與新皮層相比，人類(lèi)小腦的發(fā)育時(shí)間相對漫長(cháng)，這提升了罹患神經(jīng)系統疾病的風(fēng)險。由于小腦對運動(dòng)行為的調節至關(guān)重要，所以關(guān)于大多數小腦的發(fā)育障礙疾病伴隨運動(dòng)障礙的后遺癥都為。然而，從20世紀80年代末開(kāi)始收集到的證據表明，小腦參與運動(dòng)和包括認知和情感在內的非運動(dòng)功能的調節。
最近，有研究表明，智力障礙、自閉癥譜系障礙、注意力缺陷多動(dòng)障礙和唐氏綜合癥等神經(jīng)發(fā)育疾病與小腦的異常發(fā)育均有潛在聯(lián)系。“小腦連接組”的概念已經(jīng)出現，這為我們提供了一個(gè)將小腦的發(fā)育與人類(lèi)行為、疾病狀態(tài)和更好的治療策略聯(lián)系起來(lái)的框架。
小腦控制著(zhù)運動(dòng)和非運動(dòng)行為。盡管早已證實(shí)童年早期運動(dòng)功能和智力水平的相關(guān)性早已，但復雜的發(fā)育性大腦疾病與小腦發(fā)育缺陷的相關(guān)性最近才被提出。有證據表明，小腦的發(fā)育是一個(gè)重要的過(guò)程，可以調控多種行為的發(fā)生。
新生兒腦損傷等因素可導致后期整體神經(jīng)發(fā)育不良，而神經(jīng)發(fā)育障礙性疾?。∟DDs）所產(chǎn)生的影響可覆蓋運動(dòng)、感覺(jué)、認知和情感領(lǐng)域。小腦是細胞分化開(kāi)始最早的腦內結構之一，也是完全成熟的最晚的結構之一。
因此，發(fā)育中的小腦易受遺傳和表觀(guān)遺傳因素、子宮環(huán)境中的毒性、局灶性或整體新生兒腦損傷或上述應激源的某種組合所導致的功能障礙的影響。這種復雜的危險因素在發(fā)育過(guò)程可導致廣泛的細胞、形態(tài)和環(huán)路異常。
小腦和大腦皮層之間具有廣泛的連接，在環(huán)路形成的關(guān)鍵時(shí)期，小腦的功能障礙可能進(jìn)一步導致大腦皮層發(fā)育和功能的障礙。且由于NDD通常是根據行為來(lái)判定的，因此在研究過(guò)程中需要探索小腦環(huán)路、小腦-皮層間環(huán)路和患者的行為及其對應的神經(jīng)機制等。
本篇綜述中，作者關(guān)注在小腦發(fā)育過(guò)程中出現的與復雜大腦疾病之間的聯(lián)系，并著(zhù)重于小腦發(fā)育異常、小腦-皮層連接改變等因素所導致的運動(dòng)和非運動(dòng)功能障礙。
本篇綜述主要從細胞及環(huán)路層面對小腦的發(fā)育進(jìn)行描述，并對比人類(lèi)與嚙齒動(dòng)物的發(fā)育情況進(jìn)行，包括浦肯野細胞及顆粒細胞（GCs）的形成、分化，小腦皮層及白質(zhì)的細胞分布、遷移規律等。
總而言之，小腦的成熟需經(jīng)歷復雜而漫長(cháng)的過(guò)程，基因或環(huán)境等風(fēng)險因素對于發(fā)育中小腦的干擾也相應增加。因此，作者提出，對于復雜大腦疾病的研究，應該將探究小腦發(fā)育不同階段中可導致細胞、生理和行為異常的關(guān)鍵分子及細胞機制作為首要目標。
圖片1：小腦連接、環(huán)路、發(fā)育中的重要特點(diǎn)：圖a：小腦傳入、傳出的功能連接；圖b：小腦皮層內的解剖和環(huán)路連接；圖c:人類(lèi)和嚙齒類(lèi)動(dòng)物與小腦發(fā)育隨時(shí)間的變化而變化的比較；圖d：c圖中時(shí)間窗內相應細胞層面的改變。
發(fā)育過(guò)程中，信號的時(shí)空協(xié)調作用是小腦特定形狀、形態(tài)及連接形成的關(guān)鍵。在孕期及產(chǎn)后階段，Sonic Hedgehog（SHH）信號通路在小腦的發(fā)育中都起到了重要的作用，參與了小腦中浦肯野細胞（PCs）、顆粒細胞前體細胞（GCPs）的有絲分裂、分化過(guò)程，進(jìn)而影響小腦褶皺的形成、形狀等。SHH信號的中斷可導致小腦的形態(tài)和結構異常，也可能促使PCs發(fā)生改變，但目前其原因尚不清楚。
此外，作者也描述了小腦的信息傳輸環(huán)路，例舉了最近的研究成果，表明其他分子如神經(jīng)營(yíng)養因子等也可調節發(fā)育過(guò)程中樹(shù)突和突觸等精細結構的形成。這些分子的時(shí)空特異性表達正是形成小腦環(huán)路的關(guān)鍵。因此，分子機制的改變將導致小腦連接發(fā)育中斷。
“小腦連接組”的發(fā)育軌跡可以通過(guò)時(shí)間、空間因素以及“信息”因素的相互作用來(lái)決定。作者列舉了這三類(lèi)因素分別包括的內容，如細胞或突觸的發(fā)生及遷移時(shí)間、環(huán)路結構、細胞密度、神經(jīng)元同步性等多種因素。此外，小腦具有神經(jīng)發(fā)生持續時(shí)間長(cháng)、出生后體積增長(cháng)迅速、神經(jīng)元數量多且PCs可有數萬(wàn)個(gè)突觸等特點(diǎn)。因此，小腦與皮質(zhì)和皮質(zhì)下結構均有廣泛的連接。
由于早產(chǎn)等因素造成的小腦發(fā)育中斷可影響小腦與皮質(zhì)的連接，且PC的突觸和形態(tài)缺陷可能是小腦功能障礙的一個(gè)重要特征。作者從細胞水平介紹了PCs的生理特性，表明了PCs易受缺血、缺氧等外部條件的干擾，也易因Ca2+的大量流入而導致?lián)p傷。
此外，最近的研究結果也表明，基于唐氏綜合征患者(DS)系統水平的研究發(fā)現同步化缺乏，ASD的前臨床模型中突觸的損傷都可導致大腦發(fā)育缺陷。因此，將小腦發(fā)育與疾病聯(lián)系起來(lái)需要對潛在的空間、時(shí)間和信息因素有一個(gè)完整的理解。
圖二：“小腦連接組”的特點(diǎn)和依賴(lài)因素：圖a：“小腦連接組”在時(shí)間、空間、信息分子水平的三維發(fā)育軌跡；圖b：空間因子包括細胞密度、區域體積(由y1和y2定義)和與分泌分子的有效距離(由y3定義)。
基于fMRI、VBM等影像學(xué)技術(shù)的研究結果為非正常發(fā)育情況下小腦與新皮層及皮層下結構的功能性連接改變提供了的證據。作者對相關(guān)研究進(jìn)行了描述，表明NDDs中，小腦的灰質(zhì)和白質(zhì)較正常同齡人相比均發(fā)生了變化，這些變化包括體積、細胞密度、結構，而結果可導致運動(dòng)功能及非運動(dòng)功能均出現缺陷。
圖三：小腦發(fā)育易感和多感覺(jué)整合區：在復雜的腦疾病中某些小腦區域更容易發(fā)生異常。左圖為自閉癥譜系障礙患者（ASD）顯示體素(紅色)與右邊正常發(fā)育的對照組相比出現顯著(zhù)結構變化。
早在1989年，一項利用PET對語(yǔ)言處理進(jìn)行的開(kāi)創(chuàng )性研究就已表明，小腦可在語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)，即非運動(dòng)任務(wù)中被激活。最近，幾項新的研究表明，認知任務(wù)期間小腦的激活獨立于運動(dòng)加工存在，且由小腦缺陷導致的運動(dòng)性異?？膳c非運動(dòng)性異常同時(shí)存在。
·感覺(jué)運動(dòng)處理
小腦直接參與運動(dòng)協(xié)調和相關(guān)運動(dòng)學(xué)習，此外，越來(lái)越多的證據表明小腦是感覺(jué)處理環(huán)路的關(guān)鍵組成部分。由于顆粒細胞（GCs）和高爾基細胞（GoCs）可接受來(lái)自苔狀纖維（MF）系統廣泛的傳入信息，小腦可在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)甚至嗅覺(jué)信息等的整合處理中起到重要作用，涉及這一方面的細胞、環(huán)路和機制最近才被發(fā)現。作者引用了幾項對嚙齒類(lèi)動(dòng)物及人類(lèi)的運動(dòng)過(guò)程、感覺(jué)整合等方面的研究，表明小腦可主動(dòng)參與感覺(jué)及運動(dòng)信息的整合。
有研究者認為，患者出現的語(yǔ)言及社交缺陷是由多感官整合缺陷導致的。最近，對于A(yíng)SD兒童的研究也表明，多感官整合缺陷可能是由于缺乏對復雜視聽(tīng)刺激（如語(yǔ)言）的不同感官成分之間的時(shí)間關(guān)系的感知能力?？傊?，皮質(zhì)-小腦“連接組”的發(fā)育軌跡改變可導致語(yǔ)言和社交缺陷，且這很可能與多感官整合缺陷有關(guān)。
·區域間形態(tài)發(fā)生
小腦皮層包圍著(zhù)的三對小腦核（頂核、間位核、齒狀核）不僅負責小腦的信息傳出，還負責接收側支傳入信息。目前，我們對傳入信息到達小腦的時(shí)機已經(jīng)有一定程度上的了解，但對小腦核如何投射并與目標建立聯(lián)系的時(shí)機尚不清楚。
有研究表明，小腦與丘腦中的神經(jīng)元分化大約同時(shí)開(kāi)始并持續進(jìn)行，因此推測早期小腦的缺陷可導致丘腦發(fā)育受到影響，最終導致傳入大腦皮層的信息發(fā)生異常。針對小鼠En-2基因的研究進(jìn)而為研究丘腦與小腦之間的關(guān)系提供了新的素材。若能“繪制”出更為精細的小腦-丘腦核團連接圖，則可為相關(guān)疾病的治療提供更精準的靶點(diǎn)。
圖四：GCs(淺綠色)整合感覺(jué)信息(聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和軀體感覺(jué))，形成多感覺(jué)整合。GoCs (綠色)也參與調節流入小腦的感覺(jué)信息。在A(yíng)SD中，復雜刺激(如言語(yǔ))的感覺(jué)信息整合能力受損。
研究NDDs可作為研究“小腦連接組”發(fā)育軌跡的一個(gè)方法，并可為臨床干預提供途徑。最近的研究旨在探索基于不同刺激模式（侵入和非侵入），探索針對涉及小腦相關(guān)疾病的分子信號通路的治療方法。
·非侵入性刺激
非侵入性腦刺激技術(shù)，如經(jīng)顱直流電刺激（tDCS），作為治療小腦功能障礙的方法已經(jīng)越來(lái)越流行。最近的多項研究以證明tDCS治療可促進(jìn)患者運動(dòng)及非運動(dòng)功能的恢復，對健康個(gè)體的平衡、運動(dòng)等也有提高作用。但對于其對非運動(dòng)功能改善作用的機制尚不明確。
·侵入性刺激
腦深部電刺激（DBS）是一種侵入性刺激方法，由于其在臨床上的成功率越來(lái)越高而受到了持續關(guān)注。DBS已被廣泛用于涉及小腦功能異常的帕金森（PD）、強迫癥（OCD）等病癥的緩解。研究者因此提出假設，即刺激小腦可起到對運動(dòng)功能和非運動(dòng)功能的改善作用。對肌張力障礙模型小鼠進(jìn)行的實(shí)驗結果也支持了這一假設。
然而，DBS發(fā)揮作用的細胞及環(huán)路機制尚不清楚，還需進(jìn)一步研究以明確DBS功效與發(fā)育過(guò)程中區域間連接的形成、表達的分子、神經(jīng)環(huán)路等精細機制之間的關(guān)系。
·分子療法
由于不同復雜的大腦疾病具有不同小腦發(fā)育軌跡，因此，針對突觸可塑性、發(fā)育相關(guān)信號等過(guò)程中涉及到的特定細胞類(lèi)型和靶點(diǎn)設計相應的分子療法至關(guān)重要。神經(jīng)元的活動(dòng)是基于興奮性和抑制性信號調節的，因此，分子療法的目標即為調節興奮/抑制（E/I）平衡。
這段綜述以將NMDA受體、GABA系統、K+離子通道、mGluR受體、BDNF和SHH信號通路作為靶點(diǎn)的幾類(lèi)藥物為例，對其研究過(guò)程和作用機制進(jìn)行描述，表明了這些藥物的有效性。此外，寫(xiě)說(shuō)明了這些藥物的不足之處，仍需要對相關(guān)機制進(jìn)行更廣泛、更深入的研究。
圖五：對小鼠的小腦進(jìn)行深部腦刺激：圖b顯示了刺激電極相對于上皮層和鄰近小腦核的定位。圖c、d示DBS方法在肌張力障礙小鼠模型中，刺激開(kāi)始后，運動(dòng)能力立即得到改善。
有關(guān)此領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )性研究挑戰了小腦主要參與運動(dòng)行為的這一原有理論，并使人們關(guān)注到小腦在非運動(dòng)方面功能的影響。然而，在發(fā)育過(guò)程中，小腦對運動(dòng)和非運動(dòng)功能狀態(tài)的控制機制仍不清楚。更重要的是，小腦發(fā)育時(shí)間長(cháng)、圍產(chǎn)期發(fā)育迅速的特點(diǎn)表明了小腦易受到多種因素影響從而導致發(fā)育障礙。
考慮到小腦和大腦皮層之間形成了豐富的連接網(wǎng)絡(luò )，關(guān)注發(fā)育中小腦的易感性尤其關(guān)鍵。影像學(xué)、行為學(xué)和臨床前動(dòng)物模型研究的證據清楚地表明，小腦發(fā)育和小腦-皮質(zhì)連接的發(fā)展是決定兒童精神疾病發(fā)病和嚴重程度的因素。
在這里，作者提出“小腦連接組”的發(fā)展軌跡，并以此作為一個(gè)統一的框架來(lái)研究各種復雜的大腦疾病，如ASD、注意力缺陷多動(dòng)障礙（ADHD）和DS。這個(gè)框架整合了導致疾病的空間、時(shí)間和信息相關(guān)因素的變化。最后，作者回顧了復雜大腦疾病的治療策略，包括非侵入性、侵入性的治療方法和分子靶向方法。
在發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期中，有關(guān)小腦正常發(fā)育的基本機制，包括小腦中突觸的形成、不同種類(lèi)細胞間的相互作用等，還有待進(jìn)行更深入的研究。這種研究方法很有可能揭示出生后小腦發(fā)育與E/I平衡轉變的精確關(guān)鍵時(shí)點(diǎn)。
在成人小腦皮層，E/I平衡通過(guò)前反饋環(huán)路維持，前反饋電路包括來(lái)自GCs的興奮性輸入和來(lái)自分子層中間神經(jīng)元和Bergmann膠質(zhì)細胞的抑制性輸入，這些輸入將匯集在一起以調節PC神經(jīng)元的興奮性。最佳的E/I平衡是導致PC放電的關(guān)鍵因素，進(jìn)而可影響小腦皮質(zhì)輸出。這種E/I平衡的形成反過(guò)來(lái)依賴(lài)于小腦皮層主要類(lèi)型細胞之間的突觸通訊的發(fā)育和完善，以及PC自身的形態(tài)和生理特性。
維持小腦E/I平衡具有重要意義，若不能維持其的穩定，經(jīng)MFs完成的多感官整合和小腦-核團-丘腦環(huán)路都可能受到影響。我們認為，研究E/I平衡方法問(wèn)題可將連接問(wèn)題擴展至更有意義的方面，可將健康和疾病相關(guān)腦區E/I平衡圖相對應進(jìn)行比較。例如，在DS的模型鼠-Ts65Dn模型中，GCs表現出超興奮性，可改變小腦皮層的整體E/I平衡。
未來(lái)的研究可能會(huì )揭示小腦的GC超興奮性是均勻的還是局限于特定的功能模塊或區域。最后，在大多數復雜的大腦疾病中，發(fā)育中白質(zhì)的變化很少受到關(guān)注。有證據表明，E/I失衡通過(guò)Cl-濃度梯度破壞可導致小腦白質(zhì)中的細胞和生理變化。
最近的證據也表明，發(fā)育遲緩—復雜大腦疾病的一個(gè)標志—可以通過(guò)將E/I平衡轉移到正常水平來(lái)改善。因此，治療方向可以指向使用已開(kāi)發(fā)的藥物治療E/I失衡。同時(shí)，也應關(guān)注發(fā)育的過(guò)程，盡可能避免藥物對神經(jīng)元和環(huán)路產(chǎn)生的不良影響。
隨著(zhù)對復雜大腦疾病的環(huán)境風(fēng)險因素的了解越來(lái)越多，干預的途徑也應適當擴大。早產(chǎn)等因素是ASD和智力缺陷（ID）的主要危險因素之一，患者的小腦也會(huì )因此而受到影響，然而，我們對于小腦-皮質(zhì)連接組在這方面的作用仍然知之甚少。
隨著(zhù)新的成像技術(shù)、復雜的行為和生理分析以及大規模測序方法的進(jìn)步，破解小腦的發(fā)育密碼及其與大腦其他區域的復雜多樣的連接是未來(lái)神經(jīng)科學(xué)和發(fā)育疾病研究中的一條令人興奮的道路。
參考文獻：
Sathyanesan A, Zhou J, Scafidi J, Heck DH, Sillitoe RV, Gallo V. Emerging connections between cerebellar development, behaviour and complex brain disorders. Nat Rev Neurosci. 2019 May;20(5):298-313. doi: 10.1038/s41583-019-0152-2.
作者信息
張棄療 （brainnews創(chuàng )作團隊成員）
校審/排版：Simon （brainnews編輯部）
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