ReviewsandMonographs綜述與專論生物化學與生物物理進展ProgressinBiochemistryandBiophysicProgressinBiochemistryandBiophysics2008,35(6)：610 619神經元的突觸可塑性與學習和記憶陳燕火(中國科學院生物物理研究所，腦與認知科學國家重點實驗室，北京100101)摘要大量研究表明，神經元的突觸可塑性包括功能可塑性和結構可塑性，與學習和記憶密切相關.最近，在經過訓練的動物海馬區，記錄到了學習誘導的長時程增強(longtermpotentiation,LTP),如果用激酶抑制劑阻斷晚期LTP,就會使大鼠喪失訓練形成的記憶.這些結果指出，LTP可能是形成記憶的分子基礎.因此，進一步研究哺乳動物腦內突觸可塑性的分子機制，對揭示學習和記憶的神經基礎有重要意義.此外，在精神遲滯性疾病和神經退行性疾病患者腦內記錄到異常的LTP,并發現神經元的樹突棘數量減少，形態上產生畸變或萎縮，同時發現，產生突變的基因大多編碼調節突觸可塑性的信號通路蛋白，故突觸可塑性研究也將促進精神和神經疾病的預防和治療.綜述了突觸可塑性研究的最新進展，并展望了其發展前景.關鍵詞NMDA受體相關的突觸可塑性，學習，記憶，突觸可塑性的機制學科分類號Q42在神經系統中，大量神經元通過突觸相互聯系形成神經回路.中樞神經系統的興奮性突觸主要以谷氨酸為遞質，突觸前神經元釋放谷氨酸，通過突觸后的谷氨酸受體(AMPA和NMDA兩種亞型)，將突觸前神經元的信號傳遞到突觸后神經元.谷氨酸與AMPA受體結合，使突觸后神經元去極化，從而產生脈沖發放.NMDA受體與谷氨酸結合，將突觸前電信號轉變成突觸后神經元內的Ca2+信號，啟動一系列生化級聯反應，導致突觸的可塑性變化.在神經元樹突棘上，谷氨酸受體及其偶聯的信號轉導通路，通過各種支架蛋白形成突觸后致密區(PSD),它含有幾百種蛋白質.這種復雜而精巧的棘突結構，是接收突觸前信號并進行生化加工的獨立單元.樹突棘能對接收的大量信號進行神經計算和整合，并依據刺激的方式做出反應，使突觸的結構和功能發生相應變化，即形成突觸的可塑性.根據突觸功能可塑性變化的性質不同，它可分為長時程增強(longtermpotentiation,LTP)和長時程抑制(longtermdepression,LTD).它們均能選擇性地修飾行使功能的突觸，使突觸連接增強或減弱，因而能貯存大量信息，被認為是學習和記憶的神經基礎.突觸可塑性可分為與傳遞效率有關的功能可塑性和與信息貯存相關的樹突棘形態變化的結構可塑性.突觸不僅能通過對AMPA受體通道的修飾，以及AMPA受體插入和遷出突觸來增強或抑制突觸的傳遞效率，而且能通過樹突棘的增大和萎縮以及棘的消失和新棘的形成使傳遞效率發生變化.突觸可塑性因神經細胞種類、發育階段、激活方式不同而變化，其形成機制復雜而多樣.由于它可能是學習和記憶的神經基礎，長期以來一直都是分子和細胞神經生物學的熱門研究領域之一.雖然通常認為突觸可塑性是學習和記憶的分子機制，但從未在學習和記憶的同時于記憶相關的腦區中記錄到相關的LTP.因為動物的記憶形成要經過多次訓練，測定LTP的指標取平均值時可能會模糊了個體之間的明顯差異.另外，動物在進行學習和記憶時，在大量突觸中可能僅有少數或分散的突觸被激活，要記錄到活性突觸的變化也十分困難.同時，已知LTP和LTD均能導致記憶的貯存，不同突觸產生的LTP和LTD在群體檢測中可能相互抵消.最近這方面的研究取得了突破性的進展.Gruart等［1］報告，在用聲音引起小鼠的瞬膜條件反射實驗中，聲音引起眨眼的同時，在海馬區記錄到突觸后場電位(postsynapticfieldpotential)的*通訊聯系人.Tel：010—64888528Email：chenwsr@yaho收稿日期：2007—10—27,接受日期：2007—11—302008；35(6)陳燕：神經元的突觸可塑性與學習和記憶611■■增強.Whitlock等［2］在經過抑制性躲避訓練AMPA受體的磷酸化修飾，AMPA受體從質膜下的受體庫向PSD滑動使受體數量增加［5］,AMPA受體遷入僅含NMDA受體的靜息突觸，使之變為功能性突觸［6］,樹突棘形態變化，激活細胞核內基因表達以及新突觸的產生.內流Ca2+與結合在(inhibitoryavoidancetraining)的大鼠海馬中，檢測到突觸后場電位增強，AMPA受體的GluR1/2亞單位數量的增加，以及GluR1的Ser831磷酸化程度增加.這些變化與高頻電刺激誘發的LTP的變化相同.Pastalkova等［3］的實驗表明，用激酶(PKMz)的專一的抑制劑阻斷大鼠海馬已形成的晚期LTPNMDA受體通道上的鈣調蛋白（CaM）結合（Ca2+/CaM）,并與CaMKII形成復合物使之激活.CaMKII遷移到PSD與NMDA受體的NR2B亞單位結合，使AMPA受體GluRl亞單位的Ser831磷酸化，導致受體通道的電導增加.Ca2+/CaM還激活腺昔環化酶（AC）使PKA活化，造成GluRl亞單位的Ser845磷酸化，增加通道開啟的可能性，同時促進GluR4亞單位插入突觸中，增加傳遞效率.活化的CaMKII和PKC還調節AMPA受體亞單位從質膜下受體庫中向PSD轉移，使受體密度增加.活化的CaMKII能激活Ras—ERK通路，內流Ca2+亦能直接激活Ras鳥背交換因子（RasGEF）而活化Ras—ERK通路.這條通路的活化能使質膜上的K+通道磷酸化，促進LTP的啟動，還能調節（L—LTP）,能使貯存的空間記憶喪失.大鼠在訓練中學習到的躲避電擊位置的記憶與L—LTP一起消失了.這些實驗直接表明，LTP是海馬中學習和記憶形成的機制.如果在貯存長期記憶的皮層注入激酶（PKMz）的專一抑制劑使之失活，長期的嗅覺記憶也會很快喪失[4].進一步研究哺乳動物腦中各種類型的突觸可塑性與不同類型的記憶的關系，以及不同形式的突觸可塑性分子機制，對認識學習和記憶的分子機制有重要的意義.值得指出的是，相當一些與精神遲滯疾病相關的突變基因大多編碼突觸可塑性信號轉導通路中的調節蛋白，深入研究突觸可塑性機制將會對一些精神疾病的治療提供新的啟示.因而，研究突觸的可塑性及其調節機制有重要意義.ll.l突觸的功能可塑性突觸功能的長時程增強（LTP）神經激活突觸后的NMDA受體，可誘導與AMPA受體向突觸的轉運，增加傳遞效率.活化的CaMKII和ERK都能調節樹突棘形態的變化和新突觸的產生.近來還發現了受體通道類型改變的突觸可塑性，即可通透Ca2+的AMPA受體可塑性NMDA受體相關的LTP,造成突觸前遞質釋放的增加，突觸后AMPA受體通道的電導增加和興奮性突觸后電流（EPSCs）的增加，用熒光免疫法可觀察到突觸后致密區（PSD）上AMPA受體以及突觸數量的增加.這種突觸可塑性是研究最深入的一種.弱刺激引發的早期LTP（E—LTP）促進了突觸前谷氨酸的釋放，增加了突觸后AMPA受體通道的開啟、（calcium—permeableAMPAreceptorplasticity,CARP）[7].受神經刺激活化的突觸中，含GluR2亞單位的AMPA受體數量增加，取代通透Ca2+的內向整流通道（含GluR1的AMPA受體），使突觸變為不能通透Ca2+的內向非整流通道（含GluR2的AMPA受體）.雖然一般認為在LTP期間，NMDA受體的變化對突觸傳遞影響不大，然而在活性誘導下，Na+離子的內流以及突觸后膜的去極化.同時，活化的CaMKII使AMPA受體GluRl亞單位的Ser831磷酸化，增加了單個受體通道的電導，提高了傳遞效率.強直刺激誘導的晚期LTP（L—LTP）,除了突觸效率長時程增強外，還激活了細胞核內的基因轉錄和蛋白質合成，使LTP得以長時間維持，保證記憶的長期貯存或記憶的鞏固.強直刺激造成很強的突觸后膜的去極化，啟動快速的神經脈沖發放.同時活化了NMDA受體，造成。22+內流，激活了通道附近及與通道結合的一些激酶如CaMKII、NMDA受體的組分亦發生一定的變化.含NR2B亞單位的NMDA受體內部化，而含NR2A亞單位的NMDA受體遷入突觸補缺，因遷入的受體少于內部化的受體，使LTP期間NMDA受體的反應性減低.在活性突觸中維持L—LTP需要與可塑性相關的可塑性因子，亦稱標識(Tag),使活性增強的突觸能捕獲維持LTP所需的各種組分.L—LTP期間在突觸中能專一地激活標識的產生，它可能是某些蛋白質、活化的激酶或蛋白質合成裝置的組分.在活性突觸中，它們截獲突觸新合成的或前次L—LTP產生的與突觸可塑性相關蛋白，使L—LTP得以維ERK1/2、PKA、PKC等，通過各種信號轉導途徑引發一系列的可塑性變化，如突觸后致密區612■■生物化學與生物物理進展Prog.Biochem.Biophys.2008；35(6)持.突觸之間能相互競爭截獲這些蛋白質，一個突觸活性增強會導致另一突觸的抑制，說明LTP不僅是一個動態的過程而且是競爭性過程[7].維持L—LTP所需的基因轉錄和蛋白質合成是如何調節的？快速的電信號通過L型鈣通道LTCs和NMDAR通道迅速變為流入樹突棘的Ca2+信號，形成Ca2+/CaM復合物，通過CaMKW、ERK以及使之活化并轉移到突觸后PSD外的胞吞區，與網格蛋白(clathrin)及接頭蛋白AP2結合，調節GluR2/3、GluRl亞單位內部化[9].但對NR2B亞單位與什么信號轉導通路結合，調節LTP還是LTD存在不同的見解.Palmer等[10]指出，hippocalin是僅在中樞神經系統中存在的高親和性Ca2+結合蛋白，在海馬CA1區錐體細胞中最富集，誘導LTD時它是NMDA受體內流Ca2+的傳感器，通過直接與接頭蛋白AP2復合物中的02—adaptin亞單位結合，調節活性相關的AMPA受體的內吞.LTD期間AMPA受體的內部化機理受到關注但遠未清楚.cAMP/PKA等激酶的信號轉導途徑，將信號轉移到細胞核中，激活核內的轉錄因子CREB(cAMPresponseelementbindingprotein)和DREM(downstreamregulatoryelementmodulator).同時內流的Ca2+可激活細胞質中T淋巴細胞的核因子NFATCnuclearfactorofactivatedTcel1)使之轉移到核中，它們都能激活基因表達，產生活性突觸中維持LTP所需的蛋白質，以及產生新的功能性突觸所需要的蛋白質.如果在動作電位的刺激下，同時抑制了LTCs和NMDA受體的活性，不產生內流LTP期間主要是含GluRl的AMPA受體遷入突觸，而LTD期間主要是含G1uR2的AMPA受體從突觸遷出.突觸的雙向可塑性是分別通過Ca2+信號，就不能引起轉錄的激活.1.2突觸功能的長時程抑制(LTD)有多種方法通過不同的信號轉導途徑誘發LTD,然而經典LTD是通過NMDA受體誘導的.持續低頻刺激(0.5?5Hz)下，在海馬CA1區激活NMDA受體會造成。22+內流，但比誘導LTP造成的Ca2+內流要低得多.Ca2+高親和性的磷脂酶PP1與Ca2+結合后轉移到突觸且被激活，使得被AMPA受體的兩種不同亞單位的進入和遷出來調節的.那么，下一輪激活突觸雙向可塑性如何能繼續發生？McCormak等［11］最近證明，活性誘導含GluRl的AMPA受體向突觸遷入的同時，發生了與活性無關的含GluR1的AMPA受體和含G1uR2的AMPA受體的對等交換.在含G1uR1的AMPA受體遷入的同時攜帶了幫助AMPA受體在突觸后插入的插座蛋白(slotprotein),以利于受體交換時含GluR2的AMPA受體的插入.這種與活性無關的受體的對等交換緩慢地進行，它不改變突觸的強度，但能改變AMPA受體中亞單位的組分，以利于下次突觸可塑性的誘導.雖然現已報告了許多類型的LTP和LTD,但它們都與什么類型的記憶相關還需要進行大量深入的研究.CaMKII、PKA和PKC磷酸化的AMPA受體去磷酸化.GluRl亞單位較基端Ser831的去磷酸化會降低通道的電導，而Ser845的去磷酸化，使得AMPA受體通道開啟的可能性降低，造成傳遞效率下降.同時，Ser845去磷酸化的GluRl亞單位，遭到發動蛋白（dynamin）和網格蛋白（clathrin）調節的內部化，降低了突觸傳遞效率.有較多的證據表明，含GluR2亞單位受體的內部化是LTD產生的關鍵.阻斷NMDA受體活性或螯合內流的Ca2+均能阻斷LTD的產生.2AMPA受體向活性突觸的轉運是調節突觸功能可塑性的重要途徑AMPA受體向活性突觸的轉運除了突觸PSD上AMPA受體的修飾改變通道的傳導特性之外，突觸后AMPA受體的數量在更大程度上決定了突觸的快速興奮性傳導的效率，它在突觸后的密度受神經活性的調節.AMPA受體亞單位的轉錄和蛋白質的合成，受體亞單位向突觸的轉運及內部化，均受到神經活性調節.NMDA受體的NR2A和NR2B亞單位分別和多種信號轉導組分相結合，形成復雜的復合物，以此調節LTP和LTD.一些實驗指出，NR2B亞單位與突觸中的RasGAP（Ras的GTP酶激活蛋白）即SynGAP結合，內流的Ca2+通過SynGAP調節Rap/P38MAPK信號通路使GluR2/3、GluRl亞單位內部化，產生LTD.最近有報告指出，NMDA受體活化激活的P38MAPK,促進調節內吞的小AMPA受體是由4種亞單位(GluRl?GluR4)組成的四聚體，通常由2個同源或異源二聚體GTPaseRab5與結合GDP的抑制因子GDI結合，(GluRl/l、GluR2/2或GluRl/2、GluR2/3)組成.GluRl亞單位較基端是長尾的，GluR3亞單位較基2008；35(6)陳燕：神經元的突觸可塑性與學習和記憶6l3■■端是短尾的，而GluR2和GluR4因剪接方式不同較基端有的是長尾，有的是短尾.AMPA受體亞單位在內質網合成后經糖基化修飾就組成了二聚體或四聚體，經過在高爾基氏體中進一步糖基化修飾，定向轉運到突觸外質膜下的受體庫中或直接插入突觸中.較基端是長尾的受體亞單位GluRl/4的二聚體以及GluRl—GluR2異源二體在神經活性調節下遷入和遷出突觸.短尾的GluR2/3通過組成性循環直接插入到突觸中，不受神經活性的調節，而SAP—97因N端修飾不同有a和P兩種異構體.PSD—95以aPSD—95為主，N端的兩個半胱氨酸都棕櫚酰基化，以活性無關的方式調節突觸中AMPA受體的轉運.而BSAP—97是N端含L27結構域的異構體，它以CaMKII活性相關的方式調節突觸中AMPA受體的數量.較基端短尾的亞單位GluR2—GluR3,能與多種含PDZ結構域的蛋白質結合.在胞質內轉運受體亞單位的濾泡中GluR2—GluR3就與谷氨酸受體結合蛋白（GRIP）、AMPA受體結合蛋白（ABP）及蛋白激酶C"結合蛋白PICK1結合，有助于受體亞單位向突觸的轉運.G1UR2/3較基端的PDZ結合位點能與N—乙酰馬來酰亞胺一敏感的融合蛋白G1UR2/3的內吞受神經活性調節.這些受體亞單位都不含馬達結構域，不能獨立地遷移到突觸中.神經元中存在大量支架蛋白和輔助蛋白協助它們轉運.一般說來，含有80個氨基酸的PDZ結構域的支架蛋白，能與AMPA受體亞單位較基端的PDZ結合位點結合，幫助受體亞單位轉運到突觸中并促進它們在突觸后PSD中的定位和聚集.在內質網上新合成的GluRl亞單位通過較基端的PDZ結合位點與含PDZ結構域的支架蛋白SAP—97結合，有利于GluRl亞單位向突觸外的質膜下受體庫中轉運，亦有利于LTP期間被磷酸化的611區1遷入到突觸中.GluRl亞單位較基端的PDZ結合位點又能與4次跨膜的蛋白stargzin結合[12],內質網中新合成的GluRl就與stargzin結合，有利于受體亞單位的多聚及從內質網中釋放出來.Stargzin作為受體的輔助亞單位，幫助含GluRl亞單位的受體從質膜上運送到突觸外的質膜下受體庫中.庫中貯存了胞內近90%的含GluRl亞單位的受體，（N—ethylmaleimide—sensitivefusionprotein,NSF）結合.濾泡中的GluR2/3是通過NSF相關的濾胞膜與胞質膜的融合插入到突觸的PSD上.在突觸表面和細胞質之間形成快速的不受神經活性調節的組成性循環.GRIP及ABP都是帶有6個PDZ結構域的蛋白質，其中，3、5、6的PDZ結構域與GluR2/3較基端的PDZ結合位點結合.GRIP和ABP亦以PDZ結構域互相結合，形成AMPA受體的超分子復合物，通過抑制受體的內吞使它們定位并聚集于突觸表面.這種結合受到神經活性的調節，神經活性激活的PKC可使GluR2的PDZ結合位點中Ser880磷酸化而解離與GRIP/ABP的結合，且促進含PDZ結構域的PICK與GluR2的結合，減少AMPA受體的聚集，使受體亞單位GluR2/3內部化，造成長時程抑制（LTD）.同時SNAP（NSF的結合蛋白）與GluRl的結合會使PICK離解，有利于AMPA受體在突觸上的穩定.GRIP/ABP與stargzin/GluRl亞單位復合物在質膜上可自由滑動，復合物中的stargzin一旦與PSD—95結合就將受體復合物插入到突觸表面.在基礎條件下這種插入是很緩慢的［12］.在神經活性誘導下激活的PKC使GluRl的Ser818磷酸化，這是受體亞單位插入突觸的關鍵步驟［13］.同時活化的CaMKII及PKC使stargzin較基端的多個Ser磷酸化，磷酸化的stargzin較基端的PDZ結合位點與支架蛋白PSD—95結合，保證了磷酸化的GluRl轉移到突觸中且聚集在突觸表面［14］.在活性誘導下GluR1—GluR2異源二聚體依GluRl的方式聚集于突觸中.反之，stargzin的去磷酸化會造成611區亞單位從突觸中遷出，導致LTD.Elias等［15］最近報告在未成熟的棘中AMPA受體亞單位通過stargzin與GRIP相關蛋白GRASP—1（一種鳥昔交換因子RasGEF）的結合，有可能通過Ras信號傳導來調節AMPA受體的分布.最近，Ju等［17］利用二砷酸染料與較基端帶有4個半胱氨酸的AMPA受體亞單位（GluRl和GluR2）的結合，在神經活性誘導下，AMPA受體向突觸轉運時，區別出已存在于胞內的AMPA受體和在突觸中新合成的AMPA受體向突觸的轉運.進一步證實了神經活性的誘導會激活樹突中新的受體亞單位的合成，樹突內AMPA受體的亞單位和新合成受體的亞單位均向活性突觸中轉運，這是突觸傳遞效率增強的一個重要原因.SAP—97結合轉運到突觸中.在成熟的棘中，AMPA受體亞單位通過與PSD—95和PSD—93的結合轉運到突觸中.Schluter等［16］發現PSD—95和調節AMPA受體轉運的信號通路GluRl受體亞單位向突觸的轉運受神經活性的14■■生物化學與生物物理進展Prog.Biochem.Biophys.2008；35(6)調節，神經活性激活NMDA受體產生內流的Ca2+信號，通過多種信號轉導途徑調節GluRl受體亞單位的胞吞、胞吐和向突觸的遷移.一條重要的通路是內流的Ca2+與CaM結合后，激活結合在的胞吐，使突觸中AMPA受體增加［20］.近年來隨著對LTP和LTD調節機理的深入研究，人們發現PSD上的NMDA受體和與它相關的多種信號傳導通路的組分之間有著精細和復雜的結構聯系，使它們能自如地控制LTP和LTD的產生.突觸中Ras超家族的小GTPase(Ras,Rap)受到它們的活化因子(GEF)和失活因子(GAP)的調節，能在結合GTP的活性狀態和結合GDP的失活狀態之間轉換，是控制AMPA受體轉運的分子開關.活化的NMDA受體通道如有大量Ca2+內流，能激活RasGEF與NMDA受體亞單位的結合，活化NMDA受體NR2B亞單位上的CaMKII激酶，活化的CaMKII調節RasGEF或RasGAP的活性，從相反的兩個方向調節Ras—ERK通路活性，促進AMPA受體遷入突觸或內吞[18].同時結合了Ca2+的鈣調蛋白(Ca2+/CaM)亦可直接激活結合在NMDA受體NR2B亞單位上的RasGEF(RasGRFl)使Ras活化，激活Ras—ERK通路，使AMPA受體的GluRl及GluR1/GluR2亞單位在神經活性的驅動下向突觸中遷移[19].使人們意外的是，與細胞增殖和分化相關的信號轉導通路Ras—ERK的激酶ERK1/2在成熟的神經元中大量富集，在一個不再增殖和分化的神經元中，這條信號通路調節著樹突棘的功能和結構變化.用MEK(MAPK/ERK的激酶)的抑制劑P98059和U0126處理海馬神經元，抑制ERK1/2活性的同時檢測到NMDA受體相關的LTP被阻斷.用定時的成像技術可觀察到在重復的去極化形成LTP的海馬神經元中，有絲狀偽足和新棘的形成.用U0126處理就觀察不到絲狀偽足和新棘的形成.說明Ras—ERK通路不僅與突觸的功能可塑性相關，與突觸結構可塑性也相關[19].Ras還能激活膜結合的ERK1/2庫，使質膜上的Kv4.2K+通道磷酸化而促進LTP的起始.海馬CA1區和CA3區中NMDA受體無關的LTP,以及扁豆體中的LTP都與Ras—ERK信號通路相關.單眼剝奪后，對側視皮層優勢柱重建突觸聯系時亦要求Ras—ERK信號通路的轉導.RasGEF敲除小鼠，在水迷宮訓練中喪失了記憶水下平臺的能力.這些都表明損壞這條信號轉導通路就破壞了記憶，RAS—ERK信號通路調節著突觸傳遞的變化和新的突觸回路的形成.突觸中活化的CaMKII可將質膜下受體庫中谷氨酸受體亞單位的結合蛋白stargzin磷酸化，而活化的PP1可使stargzin去磷酸化，從兩個方向調節Ras.如僅有低水平。22+內流則激活RapGEF與NMDA受體亞單位的結合活化Rap.活化的Ras激活P42/P44MAPK,調節含GluR1亞單位的受體進入突觸，而活化的Rap激活P38MAPK調節含GluR2的AMPA受體內部化，是兩個作用相反的信號傳導通路［2H.應用NMDA受體亞單位NR2A和NR2B的專一性抑制劑，研究突觸可塑性的調節機理，Liu等［22］發現NR2A亞單位調節突觸的增強（LTP）而NR2B亞單位則調節突觸的抑制（LTD）.Krapivinsky等［18］報告NMDA受體的NR2B亞單位與Ras的鳥背交換因子RasGRFl結合，使ERK信號通路直接與NMDA受體結合.NMDA受體活化形成的Ca2+/CaM與RasGRFl結合使Ras活化，激活了Ras/ERK通路引發LTP.隨后有研究指出，出生后至7天的海馬神經元突觸中，NMDA受體以NR2B亞單位為主，NR2B亞單位通過RasGEF激活Ras—ERK通路調節LTP.在成熟的海馬神經元（＞P21）的突觸中NMDA受體以NR2A亞單位為主，由NR2A亞單位通過CaMKII及RasGEF調節Ras—ERK通路，引發突觸的LTP.但NR2A亞單位與Ras—ERK信號通路的偶聯還不清楚.而P7?P8的海馬神經元通過PKA調節LTP,且與CaMKII無關.最近Barria等［23］指出，突觸中NMDA受體NR2亞單位的較基端都能直接與CaMKII結合，并與Ras—ERK信號通路偶聯.NR2B亞單位的較基端以高親和性與CaMKII結合，而NR2A亞單位與CaMKII結合的親和性較低，活化的NR2B亞單位激活CaMKII/Ras/ERK通路誘發LTP要比NR2A亞單位通過該通路誘發AMPA受體進出突觸.這是GluRl及GluRl/GluR2亞單位遷入或遷出突觸的另一種調節方式[12].突觸中內流的Ca2+還可以激活PI3K信號轉導通路.內流Ca2+激活CaMKII/Ras,活化的Ras結合到鄰近的與AMPA受體結合的肌醇磷脂激酶(PI3K)上，使它活化并產生三磷酸肌醇磷脂(IP3),IP3結合到轉運AMPA受體的濾泡膜上，促進濾胞LTP強得多.當有充分CaZ+進入突觸時，NR2A亞單位可以誘發LTP.同時，突觸中存在的異源NMDA受體如NR1/NR2A/NR2B和NR1/NR2B都2008；35(6)陳燕：神經元的突觸可塑性與學習和記憶615??含有NR2B亞單位，它們與CaMKII的結合能誘發體的NR2B亞單位與哪種信號通路偶聯，它誘導突觸的增強還是減弱有著不同的看法，且NR2A亞單位與Ras/ERK通路的連接還不清楚，但可以確定突觸中NR2A亞單位的激活可以誘發LTP,突觸中NR2B亞單位的激活亦可以誘發LTP,同時突觸外NR2B亞單位與SynGAP的結合通過LTP.NMDA受體中NR2A/2B亞單位含量的變化調節著由CaMKII活性誘發的LTP的強度.然而Massey等[24]和Kim等[25]指出，無論皮層或海馬神經元中NMDA受體的NR2B亞單位均能與突觸中的RasGAP即SynGAP形成一個復合物，主要定位在突觸外質膜上.如果抑制了突觸間隙中谷氨酸的回攝，突觸外含NR2B亞單位的NMDA受體被谷氨酸激活，通過SynGAP/Rap/P38MAPK通路使Glu2/3及GluRl內吞而誘發LTD[25].在突觸中則以含NR2A亞單位的NMDA受體為主，它的活化通過Ras/ERK通路促進GluRl亞單位向突觸中積聚而誘發LTP.Rap/P38MAPK通路可誘發LTD.3突觸的結構可塑性樹突棘是樹突上興奮性突觸的突觸后部分.棘頭通過一個細小的頸部與樹突的軸連接，是含有谷氨酸受體的功能單位，亦是一個整合輸入信息和進行生化加工過程的獨立單元，人們相信它可能是記憶貯存的地方.用定時的雙光子激光掃描顯微鏡Krapivinsky等[26]進一步報告，PSD上的NMDA受體的NR2B亞單位與一個含有13個PDZ結構域的支架蛋白MUPPl結合，SynGAP及CaMKII也分別與MUPP1結合，它們形成了一個與受體結合的大的復合物(SynGAP—MUPPl—CaMKIIcomplex),以此與Rap—P38MAPK信號通路偶聯.基礎條件下，復合物中的SynGAP被CaMKII磷酸化而失活，激活了區@「及P38MAPK,會使AMPA受體亞單位的內吞增加，降低突觸的傳遞效率.而(time-lapsetwophotonlaser-scanningmicroscopy）可連續觀察樹突棘變化.綠色熒光蛋白標記神經元的actin,觀察到靜息條件下樹突棘是一個不斷運動著的結構，大小和形狀各異.棘中富含actin纖維，在棘頸和棘頭的中心2。11口纖維成束狀排列，棘頭的周圍actin纖維成網絡狀排布.棘中的actin處于永恒的變化中，僅有5%的actin是穩定的，絕大部分的actin在2min內全部轉換.棘的形狀和大小決定了棘中AMPA受體的數量.蘑菇狀的大棘頭中AMPA受體高度聚集在PSD上（150個AMPA受體/棘），是高效傳遞的突觸.小棘頭及絲狀偽足中僅有NMDA受體，不含AMPA受體，可能是靜息突觸.大部分樹突棘在幾個月期間是穩定的，約5%的棘會出現發生或消失的變化.在神經活性誘導下可見到棘形態的雙向變化及棘的發生和消失.這種結構可塑性的改變伴隨著突觸強度的可塑性變化［28］.經典的電生理方法無法檢測單個棘的突觸后谷氨酸受體的敏感性，也不能直接測定AMPA受體數量.封閉的硝基吲哚谷氨酸甲氧基衍生物NMDA受體活化后Ca2+/CaM就與復合物中的CaMKII結合，使CaMKII解離下來，與受體結合的SynGAP去磷酸化而活化，從而使Rap及P38MAPK失活，抑制了AMPA受體亞單位的內吞，使PSD上受體的點狀聚集增加，突觸的傳遞效率增加，引起LTP.他們還發現，SynGAP調節Rap活性的能力遠高于Ras.Berberich等［27］注意到電刺激過表達NR2B亞單位的轉基因小鼠，誘導的LTP明顯增強，學習和記憶的能力亦增強.同時過表達轉運NR2B亞單位的動力蛋白FIK17的轉基因小鼠，亦可造成NR2B亞單位表達的增強、LTP的增強以及學習和記憶的增強.為研究NR2亞單位對誘導突觸可塑性的作用，最近他們用NMDA受體NR2亞單位的專一抑制劑進行實驗，發現用抑制劑NVP—AAM077阻斷NR2A亞單位通道活性，強直刺激仍能誘導LTP,說明NR2B亞單位的激活能誘發LTP.無論NR2A和NR2B亞單位的專一抑制劑或非專一性抑制劑都只能減低40%的（MNl—glutamate）可被雙光子激光激活，能從三維方向對單個樹突棘釋放谷氨酸，并通過熒光成像觀察被激活的樹突棘的變化[29].在谷氨酸誘導LTP期間，刺激后20s即可見到棘變大，變化高峰在60s,有些棘的變化持續lh以上.蘑菇狀棘頭（大棘）瞬時變大，但會較快恢復原狀.僅含NMDA受體的小棘會持續增大且伴有AMPA受體遷入.進一步研究發現，棘頸的形態（長度和直徑）決定了活化的突觸中內流Ca2+的濃度和維持的時間.蘑菇狀大棘的棘頸短粗，突觸后內流Ca2+升高后容易擴LTP,不能全部阻斷LTP.說明NR2的2個亞單位對誘導LTP并無選擇性.以上結果還有不少的矛盾，但不能排除采用的神經元和實驗條件上存在差異.雖然對NMDA受616■■生物化學與生物物理進展Prog.Biochem.Biophys.2008；35(6)散，使樹突中的濃度下降很快，故造成棘頭瞬時變大，突觸傳遞瞬間增強.小棘的棘頸細而長，LTP期間內流的Ca2+能較長時間保留在棘中且維持高濃度，使棘頭能持續變大，突觸傳遞增強的時間較長[30].實驗已經證明，LTP期間有AMPA受體遷入靜息突觸，使它轉變成功能性突觸.用電生理方法檢測AMPA受體和NMDA受體在傳導上的差別或用免疫金標記AMPA受體和NMDA受體的亞單位進行細胞學觀察，都證明了不含AMPA受體的靜息突觸的存在，且在活性誘導下向功能性突觸轉變.對表達綠色熒光蛋白標記的GluRl海馬CA1區培養神經元進行成像觀察，可見到LTP期間胞質中存在的綠色熒光標記的GluRl遷移到棘中，呈點狀聚集在PSD,本無綠色熒光蛋白標記的靜息突觸轉變成為有綠色熒光蛋白標記的突觸.近來減少，actin纖維斷裂并解聚.突觸可塑性期間如何實現這種動態調節？RhoGTPase家族中Rac、Cdc42和RhoA被公認是重要的細胞骨架動態變化的調節因子.它們像是分子開關，在結合了GTP的活性形式和結合了GDP的失活形式之間轉換.神經活性和細胞表面的受體通過控制樹突棘內Ca2+的濃度和Rho因子的活性調節樹突棘的運動.樹突棘中Ca2+的濃度決定于可通透Ca2+離子通道和棘內的Ca2+庫.樹突棘內中等的或瞬時的Ca2+濃度變化造成棘的生長和新棘的發生.樹突棘中高濃度CaZ+會造成棘的萎縮.Rac的活化促進樹突扁平偽足的形成，棘的形成和增大.Cdc42的活化促進絲狀偽足的形成.導向分子的引導可促進這些偽足突起伸長.RhoA的活化則抑制樹突棘的形成和生長，造成應力纖維和黏著斑的形成，排斥導向分子的作用，促進“變形”的運動.Rndl是Marie等[31]報告將攜帶CaMKW或CREB的cDNA的Sindbis病毒轉染海馬神經元，增加它們的表達，會產生新的靜息突觸.靜息條件下，電生理方法檢測到NMDA受體的反應性顯著增加而AMPA受體的反應性卻無明顯變化.同時樹突上NMDA受體的免疫化學染色明顯增加，AMPA受體的免疫著色卻無明顯變化.這些都表明增加活化的CaMKW,會增加核內磷酸化的CREB,促進基因轉錄和蛋白質合成，產生新的靜息突觸.動物學習過程在記憶腦區中確會發生樹突棘增大、新的絲狀偽足和新棘的形成.然而，僅以現有的研究結果來確定棘的形態變化和記憶的保持與鞏固之間的相關性，理由還不充分，有些研究結果甚至相互矛盾，還需大量深入的研究.培養神經元在誘導LTD期間，可見到樹突棘內actin纖維減少、棘萎縮和棘密度降低，突觸中綠色熒光蛋白標記的GluRl聚集點明顯減少.谷氨酸受體亞單位G1UR2/3受神經活性調節而內部化[32].RhoGTPase家族的另一個成員，它的過表達會使樹突棘伸長.這些RhoGTPase在突觸后受Dbl家族的GEFs激活，被GAPs抑制活性.Ras和Rap亦參與了棘的動態調節.神經活性經由不同的信號通路，通過GEFs和GAPs來調節RhoGTPase的活性.NMDA受體和Eph受體本身或通過支架蛋白能夠與鳥背交換因^Intersectin[33]^GEFT[34]^Kalirin[35]、Tiam1[36]及PIX[37,38]結合，受體同時還能與結合了Rac、p/aCdc42的actin結合蛋白N—WASP或WAVE結合.神經活性及胞外信號激活鳥背交換因子而活化的Rac、Cde42和Rndl,可通過N—WASP或WAVE將actin相關蛋白Arp2/3活化，起始acin的聚合和分枝.此外，NMDA受體的活化能使結合了蛋白磷酸酶(ppi)的actin結合蛋白Neurabin和Spinophilin與微管上解離下來的鳥背交換因子Lfc結合[39],并轉移到活性突觸中.Lfc激活RhoA,調節actin纖維的剪切、解聚及棘的縮短和萎縮.而RhoGAPoligophrenin的活化則失活RhoA,抑制actin纖維的剪切和解聚.此外，受體激活的Ras和Rap與Rac、Cdc42及RhoA相同，它們都能活化下游的激酶和效應分子來調節actin細胞骨架的聚合、分枝或它的剪切和解聚.它們都能激活下游的激酶使肌球蛋白輕鏈磷酸化，促進肌動球蛋白4結構可塑性的調節現已公認，通過樹突棘中富集的actin細胞骨架的動態變化可以調節棘的結構和形態.Actin細胞骨架以一定的組織方式維系著棘的形狀.用綠色螢光蛋白標記actin對神經元進行觀察，LTP期間隨著棘頭的增大可見到actin細胞骨架增多、actin聚合增加以及棘頭外圍actin網絡的增加.LTD期間隨著樹突棘的萎縮和消失，棘中actin細胞骨架actomyosin收縮，以此調節樹突棘的形成、生長或萎縮和消失.這方面已有了較為詳細的研究，不再贅述.棘和突觸的結構變化由棘中極其豐富的細胞骨2008；35(6)陳燕：神經元的突觸可塑性與學習和記憶617??架的變化來調節.受神經活性調節，樹突棘的形態變化伴隨著AMPA受體和受體插座的支架蛋白運入突觸，為突觸的功能可塑性變化創造條件.因此，突觸的結構可塑性和功能可塑性是密不可分的相關過程.已有報告指出，在突觸可塑性期間調節3inthehippocampus.Science,2006,313：1093-1097PastalkovaE,SerranoP,PinkhasovaD,etal.StorageofspatialinformationbythemaintenancemechanismofLTP.Science,2006,313:1141—11444ShemaR,SacktorTC,DudaiY.Rapiderasureoflong—termmemoryassociationsinthecortexbyaninhibitorofPKMz.Science,2007,317：951?95356BredtDS,NicollRA.AMPAreceptortraffickingatexcitatorysynapses.Neuron,2003,40:361?379PoncerJC.Hippocampallongtermpotentiation：silentsynapsesandbeyond.JPhysioParis,2003,97：415?4227GardnerSM,TakamiyaK.Calcium-permeableAMPAreceptorplasticityismediatedbysubunit—specificinteractionswithPICKlandNSF.Neuron,2005,45：903?9158FonsecaR,N!gerlUV,MorrisRGM,etal.Competingformemory：hippocampalLTPunderregimesofreducedproteinsynthesis.Neuron,2004,44：1011?10209BrownTC,TranIC.NMDAreceptor—dependentactivationofthesmallGTPaseRab5drivestheremovalofsynapticAM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