1、中国神枉计壶200Chi 1 ，17(3) a Jhen,otcl 第七讲突触可塑性的机制 陈忠，魏尔清 (浙江大学医学院药理学教研室，神经生物学实验室，浙江杭州310031) 学习和记忆是脑的基本功能，人和动物经过学习可以改 变自身的行为，以适应不断变化的外界环境。为了调节各种 适应性反应、神经系统的回路在整个生活过程中都是可变、 可修饰或称为可塑的。突触的可塑性主要指突触连接在形 态上和功能上的修饰。其主要变化可分为：突桩前修饰、突 触后修饰、突触前或突触后结构的可塑性等。神经系统的可 塑性变化可以影响到神经系统的生长发育、神经的损伤和修 复以及学习记忆等多种脑功能。 1 海马是事件记忆的
2、必要部位 突触的可塑性主要指突触连接在形态上和功能上的修 饰。D。nald Hebh于1949年在著名的行为的组甥一书中 提出，如果神经细胞A的轴突足够靠近细胞B并能使之兴奋 的话，如果A重复或持续地刺激细胞B，那幺在这两个神经 细胞或其中一个细胞上必然有某种生长过程或代谢过程的 变化，这种变化使细胞A激活细胞B的效率有所增加。 Iebb规则较好地反映了突触前、突触后神经细胞放电的相 关性。因此Iebb学说被广泛地应用于解析各种各样的陈 述性学习记忆过程中潜在的突触机制。 对灵长类动物的脑损毁和人类患者的临床研究证明，海 马是长时程陈述性记忆形成的主要部位。临床证明那些海 马已作了外科切除术或
3、那些因短暂缺血缺氧而破坏海马部 位的细胞的病人都引起了复杂的逆行性记忆缺损，他们的 短期和长期的记忆并未被破坏，但他们缺少形成新的长期性 记忆的能力。海马被认为是进行事件记忆的部位。现在普 遍的观点认为海马主要涉及事件记忆中最初的信息编码及 其储存过程，但经历几个月以后，最初储存于海马中的信息 则逐渐消失，记忆的储存过程就转移到了新皮层。 大鼠海马区域存在着所谓的位置细胞(山ce cel1)当动 物处于特定陌生的环境中时这些细胞就呈现出高频的放电 活动，而处于其他熟悉位置时，它们却处于安静状态，这些细 胞有位置野(pl e fields)，类似于传神经元的感受野。大 鼠的海马似乎就是一幅认知性
4、地图，动物可以在探索运动中 学习感知到自己的空间位置。 海马的传纤维及海马的内部环路主要形成三个兴奋 性单突触连接通路：来自嗅皮层细胞的穿通纤维通路(per- 分子神经科学系列讲座 forant pmhway，PP)一海马齿状回颗粒细胞(DG)；颗粒细 胞发出的苔状纤维(mossy,fiber)一cA3锥体细胞；CA3锥 体细胞发出的Sehaffer侧枝一cA1锥体细胞。CA3大锥体细 胞也可接受PP的直接投射，CA1区的小锥体细胞则叉投射 到新皮层。刺激PP或苔状纤维及Sehaffer侧枝，均可用细胞 外记录法分别在与它们形成单突触联系的齿状回、CA3及 CA1抻经元附近记录到一个按刺激强度
5、依赖性的诱发电位。 这些细胞都是以谷氨酸(Clu)作为递质的。谷氨酸受体 (CIuR)密度在整个海马都很高，尤其在颗粒细胞的树突和 CAt锥体细胞的受体密度最高。其次，海马也包含以GABA 为递质的大量中间神经元这些神经元接受以Glu为递质的 神经元轴突的回返性侧枝的投射。这些中间神经元兴奋后， 可释放GABA作用于邻近细胞的GABA 受体，产生快速IF- sP，通过GABA 受体产生慢速IPSP，从而引起抑制效应。 海马的神经环路是如何准确地编码和再生记忆内容尚 不清楚，目前认为，海马的神经联系特征决定了CA3区的重 要作用 首先，CA3锥体细胞有广泛的回返性侧枝，这些轴 突分支可以和许多锥
6、体细胞形成突触；其次CA3区域是经 齿状回将来自不同皮层区域的大量信息输的 聚点，因而 能允许不同的感官信号进行联系整台。海马CA3区域能整 合不同刺激输入信号并储存于该网络中。刺激编码某一给 定事件的神经网络的一部分就足以激活整个网络。这就引 起神经活动的一次再生过程，这种再生过程既可促进事件的 回忆过程，也促进记忆信息从海马缓缓地输送到新皮层。 2长时程增强(LTP)是突触传递强度的活动依赖性 增加 LTP由B】iss和Lomo首先提出是指当给予兴奋性传导 通路以短暂的连续高频刺激(如以频率为100 Hz脉冲总数 100至400)时，就能记录剐EPSP斜率的持久性上升(几个小 时至数十个小
7、时)，即引起突触传递效率(突触强度)的持续 增加。对离体海马脑片实验或在清醒动物海马中植电极 的慢性实验中，发现在海马的所有兴奋传导通路中都能诱发 这种现象。也有关于LTP在脑的其他部位的报道。目前普 遍认为LTP是某些学习记忆过程的细胞水平的可能机制 文章辅号 1008-08722001)03247497 中留分类号Q42】 文献标识码】A 收稿日期2001舢0O 【通讯作者魏尔清 联磊电话0571-87217180 作者简介脒忠，男，浙金华人，副研究员从事神经药理学研究 维普资讯 http:/ 中哪竹矗竹蕾毒志2001年8月第17卷第3期Chn JNeumi，liagust 200117(
8、3 LTP的诱发通常需要NMDA受体的激活。LTP能被 NMDA受体拮抗剂如AP5所阻断。离体条件下，低Mg2 浓 度的孵育液能促进L1 诱导，而在低ca2 条件下LTP诱导 则受到抑制。一般认为NMDA受体的激活，既需要受体与配 体的结合，还需要突触后膜产生击极化。单次低频刺激 Schaffer侧枝就可弓l起突触后的CA1细胞产生EPSP，它能被 AMPAKA受体阻断荆CNQX所阻断，而且这个EPSP的时 程可被随后迅速产生的双相IPSP所缩短。因为短暂的突触 后膜去极化是不足以去除膜上电压依赖性的Mg2 对NMDA 受体的阻滞作用，所以在这样的条件下，几乎不存在NMDA 受体的激活机台。高
9、频的强直刺激可引起持续的Glu释放， 通过AMPA受体介导，引起EPSP的累加，以及高频的强直刺 激减弱GABA所介导的抑制效应，引起突触后膜的持续击极 化，进而激活NMDA受体。因此，Glu与NMDA受体的结合 以及膜电位的持久下降，足够将Mg2 移开，从而打开c 通 道，c 通过通道进入细胞内，触发一系列生化反应，改变膜 的性质，导致LTP的产生(Fig 1) B AMpAR mGI l ； ng 1 A皿iD0 acid involvement in LTP during low-frequency traits- mission(A)and 6uring hi曲-frequency(t
10、etanic)s岫lll ttonfB) LTP具有协同性(coopesrativlty)、联合性(assceiativity) 和特异性(specificity)等三大特征。协同性指L1 的产生必 须要有足够数量的轴突被激活；联台性是指LTP在本质上由 两种不同的、具有一定时间关系的刺激协同作用而产生；特 异性是指所诱导的LTP对被激活的通路是特异的，在其他通 路上不产生LTP。 3 LTP维持的突触前和突触后事件 目前尚不清楚LTP的维持到底是通过突触前方式(如 增加由突魅前膜上动作电位所触发的Glu释放量)，还是通 过突触后方式(如增加突触后膜受体的数目以及受体对Glu 敏感性等)。 目
11、前常通过分析突触后膜对一个囊泡释放量的平均反 应程度(单位必奋性突触后电位a miniature excitatory posts yn印如potertdal，简称mEPSP)，以及分折一次动怍电位在突 触前膜部位所能触发囊泡释放数目(即量子数)，来推断m 发生部位到底是突触前还是突触后。还有研究显示，在CA3 CA1突触LTP中，突触前膜未释放递质部位的比例减少 了而mEPSP幅度未发生改变，结果提示u 发生部位在突 触前膜。另一些实验则发现在LTP产生30 mJn内 一次动 作电位释放的量子数目以及每一量子引起的反应幅度 (mEPSp)都增加，表明在同一突触上有独立的突触前和突触 后机制，
12、在其他细胞上也发现这些变化。而且如果LTP的发 生机制是在突触前，那么必然会导致突触后的NMDA受体和 AMPA受体的反应幅度增加，因为在u 时突触前膜释放的 Glu增加，会增强这两种受体。事实也正是如此，而且研究发 现AMPA受体的反应增强程度要大于NMDA受体的反应程 度 有充分的实验证据显示，DG苔状纤维一CA3锥体细胞之 间突触的LTP发生在突触前膜。苔状纤维和其他神经元成 分所形成的突触中，NMDA受体的结合力是相当弱的，而且 该处的LTP不能被AP5所阻断，也不能被由注入突触后细胞 的c 整合剂所阻断。在大多数苔状纤维CA3突触处突 触后细胞的击极化也不能诱发LTP。使用无钙的孵育
13、液能 使突触前膜的c丑2 内流作用消失，可阻断该部位的LTP。另 外，还发现持续性刺激苔状纤维可引起NMDA受体反应性持 续下降，而且，已受过强直刺激的苔状纤维_c3突触上，产 生这种NMDA受体的反应衰减速度，要比未受过刺激的突触 上的衰竭更快。那么到底是通过何种机制才诱导在苔状纤 维末端产生这种突触前LTP呢?首先，mGlu受体肯定参与 其中。lbotenate可以诱导LTP的产生，而mGlu受体拮抗剂 AP4和MCPG可以阻断苔状纤维处的LTP。另外，在已剔除 同型重组mGlaR1基因的小鼠身上所作的研究也发现，这些 小鼠的苔状纤维上不能产生LTP，但在海马其他部位的LTP 却不受影响。
14、其次，cAMP激动剂也可以加强苔状纤维一CA3 处LTP反应，而PKA的抑制荆可阻断苔状纤维处的LTP，结 果说明PKA激酶系统也可能参与其中。 总之，由于LTP的诱导过程往往由突触后机制的参与 而LTP的维持至少部分涉及到突触前的机制，寻找逆行信使 物质就成为必然。近年来，量子分析研究已有大量的证据表 明花生四烯酸、CO、血小板激活因子(PAF)、NO等可能是 m形成过程中的逆行信使。 PPDG上LTP的形成伴随着花生四烯酸的释放量增加， PLA，的抑制剂可以抑制花生四烯酸的释放，外源性花生四烯 酸可 刺激神经速质释放量的增加；PAF受体存在于海马 中，PAF能够从培养的神经元中释放并可选择
15、性地增大海马 神经元的EPsP，而且在联合使用pAF和1 Hz微弱的阈下刺 激或0刺激条件下，在AP5存在时仍能引起LTP的产生。这 些结果都支持它们作为逆行信使的候选物 ， ，- 一 _=、 维普资讯 http:/ 突触可塑性的机制 陈忠，魏尔清 249 近来在神经科学以及其他领域NO和CO被确定为逆 行信使的候选物。关于NO的实验资料比较多有关?qO是 一种逆行信使物质的结论总结于Fig2。在强直刺激时，突触 前膜释放au作用并激活NMDA受体，c日 内流并与钙调 蛋白结台，激活neNOS。结果，突触后细胞产生的NO开始弥 散，穿越突触问琼，从而激活突触前鸟苷酸环化酶，产生 cGMP。cG
16、MP则可通过多种机制发挥生理效应，如激活 cGMP依赖性蛋白激酶、调节离子通道、调节递质的台成和释 放等。实验证明，NO参与LTP的早期相和晚期相的调节作 用。另一方面CO是脑内鸟苷酸环化酶激动剂。与CO生成 有关的酶是血红素加氧酶(heine ygena )，其抑制剂可显 著抑制由mGluR激动剂tACPD诱发产生的LTP，而且，外源 性CO与弱的强直刺激联台作用，能诱发产生非NMDA受体 依赖性的LTP。所以，CO可能是在LTP形成过程中一种不 同于NO的逆行信使。 GTP cGMP。PKG Ptxynaptimembrane Postynaplicmembrane Fig 2 Carto
17、on depIOlng tht proposed role 0f NO aS lit retrograde messenger in LTPCaM：aimodnlin；sGC：soluble guany- late cyelasePKG：cGlvBP-dependmt protein kirtle 4 LIP诱导过程涉殛蛋白激酶 蛋白激酶在突触可塑性的凋控中起了重要的作用。蛋 白激酶一方面可以直接被c 激活，在LTP诱导中起作用； 另一方面具有自身磷酸化的功能，对LTP的维持起作用。目 前研究得比较多的是ca2 依赖性蛋白激酶C(PKC)、ca“ 钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)、c
18、AMP-赖性蛋白激 酶(PICA)、丝氨酸苏氨酸激酶及非第二信使依赖性的酪氨酸 蛋白激酶(TPK)。 早期海马脑片实验发现，LTP的产生和维持能被非特异 性蛋白激酶抑制剂(主要靶标是PKC)所阻断。PKC的主要 底物蛋白之一是位于突触前膜的B-50(GAP43或F1)其台 量随神经元生长、发育、修复的不同状态而改变，它的磷酸化 可促进c 的内流，从而激活细胞内第二信使 一种能阻断 PKC酶结合部位的PKC抑制肽(PKC ，1)可抑制LTP的诱 导而且在LTP产生几小时后仍能抑制LTP(PKC在I1P时 处于长久激活的一个有力证据)把有活性的PKC注人到突 触后神经元则能引起突触后反应增强。此外
19、，最近的一些研 究提供了有关在LTP中PKC激活机制的线索，和PLC 偶 联的mGluR，既存在于突触前，也存在于突触后，而目前普 遍钛为mGl氓的激活是诱导LTP的必需条件。 依赖于c 钙调蛋白的蛋白激酶(CaMK)也与 LTP的诱发过程有关。该酶在海马神经元有很高的浓度，而 且是突触后致密物质PSD(postsyrmpfic density)的主要成分 在那里它似乎暴露在由NMDA受体介导的c 内流之中 该酶被c 激活并对突触后膜细胞中包括受体在内的靶蛋 白进行磷酸化。在强直刺激5 min后，细胞内CaMK即可 被激活，并独立地作为第二信使起作用；而CaMK的抑制 剂包括抑制性肚CaMKI
20、I埘以及钙调蛋白的抑制剂，皆 能阻断LTP的诱导。CaMK在LTP中还能增强AMPA受体 的反应性 此外，CaMK与LTP的关系还可以从基因突变 动物的研究中得到支持，一种缺乏 CaMK基因的转基因 鼠的海马脑片，几乎无法诱导出LTP。总之，作为一种多功 能的蛋白激酶，CaMK参与调节糖、脂肪、氨基酸的代谢调 节神经递质的台成、释放以及细胞骨架的功能。该酶被称作 “记忆的分子开关 。 PKA参与了可塑性过程中核内信号转导。在强直刺激 后，cAMP浓度迅速上升，并进一步激活PKA，激活的PKA进 人核内后，磷酸化一种称为CREB的转录因子(cAMP反应元 件结合蛋白)，进而调节基因转录。PKA对
21、LTP的早期维持 过程并不必要但对LTP的后期维持过程是必需的。这个后 期过程可能涉及到基因表达及蛋白合成，所以PICA活性对 后期LTP是至关重要的。 5 核内信号转导对突触可塑性的重要性 无脊椎动物(例如果蝇及海兔)的记忆研究对于学习、 记忆过程中的分子生物学机制了解具有特别的意义。短暂 施加热休克刺激能诱导蝇的一种编码产生抑制性CREB异 构体基因的表达，从而可抑制CREB的功能。这种基因的转 基因蝇可产生长时程记忆的损伤。相反，若诱导出活性的 CREB异构体，却能使这种蝇接受阈下训练时 就能够产生长 时程的嗅觉条件反应。近年，哥伦比亚大学Kandd等通过对 海兔缩鳃反射的研究发现，当突
22、触发生长时程易化(1ong- term facilitationu )时，cAMP参与了激活CREB家族转录 因子(CREB，CREB ，CEBP)，它们与多种基因启动子中的 环核苷酸识别元件(cyclic nucleotide recognition elemen!， CItE)结合，从而调节特定基因的表达。结果说明了CREB 在突触的长时程易化形成中起了重要作用。 Fig 3是关于海兔缩鳃反射的易化过程机制的总结。这 个易化过程现在认为是通过cAMP第二信使系统起作用的， 在中间神经元释放的5-HT的作用下，感觉神经元细胞内的 cAMP第二信使系统开始启动激活PKA，pKA可通过某种途 径
23、引起膜上Ks通道的关闭。这种K吕通道的关闭导致的K 外流减少，使突触前的感觉神经元动作电位变宽，从而允许 更多的ca2 进人突触前膜内，引发更多递质的释放产生易 化过程 而LTF则认为就是由Ks通道的长久关闭所引起 的。那么是通过何种机制产生K吕通道的长久关闭引起LTF 维普资讯 http:/ 中国竹任科学 20O1年8月第17卷第3期J他眦 ，Avao*c 2001，17(3) 的呢?目前认为，是由PKA的持久激活所引发的 在L1F 的过程中，PKA的调节亚单位出现长时间持续减少，PKA催 化亚单位逐渐增多，这说明uF时PKA处于持续激活状态 这种PKA持续激活可使Ks通道发生持久磷酸化，引
24、起l(8 通道的持久关闭，最终引发L1F。而PKA的持续激活则涉及 一种核内信号转导过程。核内转录因子cREB与这一过程 密切相关。将CRE的特异DNA片段注人感觉神经元核内， 与核内磷酸化CREB结台，并抑制CREB与CRE的结合，使 CREB不能激活cAMP诱导的基因表达，从而选择性抑制5- HT诱导的突触L1F。CREB参与PKA的持续激活的可能机 制如下：由易化过程激活的PKA进人核内后，通过磷酸化核 内的一种CREB异构体(ApCREB )井使其激活，而激活的 ApCREB可诱导表达种促进PKA的调节亚单位分离的蛋 B _ L J t 口cn Fig 3 Longterm facil
25、itation in Aplysin involves activation of cAMP and gene expression(A)A single pulse of 5-liT has no effect on gene expion(B)Persistent ex1 su to 5-HT c日llses transcription probably removing CREB inhibition on CREB，a tyH Ibis ot：f-1lr$is not yet known，but phosphorylation of CREB by second 1leSnget mo
26、lecules 日ctirated by the Caentry i5 a possibihty 白，从而使PKA的催化亚单位持续升高，使PKA持续激活。 因而PK_A的持续激活是一种通过CREB的自我激活过程。 但后来在海兔中，又发现了第二种CREB蛋白(称为 ApCIZEB )，显示CREB参与u下的过程并不像原来认为的 那么简单。用质粒转染技术，发现ApCREB 能够抑制 ApCREB 引起CRE介导的转录过程。在离体条件下，把 ApCREB 的抗体注射到感觉神经元内，短暂的5一HT作用就 能产生增强的m，因而ApcREB2是一种L1F抑制剂。通过 ApCREB2亲和层析柱提取转录因子，
27、发现ApCREB2仅能结合 生成结合力很弱的同源二聚体，但它能和ApCIZEB，ApC EBP及C-F0s形成结台力很强的异源二聚体。因而，认为 ApcREB2抑制效应通过和ApCREB 形成异源二聚体，从而抑 制后者引起CRE介导的转录过程。 ApCREB，在pKA存在情况下，通过ApCPB而抑制 转录，那么必有另外一个信号转导通路取消这种抑制过程， 才能引起ApCREB 转录井引发LTF，而AIP,EB 能被PKC、 CaMK以及MAPK信号系统磷酸化所以这就可能有许多 的反抑制途径。在LTF时Ks通道的长久关闭而引起的 can大量内流可激活PKC，CAMKII以及MAPK信号系统，其 中
28、的某些信号系统很可能参与了反抑制过程。 在哺乳动物，CREB和其他相关蛋白参与动物海马可塑 性的证据有以下四条：LTP时能够引起CREB的磷酸化； 在自由活动的大鼠海马颗粒细胞中，当L1P诱导2 h后， ApCEBPCEBP表达增加；CREB缺乏的小鼠LTP维持 不超过90 rain；人CREB 能通过人CREB 而抑制转录活 动。这些证据表明海兔的可塑性和哺乳类具有相似之处。 MAPK系统也参与可塑性的核内信号转导过程。研究 清醒大鼠单侧PP和颗粒细胞之间的突触上产生的LTP对发 现，LTP的产生伴随着PKC- ，tLAFB和Erk2这三个蛋白mR- NA的增加。在离体条件下，CEBPI3被
29、MAPK系统磷酸化， 增加了它对DNA上的靶序列的亲和力，从而提高了转录调 节能力， 6 代谢型GIuR【mGluR)参与了LTP过程 首先，mG1uR的激活是产生LTP所必需的。mGluR的 激动剂能使微弱的阁下强直刺激产生m，而其拮抗剂 (MCPC)抑制海马脑片中的Schaffer侧枝和CA1细胞之间的 突触产生uP。其次，L1P并不能单独由mCluR产生，因为 单个强直刺激能够激活NMDA和mCIuR，产生u (并不能 产生最大的LTP)；而且在突触产生第一次L1P后mCluR拮 抗剂McPG能阻断LTP的产生，却不能抑制在同一突触中第 二次L1P的产生。那么，为什么在同一突触中产生第二
30、次 LTP时无需mCluR的再次激活呢?实验显示，一个单一强直 刺激就足以激活mCluR，细胞内产生引发LTP所必需的一种 长时程代谢性变化，因而在同一突触中要产生第二敬L1P就 无需该受体的再次激活。要产生最大的LTP，则需要通过多 次强直刺激，使NMDA受体多次被激活 长时程的低频刺激 还可抑制这种转变，使突触回到原先的状态 这样MCPG能 维普资讯 http:/ 突触可塑性的机制 陈忠，魏尔清 继续阻断LTP的产生。低频刺激引起的突触状态重新恢复 过程也依赖于mGluR，因为MCPG可以阻断该过程。以上结 果显示，突触中由mGluR关闭和启动这种代谢性转变，对 LTP的形成是必需的。进一
31、步还发现，这种代谢性转变能被 蛋白激酶抑制剂所抑制，提示这种代谢性转变是由mGluR介 导的PKC的激活以及随后的磷酸化所引发的。还发现突触 后有一种叫作neur。 耐n的相对分子质量(Mr)为17 000。 (17kD)的PKC底物蛋白，这种蛋白结合在CaM上，但在LTP 诱发过程中，经mGluR激活的PKC引起CaM与neurogTanin 迅速解离，从而激活CaMK。因此mGluR对细胞代谢状态 的转变使突触从只读模式转为读写模式，从而为可塑性的适 应作好准备。 7 长时程持续的LTP的特异性涉厦一种突触标记物 以单个强直性电刺激Schaffer侧枝，能引起最长可维持 3 h的LTP，这
32、种LTP不能被蛋白质合成抑制剂所抑制，但是 如果连续施加3个强直性刺激就能产生依赖于蛋白质合成 的LTP，并能稳定数个小时。因为蛋白质在细胞内合成，加 上LTP的特异性(仅有那些受强直刺激的细胞及其邻近细胞 才能产生LTP)，那么到底是通过何种机制使得仅那些受强 直刺激的细胞才发生蛋白质合成呢?普遍认为在LTP早期， 受到强直刺激的突触可能生成了一种标记物，从而使它们区 别于其他突触，虽然这种突触标记的获得机制尚不清楚。 关于这种标记物的特性 及和这种标记物发生反应的 蛋白质，现在仍然是一个谜。一种猜测认为这种标记物是一 种PKA的底物，而蛋白质则是CRE控制下的一种早期快速 反应基因(1EG
33、)的产物。 F 4 Persistent LTP requires a synapfic tag and de n0V0 protein synthesiscAMP may be the second messenger 下面是证明这种标记物的存在的一个实验。在两群突 触，一群以3个强直性刺激进行刺激，使其产生持久的LTP， 称s3突触；一群以单个强直性刺激进行刺激，使其产生一个 不为蛋白合成抑制剂(anlsomycin)抑制，并在2 h内就衰减完 的短时程LTP称s1突触。在联合给予刺激的情况下，即先 给s】突触群 单个刺激再绐s3突触群以3个刺激，发现 s1突触群最终也都能产生像s3突触群
34、一样的长时程L1 据此，推埋l单个刺激使S1突触群产生个标记物，而且它能 被s3突触群的。rP过程中生成的蛋白质所识别并修饰，从 而使sl群突触也产生同样的持续性LTP。此外要产生这 种前后不同刺激引起的【瓜 整合过程，必须要求标记物产生 和神经元内蛋白合成过程在发生时间上相一致(Fig 4)。 8突触长时程抑制(1ongterm depression，LTD)的诱 导殛其与LTP的相关性 如果LTP与学习记忆密切相关的话那么一定存在一 种消除LTP的体系即减弱或消除陈旧的记忆信息，为建立 新的记忆信息提供蓄积场所，这种体系被称为LTD 在海马 CA1区，持续低频刺激(1 Hz)突触几舟钟就可
35、引起EPSP的 幅度和斜率逐渐减小，这种减小可维持1 h 上称为同突触 性LTD。同突触性LTD还发生于大脑皮质、纹状体及伏膈核 (nRCRS accumbens)等但是在这些部位需要更高频率的强 直刺激才能引致这种LTD。另外，在新皮层和海马部位还 可观察到一种异突触LTD(heterosynaptic LTD)这种由强直 刺激输人所引致的突触后的强去极化，可 弓I起邻近另外一 个静止状态的突触产生LTD，就是所谓的异突触LTD，它们 不具有输人特异性 LTD和LTP是密切相关的现象。与LTP相反，LTD是指 突触功效的长时间降低，在一群突触中产生LTD势必伴随着 另一群突触的突触增强现象。
36、LTD的产生机制和LTP很相 似，如都需NMDA受体的参与，突触后膜需要一定的去极化， 需要ca 浓度的升高等。在同一突触已诱导产生LTD之 后，再施加个强直性刺激，可使同一突触产生I胛。反过 来也一样在某一突触产生。rP后如果用持续1 Hz低频刺 激也可以产生LTD。决定一个突触到底是产生LTD还是 LTP的关键性因素似乎取决于突触后膜的去极化幅度太 小与LTD比起来，诱导LTP需要更大的去极化。这可由以 下实验证实。在视皮层切片上进行细胞内记录，发现在低浓 度bicaculline(O1O2 v,molL)存在时单独给予一个微弱 强直刺激不能产生任何突触增强效应，但可 弓l起LTD；而 在
37、更高浓度(03 polL)存在时，却产生了l_1P。这个结果 提示突触中存在着产生LTD或LTP临界阚电位。因而，cl 内流的轻度减弱，可导致细胞膜小幅度去极化以达到产生 LTD的阈电位，从而产生LTD；而cl一内漉的进一步减弱，则 引起更太的去极化，从而产生【胛。在前额皮层和纹状体 随Mgz 浓度增加减少了NMDA受体引发的去极化幅度，结 果那些原本可诱发产生【TP的刺激条件只能产生LTD。这 个研究结果也支持上述结论。 LTD的诱导对ca的要求也不同于LTP。根据Lisman 假说低频率刺激引起细胞内ca卜轻度上升，激活磷酸化酶， 促进蛋白的脱磷酸化结果减弱突触的传递；另一方面，高频 率强
38、直刺激则引起细胞内cah高度上升，激括CAMKII促进 维普资讯 http:/ 中国种懂计学喜盎21301年8月第17卷第3期Chin Jleuroaci，Angus*2001，17(3) 蛋白的磷酸化，结果增强了突触的传递。所以c 内流量的 大小是决定突触传递到底增强还是减弱的关键因素。 小脑的可塑性是非典型性的。在小脑部位平行纤维一浦 氏细胞突触，显示单一的突触可塑性，它们只有LTD而没有 LTP现象，其原因还不很清楚，推测可能由于浦氏细胞突触 中游离的ca浓度从来就达不到引起LTP的水平；或者诱 导产生LTP所必需的生化机制中关键成分，在这些细胞中并 不存在而无法诱导LTP。还发现平行纤
39、维以及攀缘纤维 和浦肯野细胞形成的突触，其LTD诱导可能通过兴奋性氨基 酸的非NMDA受体，即mCluR与AMPA受体所介导。只有 在AMPA受体和mGluR1这两类受体一起激活，及c 内流 同时产生的情况下，才会诱导产生LTD。NO也可能涉及该 部位的LTD过程因为INAME可明显地阻断LTD。此外， 小脑脑片实验发现mG|ull的亚型参与LTD，在浦氏细胞中 有大量的mGluR1的转录，抗mGluR抗体可阻断LTD而且 当小鼠被剔除mGluR1基因后，能够显著地减弱脑片的LTD。 9 LTP作为某些学习类型的分子模型 神经系统的可塑性变化可以影响神经系统生长发育、神 经损伤修复以及学习记忆
40、等多种脑功能。突触连接变化是 学习记忆的神经基础， bb认为记忆的形成是神经元之间 连接易化。人们称LTP可能是 记忆的突触模型”、“记忆的 神经元机制”等，表明了L1甲与记忆的密切相关性。关于突 触的可塑性与学习记忆的相关性研究，主要从两个方面进 行：LTP产生后对动物学习记忆行为的影响；动物学习记忆 过程中对IJ1甲的产生及维持的影响。如果IJ1甲或LTD是学 习记忆行为的神经元机制，或与学习记忆行为密切相关那 幺由某种行为刺激引发的LTP必然会影响这种学习记忆行 为。 大量资料显示，可塑性和学习过程是紧密联系的。大鼠 穿校箱回避反应的学习行为成绩，与强直刺激PP在DG处 诱导LTP所需的
41、刺激频率阈值之间呈良好的相关关系；mGlu 受体的选择性阻断剂MCPG，可以同时抑制大鼠Y一迷宫学习 记忆行为以及DG处LTP的产生；已提高学习记忆能力大鼠 的海马切片比对照组更容易诱导产生LIP；反之，海马区域 突触效应的LTP产生，有利于提高家兔的条件性瞬膜反射的 学习记忆行为。另据报道，在诱发LTP后，大鼠在Morris球 迷宫中的空间定位能力相当糟糕，这就提示L1甲和空间定位 能力之间的相关性，很可能是因为海马突触已被先前产生的 LTP所“饱和 ，因而不能进行学习过程中的可塑性调整。习 得性L1P的形成一维持一衰退一再形成，与学习记忆行为过程的 习得一巩固再生一忘却一再习得，均同样具有
42、可逆性。这些结 果都表明了LTP在学习记忆过程中的重要地位。 近年来，运用选择性剔除一些定位准确的基因，来研究 学习过程的细胞机制。众多实验显示，基因剔除可导致可塑 性紊乱，还导致海马位置细胞特性改变，并伴有空间定位功 能缺陷。如在一种转基因小鼠，CffK1基因突变而变成 c 非依赖性。这种转基因动物在0刺激情况下不产生 LTP并有严重的空间定位缺陷，但具有非空间定位学习的能 力，这是因为与正常小鼠相比，CaMKII缺陷的这种转基因小 鼠只有更少的位置细胞，而且这些细胞放电频率更低，因而 它们的位置野更缺乏精确性。缺乏CP,EB基因的转基因动 物有学习缺陷以及可塑性缺陷。剔除mGluR1基因的
43、动物表 现出小脑LTD缺陷以及海马依赖性的学习缺陷，同时发现这 种动物的苔状纤维一CA3突触的LTP的诱导发生了障碍，但 在其他所有部位却产生了正常NMDA受体依赖性的LIP。 在NMDAR1已剔除的小鼠，无法诱导出NMDA受体依 赖性的LTP，同时表现出严重缺乏Morris水迷宫空间定位能 力。空间的信息被认为是由海马神经网络或神经元的同步 化活动所编码，只有相邻的位置野发生相关性放电才能编码 这种空间信息。在基因剔除的小鼠，因为缺乏这种相关放电 而缺乏空间定位能力。 另一方面，有关LTD在学习记忆过程中的作用的报道， 远远没有LTP的多，但是要组成完整的学习记忆神经网络， LTP和LTD都
44、是必不可步的。至于LTP和LTD是否在学习 记忆过程中充当必要条伴的问题还有待进一步深入研究。 10癫痫是一种慢性的超兴奋状态 癫痛是由先天或后天不同病因所引起的慢性脑疾病其 特征是脑细胞兴奋性过高而引起神经元过度放电引起阵发 性大脑功能紊乱。癫痫被认为是一种神经可塑性的外部表 现 并在海马部位得到广泛研究。通过对离体脑片的电生理 研究以及点燃性模型的研究，发现癫痫发作时，Na 通道通 透性大为增加Na 通道开放时间延长，神经元出现不同于 正常生理水平的细胞膜去极化与高额放电现象。失神发作 (小发作)时，T型c 通道通透性增加，ca： 内流增加，易产 生3 的ca2电流。此外，还发现激活突触后
45、膜的GABA 受体增加c1一的流人，并导致神经元细胞的超极化状态，可 降低细胞的兴奋性。 大量证据表明脑内GABA能神经在癞瘸形成及发作过 程中均起了重要作用。癫痫病灶内GABA含量明显下降、 GAD活性及GABA受体结合率也显著下降。各种致病剂均 能导致地西泮(安定)一GABA受体一离子通道复合体的功能失 调。相反，加强GABA能神经作用，可以降低神经细胞的兴 奋性提高癫痫发作的闭值。GABA的释放，除了囊泡外排 方式外还有经GABA转运体反向转运的方式。癫痫发作 时，CABA的匣向转运功能的减弱，导致在癫痫发作时抑制 功能的降低。最近，微透析检查发现癫痫情人在发作期海马 癫痫区细胞外GAB
46、A含量的增高程度，比非癫痫区的增高程 度要小这样可促进癫痫放电。而且，将NMDA，KAQA等 注人大脑都可以诱导产生惊蹶效应。其次。发现在癫痫发 作时，病灶匿域释放出太量的Glu，而且组织中Glll的减少与 癫痫发作程度呈正相关 此外，甘氨酸含量也发生了明显变 化。一般认为。Gju和甘氨酸含量的增减与癫痫放电的传播 有关而Glu等兴奋性氨基酸对癫痫发作起启动作用。NM DA受体拮抗剂可预防癫痫的形成，阻止其发展。研究还发 维普资讯 http:/ 突触可塑性的机制陈忠，魏尔清 现，点燃性赧瘸的发作过程，似乎涉及两个完全不同的阶段。 低频刺激仅激活AMPA受体，产生的EPSP迅速技回返性 GABA
47、介导的抑制作用所缩短乃至消失，高频刺激可 引发 AMPA受体介导的更大的去极化，从而引起NMDA受体的激 活，并通过抑制GABA介导的抑制作用，从而出现超兴奋状 态。 离子型各氨酸受体(iGluR)涉及癫痫起源过程。有关这 种iGluR参与癫痫起源的模式，茼直就是CA3-CA!突触上 LTP产生过程的一个翻版，在这个部位LTP的诱发过程是 NMDA受体介导的，而其维持则需要AMPA受体。这就意味 着癫痫起源过程本身是一种适应性不良的可塑性反应。然 而，还有一些证据否认点燃经传统的LTP机制所引发。首 先，虽然PP颗粒细胞问的突触可能和点燃性癫痫模式发生 有关但不能出现总是伴随着LTP产生而产生
48、的EPSP增强 的现象。其次，在整体情况下，LTP通常在几天及几周内衰 减消失，但点燃性癫痫则至少持续3个月，也有可能持续终 身。再者，点燃性癫痫的诱发所采用的刺激，必须能激发后 放电现象 而在LTP过程，刺激并不会产生这些自发的放电 活动。因为后放电现象需要由大量而广泛突触的激活引致 超兴奋状态才产生，而LTP的发生则是局限在突触的。尽管 对其中的机制还不清楚，但可以猜想，后放电现象很可能是 由于点燃性癫痫维持时间超过LTP。 关于癫痫的起源以及其发展过程，还涉及其他许多不同 的因素，若要很好地阐明癫痫的机制，必须要解释如下一些 问题：一些癫痫相关的危险因素(如脑外伤、肿瘤、感染)是如 何引发癫痫的?癫痫的超兴奋状态是怎样随时问发展的? 是由什么因素触发、传导及终止单个的癫痫发作的?这些问 题有待于分子生物学方法来解决。 (参考文献 1R删est P r “EBl A MeehaniBm of plasticity In：Molccu NeuroBolencM 1 Bt EditionN州Y0 ：s n Veriag 1998，151-190 【2】h YF，I：mndd ER，Hawkins RDNitric oxideisisontrib- Lira8 t0 late-p岫e l胛and CREB p0Bl 。 lBd肌in the h
