前額葉皮層NMDA受體NR2B亞基與工作記憶的關系

趙自芳 ，鮑 林 ，尹毅青

（1.北京大學中日友好臨床醫學院，北京 100029；2.中日友好醫院 手術麻醉科，北京 100029）

前額葉皮層（prefrontal cortex，PFC）是編碼和執行工作記憶的主要腦區，工作記憶編碼的確切機制目前尚不明確，但在執行工作記憶任務時能記錄到PFC神經元存在特異的持續放電現象，目前認為這可能是工作記憶編碼過程的神經生理基礎。PFC分布大量的 N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptors， NMDARs），尤其是激動后失活緩慢的NR2B亞基，對持續性放電和正常工作記憶功能的維持至關重要。然而，NR2B對包括工作記憶在內的PFC相關認知功能卻存在雙向影響，若受體過度表達或激活，也可能產生興奮性神經毒性作用，導致神經元損傷或凋亡，甚至引發精神疾病。本綜述旨在闡釋PFC、NR2B亞基和工作記憶的相互關聯。

1 前額葉皮層是工作記憶的神經解剖基礎

工作記憶（working memory）是機體接收刺激后，分析思維中的瞬時信息并隨之做出有目的行為的一種能力。其包括2方面內容：（1）對瞬時變化的外界環境信息的感知；（2）從既往記憶儲存庫中迅速檢索并再現類似事件[1]。機體在對“重要信息”的處理中涉及很多更高級的認知和執行功能如思考、計劃和理解力等，而工作記憶就是這些高級功能所需的記憶信息的中轉樞紐，可以使機體能有選擇性處理外界環境信息[2]。

前額葉皮層是指額葉中央前回和中央旁小葉以前的大腦皮層區，主要包括背側PFC（大腦半球的背外側面）、腹內側PFC（內側面）和眶額皮層（眶面）。PFC具有豐富的皮層間和皮層下交互纖維聯系組成兩類回路，分別以認知和情感工作記憶來指導個體行為。PFC在許多高級認知功能中都發揮著重要作用，包括工作記憶、注意力、思維、邏輯推理等。PFC結構損傷或功能紊亂與許多臨床疾病或精神癥狀的發生相關，如精神分裂癥、抑郁癥、注意缺陷多動障礙、神經病理性疼痛等[3]。

PFC與正常工作記憶功能密切相關[4～6]。PFC在分子水平、神經解剖學水平以及神經功能方面都是一個很特殊的腦區，其參與調控許多高級認知功能，包括工作記憶、情感回憶、注意力以及行為抑制等，尤其是對工作記憶必不可少。研究發現，衰老會伴隨著前額葉皮層活性下降，進而表現為空間工作記憶功能受損[7]。Müller等[8]發現PFC受損的患者表現出工作記憶功能損害。電生理和影像學研究也發現研究對象在執行延遲反應工作記憶任務時，在PFC能記錄到特異性的持續性電活動，而這種特異性的電活動對工作記憶中信息的存儲至關重要[9，10]。通過工作記憶篩選的“重要信息”暫時性地在意識中留存，之后在完成信息的下級調控，而持續性的神經放電活動是信息能夠暫時保留的電生理基礎。隨著線索信息的反復鞏固加強，PFC神經元放電活動也隨之增強，經歷一定的延遲期后，會引發1次行為反應，之后電位又回到基線水平。產生這種特異性持續放電活動的細胞是PFC神經元的一個亞群，被稱為Delay細胞，目前推測這類細胞及其產生的特異性放電活動是工作記憶的細胞學和電生理基礎。PFC結構最為特殊的就是存在Delay細胞及其介導的特異性持續電活動，這是PFC與工作記憶功能密切相關的解剖學證據[11]。

2 NR2B-NMDARs的生理學特征

NMDARs是離子通道型谷氨酸受體的一種，主要位于突觸后膜致密區，構成的配體門控的陽離子通道主要對Ca2+有較高的通透性。功能性NMDARs主要包含1個固定的 NR1二聚體和 2個 NR2（NR2A-D）或 NR3（NR3AB）亞單位形成異四聚體復合物[12]。其中NR2有多種亞型，各種亞型由于開放時間、鈣離子通透性、衰減時間以及對藥物敏感性等方面的變化而表現出不同的功能，NR2A和NR2B是最重要的兩類，二者都對突觸可塑性以及學習記憶功能有著不可或缺的作用[13，14]。NR2B亞基主要分布在前腦區皮層內，此外在海馬、丘腦、紋狀體以及脊髓等也有大量分布[15]。NR2B是一種陽離子通道，受配體門控和電壓門控雙重調控，Mg2+對其具有電壓依賴的阻斷作用。NR2B激活時，對Na+、K+有通透性，但主要是對Ca2+具有高通透性。NR2B功能的調節呈“雙向”性，高頻刺激可通過鈣／鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ引起突觸后膜致密區磷酸化，促進LTP的形成，可促進NR2B表達，形成良性循環增強學習記憶功能。而低頻刺激可能通過其它非鈣／鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ下游信號通路形成長時程抑制 （long-term depression，LTD）。但如NR2B過度表達或過度激活，可能會導致谷氨酸興奮性毒性反應的發生[16，17]。

3 前額葉皮層NR2B-NMDARs是工作記憶的重要分子學基礎

目前已證實NMDARs是認知功能重要的分子基礎，PFC的NR2B亞基對正常工作記憶功能的維持更是不可或缺，NR2亞基表達的變化會直接影響工作記憶功能。其確切的機制目前尚未完全明了，但可能與以下機制有關。

3.1 NR2B參與PFC結構發育和功能成熟

NMDARs的表達具有時間和空間特異性，不同個體在不同的發育時期會表現出不同的生理學和功能特征。研究發現在大腦突觸結構和學習能力的發育成熟過程中，NR2B表達逐漸減少而NR2A表達增加，因此在海馬和初級感覺皮層等腦區，NR2B/NR2A比值在認知功能發育過程中逐漸降低[18]。但PFC則并不存在這種NR2B向NR2A轉換的現象，研究證實成年鼠的在神經發育過程中，NR2B在PFC的表達水平并未出現下降，而是持續保持在較高水平[19，20]。PFC中NR2B/NR2A比值在生長發育過程中保持恒定，能促進PFC的突觸發育和功能成熟。在幼年期末/成年期初，介導LTP主要是PFC而非背側海馬，該時期PFC的NR2B對LTP影響最顯著，此階段阻斷PFC的NR2B或者NMDARs會直接抑制LTP的形成[21]。這表明NR2B可能直接參與PFC的回路精細化發育以及功能成熟，而后者對維持正常的工作記憶功能不可或缺。

3.2 NR2B亞基參與PFC特異性放電活動的產生和調節

在執行工作記憶任務時可以記錄到特異的持續放電活動，目前認為NR2B亞基直接參與這種特異性放電的產生和調節[9]。首先，從生理特性方面，與NR2A相比，NR2B激活后的失活更緩慢，該特性更符合工作記憶的生理特征。含NR2B亞基的NMDARs受體通道開放時間更長，可以允許更多的鈣離子和鈉離子通過，從而延長工作記憶相關的去極化電位和突觸閾下電位累積（subthreshold synaptic summation）[22]。暫時性閾下電位累積的越多可以讓神經元越接近爆發放電的閾值，最終表現出認知功能增強[23]。其次，從接受外界刺激信息到引發行為反應存在延遲期，在此期間要求PFC神經元能夠保持持續活性。目前推測正是由于NR2B亞基衰減緩慢的特性，影響NMDARs受體通道動力學，使得PFC能產生執行工作記憶等認知功能必需的持續性放電活動。Wang等[24]最先報道了靈長類動物背側PFC的Delay細胞存在由NMDARs介導的特異性持續性放電活動，選擇性阻斷NR2B能顯著抑制Delay細胞的持續放電，進而損害工作記憶功能，這說明NR2B與工作記憶功能直接相關。相比之下，其他參與Delay細胞功能調節的受體，如氨甲基磷酸（AMPA）受體，其阻滯效應則呈遲發性，其對Delay細胞的抑制作用在持續性放電活動之后才逐漸表現出來。因此，其余參與調節的受體活性高低可能只對Delay細胞去極化過程有促進作用，而NMDARs尤其NR2B在工作記憶編碼執行中伴隨的持續性放電活動作用更顯著。

3.3 NR2B亞基影響LTP的形成

工作記憶包含已貯存的長期記憶“召回”和新的長期記憶形成，而LTP是學習記憶等長期記憶的主要分子機制之一，目前發現NR2B對于PFC腦區LTP的形成和依賴于PFC相關記憶的形成也發揮著重要作用。Cui等[25]證實，通過轉基因方法使前額葉腦區的NR2B亞基選擇性高表達后，在電生理實驗中可以發現PFC腦區的LTP選擇性增強，而NR2B的選擇性拮抗劑Ro25-6981則可以完全逆轉該效應。其具體機制可能是NR2B激活后，陽離子通道開放，細胞膜外Ca2+內流，使細胞內Ca2+濃度升高，然后通過鈣／鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ進而引起基因轉錄、蛋白表達和突觸后膜功能改變，最終促進LTP的形成。

4 NR2B對認知功能存在雙向影響

PFC分布的NR2B亞基對正常工作記憶功能的重要性不言而喻，其表達水平和活性的升高可以增強認知功能和突觸可塑性，或者使受損的認知功能恢復正常，但若NR2B過度表達卻也可能會導致細胞內鈣離子水平超載，產生興奮性神經毒性作用并造成神經元損害，甚至導致某些疾病的發生[2]。對存在常規治療無效的伴異常放電的癲癇兒童行責任病灶切除后發現，患兒的異常病灶與健康對照組相比NR2B/NR2A比值更高[26]。在成年期，NR2B的表達水平增加可以增強認知功能。但研究發現在剛出生時的早期發育期，以致癲癇劑量的NMDA激動谷氨酸受體會引起成年期認知功能損害[27]，而該時期正是前額葉腦區NR2B表達水平較高的時期，這提示在發育早期NR2B的過度激活會導致持續性的認知功能損害。這可能是由于在發育早期，NR2B會增加大腦對外界環境因素的易損性和敏感性，而且在該時期發生的損傷會直接影響成年后的認知功能。綜上所述，在正常發育過程中，NR2B的表達水平對認知功能存在的雙向作用，既可改善認知功能，但也可能損害認知功能。因此在不同發育期對NR2B表達和活性的調節就尤為重要。

5 總結與展望

PFC是一個在分子學、解剖結構和功能方面都有獨特特征的腦區，與正常的認知功能密切相關，是工作記憶的神經解剖學基礎。其表達豐富的NR2B-NMDARs具有獨特的生理學特性和發育特點，是PFC在工作記憶編碼和執行期間產生特異性持續性電活動的分子基礎，但如NR2B過度表達或激活也可能會引起興奮性神經毒性作用，損害認知功能甚至導致疾病發生。因此，NR2B在PFC及其相關的工作記憶功能中扮演著雙刃劍的角色，其對PFC功能和正常的工作記憶功能是改善還是抑制，以及具體機制都尚需進一步探究。