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
随发育逐渐增多[25]。

NR2A和NR2B亚基与学习记忆的关系如下表
亚基种类变化学习记忆功能
NR2A 缺失小鼠快速获得性空间工作记忆障碍，而不
影响空间参照记忆[26]
亚基靶向断裂小鼠空间学习缺陷[27]
大鼠皮下单次大剂量注射去氧麻
黄碱（30mg/kg）上调NR2A亚基
的表达
大鼠空间工作记忆损害[28]
NR2B 过表达小鼠学习记忆增强[29，30]
海马NR2B缺陷大鼠空间学习损害[31]
药物或基因敲除NR2B亚基成年小鼠前额皮质LTP和上下文恐惧记
忆受损[32]
选择性拮抗剂Ro25-6981 破坏小鼠（3月龄）恐惧记忆，且该效应
随年龄增长而减弱[33]
拮抗大鼠或非局限化小鼠外侧杏仁核突触NR2B亚基蛋白损害大鼠[34]或小鼠[35]信号恐惧条件反射
杏仁核区注射NR2B拮抗剂苄哌酚醇训练后或测试前注射不影响大鼠恐惧记忆的表达[34] *
基因敲除小鼠前脑或海马NR2B亚基破坏小鼠空间和非空间表现型，或诱发选择性、短时程的空间工作记忆缺陷[36]
活化神经元一氧化氮合酶（nNOS）负向调控成年小鼠海马区神经发生，进而
阻碍小鼠空间记忆的形成[37]
*也有相关研究提示，恐惧记忆巩固维持阶段杏仁核区NR1、NR2A、NR2B亚基蛋白表达下
调[38]。

我们推测，NMDAR表达的下调首先是一种对恐惧记忆巩固阶段神经元异常活化的保
护机制；再者，NMDAR表达的下调也有利于杏仁核区将来获得新的恐惧记忆。

这些有关不同形式学习的研究强调了NR2亚基在学习记忆中的重
要性，且主要与学习记忆的获得关系密切。

如今已明确，钙-钙调蛋白依赖性激酶II（CaMKII，NMDAR的一个
重要结合配体）与NR2B亚基的结合是LTP诱导的基础[39]。

含NR2B
的NMDARs表现出更持久的电流、单位电流中携带了更多Ca2+并优先
与CaMKII相互作用。

因此，我们提出LTP的诱导可能主要依赖于通
过NR2B亚基介导的Ca2+进入突触后与CaMKII的结合，但要注意这
些受体的作用需要考虑到发育和区域情况。

此外，NMDARs并不是决
定突触可塑性诱导的唯一因素。

4.3 依赖于感觉经验的NMDA受体组成变化
感觉经验的剥夺也会影响NMDA受体的功能，如24h全睡眠剥夺后
小鼠海马NR1亚基表达减少而其他NMDA受体亚基未有影响，反映了NMDAR的功能变化[40]。

但剥夺睡眠4h可增强NR2A的表达[41]。

同
样地，学习和感觉经验也能够调控NR2B的变化。

有研究发现，经过
六天的嗅觉辨别任务训练后可发现梨装皮质区NMDARs的运输，是基
于NR2B蛋白表达水平下降而NR2A未变化导致的NR2A/NR2B比值升高
[42]。

Chunfang Li等[43]的研究发现,对胎儿生长受限模型大鼠进行行为训练能够提高其CA1区NR2B的表达，从而增强大鼠的学习记忆能力。

Philpot等[44，45,46]的研究表明，暗室饲养（dark rearing）能够降低丧失感觉模态的大脑区域的NR2A/NR2B比值。

在幼年动物的视皮质区，这种经验依赖性的NR2A/NR2B比值调控不受限制。

He等[47]的研究进一步发现，剥夺幼年动物全视觉可使其NR2B表达较NR2A增强。

降低了NR2A/NR2B比，而剥夺成年啮齿类动物10天的视觉能够降低其视皮质的NR2A/NR2B比值。

重要的是，视觉剥夺不明显影响突触NR1的积聚[48]，这意味着突触NMDAR亚基的变化而非数量
4.4 NR2A/NR2B比值与学习记忆
Chen等[40]的研究提示，活化未成熟神经元可能易化NR2A的转录活性，而活化成熟神经元NMDAR可能抑制NR2B的转录活性。

此外，活化神经元可能是通过Mib介导的泛素蛋白酶体系统易化了NR2B的降解，进而限制NR2B水平[48]。

重要的是，这些机制都是增大了活化神经元的NR2A/NR2B比值。

Philpot等[49]的研究还发现，在NR2A敲除小鼠中，不存在视觉经验依赖性NMDAR电流衰减，提示了NMDAR电流减少的原因是由于NR2A/NR2B比值的增加；此外，NR2A敲除小鼠的LTP诱发阈值的刺激频率显著降低，以至于在野生型小鼠中可诱发LTD的1Hz刺激足以诱发LTP。

最近的研究进一步证明[50]，基因敲除或减少NR2A，能够破坏单眼视力剥夺小鼠的视皮质区活性依赖性突触弱化及增强非剥夺眼的突触输入强度，该研究提示单眼视力剥夺后非剥夺眼感觉输入的代偿性增强是基于NR2A/NR2B比值的下降。

据此推测，具有高NR2A/NR2B比值的突触通过限制Ca2+进入细胞内而更支持诱导LTD产生，即如果NR2A/NR2B比值升高，相比之下诱导LTP需要更强的刺激（如高频刺激），而更广泛的弱刺激（如低频刺激）可能能够诱导LTD。

相反地，低NR2A/NR2B比值将会降低LTP 的诱导阈值，使较弱的应答即可升高Ca2+并活化CaMKII至诱导LTP 的水平。

此外，低NR2A/NR2B比值通过NMDARs的刺激应答升高Ca2+浓度，进而能够降低LTD/LTP的转换阈值，这与低NR2A/NR2B比值有
利于LTP诱发的假说相一致。

NMDAR亚基这种调节可塑性诱导的作用在其他脑区也进行了研究。

前述嗅觉学习和睡眠剥夺都能够通过不同亚基的变化增加NR2A/NR2B比值，这与增加的LTP诱发阈值相一致。

4.5 NR3亚基的作用
通过在体及免疫细胞化学研究发现，NR3A分布比较广泛，而NR3B 主要表达于运动神经元。

爪蟾卵中,NR3A或NR3B与NR1亚基组成甘氨酸受体，该受体不受谷氨酸或NMDA的影响，并能够被D-丝氨酸抑制。

此外，NR1/NR3A或NR1/NR3B受体形成了非钙离子通透性通道，因而能够抵抗Mg2+、MK-801、美金刚和竞争性拮抗剂的作用。

尽管甘氨酸通常被认为是一种抑制性神经递质，但这些NR1/NR3A或NR1/NR3B亚基组成的是一种兴奋性甘氨酸受体[51]。

Christian M等的研究发现[52]，拮抗或替代NR1甘氨酸结合位点可增强NR1/NR3受体功能25倍，而抑制或突变NR3甘氨酸结合位点会降低或破坏受体活性。

因此甘氨酸与NR1亚基的结合导致NR1/NR3受体的自身抑制，相反地受体离子通道的开放需要甘氨酸与NR3亚基的结合。

该研究与NR1/NR3受体介导的电流主要基于NR3亚基活化的观点相一致[53]。

Nilsson[54]的研究证实，只有甘氨酸与人类NR3A 亚基具有高亲和力，甘氨酸很可能是NR3A亚基的内源性配体并具有独特的药理学特性。

Tong G等[55]的研究发现，爪蟾卵和哺乳动物细胞系中，与NR1/NR2受体相比，NR1/NR2/NR3受体的NR3A亚基能够降低NMDA受体介导的电流，并降低Mg2+敏感性和Ca2+通透性。

与该结论相一致的是，NR3A 敲除小鼠神经元表现出增强的NMDA受体介导的电流，而NR3A过表达及NR3A转基因小鼠能降低其海马脑片NMDAR EPSCs的Mg2+敏感性。

此外，通过在爪蟾卵中共表达NR3B亚基的研究表明[56]，NMDA受体对麻醉药物（如氯胺酮、异氟烷和N2O）的敏感性并不依赖于NR3B 亚基。

5 展望
幼年期NR2A/NR2B比值的变化是基于NR2A的升高的，随着个体发育NR2A逐步升高或在暗室饲养后给予光暴露可导致NR2A快速上升。

在成年期，该比值可通过多种途径、形式变化，并涉及更高级的经验认知。

行为经验主要影响NR2B表达，但剥夺睡眠后NR2A的升高也有报道[41]。

阐明调控NMDAR亚基组成及其在可塑性中的确切作用机制，将对探索通过适当行为训练缓解年龄相关的认知下降及治疗神经变性疾病的潜在治疗靶点发挥重要的作用。

NMDAR亚基的作用原理及其分别在突触可塑性、学习记忆中的作用
十分复杂。

或许不仅仅是受体性质，还有受体功能背景如细胞、亚细胞的表达定位、与信号级联放大的偶联，共同决定了它们在突触可塑性和学习记忆中的作用。

重要的是，用于检验LTD/LTP修饰阈值或可塑性幅度改变的刺激记录，都可能是基于NMDAR亚基组成。

最后，对于LTP的诱发，钙內流负荷量可能比特定NMDAR亚基的活化起着更重要的作用[57]。