鎂離子對學習和記憶的影響及機制研究進展

婁志義，阮迪云，汪惠麗

（1.合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽合肥 230009；2.中國科學技術大學附中，安徽 合肥230051；3.中國科學技術大學生命科學學院，安徽 合肥 230026）

鎂離子（M g2 +）在人體內的含量非常豐富，作為酶輔助因子參與了大量酶促反應。在中樞神經系統（c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m，C N S）中，M g2 +亦有廣泛的分布，對于維持正常腦功能起著重要作用［1]。M g2 +對神經系統的作用非常廣泛，其作用機制涉及面廣，現將其對學習記憶作用及其機制的相關研究進展做一綜述。

1 Mg2 +對學習和記憶的影響

Wilmott等［2]研究發現，在大鼠抑制性回避訓練實驗中，ip給予氯化鎂100和200 mg·kg-1能增強大鼠對有害刺激的記憶能力。楊英等［3]研究發現，給慢性腦低灌注大鼠按照每天5 mL·kg-1的劑量ip給予3.8%氯化鎂溶液，能增強突觸可塑性，改善慢性腦低灌注損傷大鼠的學習記憶能力。Lamhot等［4]在雙向穿梭箱回避實驗中發現，妊娠期大鼠ip給予硫酸鎂270 mg·kg-1，對妊娠期間脂多糖引起的后代學習能力的損傷也具有改善作用。Slutsky等［5]認為，給大鼠飲用含氯化鎂或硫酸鎂的水并不能有效提高其腦中的Mg2 +含量，因而無法改善大鼠的學習和記憶能力；通過給大鼠長期飲用含L-蘇糖酸鎂的水，能有效提高腦中M g2 +含量，進而增強大鼠空間學習記憶和工作記憶的能力。Abumaria等［6]發現，利用L-蘇糖酸鎂提高腦中M g2 +含量可增強大鼠的恐懼記憶能力。相反，Bardgett等［7]研究發現，M g2 +缺乏會導致小鼠恐懼記憶能力降低。由此可見，M g2 +確是影響動物學習記憶行為的重要元素。

2 Mg2 +影響學習和記憶的機制

2.1 對突觸長時程增強的影響

突觸是神經元之間在功能上發生聯系的部位，也是信息傳遞的關鍵部位。突觸可塑性是指突觸的形態和功能可發生較為持久改變的特性或現象，包括突觸傳遞、突觸發育和突觸形態的可塑性［8]。長時程增強（long-termpotentiation，LTP）和長時程抑制（long-termdepression，LTD）是突觸可塑性的主要表現形式，是哺乳動物C N S貯存信息的主要機制，被公認為腦內學習和記憶的分子生物學和細胞學基礎［9]。

Land field等［10]通過在食物中添加M g2 +來提高大鼠血漿中的M g2 +濃度，在海馬腦片上誘導出更強的LTP；Abumaria等［6]利用體外培養的大鼠前額葉皮質腦片，發現當提高人工腦脊液中M g2 +濃度時，能顯著地增加突觸可塑性。相反，用不含M g2 +的人工腦脊液灌注海馬腦片，會表現出一種使L T P持續抑制的類似癲癇樣的腦電現象，在用正常腦脊液替換掉無M g2 +腦脊液后，該現象仍會持續2～3 h［11]。

2.2 對突觸前的作用

Mg2 +在突觸前主要影響神經遞質的重吸收。其中的一種機制是Mg2 +能激活Na-K-ATP酶的活性，因為有些神經遞質（如谷氨酸）的重吸收依賴于Na-K-ATP酶，所以提高Mg2 +的濃度能增強對神經遞質的重吸收［12]。另一個可能的機制是Mg2 +影響了ATP酶的活性，因為Mg2 +對于線粒體功能的發揮是必須的，對于保持細胞中線粒體數量也是不可或缺的［13]。由此推測，Mg2 +很可能是直接影響了細胞的能量代謝，進而影響ATP酶的活性，從而影響神經遞質的重吸收。

2.3 對突觸后的影響

2.3.1 參與N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的組成

在突觸后，Mg2 +作為NMDAR復合物的門控離子，對NMDAR功能及其涉及的學習與記憶過程有重要作用［14]。

NMDAR包括NR1，NR2（包括NR2A～NR2D）和NR3（包括NR3A～NR3B）3類亞基，前2類是功能性的NMDAR所必需的。NMDAR是由4個亞基構成的四聚體，這個四聚體一般由2個NR1和2個NR2結合在一起組成，很少包括NR3亞基［15]。NMDAR的每個亞基具有相似的結構，即包括胞外配體結合端、跨膜部分及胞內C端。跨膜部分由M1，M3和M4構成；配體結合端在細胞外，由M1片段延伸至胞外的S1部分及由M3和M4延伸至胞外的S2部分構成，谷氨酸的結合位點就在NR2的S1和S2之間的縫隙，甘氨酸也結合于NR1的S1與S2之間。胞內C端由M4片段延伸入細胞內形成，在亞基內側從細胞質內插入細胞膜中形成一個環狀孔隙結構M2，此位置即NMDAR通道的“門”，Mg2 +即是通過與此結構相結合而起阻滯作用［16]。

Mayer等［17]通過實驗證明，NMDAR通道內存在電壓依賴性Mg2 +阻滯，他們對含Mg2 +細胞灌注NMDA并用電壓鉗進行記錄，發現將膜電位鉗制在+20 mV時，Mg2 +的阻滯作用基本消失，這樣，NMDAR通道才可被最大限度地激活。

2.3.2 作為NMDAR拮抗劑

位于NMDAR通道外的Mg2 +是一種天然的NMDAR拮抗劑，且有濃度效應關系，在生理條件下，這種作用發生在突觸外［18]。Mg2 +對NMDAR拮抗作用具有相對的專一性，因為NMDAR具有不同的亞基，不同亞基對其敏感程度不同，NR2A和NR2B對Mg2 +的抑制作用敏感，而NR2C和NR2D對Mg2 +則不敏感［19]。細胞內Mg2 +也能影響NMDAR的敏感性以及其活性。研究發現，在感覺神經元以及海馬的突觸小體中，通過激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），可消除掉M g2 +對N M D A依賴的離子通道的阻礙作用［20]。同時，M g2 +也影響P K C的活性：在脊髓神經元中，M g2 +的減少會導致N M D A R介導的P K C活性的增強以及一氧化氮釋放的增加［21]，這里存在一種正反饋的作用機制，即N M D A依賴的C a2 +電流可增強P K C的活性，從而進一步釋放M g2 +對N M D A依賴的離子電流的阻礙作用［22]，這就意味著減少胞內M g2 +會增加N M D A R的敏感性。胞內M g2 +對N R 2 B也具有拮抗作用，如果缺乏能增強N R 2 B受體活性，這是獨立于第二信使通路的作用［18，23]。由此表明，胞外和胞內 M g2 +都會抑制NM DAR的活性，尤其是N R 2 B的功能。

可是，Abumaria等［5-6]在離體培養大鼠前額葉皮質切片實驗中發現，當提高人工腦脊液中的M g2 +濃度時，能顯著地增加N M D A R電流；通過給大鼠喂飼L-蘇糖酸鎂發現，M g2 +能增加N R 2 B受體的表達，而N R 1與N R 2 A受體的表達則不受影響。S u n等［24]的研究也發現，M g2 +能增加N R 2 B受體的表達。楊英等［3]發現，給大鼠每天以5 m L·k g-1的劑量i p 3.8%氯化鎂溶液能增加大鼠腦中M g2 +濃度，同時能提高N R 1的表達。相反，在培養神經元時，培養液中短期（3 h）缺M g2 +則會導致N R 2 B和P D S-9 5表達的減少［25]。綜上所述，表明M g2 +對N M D A R通道電流具有不同的影響，這也許和M g2 +濃度有關，或是M g2 +對突觸處和突觸外的N M D A R具有不同的影響。M g2 +既能促進N R 2 B表達，又能抑制其活性，這可能需要達到一種平衡來調節N R 2 B的功能，具體機制有待研究。

2.3.3 作為絲氨酸消旋酶輔助因子

N M D A R通道是一類配體電壓門控通道，其功能的發揮除需要谷氨酸和甘氨酸結合至特定位點之外，還需要鋅離子和D-絲氨酸等的調節。研究表明，隨著年齡的增加，海馬中D-絲氨酸含量逐漸減少，如長期補充D-絲氨酸，可增強老年大鼠的認知能力［26-27]。M g2 +作為絲氨酸消旋酶的輔助因子，可使由L-絲氨酸到D-絲氨酸的轉化能力提高近1 0倍［28]。因此推測，補充M g2 +可能促進N M D A R的功能，使N M D A R本身的反應能力增強。

2.3.4 影響鈣/Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ）通路

CaMKⅡ在學習記憶與突觸可塑性中發揮重要作用。其作用底物有多種，如NMDAR、α-氨基-3-羥基-5-甲基4-異惡唑丙酸（（alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl- 4- isoxazolepropionic acid，AMPA）受體、突觸素Ⅰ和微管相關蛋白等，C a M KⅡ能通過催化這些底物而發揮其廣泛的生物功能。C a M KⅡ的激活會導致包含谷氨酸受體亞基1的A M P A受體向突觸處轉移并固定，結果是放大了A M P A能電流，必然會增強興奮性突觸后電位的頻率以及海馬的L T P［29]。

Blair等［30]研究發現，在培養神經元時，若培養液中短期（3 h）低M g2 +處理會降低C a M KⅡ的磷酸化，抑制CaM KⅡ的活性；而Abumaria等［6]研究發現，利用L-蘇糖酸鎂提高大鼠腦中的M g2 +含量，能增強前額葉皮質細胞C a M KⅡ的磷酸化，激活C a M KⅡ通路，同時也誘導LTP。除了直接激活C a M KⅡ外，M g2 +還存在一種重要的非直接通路，就是對離子通道型嘌呤能受體P 2 X 7的作用。P2X7是一種嘌呤受體，控制著非專一性的陽離子電流［31]。在神經細胞上，對P 2 X 7受體的抑制能激活依賴C a M KⅡ的通路而促進神經突發生［32-33]。因為在很多細胞上，M g2 +被證實對P 2 X 7受體有抑制效應［34-36]，由此表明M g2 +能通過減弱P 2 X 7的活性來增強突觸的強度。

2.4 對cAMP-PKA-CREB通路的影響

cAMP應答元件結合蛋白（cAMP responseelement binding protein，CREB）作為一種重要的核轉錄因子，它的功能表現在生命活動的許多方面，包括調節基因的轉錄、生理節奏、細胞的發育與生存、成癮性和抑郁以及學習記憶等。CREB在神經系統的發育、抑郁、成癮性，特別是在長時程記憶過程中具有重要作用。

胞外信號通路通過影響CREB的磷酸化激活有關的靶基因轉錄。多種蛋白激酶如P K A、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen- activated protein kinase，MAPK）和P K C等都可使CREB蛋白的Ser-133磷酸化。當CREB蛋白的Ser-133被磷酸化后，可被CREB結合蛋白（CREB-binding protein，CBP）特殊的結構域特異性地識別并結合，從而啟動基因的轉錄［37]。研究發現，M g2 +的處理能增加CREB磷酸化，同時能增強大鼠的學習和記憶能力［6]。

在P K A系統中，主要是一些激素類物質作為信號分子，它們可與細胞膜上G蛋白偶聯受體（Gprotein-coupled receptor，GPCR ）結合，從而激活腺苷酸環化酶，調節第二信使c A M P的水平，激活P K A，將信號進一步放大，在細胞核中催化CREB的磷酸化，調控下游基因的表達。作為腺苷酸環化酶的激活劑，Mg2 +能有效地增強該酶的活性，刺激其將ATP轉化為cAMP，激活cAMP 通路［38]。研究還證實，腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BNDF）的表達直接受 CREB 的調節，而Mg2 +的慢性處理則促進BDNF的表達，同時增強了大鼠的學習和記憶能力［5-6，39]。

2.5 對真核細胞延伸因子的影響

真核細胞延伸因子2（eukaryotic elongation factor 2，eEF2）通過在核糖體上催化多肽鏈的延伸而控制蛋白質的合成。不同的刺激可通過影響eEF2磷酸化狀態而影響肽鏈的延伸，當其56位酪氨酸被磷酸化后，其生物活性及與核糖體結合能力均降低［14，40]。

大鼠海馬和皮質中，Mg2 +的增加能增強BDNF的表達［5]，BDNF作用于酪氨酸激酶受體B（tyrosine kinase receptor B，TrkB），進而激活PKB-哺乳動物西羅莫司（雷帕霉素）靶蛋白〔mammalian target of sirolimus（Rapamycin），mTOR〕-eEF2激酶（eEF2 kinase，eEF2k）通路，影響eEF2的磷酸化。實驗表明，在培養的神經細胞上，Mg2 +處理具有抑制eEF2的磷酸化從而激活eEF2的作用［41]。

3 結語

綜上所述，無論是正常大鼠或腦缺血模型大鼠，補充Mg2 +能增強或改善其學習和記憶功能。在正常生理情況下，Mg2 +對動物無不良反應。在人體中，血清Mg2 +＞1.25 mmol·L-1時會出現高鎂血癥，高鎂血癥產生的原因可能由于Mg2 +攝入量超過了腎的排出能力，也可能是因為腎功能障礙，導致排出Mg2 +的能力減低。高血鎂可阻斷神經傳導，阻斷乙酰膽堿在神經末梢的釋放。使神經肌肉接頭處沖動傳導障礙。但高鎂血癥在臨床中并不常見，因為腎對Mg2 +的調節能力很強，但腎功不全或大量靜脈使用Mg2 +制劑而忽視對Mg2 +的監測，后果是嚴重的［42]。在研究Mg2 +對學習和記憶作用機制的過程中，早期研究認為，位于NMDAR通道中的Mg2 +對其有阻礙作用，后來的研究發現，在去極化條件下，這種阻滯作用基本可消除，從而激活NMDAR通道，這正是NMDAR通道發揮作用的方式。而外源性Mg2 +作為絲氨酸消旋酶的輔助因子可促進NMDAR功能，使NMDAR本身的反應能力增強。另外，Mg2 +參與突觸后很多過程的調節，通過作用于學習記憶相關的信號通路，促進相關蛋白質的轉錄和翻譯過程，進而增強學習記憶功能。由于信號通路之間的復雜聯系，Mg2 +作用的具體位點和通路尚不十分清楚，需要做進一步的分子水平上的研究。