抑制性氨基酸受体及其递质对突触可塑性的影响

王亚利　汪萌芽

【摘 要】神经系统的正常功能是以兴奋性和抑制性之间的相对平衡为基础的。CNS过度兴奋会导致失眠、癫痫、感官功能下降等一系列病理状态。因此，抑制性作用对人类为维持正常的生理功能是十分重要的。在中枢神经系统中，抑制性氨基酸及其受体介导的突触传递起着主要的抑制作用，可以作为治疗癫痫、疼痛、帕金森综合症等疾病的新的作用靶点。

【关键词】突触可塑性；长时程增强；甘氨酸；GABA；GABAA受体；GABAB受体

20世纪40年代冯德培教授在猫的骨骼肌神经—肌接头部位记录到了强直刺激后终板电位增大的现象，增大现象可持续数分钟，被称为强直后增强（PTP）。这是首次发现突触传递效应的实用性增强现象，是突触可塑性研究的开端。长时程增强（LTP）是突触强度的的持续增加，它是包括学习和记忆、视觉和体感系统的功能发育以及药物成瘾所必须的基础。奋性氨基酸受体和抑制性氨基酸受体，介导中枢神经系统的突触传递，参与突触可塑性的诱导和维持。GABARs和Glys的抑制作用被认为在突触可塑性中发着至关重要的作用。神经元的兴奋性受抑制的程度越大，其诱导出LTP的几率就会越低。神经系统的正常功能是以兴奋性和抑制性之间相对平衡为基础的。而本文就抑制性氨基酸受体及其递质对突触可塑性的影响进行综述。

1 GABA及其受体对突触可塑性的影响

1.1 GABAA受体对突触可塑性的影响

γ-氨基丁酸（GABA）是中枢神经系统（CNS）中最丰富的抑制神经递质，对调节神经元的活动有重要作用。大约30%的突触以GABA作为发射器使用。在中枢神经系统的早期发育阶段，GABA主要作为兴奋性神经递质而发挥作用。这种作用主要与GABAA受体有关。在不成熟的中枢系统中，ECL-比神经元膜电位更积极[1]，这是由NKCC1的活动导致的，Na+ K+ 2Cl -转运系统在胚胎期到出生后的第一周表达，能够促进氯离子在未成熟的神经元中的聚集[2]。因此，在这一时期，GABAA受体激活产生去极化，在中枢神经系统的发育中表现出营养作用，在细胞增殖、迁移、突触形成以及活性依赖的分化中扮演着重要的角色[3-4]。另一方面，在初级传入纤维与背根神经节（DRG）神经元胞体上KCC1转运蛋白的表达在成人仍然存在，GABAA受体激活初级传入增加其兴奋性。

从生理学的角度来看，CNS中GABAA受体有两种类型：突触上和突触外。突触上GABAA受体主要介导突触间的沟通。在成熟的和未成熟的神经元中，突触前囊泡释放GABA激活这类受体，使膜对Cl-和碳HCO-的通透性增加，从而使神经元产生抑制性突触后电流（IPSP）或者去极化性突触后电流（DPSP）。最重要的GABAARs是位于神经元的胞体、树突以及轴突膜上的受体[5-7]。这些突触外GABAARs介导另一种形式的GABA能抑制。使用功能性分析表明，应用荷包牡丹碱及gaba锌能够阻断自发相位电流和强直电流，揭示GABA能强直抑制性作用在许多类型的神经细胞的海马、丘脑、躯体感觉皮层和小脑中存在[6-8]。这是由于突触前GABAARs激活会对电导或者是强直分流产生持久性的增加，从而调节神经元的兴奋性[9-10]。研究发现，细胞外GABA发挥其作用，使GABAARs强直行激活，介导这一作用的受体广泛存在于所有的神经细胞，但是它们位于GABA释放地点较远，因此他们被称为突触外GABAA受体。当GABA能突触传递受阻滞时可以诱发海马锥体神经元癫痫样活动。突触外的GABAA受体的分子本质和强直抑制性电流的产生已在许多脑结构中被发现，由于其与控制神经元兴奋性有关联，已经成为各种神经系统疾病如精神分裂症、外延癫痫和帕金森病治疗的的药物靶点。在脊髓，早期的研究发现，这些受体在麻醉，慢性疼痛，运动控制和运动中起作用。

近年来，关于GABAARs在脊髓神经元突触可塑性中的作用的研究已广泛开展。在鸡胚脊髓神经元首次获得了GABA能强直抑制性电流，这个强直IGABA产生一个缓慢的去极化[11]。同样，在脊髓局部应用GABAA受体拮抗剂荷包牡丹碱可以抑制由高频强直刺激初级传入纤维所诱发的脊髓背角场电位的长时程增强[6]。最近，在神经元层II GABAARs介导的一个强直电流被记录下来，表明这这些受体可抑制疼痛和中枢敏化过程。具体而言，THIP（4，5，6，7-tetrahydroisoxa-zolo（5，4-c）pyridin-3-ol）引起的GABAARs活动增强可降低小鼠脊髓神经元兴奋性。此外，在哺乳动物的脊髓GABA能强直电流被记录在胶质神经元[13]，这个强直电流可调节GABA能自发性抑制性突触后电流（sIPSCs）[12]。在小鼠腹侧角中间神经元，GABA能强直电流可以通过输注硫喷妥钠和荷包牡丹碱阻断活性，然而这种强直电流目前显然不能由外周GABA激活[17]。同样，在成年龟脊髓中间神经元突触活性可被士的宁阻断但不是由荷包牡丹碱或锌阻断，表明自发的突触活动可能不能调节强直抑制。此外，强直电流可调节脊髓黑质神经元GABA能自发性抑制性突触后电流（sIPSCs）。GABAAR介导的强直电流当前已被建议作为麻醉剂或镇静剂药物的作用靶点[14]。在这个方向上的研究表明，咪达唑仑，一种苯二氮卓类受体激动剂，可产生镇痛作用[15]。

GABAARs在控制运动神经元的兴奋性方面也发挥了重要的作用。柯蒂斯和他的同事首次对GABA在神经系统中的作用的进行研究（1959）。结果表明，GABA能够降低中间神经元以及刺激初级传入纤维诱发出的场电位[16]，GABA能显著降低逆行电位的幅度，取消顺势电位，降低EPSPs和IPSPs[17]。GABA类似的行为被记录在γ运动神经元和Renshaw细胞[17]。当存在100uM荷包牡丹碱，电流的持续变化也被记录在成年龟运动神经元[18]。

1.2 GABAB受体对突触可塑性的影响

在CNS中，GABAB受体（GABABRs）主要定位于神经元，其高密度存在于大脑皮层、丘脑核，小脑和杏仁核。在海马、缰核、黑质、腹侧被盖区、伏隔核、苍白球、下丘脑以及脊髓腹角和背角也有大量GABABRs存在。在外周，GABABRs存在于自主神经节和内脏组织如胃、肠、心、脾[19]。GABABRs有三类：位于突触前、突触后膜和突触外，突触前GABABRs，通过Gi/o的G亚基，抑制N型（CaV2.2）或P/Q型（CA 2通道Cav2.1）钙离子通道，从而抑制神经递质的释放[20]。突触后GABAB受体，通过G亚基，引发多种钾通道的开放，特别是内向整流钾通道（Kir3），导致超极化和缓慢的抑制性突触后电位（IPSPS）。在突触后，位于树突棘的GABAB受体激活，引起慢时程IPSP，也可拮抗拮抗谷氨酸引起的兴奋性突触后电流（EPSP），抑制蛋白激酶（PKA）的活性以及抑制L-型电压依赖性钙通道（CAV1）的活性[21]。

在脊髓背角，通过代谢型GABABRs，GABA能够调节脊髓感觉信息的传递[22]。在急性和慢性神经病理性疼痛实验模型中，GABAB受体激动剂巴氯芬（baclofen）有镇痛作用，这种作用也被发现在人类疼痛如三叉神经痛和运动障碍如痉挛和肌张力障碍[23]。这些作用可能是由脊髓和刺突上的GABAB受体介导的，涉及突触前和突触后机制。实验证据表明，突触前受体含有GABAB1a亚基，将会降低初级传入纤维痛觉相关神经递质如P物质、谷氨酸和神经肽的释放[24]，主要影响C纤维介导的伤害性感受[25]。然而，突触后GABAB受体含有GABAB 1b亚基，在背角神经元的胞体和树突上表达，能够影响胞体和树突的内在特性和兴奋性：GABAB受体激活激活Ki3通道，引起突触后抑制[33]，抑制脊髓背角神经元伤害性信息的传递[26]。在脊髓损伤的实验模型，低剂量的巴氯芬抑制单突触和多突触反应通过突触前的作用位点[27]。而脊髓机制可以解释巴氯芬在肌张力障碍中的有益效果。有证据表明，GABARs调节纹状体，苍白球和丘脑底核谷氨酸能和GABA能突触传递，在突触前和突触后的水平[28]。研究表明在MPTP猴，GABAB受体功能的变化可能导致苍白球爆发性活动，这被称为帕金森状态[29]。

鞘内注射GABABRs拮抗剂CGP35348会产生痛觉过敏现象，从而增强脊髓背角神经元对伤害性刺激的反应[30]。而且GABAB（1）和GABAB（2）基因敲除小鼠也表现出痛觉过敏[31]。这可能是因为GABAB受体有助于外周神经损伤后异常性疼痛痛觉过敏和自发痛行为产生和维持。GABABRs也参与糖尿病神经痛的形成过程，激活GABABRs不仅抑制糖尿病大鼠脊髓背角谷氨酸递质的释放，而且参与脊髓背角甘氨酸受体及M胆碱能受体的镇痛作用。临床上，鞘内注射巴氯芬已被用来作为一种治疗神经病理性疼痛辅助镇痛方法。

2 甘氨酸及其受体对突触可塑性的影响

1956年Aprison和Waman第一次提出甘氨酸在哺乳动物的CNS中起着神经递质的作用，参与调节神经递质的突触传递[32]。在中枢神经系统中，甘氨酸是一个具有双面生物活性的分子[33]。一方面，在脊髓，脑干，和视网膜，甘氨酸作为一种抑制性神经递质，介导神经元的抑制作用，从而减少兴奋性氨基酸释放，这种抑制作用是由甘氨酸受体介导的。另一方面，在海马、大脑皮质、小脑、及嗅球细胞甘氨酸也可作为NMDA受体的刺激调制器，对NMDA受体的激活是必不可少的[34]。目前公认的能与甘氨酸结合的有四种类型的受体，包括特定的甘氨酸受体（GlyR），离子型谷氨酸受体NMDAR亚型的特异结合以及γ离子型GABAA受体和GABACR。

甘氨酸能持续增强或抑制AMPA反应通过甘氨酸与NMDA受体和甘氨酸受体结合[35]。在海马CA1区神经元，甘氨酸以剂量依赖的方式诱导NMDA受体反应的长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）（Gly-LTP和Gly-LTD）。这些NMDA反应的改变依赖于NMDA受体的激活[36]。此外，Gly-LTP的诱导需要甘氨酸与NMDA受体结合，而Gly-LTD要求甘氨酸与NMDA受体和甘氨酸受体这两种受体结合。大多数的生理条件下，脑脊液中甘氨酸浓度已估计是在低微摩尔范围。由于较之于甘氨酸受体NMDA受体对甘氨酸有较高的亲和力，所以内源性甘氨酸可能主要发挥其兴奋作用，通过激活NMDA受体，进而诱导出LTP。然而，在海马CA1区锥体神经元，通过应用外源性甘氨酸或者提高内源性甘氨酸的聚集获得较高水平的甘氨酸能够诱导出兴奋性突触后电流的LTD，联合应用甘氨酸和选择性的甘氨酸受体拮抗剂士的宁能够使甘氨酸诱导的LTD转变为LTP。通过通过操纵细胞内的氯离子浓度阻断突触后的甘氨酸受体门控氯离子通没有引起兴奋性突触后电流的任何变化。这些结果表明，甘氨酸受体参与Gly-LTD的诱导。此外，这种新形式的LTD伴随着突触后AMPA受体的内化，也需要NMDA受体的激活。因此，甘氨酸受体的激活和调节对门控突触可塑性方向具有重要的作用[37]。

NMDA受体在神经发育、学习和记忆、感觉、及突触可塑性方面有关键作用[40]。有越来越多的证据表明，多巴胺和谷氨酸神经递质系统相结合的功能障碍可能是精神分裂症关键的临床和病理生理特征的基础。具体而言，在大脑关键回路内的N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）的功能减退似乎是一个重要的机制。因此，通过增加突触间隙谷氨酸共激动剂甘氨酸的可用性调节NMDA受体功能的可能为治疗精神分裂症的新治疗策略。LTP-GLY的潜在机制可发展成为精神分裂症新的药物治疗的表征。

首次在脊髓中发现甘氨酸表现在对运动神经元放电的抑制作用，这种抑制作用能被士的宁拮抗[37]，这也是士的宁在抑制性突触拮抗作用的第一个证据。在脊髓和脑干，甘氨酸能抑制性中间神经元控制运动时运动基本节奏的产生[38]。这些抑制性中间神经元对脊髓反射动作的协调性也起着重要的作用。IA甘氨酸能抑制性中间神经元介导牵张反射电路结构中的相互抑制。Renshaw中间神经元也释放甘氨酸，通过负反馈系统，产生循环抑制，调节运动神经元的兴奋性和放电[39]。甘氨酸受体不仅参与从传感器神经元对运动神经元信号传输；他们也参与疼痛的感知，光信号转导和神经系统发育[41]。士的宁，主要的甘氨酸拮抗表现为对运动神经元、感受器神经元的持续性兴奋以及增强疼痛感阻断甘氨酸受体，士的宁引起的成倍增加的疼痛感觉。激活甘氨酸受体可减轻疼痛，这是后续研究任务在镇痛和麻醉。通过增强受体产生的电流的方法介导麻醉的可能性是现代医学的一个重要问题。

3 展望

对突触可塑性的研究是近年来国内外研究的热点，LTP也被认为是学习和记忆的重要神经生物学基础。而受体-递质系统在突触可塑性中的作用是突触可塑性研究的重点也是难点。虽然相关的研究已开展，但是其具体机制还尚未清楚，有待于进一步的研究。在脊髓，对抑制性氨基酸受体的研究多集中在背角感觉神经元，能够调节脊髓感觉信息的传递，为治疗神经病理性疼痛提供一个新的治疗方向。而抑制性氨基酸受体及其递质在脊髓运动神经元中的作用研究较少，还有待于进一步的研究，可能成为治疗脊髓损伤一个新的研究目标。

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[责任编辑：汤静]