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年龄相关认知衰退与微胶质形态亚型及脑区特异性的关联研究。通过形态聚类分析发现，前额叶皮层、眶额叶皮层及海马区的微胶质形态亚型相对丰度分别与执行功能、认知灵活性和空间参照记忆呈正相关。研究揭示了形态学特征在捕捉微胶质异质性和反映认知衰退中的潜在价值。
Sarah J. Myers | Austyn D. Roseborough | Cristian X. Bayona | Carlangelo Carrese | Brian L. Allman | Shawn N. Whitehead
脆弱大脑实验室，解剖学与细胞生物学系，西安大略大学舒利希医学院和牙科学院，加拿大安大略省伦敦市
摘要
与年龄相关的认知衰退影响着全球数百万个体，但其背后的细胞机制尚未完全明了。小胶质细胞在衰老过程中会发生显著变化，包括形态上的改变，这些变化可能反映了认知功能障碍或对其有所贡献。然而，特定小胶质细胞形态与相关脑区认知表现之间的关系仍知之甚少。为了解决这一问题，我们评估了基于形态的小胶质细胞表型与受衰老影响的各个认知领域表现之间的关系。我们对3个月、9个月和15个月大的雄性和雌性大鼠的四个认知脑区的小胶质细胞形态进行了分析，并通过主成分分析对特征进行了层次聚类，以识别不同类型的小胶质细胞。大鼠接受了径向臂水迷宫和T迷宫任务测试，以评估空间工作记忆、基于纹状体的学习能力和认知灵活性。我们观察到与年龄相关的认知障碍以及小胶质细胞形态变化的区域特异性。重要的是，不同小胶质细胞群体的相对丰度与包括前额叶皮层、眶额叶皮层和海马体在内的功能相关脑区的认知表现存在相关性。总体而言，这些发现突显了形态分析在捕捉小胶质细胞异质性方面的实用性，并表明形态变化可能反映了或导致了衰老过程中的认知衰退。
引言
预计到2050年，65岁及以上的全球人口将增加一倍以上，达到15亿多人（联合国《世界人口展望》，2022年）。鉴于年龄是痴呆症的首要风险因素，了解衰老如何影响大脑对于识别导致老年人认知脆弱性的机制至关重要（世界卫生组织《痴呆症》，2023年）。虽然痴呆症不属于正常衰老的一部分，但在学习和记忆、执行功能等领域的与年龄相关的衰退在临床和实验研究中已有充分记录（Beas等人，2013年；Levit，2021年；Borella等人，2008年；Salthouse，2010年）。这些认知领域依赖于前额叶皮层、眶额叶皮层、海马体和纹状体等脑区，而这些脑区在临床上容易受到与年龄相关的结构和功能变化的影响（Dotson，2016年；Driscoll，2003年；Wu等人，2021年）。尽管认知衰老的机制尚未完全明了，但小胶质细胞已被认为是大脑稳态和免疫反应的重要调节者。在正常情况下，小胶质细胞通过清除碎片、维持髓鞘和监督突触来支持神经功能（Safaiyan，2021年；Nimmerjahn等人，2005年；Wake等人，2009年）。然而，小胶质细胞是高度可塑的细胞，它们可以在病理刺激、损伤或衰老的情况下迅速改变其表型，从而导致其监视、吞噬和突触调节功能的变化（Augusto-Oliveira，2022年；Wendimu和Hooks，2022年）。然而，小胶质细胞表型在正常衰老过程中如何在不同脑区发生变化，以及这些变化是否与认知衰退相关，尚未得到全面研究。
尽管小胶质细胞表型分析主要在疾病状态下进行，但临床和实验证据表明，小胶质细胞在基因表达、细胞表面标记物、功能和形态方面会随年龄发生变化。组织学研究表明，衰老与表达MHC-II、CD68和CD11c等标记物的反应性小胶质细胞数量增加有关（Levit，2021年；Ogura等人，1994年；Sheffield和Berman，1998年；Perry等人，1993年；Raj，2017年）。转录组和蛋白质组分析进一步支持了这些发现，识别出由生物性别调节的不同年龄相关的小胶质细胞表型（Safaiyan，2021年；Olah等人，2018年；Li等人，2023年；Hammond，2019年；Flowers等人，2017年）。这些分子变化伴随着小胶质细胞功能的改变，包括清除碎片的能力下降和促炎信号通路的增强（Njie等人，2010年；Floden和Combs，2011年；Sierra等人，2007年）。衰老的小胶质细胞还表现出独特的形态特征，例如分支复杂性降低和过程片段化或珠状化（Streit等人，2004年；Davies等人，2017年）。与正常的动态重塑相比，小胶质细胞过程的持续丧失可能表明其表型出现功能障碍，从而降低了感知和响应环境线索的能力（Nimmerjahn等人，2005年；Hefendehl，2013年）。由于衰老对某些认知脑区的影响尤为显著，因此描述这些区域中小胶质细胞形态的年龄相关变化可能为理解小胶质细胞表型与认知衰退之间的关系提供重要见解。
由于小胶质细胞在维持神经环境方面起着关键作用，它们越来越多地被认为是导致衰老和神经退行性病变过程中认知衰退的潜在因素。在人类尸检组织和转基因阿尔茨海默病（AD）啮齿动物模型中，反应性小胶质细胞标记物（如CD68、MHC-II和TREM2）水平的升高与较差的认知表现相关（Minett，2016年；Levit，2019年；Winfree，2023年）。动物模型的证据也表明，正常衰老过程中的小胶质细胞反应性可能与多个认知领域的损伤有关（Li等人，2023年；Shobin，2017年；Farso等人，2013年）。然而，大部分此类研究依赖于免疫组化标记物和转录组分析，而结构变化仍需进一步探索。小胶质细胞形态可能反映了其功能状态（del Fernández-Arjona等人，2019年），因此可以揭示衰老过程中小胶质细胞如何导致脆弱脑区的认知衰退。
尽管对小胶质细胞表型的兴趣日益增加，但大多数临床前研究主要集中在转基因神经退行性疾病模型上，而对正常衰老过程的研究相对较少。在这里，我们采用了一种综合方法，结合了小胶质细胞形态分析和多领域认知测试，研究对象为正常衰老的3个月、9个月和15个月大的大鼠。根据已建立的啮齿动物与人类年龄对应关系，这里使用的年龄大致对应于人类的青年期（3个月）、中年期（9个月）和晚中年期至早期衰老期（15个月），从而能够评估成年生命周期关键阶段的小胶质细胞变化（Hyde等人，1998年）。我们使用径向臂水迷宫和T迷宫任务评估了空间参考记忆、空间工作记忆、基于纹状体的学习能力和认知灵活性。为了捕捉小胶质细胞的异质性，我们对3个月、9个月和15个月大的雄性和雌性大鼠四个认知脑区（前额叶皮层、眶额叶皮层、海马体和背侧纹状体）的Iba1+细胞的形态特征进行了层次聚类。这种无监督方法揭示了不同类型的小胶质细胞，其区域丰度与特定认知任务的表现相关：前额叶皮层的小胶质细胞与执行功能相关，眶额叶皮层的小胶质细胞与认知灵活性相关，海马体的小胶质细胞与空间参考记忆相关。
部分摘录
动物
本研究中的所有大鼠都被饲养在Western大学动物护理和兽医服务部门维护的设施中，每笼2-3只，遵循12小时光照/黑暗周期，可以自由饮水并食用标准饲料。雄性和雌性Fischer 344大鼠在实验室内繁殖并饲养至3个月、9个月或15个月大（每个年龄组10只雄性和10只雌性）。行为测试在实验结束前大约一个月进行，以便在
Iba1+小胶质细胞密度在各个年龄段基本稳定，除了雌性纹状体
为了确定形态变化是否独立于细胞数量的变化，我们首先量化了不同年龄组和脑区的小胶质细胞密度。使用Iba1免疫组化技术观察了3个月、9个月和15个月大的雄性和雌性大鼠的小胶质细胞。选择了四个对认知表现重要的区域进行细胞计数，包括前额叶皮层的边缘前区（图1A；PFC）等
讨论
这项研究首次全面探讨了正常衰老过程中特定脑区小胶质细胞形态表型与认知表现之间的关联。通过创新的无监督聚类方法，我们首次证明了随着年龄的增长会出现不同类型的小胶质细胞，并且它们的区域丰度与相应脑区的认知功能直接相关。我们的发现揭示了小胶质细胞与认知功能之间之前未被认识到的关系
资金来源
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CRediT作者贡献声明
Sarah J. Myers：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究资助，正式分析，数据管理，概念化。
Austyn D. Roseborough：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，数据管理。
Cristian X. Bayona：撰写 – 原稿，数据管理。
Carlangelo Carrese：撰写 – 原稿，数据管理。
Brian L. Allman：撰写 – 原稿
伦理批准
本研究使用的动物伦理和程序已获得Western大学动物护理委员会的批准（协议2022-137）。所有大鼠均饲养在Western大学动物护理和兽医服务部门维护的设施中。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢Lynn Wang博士和UWO的动物护理和兽医服务人员的技术支持。
