低氧對(duì)突觸效能長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制的調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

李竹雨，陶嘉楠，安琪

1 青海大學(xué)研究生院，西寧 810000；2 青海大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科

人體進(jìn)入海拔2500 m 以上的區(qū)域時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的缺氧癥狀，甚至進(jìn)展為各型高原病，故規(guī)定海拔2500 m 以上為醫(yī)學(xué)角度上的高原［1］。高原最主要的氣候特點(diǎn)為低壓性低氧、干燥、寒冷、高溫及強(qiáng)紫外線等，其中對(duì)人體生理功能影響最大的是高原低氧［2］。低氧對(duì)記憶或認(rèn)知的影響主要體現(xiàn)在工作、學(xué)習(xí)、空間能力、記憶力和執(zhí)行力等各個(gè)方面，海拔越高，低氧程度越嚴(yán)重，對(duì)記憶或認(rèn)知的影響就越大。除此之外，高原暴露時(shí)間也與記憶力的損害程度成正相關(guān)［3］。突觸是神經(jīng)細(xì)胞之間特異的通訊結(jié)構(gòu)，通過(guò)形成功能性神經(jīng)環(huán)路來(lái)傳遞和存儲(chǔ)信息。學(xué)習(xí)與記憶產(chǎn)生的神經(jīng)活動(dòng)是通過(guò)改變突觸傳遞而改變腦功能，突觸的結(jié)構(gòu)和突觸的效能也可以隨著環(huán)境因素而改變［4］。在重復(fù)或持續(xù)的神經(jīng)活動(dòng)下，突觸會(huì)發(fā)生一種長(zhǎng)期性的效能改變，稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）或長(zhǎng)時(shí)程抑制（longterm depression，LTD）。LTP 是指突觸對(duì)相同強(qiáng)度的刺激產(chǎn)生更強(qiáng)的反應(yīng)，LTD 是指突觸對(duì)相同強(qiáng)度的刺激產(chǎn)生更弱的反應(yīng)。LTP 和LTD 可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度，從而影響信息編碼和存儲(chǔ)。目前為止，關(guān)于低氧如何調(diào)控LTP或LTD過(guò)程，從而影響學(xué)習(xí)記憶能力的具體機(jī)制仍無(wú)定論，現(xiàn)將低氧對(duì)突觸效能LTP和LTD的調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展綜述如下。

1 低氧對(duì)突觸效能LTP的調(diào)控機(jī)制

LTP 是研究最深入的記憶細(xì)胞模型之一，其定義為在短暫、高頻刺激或其他誘導(dǎo)后，突觸效能的長(zhǎng)期增強(qiáng)［7］。LTP 與學(xué)習(xí)和記憶密切相關(guān)，是兩者活動(dòng)的生理基礎(chǔ)，也是記憶研究的極佳模型［6］。在不同的突觸中，表現(xiàn)為不同的LTP的形式，而在同一突觸中，LTP 也可以具有多樣性，例如在大腦齒狀回顆粒細(xì)胞和CA3 錐體神經(jīng)元之間的突觸前膜，LTP 是通過(guò)電壓門(mén)控鈣通道（voltage-gated Ca2+channels，VGCCs）和cAMP-PKA 信號(hào)傳導(dǎo)導(dǎo)致的鈣內(nèi)流實(shí)現(xiàn)的［8］。LTP 在CA1 錐體神經(jīng)元之間的突觸中依賴(lài)于N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR），主要發(fā)生突觸后修飾［9］。但低氧對(duì)LTP影響如何，目前暫時(shí)沒(méi)有定論，其機(jī)制主要和NMDAR、缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factors，HIFs）有關(guān)。

1.1 低氧通過(guò)NMDAR 調(diào)控突觸效能的LTP ARIAS 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，慢性間歇性缺氧可抑制小鼠海馬體神經(jīng)元中NMDA 依賴(lài)的突觸可塑性，慢性間歇性低氧暴露10天后，小鼠海馬切片中出現(xiàn)過(guò)度氧化狀態(tài)，使得NMDAR減少，從而抑制LTP，其機(jī)制可能是低氧抑制了NMDAR 主要亞單位GluN1 的表達(dá)，使用還原劑后對(duì)NMDAR 的表達(dá)并沒(méi)有影響，這表明慢性間歇性缺氧對(duì)LTP 的影響可能是不可逆的。人體內(nèi)最常見(jiàn)的慢性間歇性低氧的病理生理狀態(tài)就是阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（obstructive sleep apnea syndrome，OSAS）。有研究［11］提示，OSAS患者常伴有記憶力的嚴(yán)重減退，且其程度與OSAS病情程度呈正相關(guān)。NAJAFIAN 等［12］采用大鼠研究缺氧誘發(fā)的癲癇發(fā)作（hypoxia-induced seizures，HS）是否改變海馬CA1細(xì)胞的LTP，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HS后48～72 h，CA1 細(xì)胞異惡唑丙酸受體（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicacid receptor，AMPAR）增加，引起LTP的抑制。若使用AMPAR拮抗劑2，3-二羥基-6-硝基-7-磺胺酰-苯唑（f）喹諾（NBQX）治療可防止HS誘導(dǎo)的LTP抑制。

1.2 低氧通過(guò)HIFs 調(diào)控突觸效能的LTP 在缺氧時(shí)，神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)許多病理生理變化，其中就包括HIFs 的變化。有學(xué)者［13］用脯氨酸-4-羥化酶區(qū)域（prolyl-4-hydroxylase domains，PHDs）抑制劑處理神經(jīng)細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬區(qū)突觸傳遞的損害程度降低，這表明HIFs 對(duì)神經(jīng)細(xì)胞及神經(jīng)突觸的可塑性具有重要影響。YORK 等［14］研究發(fā)現(xiàn)，LPS 可誘導(dǎo)小鼠海馬區(qū)神經(jīng)元發(fā)生炎癥，且LPS 增加了小膠質(zhì)細(xì)胞中HIF-1α 的水平，進(jìn)而使得IL-1β 和TNFα 的生成增多，IL-1β 能抑制海馬的LTP，但研究發(fā)現(xiàn)TNFα不足以抑制LTP，因?yàn)長(zhǎng)TP 在IL-1 受體存在時(shí)被恢復(fù)。DAI等［15］將用氯化鈷（CoCl2）預(yù)處理骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）培養(yǎng)基后，用微滲透泵以1.0 μL/h的流速注射到缺氧大鼠左側(cè)腦室7 d，發(fā)現(xiàn)HIF-1α及其靶基因、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）和紅細(xì)胞生成素（EPO）的水平顯著增加，同時(shí)伴有神經(jīng)細(xì)胞興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）和LTP 活動(dòng)的增強(qiáng)，進(jìn)一步免疫組化定量表明GluR2 蛋白表達(dá)增加，故推測(cè)HIF-1α 通過(guò)作用于GluR2 發(fā)揮作用。由上可見(jiàn)，低氧通過(guò)HIFs 可能對(duì)LTP 具有雙重效應(yīng)。但遺憾的是，多部分研究為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以上結(jié)論在人體中具體如何尚不明確。

2 低氧對(duì)突觸效能LTD的調(diào)控機(jī)制

LTD 是在長(zhǎng)時(shí)間的模式刺激后，持續(xù)數(shù)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的神經(jīng)元突觸效能活動(dòng)依賴(lài)性降低。LTD發(fā)生于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的許多區(qū)域，其機(jī)制因腦區(qū)和發(fā)育進(jìn)程而異。誘導(dǎo)典型的LTD 需要0.5～5 Hz 的重復(fù)突觸刺激，如果突觸后神經(jīng)元被適度去極化以緩解Mg2+誘導(dǎo)的NMDAR 阻滯或使用特定的神經(jīng)調(diào)節(jié)劑也能誘導(dǎo)LTD［16］。抑制NMDARs 可阻斷LTD，而激活NMDARs 可誘導(dǎo)LTD，NMDARs 吸收Ca2+進(jìn)入突觸后神經(jīng)元，緩沖Ca2+的升高可預(yù)防LTD［17］。有動(dòng)物模型表明，通過(guò)NMDAR 進(jìn)入突觸后樹(shù)突棘的鈣是LTD的觸發(fā)因素，但與LTP一樣，觸發(fā)LTD的突觸后鈣信號(hào)的定量特征仍有待確定［18］。小腦神經(jīng)元的突觸LTD 過(guò)程被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)性學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)電生理基礎(chǔ)［19］，但低氧如何影響LTD 過(guò)程進(jìn)而影響學(xué)習(xí)記憶目前暫不明確，其調(diào)控機(jī)制主要與α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體即AMPA 受體（AMPAR）、代謝性谷氨酸受體-5（metabotropic glutamate receptor-5，mGluR5）有關(guān)。

2.1 低氧通過(guò)AMPAR 調(diào)控突觸效能的LTD AMPAR 是介導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)快速興奮性突觸傳遞，其在突觸后膜的動(dòng)態(tài)表達(dá)與LTP和LTD的誘發(fā)和維持均有關(guān)，可以參與某些高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)，如學(xué)習(xí)與記憶等。AMPAR 在β-淀粉樣蛋白作用下的過(guò)度胞吞和裂解致其在突觸后膜缺失，可致突觸損傷和功能障礙，與阿爾茨海默病（alzheimer's disease，AD）早期認(rèn)知障礙密切相關(guān)［20］。AMPAR 還參與谷氨酸介導(dǎo)的興奮性損傷，Ca2+通透性AMPAR亞型的過(guò)度激活能導(dǎo)致AD 神經(jīng)元的功能障礙甚至死亡［21］。缺氧時(shí)大腦中幾種主要的LTD 形式包括NMDAR 依賴(lài)性LTD 和mGluR 依賴(lài)性LTD 過(guò)程減弱，由于AMPAR 被網(wǎng)格蛋白和胞吞作用從細(xì)胞表面局部去除，故導(dǎo)致AMPAR含量的減少［22-23］。

低氧可以抑制突觸可塑性，并且可以導(dǎo)致神經(jīng)元的過(guò)度興奮和特定神經(jīng)元的死亡。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）在神經(jīng)元的過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了短暫缺氧發(fā)作的預(yù)處理作用。研究［24］顯示，低氧培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞24 小時(shí)后，抗凋亡基因Stat3、Socs3 和Bcl-xl 的表達(dá)顯著增加，編碼促炎細(xì)胞因子IL-10和IL-6的基因表達(dá)也增加，使AMPAR 表達(dá)下降。反之，在BDNF 過(guò)度表達(dá)的培養(yǎng)基中，低氧反應(yīng)后促凋亡基因（Bax，Casp-3和Fas）和促炎基因（IL-1β 和TNFα）的表達(dá)降低，可有效防止AMPAR 下調(diào)。故我們可以認(rèn)為BDNF 對(duì)缺氧誘導(dǎo)的下調(diào)AMPAR 抑制LTD 具有保護(hù)作用，但其在慢性高原病認(rèn)知損害時(shí)的臨床應(yīng)用目前沒(méi)有循證醫(yī)學(xué)依據(jù)。

此外，還有研究發(fā)現(xiàn)采用嚙齒類(lèi)動(dòng)物的缺氧誘導(dǎo)的新生癲癇模型，使海馬CA1錐體神經(jīng)元AMPAR功能的持續(xù)性增加，癲癇發(fā)作時(shí)通過(guò)全細(xì)胞膜片鉗記錄顯示AMPAR 功能開(kāi)始上調(diào)，隨后瞬時(shí)動(dòng)態(tài)減弱48～72 小時(shí)，LTD 也可能隨之先增后減。這種調(diào)控是由哺乳動(dòng)物雷帕霉素（mammalian target of rapamycin，mTOR）介導(dǎo)的，mTOR 抑制劑的應(yīng)用可預(yù)防低氧性癲癇發(fā)作后穩(wěn)態(tài)的損害，提示在癲癇發(fā)生中穩(wěn)態(tài)可塑性機(jī)制可能是潛在的可調(diào)節(jié)的治療靶點(diǎn)。可見(jiàn)，低氧對(duì)LTD 的影響并不是單一的，許多研究的結(jié)論也似乎相互矛盾，需要進(jìn)一步研究。

2.2 低氧通過(guò)mGluR5 調(diào)控突觸效能的LTD 研究［25］顯示，mGluR5參與了幾種海馬突觸可塑性的形成，可引起海馬CA1 和CA3 區(qū)較強(qiáng)的消除增強(qiáng)現(xiàn)象，亦可誘導(dǎo)海馬齒狀回慢性增強(qiáng)，在晚期突觸重塑中起作用，參與LTD 過(guò)程。可溶性淀粉樣蛋白-β-蛋白（Aβ）低聚物是AD 的主要標(biāo)志物，通過(guò)多種病理機(jī)制，包括神經(jīng)元的過(guò)度激活、微血管缺氧和神經(jīng)炎癥觸發(fā)綜合應(yīng)激反應(yīng)（integrated stress response，ISR），增加轉(zhuǎn)錄因子eIF2α 磷酸化（ISR 的核心事件），促進(jìn)mGluRs依賴(lài)性LTD，從而導(dǎo)致AD發(fā)生［26］。有學(xué)者［27］發(fā)現(xiàn)，在活鼠中微血管性缺氧會(huì)導(dǎo)致mGluR5-LTD 途徑的易化，ISR 抑制劑可消除海馬的空間學(xué)習(xí)和記憶缺陷，使海馬蛋白合成正常化，提示缺氧通過(guò)下調(diào)mGluR5 抑制LTD。還有研究［28］發(fā)現(xiàn)，在缺氧小鼠海馬CA3-CA1 通路中，mGluR5 激動(dòng)劑二羥苯甘氨酸（paired-pulse low frequency stimulation，PP-LFS）能促進(jìn)LTD 在易感小鼠中特異性，而激活BDNF/TrkB 信號(hào)通路能減弱LTD。綜上所述，低氧通過(guò)mGluR5影響LTD過(guò)程。

綜上所述，低氧對(duì)LTP 或LTD 的調(diào)控并不是單一的，但根據(jù)目前的研究，低氧對(duì)兩者的作用似乎更多為抑制，這也是長(zhǎng)期生活在平原地區(qū)的人群進(jìn)入高原后最初一段時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)記憶效率嚴(yán)重低下的重要原因之一。前文已敘及，BDNF對(duì)低氧誘導(dǎo)的LTP損傷具有一定的逆轉(zhuǎn)作用，故針對(duì)于高原工作者出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶能力降低的情況，理論上可予以BDNF治療，但并無(wú)人體試驗(yàn)的報(bào)導(dǎo)。期待今后隨著科學(xué)的發(fā)展，低氧調(diào)控LTP 或LTD 的機(jī)制能夠被逐步揭示，并且有針對(duì)性的藥物問(wèn)世，為高原人們的學(xué)習(xí)工作而服務(wù)。