白质体积 降低提供了间接的依据.为了寻找老年大脑白质是否存在皱 缩的直接证据,Ge等_7运用容积MR1 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方法研究了54名 20~86岁正常人脑(22名男性,32名女性),发现50岁以后 个体大脑白质体积占颅内容积的百分比较50岁以前个体显 着性降低,他们还发现大脑白质体积百分比呈代数式下降,40 岁以前变化非常小,此后下降速度明显提高.用MRI图像区 分灰质和白质是根据两者的灰度不同,如白质的T1加权像 为灰白,灰质的T1加权像为灰,脑脊液的T1加权像为黑;白 质的T2加权像为灰,灰质的T2加权像为灰白,脑脊液的T2 加权像为白,这种界定带有一定的主观性,故并不能准确地区 别灰质和白质. 因为在MRI影像上准确画定白质的边界存在一定困难, 因此,一些研究者运用死后大脑标本研究了大脑白质的老年 改变.Double等_8]对20例健康人及12例阿尔茨海默氏病患 者的大脑标本进行了局部解剖研究,他们测量了整个大脑及 其额,颞,顶,枕叶皮质,内侧颞叶,大脑深部结构及大脑白质 的重量和体积,发现随年龄的增加,正常人的大脑白质体积仅 有很微小的改变(2ml/年),而且老年性痴呆患者的大脑白质 体积也没有进一步下降.Pakkenberg和GundersenE]运用新 的体视学方法研究了94例20,93岁正常人大脑标本,通过 卡瓦列里原理_3]估算了大脑白质的体积,发现老年大脑白 质体积降低了28.运用卡瓦列里原理可以估计任意物体 (不论其形状)的体积,首先将研究对象作若干连续等距切面, 在每个切面上随机叠加等距测点框,计数落在该物体上的测 点数,将总测点数乘以每个测点代表的面积即得切面总面积, 将切面总面积乘以切面之间的间距即为该研究对象的体积. 到目前为止,大多数对大脑老年改变的研究都是采用横 向 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方式分别获得年青组和老年组的信息,但是不同年龄 组的人群会因为经济,营养等社会因素而导致大脑结构的差 异,虽然这些改变与老年改变无关,但可能误导老年性改变的 研究结论.例如,Miller等_9于1977年报道了1860,1940 年,伦敦男性大脑重量平均增加了52g,女性大脑增加了 23g.Rensnick等?采用纵向设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,分析了92名59, 85岁正常老年人大脑第1,2,4年的MRI影像,定量研究大 脑结构的老年性改变,发现随年龄的增加,大脑白质呈弥散性 丢失,平均每年下降(3.1?0.4)CITI3.虽然在MRI影像上准 .—-—— 248...—— 确定义白质边界不是一件很容易的事情,但他们的研究为大 脑白质存在老年性改变提供了更有说服力的依据. 2白质有髓神经纤维的老年性改变 大脑白质主要由神经纤维,神经胶质细胞和细胞间质等 组成,如果大脑白质存在老年性皱缩,那么就需要进一步探讨 导致大脑白质老年性萎缩的确切原因. 神经纤维是大脑白质的主要组成成分,神经元之间的冲 动就是靠这些长的投射纤维传递.少突胶质细胞包裹轴突形 成髓鞘,髓鞘对神经冲动沿着轴突的快速传导起着非常重要 的作用.因此,神经轴突变性会破坏神经元之间冲动的传导, 髓鞘的破坏会降低神经冲动的传导速度.轴突变性破坏神经 元之间冲动的传导或是髓鞘改变引起的传导速率下降是老年 认知功能降低的原因,将为寻找改善老年脑功能的各种手段 提供靶向.已经有一些研究工作者对老年大脑白质内神经纤 维的改变进行了研究,这些研究包括定性研究和定量研究. 2.1定性研究 Grafton等_l妇用髓鞘和轴突染色法发现老年人大脑白质 很多区域存在不同程度的弥散性苍白区.而MRI影像上的 高密度信号可能反映老年白质内有髓神经纤维存在年龄相关 性改变,并且这种改变是普遍性的[].Bart2ok.比较了 252名正常人(19~82岁)大脑额叶白质的MRI横向弛豫值 (T2),结果表明中年以后髓鞘完整性呈进行性降低.Stur— rock_lJ观察到12月以后的小鼠前连合有髓神经纤维存在2 种类型的异常改变,1种是神经轴突发生变性而外周的髓鞘 正常,另1种是神经轴突正常而外周髓鞘有空泡形成,但没有 发现显着性老年白质有髓神经纤维的减少,他推测可能是因 为在老年小鼠前连合同时存在轴突变性和轴突再生.Pe— ters?]通过研究老年猴脑也证实了存在髓鞘的崩解与继之的 髓鞘再生,并因此形成了新的更短的结间体.由于从轴突起 始段产生神经冲动(动作电位)的传导是通过郎氏结处的轴膜 进行的,即从一个郎氏结跳到下一个郎氏结,呈快速的跳跃式 传导,因此,结间段越长,跳跃的距离也越大,传导速度也就越 快;反之,传导速度越慢.老年大脑中的有髓神经纤维短结间 段比例增大,导致其神经冲动传导更慢.PetersE同时也描 述了髓鞘结构的4种基本老年性改变:主致密线(majordense line)分层形成高密度胞质块,周期内线(intraperiodline)分层 形成气球样大液泡,巨大髓鞘,双层髓鞘.髓鞘因含类脂而呈 疏水性,它不容带离子的水溶液通过而起绝缘作用,有髓神经 纤维轴突的轴膜除起始段和轴突终末外,只有在郎氏结处才 暴露在细胞外环境中,由于髓鞘的电阻比轴膜高得多,通过轴 突的电流只能使郎氏结处的轴膜去极化而产生兴奋,保证了 动作电位的跳跃式传导.髓鞘结构的改变势必影响其绝缘 性,最终导致神经冲动传导速率降低.中枢神经系统有髓神 经纤维是由少突胶质细胞突起末端的扁平薄膜包卷轴突形成 的,Carroll_l]用放射自显影术证实了脱髓鞘改变后,静止的 祖细胞将会分化为少突胶质细胞以形成新的髓鞘.有髓神经 纤维还有另一重要组成部分一一结旁区,少突胶质细胞膜与 轴突在结旁区形成轴胶连接,轴突与胶质细胞问的信息交流 在结旁区较活跃,这对髓鞘的发生,维持和稳定具有重要作 用.Hinman_l8_发现了结旁区超微结构具有年龄相关性的改 变,并进一步指出老年猴视神经中厚髓鞘的神经纤维某些结 旁区未能与轴膜接触,从而使得髓鞘不能固定在轴突上,因此 影响了轴突传导. 2.2定量研究 Peters和Setharesr测得了青年猴和老年猴大脑视皮质神 经轴突直径及其髓鞘的板层数,虽然轴突直径没有显着的老年 性改变,但是髓鞘的板层数从5.6增加到了7.0,并且主要是 1O层以上板层髓鞘增加.波斯顿的研究人员12o对老年猴某 些白质区域的神经纤维老年性改变进行了研究,发现在老年猴 的胼胝体和视神经存在髓鞘结构的改变,随着年龄的增长,胼 胝体和视神经内的髓鞘变性频率增加,神经纤维的总数也从 1.6×106下降到0.4×106.因为材料昂贵,他们仅仅研究了几 只猴,而且多数研究仅仅停留在定性观察的基础上,很少的定 量研究也只局限于视神经和前连合等神经纤维分布有明显规 律性的白质区域.但是,绝大多数大脑白质区域的分布是无序 的,纤维在空间各个方向交错成网,这给定量研究带来了难度. 以前的研究得出的结论不一致,可能与研究方法上的缺 陷有关.主要不足有:(1)采用的是间接的定量方法;(2)在研 究的白质区域内不是随机抽样,而是研究者主观地选择一些 便于计数的"理想切片",这种"理想切片"不能代表所要研究 的整个白质区域;(3)没有采用三维空问内的均匀抽样方法, 因此,组织块在空间内各个方向的抽样概率不一样,就可能会 因为白质神经纤维存在优先分布方向而引起偏差,即在某一 方向上分布的神经纤维被抽中的概率增加;(4)研究结果得出 的是神经纤维的密度值,但是根据密度值很难得出准确的生 物学结论,即存在所谓的参照空问陷阱.组织的制备过程常 常导致所要研究的区域(参照空问)体积发生改变,而且在老 年大脑组织和年青大脑组织这种改变又可能不一样,因此,很 难判断密度值的改变是由于总数量的改变和/或者参照空问 改变引起的,甚至有可能虽然某一组的总数量减低了,但因为 该组参照空间的缩小更明显而使得该组的密度值反而增大. Tang等?2纠在国际上首次阐述了定量研究大脑白质神经 纤维的体视学方法,从而克服了以往定量研究方法上的不足. 体视学方法是一系列用于获得准确组织结构的三维形态定量 特征的方法,在实际应用水平上,体视学方法是一种基于二维 切片的观察而获得显微结构的三维定量信息的精确手段.在 统计概率的意义上讲,二维切片包含有三维结构的定量信息, 但是,如果要使二维切片获得的信息真实反映三维信息,在器 官,切片,视野及空间方向上的抽样都必须坚持一些基本原 则,如在所要研究的整个区域内作均匀随机抽样,研究结果必 须是总量而不是密度.首先根据卡瓦列里原理(前述)估算出 大脑白质的总体积,随机选取一侧大脑半球,按随机等距抽样 原则每4张抽取1张大脑切片,在抽取的切片上随机切取8 个白质区域,用球切法包埋成小球,利用球体表面在三维空间 内呈各向同性分布使无序分布的神经纤维具有相同的抽样概 率,再按常规方式包埋并随机切取0.1kLm厚的超薄切片,在 放大5185倍的高倍光镜图像上随机叠加体视学测量探针, 例如等距测点框,无偏计数框等,根据体视学计算公式得出有 髓神经纤维的长度密度,体积密度,并测量其直径,将密度值 乘以白质总体积即得到有髓神经纤维的总长度和总体积. Tang等.J运用该方法研究了1O名丹麦健康女性死后的大 脑标本,其中包括5名年青女性(平均年龄38岁)和5名老年 女性(平均年龄74岁),发现老年组大脑白质及白质内有髓神 经纤维的体积较年青组分别降低15和17,但这种差异不 具有统计学上的显着性;而白质内有髓神经纤维的总长度从 11.8km下降到8.6km,显着降低27,且有髓神经纤维总 长度的降低主要是由于细小直径的有髓神经纤维改变所致. 为了明确男性大脑白质是否也存在同样的改变,该研究组l2 又运用38例人大脑标本(18名男性,年龄19~87岁;18名女 性,年龄18~93岁),研究了白质及白质内有髓神经纤维老年 改变,发现在男性和女性大脑白质,有髓神经纤维的总长度每 1O年下降1O,或者说从2O岁到8O岁,有髓神经纤维的总 长度下降了45,再一次证实了他们以前的发现,即人大脑 白质的萎缩是由于细小直径的有髓神经纤维丢失所致.老年 性大脑白质有髓神经纤维的总长度降低可能由于:(1)广泛性 轴突变性及同时出现的髓鞘破坏;(2)轴突没有发生改变,但 髓鞘破坏;(3)两者同时发生.但是导致有髓神经纤维总长度 下降的确切原因还不清楚,要准确回答这个问题,需要对大脑 白质有髓和无髓神经纤维同时进行定量研究. 通过回顾以前的研究工作可以看出,虽然对老年大脑白 质有髓神经纤维是否存在老年改变仍然存在分歧,但大多数 的研究认为,老年大脑白质有髓神经纤维的改变可能是老年 大脑功能降低的神经生物学基础之一. 3今后的研究方向 虽然运用体视学方法对老年大脑白质神经纤维的研究保 证了研究对象是正常大脑标本,即通过对患者生前病例 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的分析及对大脑标本的病理检查来排除具有老年相关的中枢 神经系统退化性疾病的病例,但是,在老年个体要完全排除早 期老年性痴呆病例并不是一件非常容易的事情.老年大鼠, 老年猴不会出现像阿尔茨海默病等神经退化性疾病l2,因 此,为了排除早期老年痴呆病例对正常老年白质改变研究的 "污染",下一步的研究应该以大鼠或猴作为动物模型,运用新 的体视学技术,电子显微镜技术,动物行为学测试,分子生物 学技术等方法,从多种角度研究大脑白质及白质内有髓神经 纤维老年改变的机制,为寻找延缓老年功能下降的药物和行 为学手段提供靶结构,从而有助于提高老年群体的生活质量. 参考文献 1Br0dYH.Organizationofthecerebralcortex(?):Astudyof aginginthehumancerebralcortex.JCompNeurol,1955,102 (2):51卜556. 2PetersA,MorisonJH,RoseneDL,口Z.Areneuronslost fromtheprimatecerebralcortexduringnormalaging?Cerebral Cortex,1998,8(4):295—300. 3GundersenHJG,BendtsenTF,KorboL,eta1.Somenew,sim— pieandefficientstereologicalmethodsandtheiruseinpathologi— calresearchanddiagnosis.APMIS,1988,96:379—394. 4GundersenHJG,BaggerP,BendtsenTF,eta1.Thenewstere— ologicaltools:Disector,fractionator,nucleatorandpointsam— piedinterceptsandtheiruseinpathologicalresearchanddiagno— sis.APMIS,1988,96:857—881. 5PakkenbergB,GundersenHJG.Neoeortiealneuronnumberinhu— r/la~:effectofsexandageJCompNeurol,1997,384(2):312—320. ---—— 249---—— CHINESEJOURNALOFANATOMYVo1.30No.22007解剖学杂志2007年第30卷第 2期 6MeierRugeW,UlrichJ,BruhlmannM,ela1.Age-related whitematteratrophyinthehumanbrain.AnnNYAcadSci, 1992,673:260—269. 7GeY,GrossmanRI,BabbJS,ela1.Age-relatedtotalgraymat— terandwhitematterchangesinnormaladultbrain.Part(I): VolumetricMRimaginganalysis.ANJRAmJNeuroradiol, 2002,23(8):1327—1333. 8DoubleKL,HallidayGM,KrilJJ,ela1.Topographyofbrain atrophyduringnormalagingandAlzheimer'sdisease.Neurobiol Aging,1996,17(4):513-521. 9MillerAKH,CorsellisJAN.Evidenceforasecularincreasein humanbrainweightduringthepastcentury.AnnHumBiol, 1977,4(3):253—257. 10ResnickSM,PhamDL,KrautMA,ela1.Longitudinalmagnetic resonanceimagingstudiesofolderadults:Ashrinkingbrain.J Neurosci,2003,23(8):3295—3301. 11GraftonST,SumiSM,StimacGK,ela1.Comparisonofpostmor— temmagneticresonanceimagingandneuropathologicfindingsinthe cerebralwhitematter.ArchNeurol,1991,48(3):293—298. 12Y1ikoskiA,ErkinjunttiT,RaininkoR,eta1.Whitematterhy— perintensitiesonMRIintheneurologicallynondiseasedelderly:a— nalysisofcohortsofconsecutivesubjectsaged55to85yearsliv— ingathome.Stroke,1995,26(7):1I71—1177. 13BartzokisG,CummingsJL,SuhzerD,ela1.Whitematter structuralintegrityinhealthyagingadultsandpatientswith Alzheimerdisease:amagneticresonanceimagingstudy.Arch Neurol,2003,60(3):393—398. 14SturrockRRAge-relatedchangesinthenumberofmyelinated axonsandglialcellsintheanteriorandposteriorlimbsofthe mouseanteriorcommissure.JAnat,1987,150:111-127. 15PetersA,SetharesCIsthereremyelinationduringagingofthe primatecentralnervoussystem?JCompNeurol,2003,460(2): 238254. 16PetersA,MossMB,SetharesC.Effectsofagingonmyelinated nervefibersinmonkeyprimaryvisualcortex.JCompNeurol, 2000,419(3):364—376. 17CarrollWM.JenningsAR,IronsideLJ.Identificationofthea— duhrestingprogenitorcellbyautoradiographictrackingofoligo— dendrocyteprecursorsinexperimentalCNSdemyelination. 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(编辑:黄会龙) FM1-43标记功能性突触小泡技术 邓锦波李明善吴萍胡艳秋AnnaDunaevsky2 (1河南大学医学院神经生物学研究所,开封 475004;2DepartmentofBrownUniversity,USA) FM1—43是一种具有双极性的荧光染料,亲水基团与亲 脂基团分别位于分子的两端.近年来开始将它用于对内吞及 外吐性膜包颗粒的活体标记.在神经科学领域,该方法也可 作为标记功能性前突触终末的一个重要工具.因此,该方法 广泛地用于突触研究,倍受神经科学工作者的青睐D,z].由 于大多数实验资料主要来自于对游离的神经元研究,我们对 FM1—43染色技术进行了改进,使之适用于对培养的脑片内 神经纤维前突触终末内的功能性突触小泡进行染色,同时可 以在双光子显微镜下对突触小泡进行活体观察.本文就改进 美国NationalAllianceforAutismResearch,CharlesH.Hood Foundation,KeckFoundation 作者E-mail:jinbodeng@henu.edu.cn 收稿日期:2006—05—29;修回日期:2006—07—21 ---—— 250---—— 后的方法进行介绍. 1材料和方法 1.1小脑脑片培养 生后1Od(P10)的C57/B6J小鼠(JacksonLabs)经腹腔 注射苯巴比妥钠作全身麻醉,断头,开颅,取出小脑,用Moll— wain组织斩刀(Mcllwaintissuechopper),对小脑进行厚 350m冠状切面或矢状切面切片.旋即将脑片置入6孔培养 板内的插芯(insert)上,插芯底部有Millicell半透膜和培养液 相隔.在1O的马血清BME(Gibco)培养液中进行培养5, 8d(5C0z,37?),每3,4d更换1次培养液. 1.2GFP-DNA转染Purkinje细胞 为了明确小脑平行纤维前突触小泡与后突触小棘之间的