抑制性氨基酸受體及其遞質對突觸可塑性的影響

王亞利　汪萌芽

【摘 要】神經系統的正常功能是以興奮性和抑制性之間的相對平衡為基礎的。CNS過度興奮會導致失眠、癲癇、感官功能下降等一系列病理狀態。因此，抑制性作用對人類為維持正常的生理功能是十分重要的。在中樞神經系統中，抑制性氨基酸及其受體介導的突觸傳遞起著主要的抑制作用，可以作為治療癲癇、疼痛、帕金森綜合癥等疾病的新的作用靶點。

【關鍵詞】突觸可塑性；長時程增強；甘氨酸；GABA；GABAA受體；GABAB受體

20世紀40年代馮德培教授在貓的骨骼肌神經—肌接頭部位記錄到了強直刺激后終板電位增大的現象，增大現象可持續數分鐘，被稱為強直后增強（PTP）。這是首次發現突觸傳遞效應的實用性增強現象，是突觸可塑性研究的開端。長時程增強（LTP）是突觸強度的的持續增加，它是包括學習和記憶、視覺和體感系統的功能發育以及藥物成癮所必須的基礎。奮性氨基酸受體和抑制性氨基酸受體，介導中樞神經系統的突觸傳遞，參與突觸可塑性的誘導和維持。GABARs和Glys的抑制作用被認為在突觸可塑性中發著至關重要的作用。神經元的興奮性受抑制的程度越大，其誘導出LTP的幾率就會越低。神經系統的正常功能是以興奮性和抑制性之間相對平衡為基礎的。而本文就抑制性氨基酸受體及其遞質對突觸可塑性的影響進行綜述。

1 GABA及其受體對突觸可塑性的影響

1.1 GABAA受體對突觸可塑性的影響

γ-氨基丁酸（GABA）是中樞神經系統（CNS）中最豐富的抑制神經遞質，對調節神經元的活動有重要作用。大約30%的突觸以GABA作為發射器使用。在中樞神經系統的早期發育階段，GABA主要作為興奮性神經遞質而發揮作用。這種作用主要與GABAA受體有關。在不成熟的中樞系統中，ECL-比神經元膜電位更積極[1]，這是由NKCC1的活動導致的，Na+ K+ 2Cl -轉運系統在胚胎期到出生后的第一周表達，能夠促進氯離子在未成熟的神經元中的聚集[2]。因此，在這一時期，GABAA受體激活產生去極化，在中樞神經系統的發育中表現出營養作用，在細胞增殖、遷移、突觸形成以及活性依賴的分化中扮演著重要的角色[3-4]。另一方面，在初級傳入纖維與背根神經節（DRG）神經元胞體上KCC1轉運蛋白的表達在成人仍然存在，GABAA受體激活初級傳入增加其興奮性。

從生理學的角度來看，CNS中GABAA受體有兩種類型：突觸上和突觸外。突觸上GABAA受體主要介導突觸間的溝通。在成熟的和未成熟的神經元中，突觸前囊泡釋放GABA激活這類受體，使膜對Cl-和碳HCO-的通透性增加，從而使神經元產生抑制性突觸后電流（IPSP）或者去極化性突觸后電流（DPSP）。最重要的GABAARs是位于神經元的胞體、樹突以及軸突膜上的受體[5-7]。這些突觸外GABAARs介導另一種形式的GABA能抑制。使用功能性分析表明，應用荷包牡丹堿及gaba鋅能夠阻斷自發相位電流和強直電流，揭示GABA能強直抑制性作用在許多類型的神經細胞的海馬、丘腦、軀體感覺皮層和小腦中存在[6-8]。這是由于突觸前GABAARs激活會對電導或者是強直分流產生持久性的增加，從而調節神經元的興奮性[9-10]。研究發現，細胞外GABA發揮其作用，使GABAARs強直行激活，介導這一作用的受體廣泛存在于所有的神經細胞，但是它們位于GABA釋放地點較遠，因此他們被稱為突觸外GABAA受體。當GABA能突觸傳遞受阻滯時可以誘發海馬錐體神經元癲癇樣活動。突觸外的GABAA受體的分子本質和強直抑制性電流的產生已在許多腦結構中被發現，由于其與控制神經元興奮性有關聯，已經成為各種神經系統疾病如精神分裂癥、外延癲癇和帕金森病治療的的藥物靶點。在脊髓，早期的研究發現，這些受體在麻醉，慢性疼痛，運動控制和運動中起作用。

近年來，關于GABAARs在脊髓神經元突觸可塑性中的作用的研究已廣泛開展。在雞胚脊髓神經元首次獲得了GABA能強直抑制性電流，這個強直IGABA產生一個緩慢的去極化[11]。同樣，在脊髓局部應用GABAA受體拮抗劑荷包牡丹堿可以抑制由高頻強直刺激初級傳入纖維所誘發的脊髓背角場電位的長時程增強[6]。最近，在神經元層II GABAARs介導的一個強直電流被記錄下來，表明這這些受體可抑制疼痛和中樞敏化過程。具體而言，THIP（4，5，6，7-tetrahydroisoxa-zolo（5，4-c）pyridin-3-ol）引起的GABAARs活動增強可降低小鼠脊髓神經元興奮性。此外，在哺乳動物的脊髓GABA能強直電流被記錄在膠質神經元[13]，這個強直電流可調節GABA能自發性抑制性突觸后電流（sIPSCs）[12]。在小鼠腹側角中間神經元，GABA能強直電流可以通過輸注硫噴妥鈉和荷包牡丹堿阻斷活性，然而這種強直電流目前顯然不能由外周GABA激活[17]。同樣，在成年龜脊髓中間神經元突觸活性可被士的寧阻斷但不是由荷包牡丹堿或鋅阻斷，表明自發的突觸活動可能不能調節強直抑制。此外，強直電流可調節脊髓黑質神經元GABA能自發性抑制性突觸后電流（sIPSCs）。GABAAR介導的強直電流當前已被建議作為麻醉劑或鎮靜劑藥物的作用靶點[14]。在這個方向上的研究表明，咪達唑侖，一種苯二氮卓類受體激動劑，可產生鎮痛作用[15]。

GABAARs在控制運動神經元的興奮性方面也發揮了重要的作用。柯蒂斯和他的同事首次對GABA在神經系統中的作用的進行研究（1959）。結果表明，GABA能夠降低中間神經元以及刺激初級傳入纖維誘發出的場電位[16]，GABA能顯著降低逆行電位的幅度，取消順勢電位，降低EPSPs和IPSPs[17]。GABA類似的行為被記錄在γ運動神經元和Renshaw細胞[17]。當存在100uM荷包牡丹堿，電流的持續變化也被記錄在成年龜運動神經元[18]。

1.2 GABAB受體對突觸可塑性的影響

在CNS中，GABAB受體（GABABRs）主要定位于神經元，其高密度存在于大腦皮層、丘腦核，小腦和杏仁核。在海馬、韁核、黑質、腹側被蓋區、伏隔核、蒼白球、下丘腦以及脊髓腹角和背角也有大量GABABRs存在。在外周，GABABRs存在于自主神經節和內臟組織如胃、腸、心、脾[19]。GABABRs有三類：位于突觸前、突觸后膜和突觸外，突觸前GABABRs，通過Gi/o的G亞基，抑制N型（CaV2.2）或P/Q型（CA 2通道Cav2.1）鈣離子通道，從而抑制神經遞質的釋放[20]。突觸后GABAB受體，通過G亞基，引發多種鉀通道的開放，特別是內向整流鉀通道（Kir3），導致超極化和緩慢的抑制性突觸后電位（IPSPS）。在突觸后，位于樹突棘的GABAB受體激活，引起慢時程IPSP，也可拮抗拮抗谷氨酸引起的興奮性突觸后電流（EPSP），抑制蛋白激酶（PKA）的活性以及抑制L-型電壓依賴性鈣通道（CAV1）的活性[21]。

在脊髓背角，通過代謝型GABABRs，GABA能夠調節脊髓感覺信息的傳遞[22]。在急性和慢性神經病理性疼痛實驗模型中，GABAB受體激動劑巴氯芬（baclofen）有鎮痛作用，這種作用也被發現在人類疼痛如三叉神經痛和運動障礙如痙攣和肌張力障礙[23]。這些作用可能是由脊髓和刺突上的GABAB受體介導的，涉及突觸前和突觸后機制。實驗證據表明，突觸前受體含有GABAB1a亞基，將會降低初級傳入纖維痛覺相關神經遞質如P物質、谷氨酸和神經肽的釋放[24]，主要影響C纖維介導的傷害性感受[25]。然而，突觸后GABAB受體含有GABAB 1b亞基，在背角神經元的胞體和樹突上表達，能夠影響胞體和樹突的內在特性和興奮性：GABAB受體激活激活Ki3通道，引起突觸后抑制[33]，抑制脊髓背角神經元傷害性信息的傳遞[26]。在脊髓損傷的實驗模型，低劑量的巴氯芬抑制單突觸和多突觸反應通過突觸前的作用位點[27]。而脊髓機制可以解釋巴氯芬在肌張力障礙中的有益效果。有證據表明，GABARs調節紋狀體，蒼白球和丘腦底核谷氨酸能和GABA能突觸傳遞，在突觸前和突觸后的水平[28]。研究表明在MPTP猴，GABAB受體功能的變化可能導致蒼白球爆發性活動，這被稱為帕金森狀態[29]。

鞘內注射GABABRs拮抗劑CGP35348會產生痛覺過敏現象，從而增強脊髓背角神經元對傷害性刺激的反應[30]。而且GABAB（1）和GABAB（2）基因敲除小鼠也表現出痛覺過敏[31]。這可能是因為GABAB受體有助于外周神經損傷后異常性疼痛痛覺過敏和自發痛行為產生和維持。GABABRs也參與糖尿病神經痛的形成過程，激活GABABRs不僅抑制糖尿病大鼠脊髓背角谷氨酸遞質的釋放，而且參與脊髓背角甘氨酸受體及M膽堿能受體的鎮痛作用。臨床上，鞘內注射巴氯芬已被用來作為一種治療神經病理性疼痛輔助鎮痛方法。

2 甘氨酸及其受體對突觸可塑性的影響

1956年Aprison和Waman第一次提出甘氨酸在哺乳動物的CNS中起著神經遞質的作用，參與調節神經遞質的突觸傳遞[32]。在中樞神經系統中，甘氨酸是一個具有雙面生物活性的分子[33]。一方面，在脊髓，腦干，和視網膜，甘氨酸作為一種抑制性神經遞質，介導神經元的抑制作用，從而減少興奮性氨基酸釋放，這種抑制作用是由甘氨酸受體介導的。另一方面，在海馬、大腦皮質、小腦、及嗅球細胞甘氨酸也可作為NMDA受體的刺激調制器，對NMDA受體的激活是必不可少的[34]。目前公認的能與甘氨酸結合的有四種類型的受體，包括特定的甘氨酸受體（GlyR），離子型谷氨酸受體NMDAR亞型的特異結合以及γ離子型GABAA受體和GABACR。

甘氨酸能持續增強或抑制AMPA反應通過甘氨酸與NMDA受體和甘氨酸受體結合[35]。在海馬CA1區神經元，甘氨酸以劑量依賴的方式誘導NMDA受體反應的長時程增強（LTP）和長時程抑制（LTD）（Gly-LTP和Gly-LTD）。這些NMDA反應的改變依賴于NMDA受體的激活[36]。此外，Gly-LTP的誘導需要甘氨酸與NMDA受體結合，而Gly-LTD要求甘氨酸與NMDA受體和甘氨酸受體這兩種受體結合。大多數的生理條件下，腦脊液中甘氨酸濃度已估計是在低微摩爾范圍。由于較之于甘氨酸受體NMDA受體對甘氨酸有較高的親和力，所以內源性甘氨酸可能主要發揮其興奮作用，通過激活NMDA受體，進而誘導出LTP。然而，在海馬CA1區錐體神經元，通過應用外源性甘氨酸或者提高內源性甘氨酸的聚集獲得較高水平的甘氨酸能夠誘導出興奮性突觸后電流的LTD，聯合應用甘氨酸和選擇性的甘氨酸受體拮抗劑士的寧能夠使甘氨酸誘導的LTD轉變為LTP。通過通過操縱細胞內的氯離子濃度阻斷突觸后的甘氨酸受體門控氯離子通沒有引起興奮性突觸后電流的任何變化。這些結果表明，甘氨酸受體參與Gly-LTD的誘導。此外，這種新形式的LTD伴隨著突觸后AMPA受體的內化，也需要NMDA受體的激活。因此，甘氨酸受體的激活和調節對門控突觸可塑性方向具有重要的作用[37]。

NMDA受體在神經發育、學習和記憶、感覺、及突觸可塑性方面有關鍵作用[40]。有越來越多的證據表明，多巴胺和谷氨酸神經遞質系統相結合的功能障礙可能是精神分裂癥關鍵的臨床和病理生理特征的基礎。具體而言，在大腦關鍵回路內的N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）的功能減退似乎是一個重要的機制。因此，通過增加突觸間隙谷氨酸共激動劑甘氨酸的可用性調節NMDA受體功能的可能為治療精神分裂癥的新治療策略。LTP-GLY的潛在機制可發展成為精神分裂癥新的藥物治療的表征。

首次在脊髓中發現甘氨酸表現在對運動神經元放電的抑制作用，這種抑制作用能被士的寧拮抗[37]，這也是士的寧在抑制性突觸拮抗作用的第一個證據。在脊髓和腦干，甘氨酸能抑制性中間神經元控制運動時運動基本節奏的產生[38]。這些抑制性中間神經元對脊髓反射動作的協調性也起著重要的作用。IA甘氨酸能抑制性中間神經元介導牽張反射電路結構中的相互抑制。Renshaw中間神經元也釋放甘氨酸，通過負反饋系統，產生循環抑制，調節運動神經元的興奮性和放電[39]。甘氨酸受體不僅參與從傳感器神經元對運動神經元信號傳輸；他們也參與疼痛的感知，光信號轉導和神經系統發育[41]。士的寧，主要的甘氨酸拮抗表現為對運動神經元、感受器神經元的持續性興奮以及增強疼痛感阻斷甘氨酸受體，士的寧引起的成倍增加的疼痛感覺。激活甘氨酸受體可減輕疼痛，這是后續研究任務在鎮痛和麻醉。通過增強受體產生的電流的方法介導麻醉的可能性是現代醫學的一個重要問題。

3 展望

對突觸可塑性的研究是近年來國內外研究的熱點，LTP也被認為是學習和記憶的重要神經生物學基礎。而受體-遞質系統在突觸可塑性中的作用是突觸可塑性研究的重點也是難點。雖然相關的研究已開展，但是其具體機制還尚未清楚，有待于進一步的研究。在脊髓，對抑制性氨基酸受體的研究多集中在背角感覺神經元，能夠調節脊髓感覺信息的傳遞，為治療神經病理性疼痛提供一個新的治療方向。而抑制性氨基酸受體及其遞質在脊髓運動神經元中的作用研究較少，還有待于進一步的研究，可能成為治療脊髓損傷一個新的研究目標。

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[責任編輯：湯靜]