环境丰富化和社会隔离对临床前啮齿动物模型的影响：内源性大麻素系统的作用

《Neuroscience & Biobehavioral Reviews》：Effects of environmental enrichment and social isolation in preclinical rodent models: role of the endocannabinoid system

•环境丰富化（EE）和社会隔离（SI）会以特定区域和模型依赖的方式改变大脑内源性大麻素（EC）系统成分
•CB1受体信号传导有助于EE的益处
•CB1受体信号传导的减弱与SI的负面影响有关
•EC系统是将环境条件与神经可塑性和行为适应联系起来的关键接口

**引言**
19世纪末，威廉·詹姆斯（William James）、尤金尼奥·坦齐（Eugenio Tanzi）和圣地亚哥·拉蒙·伊·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）等学者开始概念化大脑（或神经）可塑性的思想（James, 1890; Tanzi, 1893; Ramon y Cajal, 1894；综述见Berlucchi和Buchtel, 2009）。1906年，埃内斯托·卢加罗（Ernesto Lugaro）将“可塑性”一词引入神经科学，指神经连接改变的能力（Lugaro, 1906）。后来，耶日·科诺尔斯基（Jerzy Konorski）在1948年针对条件反射提出了“神经可塑性”这一术语（Konorski, 1948；另见Zieliński, 2006）。这些曾经具有革命性的概念现在已成为现代神经科学的基础。当前的证据表明，环境和基因共同作用以塑造神经回路和行为（Rutter et al., 2006）。大量研究记录了大脑在经历和外部刺激下结构和功能的适应性变化。环境丰富化（EE）已成为研究复杂感官、认知和社会刺激如何影响大脑结构和功能的主要模型。加拿大心理学家唐纳德·O·赫布（Donald O. Hebb）是最早提出其重要性的人之一，他在1947年观察到偶尔带回家的大鼠在解决问题和记忆表现上优于在标准实验室条件下饲养的大鼠（Hebb, 1947）[关于赫布工作的历史视角，见Seung, 2000; Brown and Milner, 2003; Brown, 2020]。赫布的工作启发了许多人在受控环境中进行实验，罗森茨威格（Rosenzweig）及其同事在1978年将这种环境描述为“……无生命物体和社会刺激的结合，这已成为大多数‘丰富’或‘复杂’环境研究的特点”（Rosenzweig et al., 1978; Rosenzweig and Bennett, 1996; Kempermann, 2019），这是EE最早的定义之一。这一定义强调了刺激“组合”的重要性，因为丰富化本质上是多因素的。在实验室啮齿动物环境中，通常通过将动物群养在装有各种物体的较大笼子里来增强运动、认知、社交和感官刺激，以便它们能够活动，并提供不同颜色和材料的无生命物体（Huang et al., 2006; Rico-Barrio et al., 2021; Banaei-Boroujeni et al., 2023）。一些研究还包括音乐、气味和食物等感官刺激（Xu et al., 2009; Favre et al., 2015）。EE已被应用于神经康复、认知增强、成体神经发生和情绪障碍等多样化研究领域（Laviola et al., 2008; Han et al., 2023; Khalil, 2024; Parambath et al., 2025）。然而，在使用EE时需要注意一些问题。例如，该领域的研究主要集中在雄性啮齿动物上，涉及两性的研究相对较少（Kentner et al., 2021）。鉴于行为和对社会住房条件反应的性别差异已被充分记录（Fernandes et al., 1999; Corredor et al., 2022; Brown et al., 1995; Elliott and Grunberg, 2005），评估雄性和雌性的EE对于全面理解其效果至关重要。另一个方面是实验方案的多样性，无论是丰富化成分还是实验时间窗口，都使得跨研究比较较为困难。一项系统评价EE方案变异性的研究表明，最常用的成分包括玩具（塑料或木制）、骨头、咀嚼物、住所、管子、隧道、管道、更大的笼子空间以及社交丰富化（Kentner et al., 2021）。大多数研究通常考察产后第41天（PND）到第90天之间的EE效果，最常见的暴露时间为4到6周（Kentner et al., 2021）。值得注意的是，EE开始的时机会显著影响实验结果（Harburger et al., 2007; Sampedro-Piquero et al., 2013），早期EE暴露被广泛认为会产生更持久的效果（Sale et al., 2004; Cui et al., 2006; Yang et al., 2007; Hegde and Mitra, 2020）。此外，青少年时期的EE暴露可能与成年期的暴露效果不同（Nader et al., 2012）。尽管不同实验室环境中的EE方案存在显著差异（Simpson and Kelly, 2011），但多项研究一致报告了EE对行为、细胞和分子结果的有益影响（Nithianantharajah and Hannan, 2006）。具体来说，EE在癌症研究中显示出有希望的效果，如减少肿瘤体积、重量、血管生成和肿瘤发生率（Bice et al., 2017; Foglesong et al., 2019; Liu et al., 2021）。此外，EE通过改善葡萄糖代谢、增强肝脏胰岛素信号传导以及减少肥胖模型中的肝脏脂肪变性来积极影响代谢健康（de León-Guerrero et al., 2022）。EE还通过减轻压力和类似焦虑的行为、提高抗压能力和缓解抑郁样行为来提升幸福感（Lehmann and Herkenham, 2011; Jha et al., 2016; Sbrini et al., 2020; Huang et al., 2021; Vanisree and Thamizhoviya, 2021）。认知方面的益处也得到广泛报道，包括改善空间学习、增强记忆巩固以及减少与年龄相关的记忆障碍（Speisman et al., 2013; Jin et al., 2017; Soares et al., 2017）。在社交环境中，EE增加了社交互动和识别能力，尤其是在自闭症谱系障碍的啮齿动物模型中（Schneider et al., 2006; Garbugino et al., 2016）。此外，EE在神经病理（Kimura et al., 2020; Falkowska et al., 2023; Medeiros et al., 2025）和炎症性疼痛模型（Estrázulas et al., 2022; Jiang et al., 2022a）中均表现出镇痛效果。由于其上述及其他许多积极效果，EE已成为神经科学中研究各种神经和精神疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫、慢性疼痛、中风、创伤性脑损伤、肌萎缩侧索硬化症、唐氏综合征、脆性X综合征、抑郁症和焦虑症）的预防和治疗相关效应和机制的宝贵工具（综述见Nithianantharajah and Hannan, 2006; Vaquero-Rodríguez et al., 2023）。尽管仍然存在知识空白，但EE的行为效应背后的神经生物学机制已得到广泛研究，包括特定脑区皮层厚度增加（Diamond et al., 1976）、树突长度和分支增加（Faherty et al., 2003; Leggio et al., 2005）以及突触大小增加（Greenough et al., 1985）。此外，响应EE时神经营养因子（如脑源性神经营养因子和神经生长因子）的水平也有所升高（Pham et al., 1999; Ickes et al., 2000; Gelfo et al., 2011）。大量研究表明EE增加了海马体的神经发生（Fabel et al., 2009; Schloesser et al., 2010; Rizzi et al., 2011; Grońska-P?ski et al., 2021），这一效应部分由血管内皮生长因子介导，同时还有中枢神经系统特异性T细胞的招募，这些T细胞主要影响祖细胞增殖并与小胶质细胞相互作用（During and Cao, 2006; Ziv et al., 2006）。EE还通过增加抗炎因子（Gong et al., 2018; Keymoradzadeh et al., 2020）的产生和减少特定脑区促炎细胞因子和介质的产生来发挥抗炎作用（Gri?an-Ferré et al., 2016; Keymoradzadeh et al., 2020），从而减轻这些介质对神经元功能的负面影响。EE还调节下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴的功能（Du et al., 2012; Fan et al., 2021），并影响多种神经递质系统，包括内源性阿片类（Smith et al., 2005; Smith et al., 2008; Kalbe and Puppe, 2010; Parent-Vachon et al., 2019）和单胺系统（Rasmuson et al., 1998; Brenes et al., 2008; Brenes et al., 2009; Gill et al., 2013; Gabriel et al., 2020）。最新证据进一步表明，EE可能至少部分通过调节内源性大麻素（EC）系统来发挥作用。EC系统是一种高度保守的神经调节系统，在不同物种中表现出结构和功能的相似性（Rosado-Franco et al., 2024；综述见Elphick, 2012），并调节与EE相关的关键过程，包括应激反应性（Morena et al., 2016）、情绪行为（Bright and Akirav, 2022）、奖励处理（Wenzel and Cheer, 2018）和疼痛调节（Woodhams et al., 2017）。然而，很少有研究探讨EC系统在EE临床前动物模型中的行为效应（Banaei-Boroujeni et al., 2023; Jiang et al., 2022a; Rico-Barrio et al., 2021），因此这些内容将在后续章节中详细讨论。

与群养相对的是单独饲养，有时用作EE研究的对照（Berrocal et al., 2007; Tai et al., 2018; Marion et al., 2022）。然而，单独饲养并不代表标准条件，也不适合比较EE的效果（Solinas et al., 2010），因为已知社会隔离（SI）会引起生理、行为和神经化学的变化（Hall, 1998; Toth et al., 2011; Shetty and Sadananda, 2017; Vitale and Smith, 2022; Borland, 2024; Yadav et al., 2024）。关于SI对啮齿动物影响的研究始于20世纪60年代，当时开始报告与长时间单独饲养相关的各种生理和行为变化（Balazs et al., 1962; Hatch et al., 1965）。早期发现还包括内分泌变化，表现为肾上腺和甲状腺重量增加、脾脏和胸腺重量减少以及白细胞计数和嗜酸性粒细胞计数下降，这表明社会隔离的啮齿动物下丘脑皮质活动增强（Weltman et al., 1966）。社会隔离的大鼠还出现了其他生理变化，包括体重下降、血红蛋白水平升高以及肝脏糖原和肾上腺胆固醇水平的变化（Hatch et al., 1965）。具体来说，隔离的雄性大鼠的肝脏糖原减少，而雌性则没有这种变化，而肾上腺胆固醇在雌性中减少，在雄性中增加（Hatch et al., 1965）。此后，SI的行为后果已被广泛研究，隔离的时间似乎是其效果的一个重要决定因素。持续至少一周的断奶后SI会导致注意力下降（Ouchi et al., 2013）、社交依附能力受损（Okada et al., 2015）以及条件恐惧记忆缺陷（Okada et al., 2014）。由于这些行为变化与神经发育障碍中的行为特征重叠，断奶后的SI被认为是一种非遗传性动物模型，可用于研究神经发育障碍相关表型的各个方面，包括注意力缺陷多动障碍、自闭症谱系障碍和特定学习障碍（Matsumoto et al., 2019）。青春期被认为是一个特别脆弱的发育阶段，在此期间暴露于压力会增加多种神经精神疾病的风险（Rueter et al., 1999; McLaughlin and Hatzenbuehler, 2009; Tessner et al., 2011; Liu et al., 2026）。与此一致的是，青少年时期的SI会增加在新环境中的活动水平（Wilkinson et al., 1994; V?ikar et al., 2005）、类似焦虑的行为（Hellemans et al., 2004; Wei et al., 2007）和攻击性行为（Matsumoto et al., 1995; Matsumoto et al., 2005），同时还会损害声音惊跳反应的预备抑制（Day-Wilson et al., 2006a）和空间学习及记忆（Lu et al., 2003; Ibi et al., 2008）。青少年时期SI后还报告了酒精摄入量增加（Burke et al., 2026）。因此，隔离饲养的啮齿动物被认为表现出与焦虑、抑郁、精神分裂症和创伤后应激障碍等精神疾病相关的行为特征（Parker and Morinan, 1986; Nestler and Hyman, 2010; Ricciardi et al., 2025）。此外，青少年时期的SI还与癫痫发作易感性增加有关（Matsumoto et al., 2003; Manouze et al., 2019）。除了这些神经精神和神经效应外，SI还影响疼痛相关行为。据报道，成年大鼠的急性及长期SI会增加内脏痛敏感度（Zhang et al., 2022; Zhou et al., 2022），而青少年时期开始的SI在成年后评估时与机械性过敏反应相关（Braga-Dias et al., 2025）。SI的后果可能不仅限于神经系统。在动物模型中，隔离（SI）已被证明会促进肿瘤进展（Williams等人，2009年；Volden等人，2013年），并增加参与脂质合成和葡萄糖代谢的代谢基因在癌前乳腺组织和乳腺脂肪细胞中的表达（Williams等人，2009年；Volden等人，2013年）。SI对行为影响的神经生物学机制也是大量研究的重点。暴露于SI压力会引起内分泌变化，包括激活HPA轴，导致糖皮质激素的释放（Gamallo等人，1986年；Weiss等人，2004年；Hawkley等人，2012年）。此外，长期的SI还会导致大脑结构和可塑性的变化，这些变化包括海马区脑源性神经营养因子水平的降低（Scaccianoce等人，2006年）、成体神经发生的减少（Cinini等人，2014年）、突触形成的减少（Ohta等人，2017年）以及成熟树突棘密度的变化（McGrath和Briand，2022年）。还有报道称内侧前额叶皮层的体积也会减少（Day-Wilson等人，2006a）。SI还会影响多种神经递质系统（Hall等人，1998年；Ago等人，2013年）。例如，SI与细胞外多巴胺水平的升高和纹状体多巴胺D2受体的功能下调有关（Hall等人，1998年）。单独饲养的雄性小鼠表现出前额叶多巴胺和血清素的释放增加，这被认为是异常行为发展的神经化学基础（Ago等人，2013年）。血清素信号通路的变化也与单独饲养的大鼠的攻击性行为有关，并与5-HT1受体的活性降低相关（St Popova和Petkov，1990年）。此外，长期的SI还会影响兴奋性和抑制性神经传递（Matsumoto等人，2003年；Kawasaki等人，2011年）。据报道，谷氨酸系统的变化，包括谷氨酸受体表达和功能的变化（Kawasaki等人，2011年），以及GABA能信号通路的变化，可能导致癫痫发作阈值的降低（Matsumoto等人，2003年）。新的证据表明，SI还会引起EC信号通路的变化。尽管环境暴露（EE）和SI代表了具有不同生物学后果的对比环境体验，但它们调节EC系统的共同能力表明这可能是介导其效应的潜在共同机制。重要的是，EC系统也是可以通过药物靶向的，具有明确的配体和受体分布（Bilbao和Spanagel，2022年；?erban等人，2025年）。因此，理解EC系统的作用以及EE和SI如何调节该系统对于将EE和SI的效果从啮齿动物模型转化为人类至关重要。阐明EE和SI如何调节EC系统信号通路可以提供一个机制框架，通过该框架了解环境干预如何产生有益或有害的效果，同时确定潜在的治疗靶点。实际上，“环境模拟学”的概念提出，EE有益效果的神经生物学机制可能为开发模仿或增强这些效果的药物干预提供信息（McOmish和Hannan，2007年；Kelly和Hannan，2019年；Solinas等人，2021年）。然而，迄今为止，只有有限的研究探讨了EC系统在EE的临床前动物模型中的作用（Banaei-Boroujeni等人，2023年；Jiang等人，2022a；Rico-Barrio等人，2021年），突出了环境条件影响EC系统功能的共同和不同机制，以及知识上的空白。这篇综述将概述和综合当前临床前研究，探讨环境操作（如EE和SI）对临床前啮齿动物模型中EC系统的影响，识别知识空白并指明未来研究的方向。

大麻（Cannabis sativa）已被用于娱乐和治疗目的数千年之久。1964年，Mechoulam和Gaoni发现了其主要的精神活性化合物Δ9-四氢大麻酚（Δ9-tetrahydrocannabinol），这一发现引发了对其作用机制的兴趣（Gaoni和Mechoulam，1964年）。这种兴趣最终导致了第一个大麻素受体CB1的发现，随后又发现了EC系统的其他组成部分。EC系统是一个复杂的脂质信号系统，在调节多种生理过程中起着关键作用，包括稳态、代谢、食欲、心血管功能、情绪、应激反应、认知、免疫反应、疼痛、生育能力以及产前和产后发育（Aizpurua-Olaizola等人，2017年；Lowe等人，2021年）。EC系统由几个核心组成部分构成（Bisogno等人，2005年；Starowicz和Finn，2017年；Kaczocha和Haj-Dahmane，2021年）：(i) 大麻素受体，即G蛋白偶联（Gi/o）受体CB1和CB2；(ii) 内源性配体，其中最著名的是N-花生四烯酸乙醇胺（anandamide；AEA）和2-花生四烯酸甘油（2-AG）；(iii) 负责配体合成的酶，包括N-酰基磷脂乙醇胺磷酸脂酶D（NAPE-PLD）和二酰基甘油脂肪酶α和β（DAGL）；(iv) 负责配体降解的酶，包括脂肪酸酰胺水解酶（FAAH）和单酰基甘油脂肪酶（MGL）；(v) 细胞内和细胞外的EC转运蛋白。内源性大麻素在特定刺激下按需合成，在神经元中起到逆向神经递质的作用（Castillo等人，2012a）。AEA和2-AG虽然在结构上相似，但具有不同的合成和降解途径，并发挥不同的生理作用（Rezende等人，2023年）。AEA是CB1和CB2受体的部分激动剂，对CB1的亲和力更高。它由NAPE-PLD合成，主要由FAAH降解（Devane等人，1992年；Cravatt等人，1996年；Okamoto等人，2009年）。相比之下，2-AG是完整的CB1和CB2受体激动剂，受体亲和力中等至低。它由DAGL合成，主要由MGL分解（El Mechoulam等人，1995年；Sugiura等人，1995年；Stella等人，1997年；Dinh等人，2002年）。CB1和CB2受体是七次跨膜的G蛋白偶联受体，主要与Gαi/o蛋白偶联（Howlett，1995年）。它们的激活抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP/PKA信号通路，并通过抑制N型和P/Q型电压门控Ca2?通道以及激活A型和内向整流K?电流来调节离子通道活性，最终抑制神经递质的释放（Bidaut-Russell和Hewlett，1991年；Caulfield和Brown，1992年；Hampson等人，1998年；McAllister等人，1999年）。这种机制是CB1受体介导的去极化诱导抑制（DSI，通过减少GABA释放）或去极化诱导的兴奋抑制（DSE，通过减少谷氨酸释放）的基础，从而提供快速、活性依赖的突触传递调节（Wilson和Nicoll，2001年）。此外，CB1和CB2受体信号通路还可以激活丝裂原活化蛋白激酶通路，促进如c-Fos和c-Jun等基因表达的变化（Bouaboula等人，1995年；Howlett，2005年；参见Lu和Mackie，2021年；Ehrlich等人，2026年）。EC系统的活性不仅限于大麻素受体，内源性大麻素还与过氧化物酶体增殖活化受体（PPARs）、瞬时受体电位阳离子通道亚家族V成员1（TRPV1）和G蛋白偶联受体（GPR55、GPR119）具有亲和力和活性（Alexander和Kendall，2007年；Brown，2007年）。其他大麻素受体配体包括noladin ether、virodhamine和N-花生四烯酸多巴胺（NADA）（Bisogno等人，2000年；Hanu?等人，2001年；Porter等人，2002年）。相关化合物，如N-酰基乙醇胺、N-棕榈酰乙醇胺（PEA）和N-油酰乙醇胺（OEA），对大麻素受体的亲和力较低，但由于它们也能被FAAH降解，因此可以通过在FAAH上的底物竞争间接提高AEA水平（Di Marzo，2006年）。CB1受体是体内最广泛表达的G蛋白偶联受体，尤其是在大脑中表达量很高。CB2受体主要位于外周，特别是在免疫来源的细胞中，尽管也在大脑中的小胶质细胞和某些神经元群体中以较低的密度表达（Herkenham等人，1991年；Munro等人，1993年；Glass等人，1997年；Berdyshev，2000年；Van Sickle等人，2005年；Liu等人，2017年）。EC系统的广泛分布表明它参与多种生理功能，其中断与多种病理情况有关，包括神经退行性疾病、精神疾病和自身免疫性疾病等（Katchan等人，2016年；Basavarajappa等人，2017年；Ibarra-Lecue等人，2018年；Basavarajappa，2019年；Finn等人，2021年；Lowe等人，2021年）。行为神经科学的最新进展表明，EC系统在介导与环境之间的相互作用中起着关键作用。这一见解建立在将EC活动与奖励处理、情绪调节和应激反应联系起来的基础研究之上。以下部分将探讨环境条件（如EE和SI）与EC系统之间的相互作用（见图1）。

### EE对大脑中CB1和CB2受体表达和功能的影响
几项临床前动物研究探讨了EE对大脑中CB1受体表达的影响，既包括未经处理的啮齿动物也包括疾病模型（El Rawas等人，2011a；Glass等人，1993年；Rico-Barrio等人，2021年；Rullo等人，2023年）。然而，据我们所知，尚无研究评估EE对CB2受体的影响。表1提供了报告结果的全面概述（见图1）。尽管知识上仍有空白。

### SI对大脑中CB1和CB2受体表达和功能的影响
几项研究探讨了SI对大麻素受体表达的影响。SI的持续时间似乎是一个影响CB1受体表达和功能的重要因素。评估较短SI时期（4-6周）的研究报告称，在多个脑区（包括伏隔核（NAc）、杏仁核、丘脑、下丘脑、黑质、导水管周围灰质（PAG）、苍白球和小脑）中CB1受体蛋白水平没有变化（表2；讨论部分）。

鉴于EE的明确有益效果以及SI对多个生物系统的不良影响，加上EC系统在维持这些系统稳态中的核心作用，环境条件与EC信号通路之间的潜在联系已成为一个日益受到关注的领域。本综述表明，EE和SI都在临床前动物模型中显著调节EC系统，其效应具有区域特异性并受影响。

### 结论
本综述强调EC系统是EE和SI影响神经可塑性和行为适应的重要接口。现有证据表明，EE和SI对EC信号通路产生不同的影响，EE通常与CB1受体表达增强和适应性EC调节相关，而SI则表现为CB1受体功能降低和EC信号通路紊乱。这些发现支持EC系统在调节这些过程中的作用。