结构重塑

结构重塑（英文：Structural remodeling）在神经科学中指神经系统（尤其是神经元）在发育、学习、适应或损伤修复过程中发生的持久性物理结构改变。这些变化涉及神经元及其连接在形态、数量和空间布局上的改变，是支撑功能可塑性和长期记忆存储的解剖基础，区别于快速、可逆的功能可塑性（如突触传递强度的改变）。

核心概念

结构重塑强调了神经系统并非静态线路，而是一个动态的建筑，其物理架构可根据经验、需求和损伤进行实质性的修改。它通常在较长时间尺度（数小时、数天、数周乃至更久）上发生，并可能具有持久甚至永久的影响。

主要表现形式

1. 突触水平的重塑

这是最常见和最精细的结构重塑形式。

• 树突棘的形态与数量变化：

  • 树突棘是接收大部分兴奋性突触输入的微小突起。

  • 学习或经验富集可诱导树突棘新生、增大、形态成熟（从细长易变的丝状伪足转变为稳定的蘑菇形棘）。

  • 感觉剥夺或神经退行可导致树突棘萎缩、消失。

  • 树突棘的动态是突触连接强度和稳定性的结构关联物。

• 突触新生与消除：全新的突触连接形成，或已有的突触被修剪移除。这是神经网络布线图发生根本改变的基础。

• 突触前终末的形态变化：包括活性区的扩大、囊泡池的重新分布等。

2. 轴突与树突的重塑

• 轴突发芽：损伤后（如卒中、神经切断），受损神经元的近端轴突或邻近健康神经元的轴突可能长出新的侧枝，尝试重新支配去神经支配的靶区。这是损伤后再生和重组的核心机制，但成年中枢神经系统中的再生能力极弱。

• 树突分支的延伸与修剪：

  • 发育期：存在广泛的树突过度生长和随后的选择性修剪。

  • 成年期：在复杂环境中学习或经历可导致特定脑区（如海马）的树突分支复杂度增加。

• 髓鞘重塑：少突胶质细胞（中枢）和施万细胞（外周）可调节髓鞘的厚度和节间长度，影响神经传导速度和同步性，这也是一种重要的结构可塑性。

3. 细胞水平的重塑

• 成年神经发生：在特定脑区（最著名的是海马齿状回和侧脑室下区），新的神经元持续生成、迁移、分化并整合到现有神经环路中。这一过程对某些形式的学习、记忆和情绪调节至关重要。

• 星形胶质细胞形态与功能重塑：作为“第三元件”的星形胶质细胞，其终足包裹突触，可调节突触微环境。在活性依赖下，它们能改变对突触的覆盖范围，从而影响突触效能和信息隔离。

4. 网络与系统水平的重塑

• 皮层地图重组：在躯体感觉皮层或运动皮层中，反复使用某身体部位（如音乐家的手指）可扩大其皮层代表区；而去传入（如截肢）后，该皮层区域可被邻近身体部位的输入“接管”。这种大规模的功能地图改变背后，是突触连接权重和有效性的广泛结构重塑作为支撑。

• 长程连接的白质可塑性：使用扩散张量成像技术发现，长期训练（如杂耍、阅读）可改变连接相关脑区的白质纤维束的微观结构（如髓鞘完整性、轴突方向一致性）。

触发因素与调控机制

1. 神经活性与经验：这是最主要的驱动因素，遵循“用进废退”原则。高强度或特异性的活动通过钙信号、即早基因表达、神经营养因子释放（如BDNF）等途径，触发下游的细胞骨架重排和基因表达程序。

2. 神经营养因子：BDNF等是诱导树突棘生长、突触成熟的关键分子。

3. 细胞外基质与围神经元网络：这些结构在成年大脑中为神经元提供物理支撑和化学稳定。它们的修饰（如基质金属蛋白酶降解PNNs）是允许结构重塑发生的“许可”开关。

4. 激素与免疫信号：压力激素、性激素和细胞因子均可影响结构重塑过程。

5. 损伤与疾病：引发炎症反应、胶质细胞活化和一系列修复或适应性的重塑尝试。

功能意义

1. 长期记忆的物理基础：结构重塑（特别是稳定树突棘的形成和新突触的巩固）被认为是将短期记忆转化为长期记忆的潜在结构印记。

2. 技能习得与专业化的基础：长期练习导致相关神经环路的“硬件”优化。

3. 脑损伤后恢复的基质：轴突发芽、突触重组等是功能代偿的解剖希望。

4. 发育中环路精细化的核心：通过过度生长和选择性修剪，形成精确的神经连接。

研究方法

• 双光子活体成像：可以在清醒动物脑中，长时间、高分辨率地观察同一批树突棘的产生、消失和形态变化，是研究结构可塑性的革命性技术。

• 电子显微镜：提供突触超微结构的“金标准”视图。

• 病毒介导的神经示踪：追踪轴突投射模式的变化。

• 免疫组织化学与共聚焦显微镜：观察神经元和胶质细胞的整体形态。

• DTI-MRI：在活体人类中无创评估白质结构的变化。

疾病关联

结构重塑的失调与多种神经系统疾病相关：

• 精神疾病：精神分裂症、抑郁症患者的海马、前额叶皮层常观察到树突棘密度和树突复杂度的异常。

• 神经发育障碍：自闭症谱系障碍可能与突触修剪异常或过度连接有关。

• 神经退行性疾病：阿尔茨海默病早期即出现树突棘的大量丢失和突触功能障碍。

• 癫痫：反复发作可能导致异常的轴突发芽和突触重组，形成致痫环路。

参考文献

1. Holtmaat, A., & Svoboda, K. (2009). Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nature Reviews Neuroscience, 10(9), 647–658. （全面综述经验依赖的结构性突触可塑性）

2. Trachtenberg, J. T., et al. (2002). Long-term in vivo imaging of experience-dependent synaptic plasticity in adult cortex. Nature, 420(6917), 788–794. （利用双光子成像首次在活体成年动物皮层中直接观察到经验诱导的树突棘动态）

3. Chklovskii, D. B., Mel, B. W., & Svoboda, K. (2004). Cortical rewiring and information storage. Nature, 431(7010), 782–788. （从理论和计算角度讨论皮层重塑与信息存储）

4. Zito, K., & Svoboda, K. (2002). Activity-dependent synaptogenesis in the adult mammalian cortex. Neuron, 35(6), 1015–1017. （评论成年皮层中活动依赖性突触发生的意义）

5. Matsuzaki, M., et al. (2004). Structural basis of long-term potentiation in single dendritic spines. Nature, 429(6993), 761–766. （将单个树突棘的结构变化与LTP直接关联的经典研究）

6. Johansen-Berg, H. (2012). The future of functionally-related structural change assessment. NeuroImage, 62(2), 1293–1298. （讨论利用影像学评估人类大脑结构重塑的未来方向）