NMDA受体与学习记忆的关系及其在全麻机制中的作用

NMDA受体与学习记忆的关系及其在全麻机制中的作用

李强综述薛庆生于布为审校

（上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科上海 200025）

摘要：突触传递可塑性（synaptic plasticity）一直是神经科学研究的热点。突触传递长时程增强(long-term potentiation , LTP) 是神经元可塑性的反映,是学习和记忆的神经生物学基础, 反映了突触水平上的信息贮存过程，关于其形成机制的研究主要集中于N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的特征及该受体被激活后的细胞内级联反应，NMDA受体通道开放是LTP触发的基础。而全麻药物能够通过作用于NMDAR影响LTP及学习、记忆的形成。

关键词：NMDAR；LTP；学习；记忆

1 前言

现代神经科学已证明，哺乳动物及人类中枢神经系统内重要的兴奋性神经递质之一谷氨酸，通过兴奋性氨基酸受体介导一系列高级神经活动。中枢神经系统内存在着与谷氨酸结合并发挥生理效应的两类受体，即离子型谷氨酸受体（ionotropic glutamate receptors,iGluRs）与代谢型谷氨酸受体。在iGluRs家族内，根据外源性激动剂的不同，又分为NMDA受体与非NMDA受体，其中后者包括AMPA受体、海人藻酸(kainic acid , KA)受体和L-AP4受体。NMDA受体与LTP、突触可塑性、学习记忆、神经系统生长发育的可塑性、缺血缺氧损伤、中枢神经系统疼痛传导、POCD及老年性痴呆等神经退行性疾病等都有密切关系[1]。NMDA受体上有多种配体结合的位点，包括谷氨酸结合位点、甘氨酸结合位点、离子通道的孔隙以及N末端的变构结合位点等，它们以亚型选择的方式调节着受体的活动。此外，由不同亚基组成的NMDA 受体亚型具有不同的生物学特性[2]。

2 NMDA受体的分子结构及分布

N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate acid,NMDA)受体,是一种特殊的离子通道蛋白,具有独特的门控方式即电压化学门控方式,是学习记忆的关键物质[3]。其电压依赖性是由离子通道内部的Mg2+阻滞作用决定的。NMDA受体通道具有高钙电导性即对Ca2+高度通透，与非NMDA受体通道介导的兴奋性突触后电位(excitatory post synaptic potential,EPSP)相比, NMDA受体通道介导的EPSP出现较慢，时程较长。

一般认为，NMDA受体主要分布在神经细胞的突触后膜。在兴奋性

神经元，NMDA受体主要分布在树突棘头的突触后膜，即突触后致密区（postsynaptic density, PSD）。但近年来的研究显示，NMDA受体不仅存在于突触后膜，还存在于突触前膜、PSD的周围或非突触胞膜上。位于突触后致密区以内的NMDA 受体被称为突触后NMDA受体，树突棘上突触后致密区周围的NMDA 受体被称为突触周NMDA受体（perisynaptic NMDAR），经常也被称为突触外NMDA受体（extrasynaptic NMDAR）。

现已明确NMDAR至少存在7个亚单位，即NRl（又有8种剪接变体NR1-1a/b-4a/b）；NR2A、NR2B、NR2C和NR2D;以及NR3A和NR3B。NRl 是功能亚基，其基因表达的紊乱将引起受体功能的丧失，NR2是受体复合物的调节亚基。一般认为，NMDA受体是由两个NR1亚单位和两个NR2亚单位构成的异四聚体（heterotetramers），其中的两个NR1亚单位和NR2亚单位可以相同亦可不同。在表达NR3亚基的细胞，一般认为此亚基与NR1和NR2亚基组装在一起，形成NR1/NR2/NR3的聚合体[4]。

3 全麻药物对NMDA受体的作用

Nishikawa等[5]通过电生理的方法研究发现，临床浓度(0.5～2 MAC)的氟烷和异氟醚不仅能抑制大鼠海马脑片突触前膜谷氨酸的释放,且能够显著抑制由NMDA受体所介导的兴奋性突触后电位(EPSPs)。Andreas Ranft[6]通过全细胞膜片钳技术的研究证明，65%的N2O能够降低小鼠基底外侧杏仁核区NMDAR-EPSCs。Cheng等[7]的研究也发现，安氟醚能够直接抑制小鼠脊髓运动神经元NMDA受体所介导的EPSPs。研究还表明[8]异氟醚对谷氨酸受体抑制作用具有选择性，1.4％异氟醚抑制NMDA受体介导的EPSPs达55％，而对非NMDA 受体的效应不明显。

N. Pitsikas等的研究[9]证明腹腔内注射亚麻醉剂量的非竞争性NMDAR拮抗剂氯胺酮（1和3mg/kg）能够破坏大鼠的空间和非空间识别记忆，而腹腔内注射大剂量的氯胺酮（75 mg/kg和120 mg/kg）能够破坏大鼠味觉记忆条件反射的形成[10]。近期的研究发现[11]，腹腔内注射氯胺酮能够在不影响小鼠正常行为活动能力的情况下，破坏社会记忆的获得与巩固，且对前者影响较大。

Vesna Jevtovic-Todorovi等[12]的研究发现，使用咪达唑仑、异氟烷、氧化亚氮麻醉7日龄大鼠，可导致其发育期大脑细胞凋亡性神经退行性坏死，海马突触功能的缺陷及永久性学习记忆损坏。

以上的研究表明全麻药物能够通过作用于NMDAR进而影响啮齿类动物的学习和记忆。但也有研究发现[13]，1MAC的异氟烷能够可逆性地提高4-5月龄小鼠海马的NR2B亚基量，增强了CA1区神经元LTP

并提高海马依赖性认知能力，但此效应在7日后便消失。

4 NMDA受体不同亚单位在学习记忆中的作用

越来越多的研究表明空间记忆的储存通常是通过NMDA受体的激活,脑室内注射NMDA受体的竞争性拮抗剂可阻断齿状回兴奋性突触LTP 的产生,并损伤大鼠在Morris水迷宫中空间记忆的学习。而NMDA受体的高表达可增强海马介导的学习过程。Gureviciene等[14]的研究表明，雌激素提高小鼠海马依赖性空间学习能力是通过增加海马有活性的NMDA受体而发挥作用的。有研究提示，腹腔内注射非竞争性NMDAR拮抗剂MK-801能够破坏发育期大鼠的空间工作记忆[15]及倒序学习[16],而海马内注射MK-801能够破坏大鼠T型迷宫位置辨别倒序学习[17]。突触可塑性、记忆、NMDAR功能之间的关系不仅在海马中，在杏仁核与梨状皮质中也得到论证。Gareth R.I等[18]通过向大鼠内侧额前皮质及鼻周皮质注射选择性NMDA受体拮抗剂AP5证明了长时程记忆的编码需要这两个皮质区NMDAR的共同活化；而向基底外侧杏仁核区注射DL-APV会损害大鼠的条件恐惧记忆和再记忆[19]。

4.1 NR1亚基与学习记忆

NMDA受体NR1亚基广泛分布于中枢神经系统，以海马、大脑皮质、小脑最丰富。在生长发育期，由于受内、外环境的影响，NMDA NR1受体的基因表达呈动态变化，且其表达量具有年龄相关性和一定程度的可塑性。

Tsien等[20]研究发现，海马CA1区NR1基因敲除小鼠该区LTP诱导产生障碍、水迷宫实验寻找站台潜伏期明显延长，提示了小鼠空间学习记忆障碍。通过基因敲除技术进一步证明，海马CA1区NMDA受体对空间记忆的形成和巩固是必需的[21]。同时作者通过调控该区NR1基因的表达发现，在小鼠首次恐惧训练后2周内关闭基因，其恐惧记忆明显受损。若4周后关闭基因的表达，记忆损害不明显。这提示了小鼠恐惧记忆巩固阶段发生于海马，4周后则进人皮质巩固阶段。而该区NR1基因缺失也可导致非空间学习记忆障碍及新事物探究能力下降[22]。随后的研究进一步证明，CA1区和齿状回与动物的短时记忆有关，而CA3区与动物的联想记忆有更大的关联，且CA3区NR1亚基对空间的联想记忆是必需的[23，24]。

4.2 NR2亚基与学习记忆

NR2A与NR2B是NMDAR的两个重要亚基，是皮层特征性发育转变的重要亚基。大脑中NR2B亚基在出生后早期含量丰富，NR2A亚基含量