關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章,請考慮訂閱我們的獲獎新聞,以支援我們的工作。 訂閱。透過購買訂閱,您將有助於確保關於塑造當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
2007年,詹姆斯·沃森第一次審視了自己的基因組。經過50多年的科學和技術進步,沃森看到他曾幫助解開的化學結構現在融合到他面前的個人基因圖譜中。
然而,在第19號染色體上,有一小段核酸鏈,他更願意將其隱藏起來,這一區域編碼載脂蛋白E基因。APOE,正如它所稱,一直是阿爾茨海默病風險的明顯遺傳標誌,自90年代初以來,與該疾病密切相關。沃森的祖母患有阿爾茨海默病,在沒有任何合理的治療方法或合適的預防策略的情況下,DNA之父認為該資訊過於不穩定,其揭示造成的潛在危害大於好處。
沃森的擔憂是合理的。阿爾茨海默病的治療一直失敗,有時甚至很慘。但是,隨著我們對大腦的瞭解越來越多,很明顯,僅靠遺傳很少能決定疾病的程序。相反,腦部疾病是我們的基因和我們所接觸的環境之間複雜相互作用的結果。現在,最近的一波研究揭示了神經退行性疾病的另一個因素:壓力。
雖然科學家已經編目了我們周圍環境對心理狀況(包括抑鬱症和焦慮症)的影響,但新的研究表明,壓力也可能影響到決定某人是否會患上神經退行性疾病的複雜因素。由於可以透過改變生活方式來減輕壓力,人們可能最終可以控制這些破壞性的、令人恐懼的疾病。
自從阿洛伊斯·阿爾茨海默在二十世紀初首次記錄了他的患者的“早老性痴呆”臨床發現以來,醫生們一直在觀察到該疾病傾向於在家族中傳播。但是直到90年代初,由瑪格麗特·佩裡克-萬斯領導的一個團隊(當時是杜克大學醫學院的研究員)才發現了與阿爾茨海默病的遺傳聯絡。透過提取迴圈淋巴母細胞中的DNA,佩裡克-萬斯及其同事能夠將阿爾茨海默病與第19號染色體上APOE基因的變異聯絡起來。
大約在同一時間,由布倫達·普拉斯曼領導的杜克大學精神病學和行為科學系的另一組研究人員開始進行一系列實驗,以檢視非遺傳因素是否會導致阿爾茨海默病。他們想知道:一個人的環境是否也會影響他們是否會患上該疾病?
普拉斯曼說,在研究同卵雙胞胎時,研究人員可以篩選這些問題。如果疾病純粹由遺傳驅動,那麼當一個雙胞胎患上該疾病時,另一個雙胞胎也會患上。普拉斯曼的團隊梳理了美國國家科學院和國家研究委員會收集的資料,這些資料彙集了一大批男性二戰退伍軍人,他們都是同卵雙胞胎。在2000年2月,普拉斯曼及其同事報告說,雖然遺傳因素在很大程度上解釋了阿爾茨海默病的發生,但它不能解釋一切。其他因素也在起作用,此後普拉斯曼的小組一直在研究該疾病是否可能取決於微妙的醫療狀況、職業特徵或身體活動水平。
緊隨其後,由加州大學聖地亞哥分校的馬克·圖申斯基領導的一個研究小組轉向研究非人類靈長類動物,以探索不同的環境如何影響該疾病的發展。在2011年1月的《衰老神經生物學》雜誌上,該團隊報告了一個驚人的關聯:動物籠子的大小,以及動物在較小圍欄中所承受的隨之而來的壓力,可能會影響動物隨著年齡的增長大腦如何衰退。透過編目早期生活經歷對未來大腦健康的影響,研究人員可以開始對認知能力下降和阿爾茨海默病進展的非遺傳成分進行分層,從而辨別壓力是否會對大腦投下不祥的陰影。
在圖申斯基的研究中,一組猴子(對照組)飼養在標準尺寸的籠子裡。另一組飼養在籠子裡,這些籠子太小,以至於猴子無法進行足夠的鍛鍊,並且正如其他靈長類動物研究所證實的那樣,往往會給動物帶來壓力,從而提高它們體內迴圈的糖皮質激素水平。
壓力相關的糖皮質激素(靈長類動物中的皮質醇和齧齒動物中的皮質酮)已被證明會減少突觸的數量,從而改變腦細胞彼此交流的方式。大腦的多個區域都有糖皮質激素的受體,這可以解釋這些激素如何對神經元產生影響。
透過使用粘附在大腦特定結構上的特殊蛋白質,圖申斯基的團隊測量了突觸的相對數量,以及每隻猴子中形成的粘性澱粉樣蛋白斑塊的數量,這兩者都是認知能力的持久標誌,並且經常用於對阿爾茨海默病進行分類。在較小籠子裡飼養的猴子平均具有較高的斑塊密度和較低的突觸數量,這與阿爾茨海默病患者死後觀察到的大腦病理相同。
或多或少,所有在正常尺寸籠子裡飼養的靈長類動物都有相同數量的斑塊。另一方面,小時候被安置在較小籠子裡的猴子,它們的斑塊水平變化更大,這表明壓力可能會以不同的方式影響個體。對於某些人來說,它是有害的,而另一些人似乎則坦然接受。
顯然,這些結果僅提供了早期生活經歷與認知功能指標之間的相關聯絡,這是一種回顧性的觀察,暗示壓力可能不僅僅是一種情緒負擔。但是,正如普拉斯曼指出的那樣,我們不知道作者觀察到的大腦變化是否轉化為真正的認知滑坡。圖申斯基的團隊報告說,他們根本無法對該特定實驗進行認知功能測試,因為一些年長的猴子在死亡前幾周才被帶到他們那裡。
雖然壓力與阿爾茨海默病之間的因果關係仍然難以捉摸,但大量研究表明,適度的壓力實際上會使神經退行性疾病的症狀惡化,不僅在阿爾茨海默病中,而且在帕金森病的動物模型中也是如此。
2010年3月,休斯頓大學的卡里姆·阿爾卡迪領導的研究小組使用了阿爾茨海默病的“高風險”模型,其中將澱粉樣蛋白肽(與患者體內形成的斑塊相同的分子)注入大鼠體內,但劑量非常低,不會引起任何症狀。然後,研究人員透過將一隻入侵的大鼠放入它們的籠子中來給一些動物施加壓力,該模型先前已證明大鼠血液中的皮質酮含量大幅增加。透過將齧齒動物分為四組,該團隊能夠梳理出亞臨床劑量的澱粉樣蛋白肽和壓力治療是獨立起作用,還是協同起作用,以使動物的認知能力惡化。
研究人員確定了每組大鼠學習和記住新任務的能力,方法是在齧齒動物的水迷宮中隱藏一個看不見的平臺。通常,經過幾次嘗試,大鼠會記住平臺的位置,並且在隨後的幾天裡毫不費力地游到那裡。只有一組學習新任務(並記住其位置)有困難:既接受澱粉樣蛋白劑量又經常感到壓力的動物。阿爾卡迪的結果表明,僅慢性壓力不會改變長期記憶。同樣,透過給動物服用澱粉樣蛋白肽來使其面臨患阿爾茨海默病的風險,不會影響它們的學習能力。但是,慢性壓力似乎會將高風險動物推向邊緣,使其不太可能學習和記住新事物。
阿爾茨海默病的特徵是大腦中負責記憶和一般認知功能的區域發生神經退行性變,而帕金森病患者主要有運動困難,因為他們失去了產生多巴胺(一種對自主運動至關重要的化學物質)的特殊腦細胞。但是,儘管病理學和症狀有所不同,萊斯布里奇大學的格琳德·梅茨實驗室進行的研究表明,潛在的壓力可能會以同樣的方式加速該疾病的程序。
為了建立一個帕金森病的大鼠模型,梅茨的團隊透過將一種有毒的、殺死細胞的藥物注入富含多巴胺神經元的區域,從而在大鼠的大腦中誘發了化學損傷。此外,在實驗的幾周內,每天將一些動物放在有機玻璃管中20分鐘,使其承受慢性壓力,已知該程式會暫時提高大鼠的壓力激素水平。第三組大鼠直接注射了皮質酮,這在實驗期間始終保持了動物的壓力激素升高。然後,蓋茨的團隊使用了一系列行為測試,包括熟練的伸手運動,在這種運動中,大鼠必須將爪子滑過測試室的一個狹窄開口,以評估動物的運動功能。
梅茨的帕金森病模型是短暫的,通常情況下,接受化學損傷的大鼠的運動能力會隨著時間的推移而自發改善。但研究人員表明,即使是適度的壓力也可能有害:皮質酮水平升高的動物——無論是因壓力環境而短暫升高,還是因激素注射而長期升高——在其他動物恢復很久之後,仍然在熟練的抓取任務中遇到困難。
透過這些發人深省的研究,醫生和內科醫生逐漸認識到,壓力不僅僅是一個情緒問題,它比短暫的精神負擔更深層。我們的大腦在我們的一生中不斷地重塑自身,並且受到積極和消極經歷的強烈驅動。而且似乎在某些情況下,壓力是一種拮抗劑,確實可以在我們的大腦中留下不可磨滅的印記。
但與我們習慣聽到的關於阿爾茨海默病和帕金森病的悲觀論調(令人沮喪的研究結果,或最新的分子氪石藥物試驗再次失敗的新聞片段)形成鮮明對比的是,這些報告強調了神經退行性疾病的環境因素,而這至少是可以控制的。正如許多高膽固醇水平的人現在採取先發制人的行動來預防心臟病一樣,將來有一天,人們可能會利用他們的APOE狀態,例如,在他們的生活中做出其他必要的積極改變。
您是科學家嗎?您最近是否閱讀過您想撰寫的同行評審論文?那麼請聯絡 Mind Matters 的聯合編輯 Gareth Cook,他是波士頓環球報的普利策獎獲獎記者,他在那裡編輯週日思想版塊。他的聯絡方式是 garethideas AT gmail.com