突触可塑性分子机制的相关研究

张永杰(综述)，唐冬梅，徐桂萍(审校)

(1.石河子大学医学院，新疆石河子832000;2.新疆维吾尔自治区人民医院麻醉科，乌鲁木齐830000)

突触可塑性即突触所变化的能力，是指神经系统在外界环境的作用下，突触的活动引起突触传递效率的异化或抑制，从神经元到神经环路都有可能发生的某些适应性变化以维持其相对稳定。学习记忆的实质是信号转导和处理的过程，而一切功能的产生都是以某种特定的结构形式为基础，有报道称突触可塑性正是学习记忆的机制［1］。突触前和突触后积聚了许多可导致突触可塑性调节的信号分子，这些分子在突触部位对于神经传递是很有必要的。

1 突触可塑性与长时程增强

突触是神经系统功能活动及传递信息的结构基础，有功能的神经元间的信息传递必须要有成熟的突触结构。突触功效的提高是通过促进突触前膜释放神经递质和提高突触后膜的反应性而实现的［2］。广义的突触可塑性包括突触发育的可塑性、突触形态的可塑性及突触传递的可塑性，其表现形式主要是长时程增强(long term potentiation，LTP)。突触传递的LTP一直被认为是学习记忆的神经基础之一，是突触可塑性的功能指标，也是研究学习记忆的理想模型。最早关于突触可塑性的报道是1973年Bliss等［3］进行家兔海马的实验，用短串高频电脉冲刺激家兔海马通路时，在齿状回观察到一种兴奋性突触传递长时间加强的现象，称之为LTP。它不仅为动物脑内活动依赖突触可塑性提供有力证据，而且在突触水平上为研究学习记忆的神经机制提供了一个理想模型［3］。有报道认为LTP可分为诱导和表达两个阶段［4］，LTP的形成需满足三个条件:①突触前神经末梢释放兴奋递质。②突触后膜要有较强的去极化以去除Mg2+对N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受体通道的阻滞。③递质与突触后膜上NMDA受体结合打开离子通道使Ca2+内流。LTP的维持需要满足四个条件:①突触前释放递质增加。②突触后受体有效应性增加。③突触后树突棘形态改变。④新的蛋白质合成［5-7］。

2 突触前可塑性的结构基础及分子机制

突触前可塑性的结构基础主要有三个:突触囊泡、囊泡内的神经递质及突触活动区。突触囊泡的大小呈活动依赖性变化即活动越频繁，囊泡越小。突触前囊泡数量与其释放的概率呈正比，释放越多，突触后的反应也增强。而囊泡内的递质浓度是相同的，囊泡体积越大其递质含量越多［8］。突触活动区指在突触前膜的囊泡与电压依赖型钙通道蛋白紧密镶嵌成致密区，其数量与面积大小可以改变，并在发育后的神经活动中受调节而变化。突触活动区骨架蛋白RIM(突触前蛋白的一种)作为突触前的主要骨架蛋白分子，其结合了所有活动区蛋白质和突触囊泡间的相互作用，并调节着囊泡释放［9］。剔除大鼠RIM-1的神经元后可导致突触可塑性的相应改变，如在海马CA1区兴奋性神经元的囊泡释放减低，而抑制性神经元囊泡释放却稍有增多，另外含有苔藓纤维突触的LTP被完全抑制，表示突触前囊泡释放的递质参与了突触可塑性的表达［10］。突触前神经递质释放的关键因素是突触前膜和囊泡膜的结合，这种结合需要依赖可溶性NSF附着蛋白受体核心复合体的形成。所以，介导囊泡结合和参与囊泡内吞的分子(如钙离子感受器、各种酶类、SO蛋白、囊泡蛋白、突触小蛋白等)都可能参与调节神经递质释放和形态发生。研究发现［11-12］，在大鼠突触前神经元内注入SNAP-29重组蛋白，可通过结合突触融合蛋白1来抑制可溶性NSF附着蛋白受体核心复合体的解聚，并影响突触活动的持续性。也有研究显示［13］，在LTP的形成过程中，当Ca2+进入到突触后膜，激活一氧化氮合酶而生成的一氧化氮可作为逆信使扩散到突触前膜，进而诱导出突触前结构，调控突触的发生和棘突的形成;激活鸟甘酸环化酶或二磷酸腺苷-核糖转移酶，调节相关递质的合成和释放，并通过某些方式使突触前膜神经递质释放增多，导致突触传导增强，此即突触后分子以逆信使形式参与突触前可塑性。根据研究报道［14-15］，一氧化碳、花生四烯酸、血小板激活因子等都有可能是影响突触前可塑性的逆行信使。

3 突触后可塑性的结构基础及分子机制

突触后可塑性的结构基础是在突触后膜胞质侧的一种超微结构-突触后致密物(postsynaptic density，PSD)，突触后致密物是电镜学家于20世纪50年代命名，其是突触后膜细胞骨架纤维特化区域，突触前膜末端的活性区域与突触后膜的细胞骨架相对应，其功能为细胞黏附性的调节、受体聚集的控制和受体功能的调节［16］。突触后致密物包含有神经递质受体、细胞骨架和信号分子，在突触可塑性中起重要作用。在LTP形成过程中已经发现PSD的厚度、长度与面积增加，并推测PSD的变化可能是突触效能增强的物质基础。另外，在不同的神经元或不同的神经通路及不同部位的突触连接，其PSD表现形式不同，PSD可塑性不仅包括PSD的厚度，还包括PSD的长度、弯曲度、面积大小及是否穿孔与穿孔大小等。项旭映等［17］用体视学方法探讨了LTP的诱导及维持中突触形态变化，结果显示LTP诱导阶段的主要形态学变化是PSD增厚，其维持阶段的主要形态学基础是突触界面曲率增大及穿孔突触数目增多。

NMDA受体是目前已知的最重要的突触强度长时程修饰作用“触发器”，NMDA受体在学习记忆形成中的关键作用已经证实，且海马LTP是研究学习记忆较好的分子模型，因此NMDA受体对学习记忆的探讨主要集中在对LTP的研究上［18］。研究表明，NMDA受体与LTP的诱导、表达及AMPA受体的突触关系密切，进而影响突触可塑性双向调节功能［19］。LTP是突触可塑性的一种模式，NMDA受体与递质结合后，导致细胞内级联反应，触发神经元内的一系列生化反应，最终改变突触后膜的性质，建立 LTP。LTP可分为诱导和表达两个阶段，LTP的诱导以突触后膜变化为主，主要包括突触后膜除极，NMDA受体激活，导致Ca2+内流［20］;LTP的表达是由突触前膜和突触后膜共同参与的，主要包括突触前膜递质释放增加，突触后膜受体与递质作用增加，突触形态学变化使突触的整合效应增加，逆行信使向突触前释放。一般认为LTP的诱发需要NMDA受体参与，有研究报道［21］，NMDA受体是分布于神经元突触后膜上的特殊离子通道，是化学、电压双门控通道，即不但需要电压信号通道，也要有适当的递质存在才能开放，主要对Ca2+通透性强，而对K+和Na+仅有一定的通透性。在静息状态下，突触前释放的兴奋性氨基酸可以作用于NMDA受体及非NMDA受体，而这时K+和Na+不可通过NMDA受体通道，而可通过非NMDA受体通道，膜电位在静息水平时不能使Mg2+移开，NMDA受体因受到阻滞而不能开放。当刺激信号使突触后膜除极后，堵塞通道的Mg2+就能移开，通道开放。此时Ca2+大量进入胞内与钙调蛋白(CaM)结合，结合后的复合物Ca2+/CaM附着于自动抑制序列的邻近序列，除去后者并与钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ的催化结构域结合，钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ发生活化后变为不依赖于Ca2+/CaM的形式，且转移到PSD内形成复合物参与NMDA受体磷酸化的调节，从而启动一系列的生理生化反应最终形成LTP产生学习记忆，此即学习记忆形成的经典途径［22］。

4 结语

随着研究的深入，突触可塑性的发生、维持机制、生理功能及其对机体的影响等已经有了较多的研究，对其分子机制的研究也有了较大的进步，有些因素已经证明对突触可塑性的形成有促进作用，但其机制还不明确。影响学习记忆的调节因素很多，关于突触可塑性亦存在一些疑问:①NDMA受体在突触后学习记忆的调节中已有很多相关报道，但其在突触前是否对学习记忆也有调节作用有待深入研究。②突触可塑性达到哪种程度的变化可对学习记忆功能产生损害目前尚未明确。总之，突触可塑性的产生及功能可能是多种因素共同作用的结果，但起主导作用的因素目前还不清楚，有待在今后的研究中进一步关注。

［1］ Li B，Wanka L，Blanchard J，et al.Neurotrophic peptides incorporating adamantane improve learning and memory，promote neurogenesis and synaptic plasticity in mice［J］.FEBS Lett，2010，584 (15):3359-3365.

［2］ 冯波，胡鹏，王蓉.突触后致密区与突触可塑性［J］.首都医科大学学报，2010，31(1):84-87.

［3］ Bliss TV，Gardner-Medwin AR.Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the unanaestetized rabbit following stimulation of the perforant path［J］.J Physiol，1973，232 (2):357-374.

［4］ Manahan-Vaughan D，Wildförster V，Thomsen C.Rescue of hippocampal LTP and learning deficits in a rat model of psychosis by inhibition of glycine transporter-1(GlyT1)［J］.Eur J Neurosci，2008，28(7):1342-1350.

［5］ Barinage MT.Is nitricoxide the"retrograde messenger"［J］.Science，1991，254(5036):1296-1297.

［6］ Mayer ML，Armstrong N.Structure and function of glutamate recep-tor ion channels［J］.Annu Rev Physiol，2004，66:161-181.

［7］ Wang Z，Edwards JG，Riley N，et al.Myosin Vb mobilizes recycling endosomes and AMPA receptors for postsynaptic plasticity［J］.Cell，2008，135(3):535-548.

［8］ Bruns D，Riedel D，Klingauf J，et al.Quantal release of serotonin［J］.Neuron，2000，28(1):205-220.

［9］ Blundell J，Kaeser PS，Südhof TC，et al.RIM1alpha and interacting proteins involved in presynaptic plasticity mediate prepulse inhibition and additional behaviors linked to schizophrenia［J］.J Neurosci，2010，30(15):5326-5333.

［10］ Castillo PE，Schoch S，Schmitz F，et al.RIM1alpha is required for presynaptic long-term potentiation［J］.Nature，2002，415(6869): 327-330.

［11］ Sato M，Saegusa K，Sato K，et al.Caenorhabditis elegans SNAP-29 is required for organellar integrity of the endomembrane system and general exocytosis in intestinal epithelial cells［J］.Mol Biol Cell，2011，22(14):2579-2587.

［12］ Schardt A，Brinkmann BG，Mitkovski M，et al.The SNARE protein SNAP-29 interacts with the GTPase Rab3A:Implications for membrane trafficking in myelinating glia［J］.J Neurosci Res，2009，87 (15):3465-3479.

［13］ Maffei A，Prestori F，Shibuki K，et al.NO enhances presynaptic currents during cerebellar mossy fiber-granule cell LTP［J］.J Neurophysiol，2003，90(4):2478-2483.

［14］ Bon CL，Garthwaite J.Exogenous nitric oxide causes potentiation of hippocampal synaptic transmission during low-frequency stimulation via the endogenous nitric oxide-cGMP pathway［J］.Eur J Neurosci，2001，14(4):585-594.

［15］ Benowitz LI，Routtenberg A.GAP-43:an intrinsic determinant of neuronal development and plasticity［J］.Trends Neurosci，1997，20 (2):84-91.

［16］ Sheng M.Molecular organization of the postsynaptic specialization［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2001，98(13):7058-7061.

［17］ 项旭映，张红梅，胡能伟，等.脊髓背角Ⅱ板层长时程增强诱导及维持过程中的突触形态计量学研究［J］.生理学报，2004，56 (3):397-402.

［18］ 李丽，王淑珍，王庭槐.海马N-甲基-D-天冬氨酸受体与学习记忆关系的研究进展［J］.医学综述，2009，15(10):1452-1455.

［19］ Mccormack SG，Stornetta RL，Zhu JJ.Synaptic AMPA receptor exchange maintains bidirectional plasticity［J］.Neuron，2006，50 (1):75-88.

［20］ Zhang XL，Sullivan JA，Moskal JR，et al.A NMDA receptor glycine site partial agonist，GLYX-13，simultaneously enhances LTP and reduces Ltd at Schaffer collateral-CA1 synapses in hippocampus［J］.Neuropharmacology，2008，55(7):1238-1250.

［21］ Miyamoto E.Molecular mechanism of neuronal plasticity:induction and maintenance of long-term potentiation in the hippocampus［J］.J Pharmacol Sci，2006，100(5):433-442.

［22］ Levite M，Ganor Y.Autoantibodies to glutamate receptors can damage the brain in epilepsy，systemic lupus erythematosus and encephalitis［J］.Expert Rev Neurother，2008，8(7):1141-1160.