NMDA受體與學(xué)習(xí)記憶的關(guān)系及其在全麻機(jī)制中的作用

1、NMDA受體與學(xué)習(xí)記憶的關(guān)系及其在全麻機(jī)制中的作用李強(qiáng)綜述薛慶生于布為審校(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院麻醉科上海200025) 摘要：突觸傳遞可塑性(synaptic plasticity)一直是神經(jīng)科學(xué)研 究的熱點(diǎn)。突觸傳遞長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation , LTP)是 神經(jīng)元可塑性的反映，是學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，反映了突觸 水平上的信息貯存過(guò)程，關(guān)于其形成機(jī)制的研究主要集中于N-甲基 -D-天冬氨酸(NMDA)受體的特征及該受體被激活后的細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)反 應(yīng)，NMDA受體通道開(kāi)放是LTP觸發(fā)的基礎(chǔ)。而全麻藥物能夠通過(guò)作 用于NMDAR影響LTP及學(xué)習(xí)、記憶的

2、形成。關(guān)鍵詞：NMDAR； LTP；學(xué)習(xí)；記憶1刖言現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)已證明，哺乳動(dòng)物及人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)重要的興奮 性神經(jīng)遞質(zhì)之一谷氨酸，通過(guò)興奮性氨基酸受體介導(dǎo)一系列高級(jí)神經(jīng) 活動(dòng)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)存在著與谷氨酸結(jié)合并發(fā)揮生理效應(yīng)的兩類受 體，即離子型谷氨酸受體(ionotropic glutamate receptors,iGluRs) 與代謝型谷氨酸受體。在iGluRs家族內(nèi)，根據(jù)外源性激動(dòng)劑的不同， 又分為NMDA受體與非NMDA受體，其中后者包括AMPA受體、海人藻酸 (kainicacid, KA)受體和L-AP4受體。NMDA受體與LTP、突觸可塑性、 學(xué)習(xí)記憶、神經(jīng)系統(tǒng)生長(zhǎng)發(fā)育的可塑

3、性、缺血缺氧損傷、中樞神經(jīng)系 統(tǒng)疼痛傳導(dǎo)、POCD及老年性癡呆等神經(jīng)退行性疾病等都有密切關(guān)系 1。NMDA受體上有多種配體結(jié)合的位點(diǎn)，包括谷氨酸結(jié)合位點(diǎn)、甘 氨酸結(jié)合位點(diǎn)、離子通道的孔隙以及N末端的變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)等，它們 以亞型選擇的方式調(diào)節(jié)著受體的活動(dòng)。此外，由不同亞基組成的NMDA 受體亞型具有不同的生物學(xué)特性2。2 NMDA受體的分子結(jié)構(gòu)及分布_N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate acid,NMDA)受體，是 一種特殊的離子通道蛋白，具有獨(dú)特的門控方式即電壓化學(xué)門控方式, 是學(xué)習(xí)記憶的關(guān)鍵物質(zhì)3。其電壓依賴性是由離子通道內(nèi)部的Mg2+ 阻滯作用決定的NMDA受

4、體通道具有高鈣電導(dǎo)性即對(duì)Ca2+高度通透， 與非NMDA受體通道介導(dǎo)的興奮性突觸后電位 (excitatory post synaptic potential,EPSP)相比，NMDA受體通道介導(dǎo)的EPSP出現(xiàn)較 慢，時(shí)程較長(zhǎng)。一般認(rèn)為，NMDA受體主要分布在神經(jīng)細(xì)胞的突觸后膜。在興奮性 神經(jīng)元，NMDA受體主要分布在樹(shù)突棘頭的突觸后膜，即突觸后致密 區(qū)(postsynaptic density, PSD)。但近年來(lái)的研究顯示，NMDA受 體不僅存在于突觸后膜，還存在于突觸前膜、PSD的周圍或非突觸胞 膜上。位于突觸后致密區(qū)以內(nèi)的NMDA受體被稱為突觸后NMDA受體， 樹(shù)突棘上突觸后致密區(qū)周圍

5、的NMDA受體被稱為突觸周NMDA受體(perisynaptic NMDAR)，經(jīng)常也被稱為突觸外NMDA受體 (extrasynaptic NMDAR)。現(xiàn)已明確NMDAR至少存在7個(gè)亞單位，即NRl (又有8種剪接變體 NR1-1a/b-4a/b)； NR2A、NR2B、NR2C 和 NR2D;以及 NR3A 和 NR3B。NRl 是功能亞基，其基因表達(dá)的紊亂將引起受體功能的喪失，NR2是受體 復(fù)合物的調(diào)節(jié)亞基。一般認(rèn)為，NMDA受體是由兩個(gè)NR1亞單位和兩 個(gè)NR2亞單位構(gòu)成的異四聚體(heterotetramers)，其中的兩個(gè)NR1 亞單位和NR2亞單位可以相同亦可不同。在表達(dá)NR3

6、亞基的細(xì)胞，一 般認(rèn)為此亞基與NR1和NR2亞基組裝在一起，形成NR1/NR2/NR3的聚 合體4。3全麻藥物對(duì)NMDA受體的作用Nishikawa等5通過(guò)電生理的方法研究發(fā)現(xiàn)，臨床濃度(0.52 MAC)的氟烷和異氟醚不僅能抑制大鼠海馬腦片突觸前膜谷氨酸的釋 放，且能夠顯著抑制由NMDA受體所介導(dǎo)的興奮性突觸后電位 (EPSPs)。Andreas Ranft6 通過(guò)全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)的研究證明，65% 的N2O能夠降低小鼠基底外側(cè)杏仁核區(qū)NMDAR-EPSCs。Cheng等7的 研究也發(fā)現(xiàn)，安氟醚能夠直接抑制小鼠脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元NMDA受體所 介導(dǎo)的EPSPs。研究還表明8異氟醚對(duì)谷氨酸受體抑制

7、作用具有選 擇性，1.4%異氟醚抑制NMDA受體介導(dǎo)的EPSPs達(dá)55%，而對(duì)非NMDA 受體的效應(yīng)不明顯。N. Pitsikas等的研究9證明腹腔內(nèi)注射亞麻醉劑量的非競(jìng)爭(zhēng)性 NMDAR拮抗劑氯胺酮(1和3mg/kg)能夠破壞大鼠的空間和非空間識(shí) 別記憶，而腹腔內(nèi)注射大劑量的氯胺酮(75 mg/kg和120 mg/kg)能 夠破壞大鼠味覺(jué)記憶條件反射的形成10。近期的研究發(fā)現(xiàn)11，腹 腔內(nèi)注射氯胺酮能夠在不影響小鼠正常行為活動(dòng)能力的情況下，破壞 社會(huì)記憶的獲得與鞏固，且對(duì)前者影響較大。Vesna Jevtovic-Todorovi等12的研究發(fā)現(xiàn)，使用咪達(dá)唑侖、異氟 烷、氧化亞氮麻醉7日齡大鼠

8、，可導(dǎo)致其發(fā)育期大腦細(xì)胞凋亡性神經(jīng) 退行性壞死，海馬突觸功能的缺陷及永久性學(xué)習(xí)記憶損壞。以上的研究表明全麻藥物能夠通過(guò)作用于NMDAR進(jìn)而影響嚙齒類 動(dòng)物的學(xué)習(xí)和記憶。但也有研究發(fā)現(xiàn)13，1MAC的異氟烷能夠可逆 性地提高4-5月齡小鼠海馬的NR2B亞基量，增強(qiáng)了 CA1區(qū)神經(jīng)元LTP并提高海馬依賴性認(rèn)知能力，但此效應(yīng)在7日后便消失。4 NMDA受體不同亞單位在學(xué)習(xí)記憶中的作用越來(lái)越多的研究表明空間記憶的儲(chǔ)存通常是通過(guò)NMDA受體的激活, 腦室內(nèi)注射NMDA受體的競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑可阻斷齒狀回興奮性突觸LTP 的產(chǎn)生，并損傷大鼠在Morris水迷宮中空間記憶的學(xué)習(xí)。而NMDA受 體的高表達(dá)可增強(qiáng)海馬

9、介導(dǎo)的學(xué)習(xí)過(guò)程。Gureviciene等14的研究 表明，雌激素提高小鼠海馬依賴性空間學(xué)習(xí)能力是通過(guò)增加海馬有活 性的NMDA受體而發(fā)揮作用的。有研究提示，腹腔內(nèi)注射非競(jìng)爭(zhēng)性 NMDAR拮抗劑MK-801能夠破壞發(fā)育期大鼠的空間工作記憶15及倒 序?qū)W習(xí)16,而海馬內(nèi)注射MK-801能夠破壞大鼠T型迷宮位置辨別倒 序?qū)W習(xí)17。突觸可塑性、記憶、NMDAR功能之間的關(guān)系不僅在海馬 中，在杏仁核與梨狀皮質(zhì)中也得到論證。Gareth R.I等18通過(guò)向 大鼠內(nèi)側(cè)額前皮質(zhì)及鼻周皮質(zhì)注射選擇性NMDA受體拮抗劑AP5證明 了長(zhǎng)時(shí)程記憶的編碼需要這兩個(gè)皮質(zhì)區(qū)NMDAR的共同活化；而向基底 外側(cè)杏仁核區(qū)注射D

10、L-APV會(huì)損害大鼠的條件恐懼記憶和再記憶 19。NR1亞基與學(xué)習(xí)記憶NMDA受體NR1亞基廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，以海馬、大腦皮質(zhì)、 小腦最豐富。在生長(zhǎng)發(fā)育期，由于受內(nèi)、外環(huán)境的影響，NMDA NR1 受體的基因表達(dá)呈動(dòng)態(tài)變化，且其表達(dá)量具有年齡相關(guān)性和一定程度 的可塑性。Tsien等20研究發(fā)現(xiàn)，海馬CA1區(qū)NR1基因敲除小鼠該區(qū)LTP誘 導(dǎo)產(chǎn)生障礙、水迷宮實(shí)驗(yàn)尋找站臺(tái)潛伏期明顯延長(zhǎng)，提示了小鼠空間 學(xué)習(xí)記憶障礙。通過(guò)基因敲除技術(shù)進(jìn)一步證明，海馬CA1區(qū)NMDA受 體對(duì)空間記憶的形成和鞏固是必需的21。同時(shí)作者通過(guò)調(diào)控該區(qū) NR1基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，在小鼠首次恐懼訓(xùn)練后2周內(nèi)關(guān)閉基因，其恐 懼

11、記憶明顯受損。若4周后關(guān)閉基因的表達(dá)，記憶損害不明顯。這提 示了小鼠恐懼記憶鞏固階段發(fā)生于海馬，4周后則進(jìn)人皮質(zhì)鞏固階段。 而該區(qū)NR1基因缺失也可導(dǎo)致非空間學(xué)習(xí)記憶障礙及新事物探究能 力下降22。隨后的研究進(jìn)一步證明，CA1區(qū)和齒狀回與動(dòng)物的短時(shí) 記憶有關(guān)，而CA3區(qū)與動(dòng)物的聯(lián)想記憶有更大的關(guān)聯(lián)，且CA3區(qū)NR1 亞基對(duì)空間的聯(lián)想記憶是必需的23，24。NR2亞基與學(xué)習(xí)記憶NR2A與NR2B是NMDAR的兩個(gè)重要亞基，是皮層特征性發(fā)育轉(zhuǎn)變的 重要亞基。大腦中NR2B亞基在出生后早期含量豐富，NR2A亞基含量隨發(fā)育逐漸增多25。NR2A和NR2B亞基與學(xué)習(xí)記憶的關(guān)系如下表亞基種類變化學(xué)習(xí)記憶功

12、能NR2A缺失亞基靶向斷裂大鼠皮下單次大劑量注射去氧麻 黃堿（30mg/kg）上調(diào)NR2A亞基 的表達(dá)小鼠快速獲得性空間工作記憶障礙，而不影響空間參照記憶26小鼠空間學(xué)習(xí)缺陷27大鼠空間工作記憶損害28NR2B過(guò)表達(dá)海馬NR2B缺陷藥物或基因敲除NR2B亞基選擇性拮抗劑Ro25-6981拮抗大鼠或非局限化小鼠外側(cè)杏仁核突觸NR2B亞基蛋白杏仁核區(qū)注射NR2B拮抗劑芐哌酚醇基因敲除小鼠前腦或海馬NR2B亞基活化神經(jīng)元氧化氮合酶（nNOS）小鼠學(xué)習(xí)記憶增強(qiáng)29, 30 大鼠空間學(xué)習(xí)損害31成年小鼠前額皮質(zhì)LTP和上下文恐懼記 憶受損32破壞小鼠（3月齡）恐懼記憶，且該效應(yīng) 隨年齡增長(zhǎng)而減弱33損害

13、大鼠34或小鼠35信號(hào)恐懼條件反 射訓(xùn)練后或測(cè)試前注射不影響大鼠恐懼記憶的表達(dá)34 *破壞小鼠空間和非空間表現(xiàn)型，或誘發(fā)選 擇性、短時(shí)程的空間工作記憶缺陷36 負(fù)向調(diào)控成年小鼠海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生，進(jìn)而 阻礙小鼠空間記憶的形成37*也有相關(guān)研究提示，恐懼記憶鞏固維持階段杏仁核區(qū)NR1、NR2A、NR2B亞基蛋白表達(dá)下 調(diào)38。我們推測(cè)，NMDAR表達(dá)的下調(diào)首先是一種對(duì)恐懼記憶鞏固階段神經(jīng)元異?；罨谋?護(hù)機(jī)制；再者，NMDAR表達(dá)的下調(diào)也有利于杏仁核區(qū)將來(lái)獲得新的恐懼記憶。這些有關(guān)不同形式學(xué)習(xí)的研究強(qiáng)調(diào)了 NR2亞基在學(xué)習(xí)記憶中的重 要性，且主要與學(xué)習(xí)記憶的獲得關(guān)系密切。如今已明確，鈣-鈣調(diào)蛋白依賴

14、性激酶II（CaMKII，NMDAR的一個(gè) 重要結(jié)合配體）與NR2B亞基的結(jié)合是LTP誘導(dǎo)的基礎(chǔ)39。含NR2B 的NMDARs表現(xiàn)出更持久的電流、單位電流中攜帶了更多Ca2+并優(yōu)先 與CaMKII相互作用。因此，我們提出LTP的誘導(dǎo)可能主要依賴于通 過(guò)NR2B亞基介導(dǎo)的Ca2+進(jìn)入突觸后與CaMKII的結(jié)合，但要注意這 些受體的作用需要考慮到發(fā)育和區(qū)域情況。此外，NMDARs并不是決 定突觸可塑性誘導(dǎo)的唯一因素。4.3依賴于感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的NMDA受體組成變化感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的剝奪也會(huì)影響NMDA受體的功能，如24h全睡眠剝奪后 小鼠海馬NR1亞基表達(dá)減少而其他NMDA受體亞基未有影響，反映了 NMDAR

15、的功能變化40。但剝奪睡眠4h可增強(qiáng)NR2A的表達(dá)41。同 樣地，學(xué)習(xí)和感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)也能夠調(diào)控NR2B的變化。有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò) 六天的嗅覺(jué)辨別任務(wù)訓(xùn)練后可發(fā)現(xiàn)梨裝皮質(zhì)區(qū)NMDARs的運(yùn)輸，是基 于NR2B蛋白表達(dá)水平下降而NR2A未變化導(dǎo)致的NR2A/NR2B比值升高 42。Chunfang Li等43的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)胎兒生長(zhǎng)受限模型大鼠進(jìn) 行行為訓(xùn)練能夠提高其CA1區(qū)NR2B的表達(dá)，從而增強(qiáng)大鼠的學(xué)習(xí)記 憶能力。Philpot 等44，45,46的研究表明，暗室飼養(yǎng)（dark rearing） 能夠降低喪失感覺(jué)模態(tài)的大腦區(qū)域的NR2A/NR2B比值。在幼年動(dòng)物的 視皮質(zhì)區(qū)，這種經(jīng)驗(yàn)依賴性的NR2A

16、/NR2B比值調(diào)控不受限制。He等 47的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，剝奪幼年動(dòng)物全視覺(jué)可使其NR2B表達(dá)較 NR2A增強(qiáng)。降低了 NR2A/NR2B比，而剝奪成年嚙齒類動(dòng)物10天的視 覺(jué)能夠降低其視皮質(zhì)的NR2A/NR2B比值。重要的是，視覺(jué)剝奪不明顯 影響突觸NR1的積聚48，這意味著突觸NMDAR亞基的變化而非數(shù)量 變化可能是大部分剝奪誘發(fā)的突觸可塑性變化的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)和感覺(jué) 經(jīng)驗(yàn)NR1NR2ANR2BNR2A/NR2B剝奪睡眠1fff嗅覺(jué)學(xué)習(xí)ff1f剝奪視覺(jué)ffff14.4 NR2A/NR2B比值與學(xué)習(xí)記憶Chen等40的研究提示，活化未成熟神經(jīng)元可能易化NR2A的轉(zhuǎn)錄 活性，而活化成熟神經(jīng)元NMD

17、AR可能抑制NR2B的轉(zhuǎn)錄活性。此外， 活化神經(jīng)元可能是通過(guò)Mib介導(dǎo)的泛素蛋白酶體系統(tǒng)易化了 NR2B的 降解，進(jìn)而限制NR2B水平48。重要的是，這些機(jī)制都是增大了活 化神經(jīng)元的NR2A/NR2B比值。Philpot等49的研究還發(fā)現(xiàn)，在NR2A敲除小鼠中，不存在視覺(jué) 經(jīng)驗(yàn)依賴性NMDAR電流衰減，提示了 NMDAR電流減少的原因是由于 NR2A/NR2B比值的增加；此外，NR2A敲除小鼠的LTP誘發(fā)閾值的刺激 頻率顯著降低，以至于在野生型小鼠中可誘發(fā)LTD的1Hz刺激足以誘 發(fā)LTP。最近的研究進(jìn)一步證明50，基因敲除或減少NR2A，能夠破 壞單眼視力剝奪小鼠的視皮質(zhì)區(qū)活性依賴性突觸弱化

18、及增強(qiáng)非剝奪 眼的突觸輸入強(qiáng)度，該研究提示單眼視力剝奪后非剝奪眼感覺(jué)輸入的 代償性增強(qiáng)是基于NR2A/NR2B比值的下降。據(jù)此推測(cè)，具有高NR2A/NR2B比值的突觸通過(guò)限制Ca2+進(jìn)入細(xì)胞 內(nèi)而更支持誘導(dǎo)LTD產(chǎn)生，即如果NR2A/NR2B比值升高，相比之下誘 導(dǎo)LTP需要更強(qiáng)的刺激（如高頻刺激），而更廣泛的弱刺激（如低頻 刺激）可能能夠誘導(dǎo)LTD。相反地，低NR2A/NR2B比值將會(huì)降低LTP 的誘導(dǎo)閾值，使較弱的應(yīng)答即可升高Ca2+并活化CaMKII至誘導(dǎo)LTP 的水平。此外，低NR2A/NR2B比值通過(guò)NMDARs的刺激應(yīng)答升高Ca2+ 濃度，進(jìn)而能夠降低LTD/LTP的轉(zhuǎn)換閾值，這與

19、低NR2A/NR2B比值有 利于LTP誘發(fā)的假說(shuō)相一致NMDAR亞基這種調(diào)節(jié)可塑性誘導(dǎo)的作用 在其他腦區(qū)也進(jìn)行了研究。前述嗅覺(jué)學(xué)習(xí)和睡眠剝奪都能夠通過(guò)不同 亞基的變化增加NR2A/NR2B比值，這與增加的LTP誘發(fā)閾值相一致。4.5 NR3亞基的作用通過(guò)在體及免疫細(xì)胞化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，NR3A分布比較廣泛，而NR3B 主要表達(dá)于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。爪蟾卵中,NR3A或NR3B與NR1亞基組成甘 氨酸受體，該受體不受谷氨酸或NMDA的影響，并能夠被D-絲氨酸抑 制。此外，NR1/NR3A或NR1/NR3B受體形成了非鈣離子通透性通道， 因而能夠抵抗Mg2+、MK-801、美金剛和競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑的作用。盡管 甘

20、氨酸通常被認(rèn)為是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，但這些NR1/NR3A或NR1/NR3B亞基組成的是一種興奮性甘氨酸受體51。Christian M等的研究發(fā)現(xiàn)52，拮抗或替代NR1 #氨酸結(jié)合位點(diǎn) 可增強(qiáng)NR1/NR3受體功能25倍，而抑制或突變NR3甘氨酸結(jié)合位點(diǎn) 會(huì)降低或破壞受體活性。因此甘氨酸與NR1亞基的結(jié)合導(dǎo)致NR1/NR3 受體的自身抑制，相反地受體離子通道的開(kāi)放需要甘氨酸與NR3亞基 的結(jié)合。該研究與NR1/NR3受體介導(dǎo)的電流主要基于NR3亞基活化的 觀點(diǎn)相一致53。Nilsson54的研究證實(shí)，只有甘氨酸與人類NR3A 亞基具有高親和力，甘氨酸很可能是NR3A亞基的內(nèi)源性配體并具有 獨(dú)特的藥理學(xué)特性。Tong G等55