海马神经元钙离子通道的研究进展

崔 越 周 敏 周静文 黄子芮 谢远龙 (三峡大学医学院，湖北 宜昌 443002)

海马功能的完整不仅依赖于结构的完整，同时也依赖于各种神经递质的参与及其质和量的正常。钙离子水平的异常将导致细胞功能障碍，甚至死亡。海马神经元上的钙通道与海马功能的发挥也有密切关系。L型钙通道参与神经系统的多种重要生理功能，包括长时程增强和抑制、学习和记忆等，而海马是实现这些功能的主要脑区。海马不同亚区表达不同的钙通道亚单位，在将胞外电信号传递到胞内转化为化学信号时发挥鉴别器的作用，进而调控各种神经功能。不同的电压依赖性钙通道在不同的脑区甚至在同一神经元内均存在不同的分布特征。因此，不同亚型的钙通道可能参与神经元上不同部位的钙内流，进而介导不同的钙相关信号的传导。

现从海马神经元的基本离子通道、钙离子通道与海马神经元的存活和发育、药物干预对海马神经元的影响、海马神经元与记忆的关系等方面就有关海马神经元钙离子通道研究的新进展做一综述。

1 海马神经元的基本钙离子通道

神经元上的离子通道对神经元基本形态的维持，以及神经元各种功能的发挥具有重要意义，各种离子通道是神经元膜表面的重要功能单位。海马上的离子通道包括钾，钠，钙通道等。钙通道在其中扮演重要角色，神经元通过电压依从性钙通道(VDCCS)的开关来控制不同功能。电生理学和药理学的研究将VDCCS分成T型、L型、N型、P型、Q型和R型等多种亚型。这些通道亚型是由几种不同的亚单位组成：包括α1亚单位、β亚单位和α2δ亚单位。L型电压敏感性钙通道在海马锥体神经元的树突和胞体中都特别集中，该L型钙通道的电流占细胞总体钙电流的30%～50%。神经元胞体膜上L型钙通道是最重要的VDCCS，L型钙通道不仅在调节胞质内Ca2+的水平中发挥重要作用，而且还能将钙调信号传至细胞核〔1〕。

2 钙离子通道对海马神经元的存活和发育的影响

2.1 钙通道介导的钙电流水平影响海马神经元的存活 研究表明，海马神经元的存活依赖经电压门控性钙通道(VDCC)中低水平的Ca2+的流入，离子通道的数量或功能变化可能影响神经元的存活，在培养的海马神经元上，给予L型钙通道特异性阻断剂可直接诱导神经元死亡，而给予激动剂Bay K 8644则可对神经元起到保护作用。LI等〔2〕在研究L型钙通道在脑缺血后海马神经元迟发性死亡中的作用中观察到，神经元的存活可能依赖于适当的细胞内“钙调定点”。细胞可能有三种不同的Ca2+水平：①低 Ca2+水平，神经元凋亡的危险性高;②中等Ca2+水平，神经元易于存活;③具有细胞毒性的高Ca2+水平，易于诱导神经元坏死。结果表明L型电压依赖性钙通道在神经元的存活和死亡中有重要作用，提示缺血后晚期L型电压依赖性钙通道活动降低可能是海马CA1神经元迟发性死亡的机制之一。杨胜等〔3〕在研究大鼠海马神经元膜离子通道随培养时间变化的特点中发现，培养初期神经元的存活和发育依赖经VDCC中低水平的Ca2+流入。神经元培养细胞后期，VDCC和NMDA受体电流仍持续增加，从而引起神经元在兴奋过程中大量Ca2+流入，过度的Ca2+流入对神经元会产生毒性，导致存活率明显下降。表明VDCC和NMDA受体数量的持续增加与神经元存活率的减少有密切关系。

适当的胞内钙水平对神经元的存活非常重要，阿尔茨海默病(AD)中选择性的神经细胞死亡是胞内钙稳态失调的结果，即L-VSCCs的表达和功能性的改变。L-VSCCs在AD小脑中是没有改变的，而在AD海马中保留的神经元L-VSCCs表达增加，过多的L-VSCCs介导钙流入增多可能使AD神经元更易受损。考虑到CA1中广泛的细胞损伤伴随L-VSCCs增长，推测CA1区神经细胞可能没有足够的胞内Ca2+保护机制。

2.2 钙通道影响海马神经元的发育 L型钙通道在神经发育过程中具有重要作用，例如：L型钙通道在调控神经锥体生长、神经元的迁移、轴突和树突的延伸、突触可塑性等方面具有重要作用。随着海马神经元的发育，其离子通道也逐渐发育成熟，这与海马神经元的离子通道表达有关。Gage等在培养的大鼠胚胎E16 d的胚胎干细胞(HPCs)上记录到了电压依赖性钙电流，并且有报道电压依赖性钙通道参与了HPCs向神经元分化的调控〔4〕。冯锦丽等〔5〕用细胞免疫荧光和免疫印迹的方法研究显示，海马神经前体细胞(HPCs)表达L型钙通道的Cav1.2 a1C和Cav1.3 a1D亚单位，共聚焦钙成像证明了功能性L型钙通道的存在，并且利用全细胞膜片钳技术记录到了L型钙电流。以上结果表明成年Wistar大鼠的海马HPCs可表达功能性的L型钙通道。L型钙通道可能在成年HPCs的分裂增殖、迁移或分化中发挥作用。L型钙通道的激活可以直接调控一些对神经元的功能和存活必需且重要的基因的表达，如c-Fos，脑源性神经营养因子(BDNF)和Bel-2等。

在培养的大鼠海马神经元上的VDCC的研究中指出：低密度培养的海马神经元表达出药理学上多样化的钙离子通道族群，包括T、N、L、P/Q型钙通道，而且不同类型钙通道的相关比例已经接近先前所描述的在大鼠海马切片里的类型组成。低密度培养可以作为一个适合的模型用于研究海马神经元膜钙通道。

Kelly等〔6〕用放射自显影法研究老年鼠海马、内嗅皮质、新皮质上的L型和N型钙通道。结果表明，并非所有的脑内癫痫高发区的L型和N型钙通道的数量与年龄变化有关，年龄相关的变化在脑内钙离子生理中可能表现在电压门控钙离子通道功能的改变，而不是数量的改变。

在老年大鼠海马中L型钙通道的a1D亚基(Cav1.3)表达中的区域选择性改变的研究中，Veng等〔7〕指出：L型电压敏感性钙通道介导的钙电流在老年大鼠CA1区神经元中是增加的。L型钙通道的a1C和a1D两种亚基蛋白在幼年和老年大鼠海马中的表达，发现了a1D亚基选择性表达的年龄相关性变化，即在老年大鼠的CA1区中a1D亚基蛋白是增加的，但在CA3区是减少的。由此推测，老年动物中钙电流的改变可能是由L型钙通道a1D亚基表达的改变产生的。这些发现有助于对衰老过程中钙稳态变化机制的理解。

3 药物干预对海马神经元钙离子通道的影响

药物对海马神经元的发生有干预作用，主要是通过影响钙离子流的变化来实现。Veng等研究表明〔8〕：退行性记忆损伤程度与海马CA1区L型钙通道上的a1D(Cav1.3)蛋白的增加成正比，用尼莫地平(NIM)长期治疗可以得到改善。海马对啮齿类动物的空间记忆形成非常关键。钙电导的L-VSCC亚单位α1D在老年大鼠CA1区有选择性表达的提高，由此推测，过多的Ca2+通过L-VSCC的流入会对记忆的形成造成伤害。于是，他们探索了退行性记忆下降和a1D蛋白质表达的关系，还研究了长期使用L-VSCC的拮抗剂尼莫地平对退行性记忆减退和a1D表达的影响。报告显示，CA1区中退行性记忆减退鼠的a1D表达的增加和工作记忆减退程度成正比。结论表明LVSCCs参与了记忆形成的过程。在老年化过程中所观察到的L-VSCC蛋白和电流的增加会影响退行性记忆减退。另外，由NIM治疗对退行性记忆减退带来的改善可以被调控，至少可以通过减少a1D非正常的高水平表达从而得到控制。这些发现可以运用在阿尔茨海默病的病人治疗上，因为这些病例的海马中L-VSCC都会升高，同时可以应用到长期使用L-VSCC拮抗剂治疗的病人身上〔8〕。

Li等研究表明〔9〕：神经降压素(NT)可以通过调节L型钙通道增强鼠海马CA1区的γ氨基丁酸能(GABAergic)的活动能力。NT是一种重要的影响神经元信号和GABAergic信号的神经肽，其机制是NT通过活化GABAergic神经元上NTS1受体来瞬时增加CA1区GABA的释放，而且NT通过PLC-PK途径介导的对L型钙通道的调节增加神经元的兴奋性。

Chameau等研究表明〔10〕：用糖皮质激素受体绑定于DNA的方法证明糖皮质激素(GC)能显著增强小鼠海马CA1区椎体神经元上L型钙电流幅度并影响钙通道亚单位的表达。他们验证了GC对L型和N型钙离子通道是否具有选择性，而且认为基因靶点最终介导了钙电流的增强。非稳态噪声分析法显示增强的电流是由于功能性通道数量的倍增而非大量的单一电导引起的。定量实时PCR揭露小鼠CA1区的编码L型和N型钙通道的Cav1亚基转录体并没有被正调节，然而β4亚基转录体被直接地、持续地和极大地上调，表明皮质类激素介导的L型钙通道数量的增加不是仅依靠通道亚基前体形成机制。

Lafourcade等研究〔11〕了由钙离子对抗物，大麻素类，类罂粟碱，突触可塑性显示的GABAA和GABAB受体反应之间的区别。实验结果：GABAB反应是由突触前的N型或P/Q型钙离子通道释放GABA的中间神经元引起的，但是它们不受eCBs或内源性大麻素(eCB)介导的长时程增强(iLTD)的限制。GABABIPSPS对阿片受体(μORs)激动剂的压迫敏感，这个结果表示GABAB反应的主要来源是μOR表达的中间神经元群体，而且，不是所有中间神经元都能产生GABAB反应。CB1R或μOR激动剂可以显著的改变海马电路活动的平衡。

突触前副交感神经系统中的高电压钙通道在兴奋性或抑制性突触释放神经递质过程中扮演重要角色〔12〕。在研究中，不同剂量的维拉帕米(10、20、50 mg/OR kg)长期抑制L型VDCCs用来评价海马齿状回抑制性中间神经元的功能和成对脉冲刺激海马齿状回介导的短期可塑性。数据表明，在长期口服治疗剂量(50 mg/kg)的维拉帕米以间隔20、30至50 ms的交叉刺激群峰时能促进细胞的兴奋性，说明在通道内成对脉冲电位化path-DG突触在群峰电位振幅频率差异有统计学意义(P＜0.01)，而不论何种剂量兴奋性突触后电位斜率没有显著差异。齿状回(DG)神经元的促进作用是通过抑制性中间神经元直接和(或)间接抑制海马齿状回谷氨酸的释放产生的。因此，这些实验表明，长期使用维拉帕米可影响短期突触前的可塑性。

4 海马神经元钙离子通道与记忆之间的关系

海马与记忆有着密切的联系，脑海马CA1及CA3区是学习记忆功能重要的脑区，与长时程增强(LTP)密切相关。钙调神经磷酸酶抑制剂他克莫斯(FK506)影响VGCC依赖的长时程增强(LTP)。VGCC依赖的LTP要么被短暂的钾通道阻滞剂TEA诱导或者被一个在NMDA受体封闭下的强大的强直刺激所诱导。FK506(1～5 μm)在TEA诱导的LTP下产生剂量依赖性的抑制作用，FK506(10 μm)也阻滞强大的强直刺激下诱导的LTP，但是对强直后增强无影响。而低浓度FK506(1 μm)既不抑制又不增强VGCC依赖的LTP。K506对VGCC依赖的LTP有抑制作用。

FK506能阻止海马上电压门控钙通道依赖性的LTP有两种机制，一种机制是FK506可能影响钙触发的信号转导。强大的强直刺激可以激发电压门控钙通道并导致Ca2+内流，胞质内的钙离子浓度升高可以激活钙依赖的酶级联反应，包括蛋白激酶和蛋白磷酸酶。K506极有可能通过抑制钙调神经蛋白酶的活性来影响下游的信号转导。另一种机制可能是FK506通过直接减弱VGCC的活性来抑制VGCC依赖的LTP。FK506可通过抑制NMDA受体活性来抑制LTP，可能同样的机制也存在于VGCC活性的调节。

有研究表明，神经细胞核内的钙离子浓度增加将激活导致突触后结构长效改变的相关基因，这种改变正是学习和记忆的机制。但是钙离子进入海马锥体神经元的方式还未知。Fedorenko等研究〔13〕了存在于海马CA1区分离的锥体神经元的核膜上的钙离子通道类型，在这些细胞的内核膜首次发现了三磷酸肌醇受体(IP3Rs)被≥0.1 μmol/L的三磷酸肌醇活化。海马CA1区分离的锥体神经元的核膜在钙离子直接进入细胞核进行钙储备的过程中起重要作用。

用L型电压门控性钙通道阻滞剂硝苯地平灌注大鼠海马可提高记忆力。在大鼠海马背侧的CA1区进行双侧插管灌注后做逐步下降的抑制回避任务训练。通过实验他们得到每一侧灌注28或280 ng电压依赖性钙通道拮抗剂硝苯地平或其媒介(20%的二甲基亚砜盐溶液)这两个不同剂量药物的鼠训练0或30 min后进行研究，而且高剂量组在训练前进行了10 min灌注，训练24 h后进行一个记忆保持试验。与对照组相比，最高剂量硝苯地平组训练之后0 min进行测试，动物的实验成绩提高，低剂量组没有统计学意义。训练后30 min给药或训练前10 min给药没有作用。尽管无法辨别是神经的直接影响还是血管的间接作用，这些结果与之前的益智药二氢吡啶类钙拮抗剂的作用一致。这些数据和早期的Lee和Lin描述海马内硝苯地平的致健忘的效果不一致，这可能是因为剂量不同。这个结果与其他研究者用二氢吡啶、硝苯地平观察到的倒U型剂量反应曲线相似。

尽管目前关于海马上钙通道的研究有一定进展，海马上钙通道在海马神经元存活和发育中都扮演重要角色，药物干预也可影响海马功能，但是目前很多具体机制还处在研究阶段，海马神经元在学习和记忆中的作用机制还有待进一步研究。

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