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突触可塑性与学习记忆及相关物质的研究进展
2009-06-15 11:56   发布范围:公开

口腔医学系学员二队刘蓉蓉

【摘 要】突触可塑性反映了行为的可塑性,与学习记忆密切相关。一氧化氮(NO)、神经细胞粘附因子(NCAM) 和生长抑素(SOM)对突触可塑性具有重要意义。NO介导了兴奋性神经传导,对海马、小脑等神经元上突触可塑性和神经网络的构建产生重要影响,因而与学习记忆关系密切。GAP243在神经发育和再生过程中呈现高表达,被作为突触生长的标志物。能促进轴突生长,对长时记忆的保持有重要影响,同时,GAP243对其具调节作用。SOM在中枢神经系统中具有神经递质或神经调质的作用,与学习记忆有关。为此,本文着重就上述物质与突触可塑性变化和学习记忆的关系研究作一综述。


【关键词】突触可塑性;学习记忆;NO;SOM


1  突触可塑性学习记忆的研究

神经系统的回路在整个一生中都是可修饰的或是可塑的,其实质是指神经系统或行为的任何形成的改变。突触可塑性也可以定义为突改变的功能。即突触可被更换———突触数量可增加或减少和突触生理功能的改变。一般认为突触的修饰在很大程度上反映了整个神经系统回路的可塑性,因此也反映了行为的可塑性。突触的更新包括:(1)突触的脱联,以及必要时变性产物的清除;(2)轴突生长的开始以及新轴突端的分化;(3)建立新的突触联系;(4)新突触的成熟,即出现突触小泡和突触前后密度增加等4个阶段[1]。一般认为,突触的可塑性在生理上主要是突触传递效应增强和在形态上的轴突出芽和突触可塑性。最新研究证实突触形态可塑性还应该包括突触复合体形态的增大和突触复合体的数量增多两个方面[2]。这两方面的形态学可塑性变化是突触生理可塑性的基础。学习记忆是脑内高级活动之一,其所涉及到的结构和机制一直是神经生物学工作者致力研究的问题。目前,研究已证实有关学习记忆所涉及的脑区定位基本在边缘系统的海马结构、颞叶皮质、皮质联络区,还有小脑等区域;而机制则涉及细胞机制、生理机制、生物化学机制。但是,从各方面可以看出,学习记忆的实质还是信号的传导和处理的问题,而一切功能的产生都是以特定结构的形成为其基础。有报道认为行为依赖性的突触可塑性正是学习记忆的机制[3]。当大鼠经水迷宫训练获得了空间辨别性学习记忆功能后在海马内会引起突触数量的增多、突触活性区膜面积的增加、突触小泡数量和体积的增加等一系列形态学变化,这些变化可认为是空间辨别性学习记忆能在大鼠海马结构内引起了突触形态学的可塑性变化[4]。另外研究表明,树突棘有很强的改变自身形状及其所形成的突触的能力,并且树突棘上抑制性突触的形成依赖于长时程使用性的突触可塑性[5]。海马突触的长时程增强(LTP)现象是神经元储存信息的一种标志,是动物学习记忆的一种基本活方式,同时也是检验脊椎动物学习记忆突触基础的要方式[6]。它反映了突触水平上的信息储存过程,是记忆形成过程中神经元生理活动的客观电生理指标,而研究资料也表明长时记忆需要新的RNA和蛋白质的合成,抑制蛋白质或信使RNA合成可以削弱或阻滞长时记忆。由此可见各种物质的作用与突触可塑性密切相关,因而也与学习记忆密切相关。

2 NO与突触可塑性

NOS存在于神经元和血管内皮中,在小脑、海马、纹状体、皮层、下丘脑、中脑和延髓,并呈下同程度的活性。当突触后膜上的兴奋性氨基酸受体被激活时,钙离子通道开启,大量钙离子内流入突触后结构内,此时细胞内[Ca2+]升高,激活NOS,产生具有高度亲脂性NO,自由扩散到突触前成分或邻近细胞,发挥其激活鸟苷酸环化酶等多种生理效应。脑中的NO参与了多种生理活动的调节:如调节脑血流量[7],参与触可塑性过程的调节[8],参与内分泌中枢和生物钟的调节等方面。突触传递中,由于NO很易扩散,邻近的突触接受信号后,再被扩散到细胞内的NO所放大,这在突触传递易化现象中可能起着很重要的作用。

离体实验表明[9],NO在突触长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)的诱发中均起着重要的作用。向细胞外施加或突触后注射NOS的抑制剂可阻断LTP的诱导,加入血红蛋白(可结合NO)也可减弱LIP效应。在溶液中加入过量的L—精氨酸(NO生成的前体)可翻转此效应。诸多离体实验结果均提示,NO可能参与调节局部神经元回路中的突触联系,NO在LTP 中的作用促使人们去研究它对学习和记忆行为的作用[10]。用Morris迷宫实验发现大鼠在训练前给NOS抑制剂可显著延长大鼠到达平台所需的时间,而L2精氨酸可对抗其作用。大鼠训练完成后再给NOS抑制剂并不影响其已获得的行为。表明在记忆获得过程中需要NOS 活性存在,而在记忆保留过程中并不需要它[11]。有所不同的是,Mogensen等曾发现经训练获得记忆的正常大鼠在双侧切断海马伞一穹隆联系造成的海马功能损坏后记忆受影响,而NOS抑制剂处理组大鼠获得记忆后,虽然用同样方法造成海马功能损坏,但却不影响其记忆功能:由此可以设想正常大鼠获得记忆需要有海马正常生理功能和NO的参与[12]。结合另一实验,用NOS抑制剂并不影响空间和暗示学习,而生化和生理研究结果则提示NOS影响了行为功能[13]。由此可见NOS参与了学习记忆所需的多项生理过程。

3  NCAM与突触可塑性

有以下实验事实支持NCAM在突触可塑性和记忆中的作用:(1)在某些持续性突触发生和可塑性的脑区有特征性NCAM表达;(2)在突触可塑性和学习中可监测到NCAM 表达或翻译后修饰;(3)特异的针对NCAM 或相应合成多肽的抗体可阻止LTP的产生(当LTP已形成时,其维持不受此类抗体的影响);(4)NCAM基因缺损小鼠具学习记忆及行为障碍,形态学研究显示其海马苔藓纤维异变,海马脑片电生理研究也显示出其与对照组相比呈现出明显的突触传递抑制[17]。NCAM参与突触可塑性可能通过以下两下机制:(1)NCAM、L1的胞浆区直接与ankyrins(位于特异胞膜区的胞浆表面的spectrin结合蛋白家族的一员)相连。(2)作为胞内信号系统。具有如下特点:胞内信号改变可反馈到突触后膜,通过NCAM调控细胞与细胞的黏附,迅速改变突触的结构和交通[18]。胞内蛋白水解酶calpain水解NCAM的胞内区,可较快地解除和重新组织突触的结构联系。使用相应的可溶性NCAM的抗体作用于神经元,可触发多第二信使水平的改变,继而产生级联反应,导致突触效能的改变[19]

4  NONCAM蛋白合成的影响

突触传递长时程增强(LTP)是中枢神经系统重要的可塑性形式。被视为学习记忆的细胞基础。神经细胞粘附分子(NCAM)是位于神经元膜上一种糖蛋白。实验表明,NCAM抗体、肽片段可阻断海马LTP及部分类型的学习记忆行为[20]。据报道,一些神经递质如谷氨酸和乙酰胆碱、神经生长因子等参与了对NCAM活动的调控[21]。一氧化氮(NO)已被证明是LTP中一种气体信使分子,其主要作用是促进神经递质的释放,对LTP的维持与长期记忆的形成至关重要[22,23]。但目前尚不了解NO是否参与LTP产生中NCAM合成的调控。为此,本实验采用Western blot技术,对LTP产生中NCAM蛋白变化进行了定量分析,在此基础上,观察了NMDA受体、NO等对NCAM合成的影响。NCAM及多唾液酸形式PSA2NCAM参与了中枢神经发育和可塑性的许多过程,如分化、迁移、突起长芽、突触联系的特殊模式建立等[1,5,6]。1994年,发现NCAM抗体可以阻止LTP产生。自此,NCAMs在成年大脑可塑性中的作用开始受到应有的注意。与此同时,NCAMs 参与学习记忆的实验证据屡屡见之于文献中[21]。NCAMs在LTP与学习记忆中的作用主要体现在以下方面:一是影响其它胞内信号转导分子的活动;二是参与LTP晚期阶段形态重建,包括树突棘的数量和形态变化、树突形态计量的改变和新突触形成等[1]。实验结果显示,LTP 产生后NCAM蛋白量持续处在较高水平,提示不断有新NCAM蛋白合成。作为一个结构分子,NCAM不断增加,无疑对树突棘数量增加和新突触形成极为重要。本实验表明,与LTP形成早期的相比,LTP维持期的NCAM蛋白量处在一个更高的水平。需要强调的是,NCAM蛋白这一变化并不一定意味着NCAM蛋白合成呈进行性增加。LTP早期NCAM蛋白水平之所以较低,也可能与LTP 早期一部分NCAM蛋白发生降解有关。据文献[7]报道,海兔长时易化(long term facilitation,LTF)中,原有海兔CAM(apCAM)有一个先降解过程,这种降解被认为是突触结构形态发生可塑性变化的先行步骤。本实验仅检测了NCAM蛋白总的水平,未区分新合成NCAM蛋白量和原NCAM降解量,因此,NCAM详细的变化过程需进一步实验研究。

在神经发育过程中,NCAMs的结构和功能的改变依赖于兴奋活动、神经递质和细胞因子的作用[8]。LTP产生后NCAM合成增加也是突触活动依赖性的,谷氨酸受体通道活动在其中发挥了重要作用。相关研究表明[9],NMDA 受体抑制剂可以抑制NCAM合成(包括PSA2NCAM)。而AMPA受体的一种异位激动剂ampakine,可以刺激NCAM启动子的活性,此效应可被AMPA受体特异抑制剂阻滞。本实验显示,AP25在抑制LTP产生的同时,也明显抑制了NCAM蛋白水平增加。

NMDA受体激活导致NO产生,而LTP产生又与NO关系密切。既然NMDA受体参与了对NCAM的修饰,理论上NO可能参与调控NCAM合成。NO活动与NCAM合成调控关系研究最早采用的是成年脑干长时程抑制(LTD) 可塑性模型。据文献[10]报道,NMDA2NO2cGMP通路参与了LTD中PSA2NCAM下降过程的调控。本实验显示,Nitro2Arg显著抑制NCAM蛋白水平的增加,说明NCAM合成与NO活动有关。事实上,NO 已被发现通过多种方式参与基因表达和蛋白合成过程的调节[11,12]。首先,NO弥散至突触前膜,促进更多的递质释放;其次,NO促进胞内钙库释放更多钙;第三,NO激活cAMP2PKA2CREB途径。因此,我们认为,在LTP等可塑性模型中,NCAM合成调控依赖于NMDA受体2NO途径。

5 SOM与突触可塑性

SOM作用神经递质或调质的中枢神经系统参与了多种生理机能的活动和调节,与学习记忆行为有重要的关系。早1983年,Vecsei等报道大鼠在被动回避反应训练后,立即给以电惊阙休克造成逆行性遗忘,而后脑室内注射SOM 能明显增加被动避的潜伏期。如果电惊阙休克之后隔不同时间注射SOM,其抗遗忘的作用逐渐降低。提示脑室注射SOM对记忆巩固过程的作用比对再现过程更为显著。在跳台和穿梭箱模型实验中,观察到脑室内注射SOM可显著抑制大鼠主动逃避反应的消退,进一步说明SOM在信息的储存和巩固中起着重要的作用, 有易化学记忆的效用。外源性SOM促进学习与记忆,而脑内SOM水平变化与认积压功能也有关系[20]。大鼠单独饲养30天后进行空间学习训练,发现大脑皮层SOM免疫反应物提高。原位杂交观察到老年大鼠额颞皮层的SOM 前体mRNA水平较年轻鼠明显降低,提示中枢神经系统老化过程中,学习记忆功能的衰退与SOM基因表达功能低下密切相关。研究还发现,SOM对学习记忆作用不是孤立的,还与一些递质如乙酰胆碱,5—羟色胺,组织胺等相互影响[21]。与前述物质一样,SOM也参与海马LTP的产生。Ohashi等[22]在豚鼠海马脑片观察到,外源性SOM可显著增强苔藓纤维至CA3区通路的LTP,其作用至少持续1h,但SOM增强LTP的作用可被M受体拮抗剂和β2肾上腺素受体拮抗剂阻断,说明SOM增强苔藓纤维至CA3区通路LTP产生的作用是通过胆碱能和肾上腺素能神经元的介导。皮下注射Cys耗竭豚鼠内源性SOM后,其海马脑片LTP的幅度明显下降,且该现象可被低浓度的SOM拮抗[23]。因此,外源性和内源性SOM对苔藓纤维至CA3 区通路的LTP产生都有易化作用。在体实验也观察到大鼠脑室内注射SOM可增强海马的LTP,M1受体拮抗剂可阻断SOM的作用[24]。由此表明海马内源性SOM,很可能是突触部位信息储存和传递的一种重要的递质或调质。

结语

综上所述,学习记忆作为脑内高级活动之一,其实质还是信号的传导和处理的问题,而一切功能的产生都是以特定结构的形成为其基础。可以认为行为依赖性的突触可塑性正是学习记忆的主要机制。NO、GAP243、NCAM和SOM分别通过鸟苷酸环化酶信号途径、突触形态结构的可塑性变化以及由LTP和LTD所引发的突触生理功能的可塑性变化,来参与体内学习的记忆过程中一系列环节,它们对于突触可塑性的作用是一个综合、复杂的过程,其内在机制仍有待进一步深入研究。

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