猕猴大脑老化导致的电生理与神经组织变化 井瑞 认知老化课作业 一、 引言： 近些年，阿尔兹海默症（又叫老年痴呆）逐渐通过媒体被公众所了解和关注，阿尔兹海默症带给患者和患者的家庭许多痛苦，人们迫切希望科学家能提出有效的治疗手段，许多国家的科研机构都开始投入许多人力财力来研究阿尔兹海默症。阿尔兹海默症其实是大脑老化中发生病变导致，因此属于大脑老化的研究范畴，研究大脑老化有助于人们更好地理解阿尔兹海默症的发病机制。目前研究老化有许多方向，有的人通过核磁扫描手段运用人类被试来研究，也有许多人通过转基因小鼠研究，但通过灵长类(比如猕猴)来研究认知老化的并不多。猕猴是一类在神经科学领域中运用很多的实验模型，其大脑结构与人类的大脑结构相似度更高。本文将列举一些使用猕猴探索大脑老化的研究，这些研究主要使用神经电生理和神经组织观察等方法，列举的研究涵盖了从基本的感知觉皮层到复杂的高级认知等方面。 二、 老年猕猴的初级听觉皮层电生理变化 随着个体年龄的增长，个体的听力会下降或丢失，这被称作ARHL（Age-Related Hearing Loss）。ARHL人群尤其在噪音环境下很难听懂别人在说什么，有些老人即使有正常的听觉，他们也比年轻人难以听懂讲话，在声音的时程加工（Temporal Processing）和间隔检测（Gap-detection）方面出现功能下降。语音信号很复杂，信号中的幅度包络（Amplitude Envelope）是语音处理的主要成分，只要随时间而变的幅度包络调制得到保留，语音检测的成功率就很高，幅度调制（AM, Amplitude Modulation）甚至使个体能在噪音环境下找到语音源。 猴子初级听觉皮层（A1）的神经元可以编码幅度调制，编码的方式是改变神经脉冲的发放率，这被称作rate code，也可以是使神经元对声音刺激的包络产生锁相性反应，这被称作temporal code，反应了神经活动与声音的同步（Synchrony）。为了解释老人语音听力下降的神经机制，Overton JA（2015）等人比较了年轻猕猴（平均8.5岁）和老年猕猴（平均26岁）的A1神经元对幅度包络的编码差异。实验中，猴子头部被固定，周围设置了实验用的音响系统，随机呈现2、4、6……64、128等调制频率的声音，每个声音持续500ms，猴子每隔几个试次就可以得到一滴果汁，以使猴子处于唤醒状态，实验中用钨丝电极记录A1的神经脉冲活动。电生理记录结果发现：年轻猴子A1中同时具有rate code和temporal code两种编码方式的神经元比老年猴子的显著多（图1），这意味着老年猴子A1中与声音幅度调制同步的神经元数目比例不如年轻猴子，进一步发现老年猴子A1中具有幅度调制同步性的神经元在锁相方面不如年轻猴子的精确（图2）。这些结果说明老年A1不能很好地处理语音的时程结构，这也可能是老人语音检测能力下降的皮层原因。 图1：年轻猴子A1中同时具有rate code和temporal code两种编码方式的神经元比老年猴子的显著多。Adapted from Overton, etc.(2015) 图2：老年猴子A1中具有幅度调制同步性的神经元在锁相方面不如年轻猴子的精确。Adapted from Overton, etc.(2015) 二、老年猕猴的初级视觉皮层变化 随着个体老化，视觉功能的确会发生衰退，比如老年人在视敏度、对比度敏感性、双眼整合、对称感知、朝向辨别和方向辨别等多方面下降。一些研究已经表明这些视功能下降不能完全被眼睛的衰退来解释，一定存在大脑方面的变化。 年老是如何影响视觉皮层的呢？Alan Peters（2001）等人研究了19只猕猴的初级视觉皮层（V1），这些猴子有不同的年龄（4-35岁），其中12只事先都被训练过10秒Delayed non-matching to sample任务(DMNS)、2分钟DMNS、以及空间延迟识别等记忆相关的任务。根据猴子在这些任务中的得分，综合算得每个猴子的认知损伤指数。之后取出猴子的脑组织进行研究，发现猴子V1皮层的第一层（layer1）的厚度（图3）以及突触密度会随着年龄的增长显著下降，并且每1000平方微米中发现树突的数量（图4）和树突棘的数量在年轻猴子中显著高于老年猴子。但所有这些皮层指标的变化都与猕猴认知损伤指数没有显著的相关性，这是合理的结果，因为与记忆任务相关的皮层是在高级脑区。这项研究虽然没有为V1皮层的神经组织变化找到相应的行为表现变化，但可能为V1内神经元活动的选择性和变异性随老年的变化提供解释。 图3：V1皮层的第一层（layer1）的厚度会随着年龄的增长显著下降。 图4：每1000平方微米中发现树突的数量在年轻猴子中显著高于老年猴子。 已有研究表明老化会导致视觉皮层神经元以不成比例的方式提高对最优刺激和非最优刺激的响应，从而使神经元的刺激选择性下降，Wang (2009)等人通过记录V1和MT的神经元，研究了老化是否也导致视皮层神经活动的变异性增加。他们使用了3只年轻的成年猴（5-9岁，相当于人类性成熟）和4只老年猴（23-31岁，相当于人类70-90岁），眼球检测发现他们不存在视网膜前的组织异常，所有神经活动记录是在麻醉状态下进行的，记录时给猴子呈现不同的光栅刺激。记录结果显示：年老导致V1和MT的神经发放率和变异性都比年轻猴子的高（图5）。研究者还使用变异性定义了响应噪声比来度量细胞的选择性，结果发现年轻猴子的神经元选择性显著优于老年猴（图6）。这些发现可能解释老化导致的视觉衰退。 图5：年老导致V1（A）和MT（B）的神经发放率和变异性都比年轻猴子的高。 图6：年轻猴子的神经元选择性显著优于老年猴。 三、老年猕猴的高级皮层变化 老化更常见的表现是高级认知功能下降，比如年老的人经常会在执行功能和陈述性记忆方面出现缺陷，这些缺陷必然伴随着大脑内的变化，很可能是高级脑区如PFC或PPC等皮层的变化导致的。猕猴的大脑老化研究证实了这一点。 上述提到Alan Peter等人（2001）对老年猕猴V1的研究，其实他们所用的猕猴都来自更早一次的研究(1998)，当时他们研究的是同一批猕猴的前额叶Layer1随老年的变化。研究发现，老年猕猴的Area46的Layer1变得很薄，变薄区的神经突触比年轻猴少了30-60%，突触后树突和树突棘数目也显著下降（图7）。相关分析表明，Area46 Layer1的厚度和延迟记忆任务的行为表现损伤之间存在显著负相关性，内部神经突触的数目也和行为损伤之间呈负相关（图8）。Area46 layer1的变化为老化导致的认知下降提供了可能的解释。 图7：Area46树突（轮廓）和树突棘（黑点）数目在两只年龄不同的猴子之间的比较。 图8：老年猴子Area46突触密度下降，认知损伤加重。 大多数关于老化对大脑皮层的影响的研究显示：老年人皮层中的神经元总数并没有显著的下降。但这些研究大多没有在非常局部的区域研究年龄相关的神经元数目变化，有个别研究虽然研究了老化对背侧前额叶的影响，但没有看到神经元丢失。Smith（2004）等人认为这些结果可能是因为之前的研究没有在分块的区域用立体的方法进行研究，他们认为神经元数目的减少是可能发生的。为了探究这个问题，他们使用了7只年轻猴子（平均7岁）和6只老猴子（平均25岁），其中一些进行了工作记忆测量，采用双井延迟响应任务，延时有多种条件，测试显示随着延迟增长，老年猴子的行为选择正确率显著低于年轻猴子（图9）。之后研究人员提取猴子的脑组织进行研究，发现前额叶的Area 8A区的神经元数目在老年猴子上显著低于年轻猴子，而前额叶的Area 46区的神经元数目不存在年龄上的差异（图10）。研究者还发现前额叶Area 8A的乙酰胆碱能轴突（cholinergic axons）密度在老年猴子上低于年轻猴子，但Area 46区不存在年龄差异，与此同时，Nucleus Basalis中向Area 8A提供轴突投射的细胞群发生了萎缩，而向Area 46区投射的细胞群没有发生变化。这项研究表明年老会导致局部脑区的神经数目减少，这种减少可能是伴随年老的行为损伤的原因。 图9：老年猴子的行为选择正确率显著低于年轻猴子。 图10：老年导致PFC A8神经元数目和乙酰胆碱能轴突数目的减少以及Nucleus Basalis向A8投射轴突的神经群数目的减少（从上到下）。 四：总结 目前用猕猴或其他灵长类研究老化对皮层的影响的研究还很少。本文列举了用老年猕猴研究大脑皮层变化的代表性研究，这些研究表明：老化引起的皮层变化是可以很好地通过神经电生理和神经组织观察来研究的。通过从感知觉到高级认知的老化研究，可以发现老化带来了全脑的变化，不同脑区的变化着重影响对应的功能。随着越来越多的研究关注猕猴的老化，关于老化和阿尔兹海默症的研究将得到深化和丰富。 参考文献： Overton JA, Recanzone GH. Effects of aging on the response of single neurons to amplitude-modulated noise in primary auditory cortex of rhesus macaque.Journal of Neurophysiology. 2016;115(6):2911-2923. doi:10.1152/jn.01098.2015. Alan Peters, Mark B. Moss, Claire Sethares; The Effects of Aging on Layer 1 of Primary Visual Cortex in the Rhesus Monkey, Cerebral Cortex, Volume 11, Issue 2, 1 February 2001, Pages 93–103 Wang, Yongchang, et al. “Aging Affects Response Variability of V1 and MT Neurons in Rhesus Monkeys.” Brain Research, vol. 1274, 2009, pp. 21–27. Peters, A., Sethares, C., Moss, M. B. (1998). The effects of aging on layer 1 in area 46 of prefrontal cortex in the rhesus monkey. Cerebral Cortex, 8(8), 671-684. Smith D E, Rapp P R, McKay H M, et al. Memory impairment in aged primates is associated with focal death of cortical neurons and atrophy of subcortical neurons . Journal of Neuroscience, 2004, 24(18): 4373-4381.
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