学习与记忆的分子基础

1、第八章 学习与记忆的分子基础 大脑的学习记忆部位主要是大脑皮质联合区、海马及临近结构、丘脑、下丘脑等脑区，记忆的主要单位是神经系统的突触部位。 第一节 学习记忆中LTP发生的精微区域 在学习记忆信息加工储存过程中，来自不同感受器的信息，通过各自的信息通道存储在脑的不同部位，从而形成不同的记忆形式，如瞬时记忆、短时记忆、长时记忆等。 瞬时记忆是在感觉信息从感受器到达相应脑皮质区之间流动过程中形成的，主要是把刺激信号转化成电信号。 到达大脑皮质后，如果继续活动，就会转化成工作记忆，记录在相应脑区；如果需要继续加工，则通过该区的皮质向额叶传递，在此过程中，也可以产生一定的运动效应，经过额叶加工后，还

2、可以进一步输出运动信息或者进行更深入的加工形成长时记忆。 要产生长时记忆，则边缘系统(limbic system)的作用是很关键的。边缘系统包括海马(hippocampus，在颞叶)、杏仁核(Amygdala ,在颞叶)和边缘皮质(limbic cortex，和脑干结合)。 1.1 海马区域 在与学习记忆有关的脑区中，海马结构的作用显得特别突出，尤其在短时记忆过渡到长时记忆的过程中起着重要作用，人们就是通过对海马结构与功能的研究，才发现了LTP现象的。 海马的不同区域参与不同类型的学习和记忆，海马CA3区可能与长时记忆有关，CAl区可能与分辨学习有关。其信息途径：齿状回是海马的传入门户，主要有

3、颗粒细胞；它接受内嗅区的传入纤维，发出苔醉纤维（图中是苔状纤维）到CA3区，其轴突又组成了海马的传出纤维与CAI区锥体细胞形成突触，CAI区发出的纤维又回到内嗅区，形成一个连续的四级神经元突触联系环路，又叫三突触回路，它与长时记忆功能及LTP的形成有关。 在海马结构的三突触回路中，Glu是主要的神经递质，Glu在海马内主要有2种受体，即NMDA和非NMDA，而Glu与它们的相互作用，正是LTP形成并保持的分子机制。 1.2 松仁核 褪黑素（melatonin,MLT）是杏仁核合成和分泌的一种吲哚类神经激素，褪黑素对持续光照或药物引起的学习记忆障碍有改善作用。褪黑素可缩短大鼠嗅觉群体记忆的识别时

4、间，据此认为褪黑素对学习记忆有增强作用。杏仁核源性褪黑素具有提高大鼠在Morris水迷宫的学习记忆能力。去杏仁核使体内褪黑素减少，可导致学习记忆功能及SVZ神经干细胞增殖能力出现相似的明显下降趋势，褪黑素替代治疗后可使上述指标出现相似的明显升高趋势并接近正常水平。提示褪黑素可能通过作用于局部神经干细胞以及星形胶质细胞上的相应受体的机制来促进神经干细胞增殖，进而提高学习记忆能力。 杏仁核中与学习记忆和LTP现象直接相关的分子除了上述的褪黑素（melatonin,MLT）外，尚有MAPK、PI-3 kinase、Akt、PTEN和Calcineurin等。杏仁核中PI-3 kinase 、MAPK

5、与Akt的磷酸化水平上升，有利于脑的长时记忆以及LTP现象的产生；PTEN是一种同时具有蛋白去磷酸酶与脂质去磷酸酶双重作用的蛋白质，它会去磷酸化PI-3 kinase产物phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate (PIP3)的D3位置，而负向调控了PI-3 kinase路径的进行；蛋白磷酸酶Calcineurin（CN）是导致Akt磷酸化降低的原因，因而也可以负调节杏仁核在学习记忆中的作用。 另外，杏仁核还是情绪方面的总管；事实上杏仁核与所有强烈的情感有关。可见人脑有两套记忆系统，一套记忆一般事物，一套记忆具情绪意涵的事物。也就是说，与情绪相关的学习记忆反

6、应是属于杏仁核区的神经所进行的。 1.3 前额叶（老年记忆障碍） 额叶是大脑发育中最高级的部分，它包括初级运动区、前运动区和前额叶(prefrontal corte,PF)，其中PF与认知功能关系密切。PF与大脑其它区域有着密切关系。PF和所有的感觉区都有往返的纤维联系，其眶后部和腹内侧部有投射到海马旁回和海马前下脚的纤维，组成了内侧颞叶-间脑系统的一部分；PF与纹状体、杏仁核、颞叶、枕叶和顶叶等脑区的联系也很密切，因此，PF与多种感觉信息的加工、记忆、思维及情绪等脑的高级功能有关。 第二节 LTP、LTD与学习记忆的关系 长时程增强(long-term potentiation， LTP)是

7、当以一个或几个频率为1020Hz，串长为1015S或频率为100Hz，串长为34S的电刺激为条件刺激时，继后的单个刺激，在海马的齿状回中，会引起群峰电位和群体兴奋性突触后电位的振幅增大，群体峰电位的潜伏期缩短，并且这种易化现象可持续10小时以上，于是将这种现象称LTP；即LTP是指给突触前纤维一个短暂的高频刺激后，突触传递效率和强度增加几倍且能持续数小时至几天保持这种增强的现象。 LTP的形成和维持是突触前和突触后机制联合作用产生的，并且以突触后机制为主。关于LTP形成的突触后机制与N-甲基-D-门冬氨酸(NMDA)受体,及该受体激活后的细胞内级联反应密切相关。近年来研究表明，-氨基羟甲基恶唑

8、丙酸(AMPA)受体在LTP的表达中也发挥重要作用。另外，代谢型谷氨酸受体(mGluRs)可以与G蛋白偶联，通过细胞内多种信使系统介导慢突触传递，在LTP的诱发中起重要的调节作用。而且， LTP的形成和维持还需逆行信使的参与。 LTP有三个基本特征：协同性（Cooperativity）：诱导LTP需要很多纤维同时被激活；联合性（Associativity ）：有关的纤维和突触后神经元需要以联合的形式一起活动；特异性（Input-Specificity）：所诱导的LTP对被激活的通路是特异的，在其他通路上不产生LTP。 按LTP的时程分PTP，强直后增强，一般5分钟后衰减；STP，短时程增强，持

9、续半小时左右；，LTP长时程增强，持续一小时以上。 与LTP相对应的是LTD(long-term depression)，它指的是突触传递效率的长时程降低，对单个刺激不敏感的现象。 从神经系统活动的原则来看，要组成一个能学习的神经网络，LTP和LTD都是必不可少的。活动依赖性的LTD有两种不同的形式：异突触压抑和同突触抑制。异突触LTD是指由于其他强的输入的激活，使细胞上其他未激活的输入系统受到压抑，在海马和新皮层均能诱导产生异突触型的长时程压抑效应；而同突触LTD则是在同一通路上产生压抑。 第三节 CaMKII与学习记忆的关系 1971年，Giacobini提出了突触可塑性学说，认为突触不是

10、静止的、固定的结构，甚至在发育成熟的神经系统内，突触都能发生适应性变化。后来大量实验证明：在学习和记忆过程中，脑内突触的结构和数量都有变化。例如：发现迷宫训练后的成年大鼠枕部皮层椎状细胞上有更多的突触生成。于是，人们推测：突触是记忆的贮存部位。 对于记忆的分子机制，Lisman提出假设：突触部位有一群激酶分子，在学习时通过磷酸化而被激活，活化的激酶分子再催化自身磷酸化，从而使激酶分子在学习结束后很久仍能保持活化状态。 后来发现，CaMK具有这一特性，即 Ca 内流引起 CaMK磷酸化而被激活，活化的CaMK自身磷酸化。因此，即使脑内Ca 下降后，CaMK仍能保持活化状态。于是，人们推测 CaM

11、K可能是记忆的分子基础之一。 3.1 在LTP诱导过程中，CaMK的活化 在海马脑片诱导LTP，然后在体外无Ca 情况下检测CaMK酶活性，发现诱导LTP后CaMK活性增加，并且可以持续至少一小时以上。诱导LTP，CaMK自身磷酸化增加。 3.2 诱导LTP，必须有CaMK参与 敲除小鼠的CaMK亚基的基因，发现海马和新皮层的细胞形态、体重和电压依赖性NMDA受体通道功能都正常，但海马脑片上不能诱导出LTP。 3.3 CaMK参与LTP的诱导和维持的分子机制 自身磷酸化后的CaMK移向突触后致密物(PSDS)，并聚集在那里，进一步研究发现，活化的 CaMK结合于NMDA的NR2B亚基上，CaM

12、K自身磷酸化后与 NMDA和NR2B的亲和力增加。Leonard等研究表明，因为NMDA而活化的CaMK与NMDA受体NR1和NR2B亚基结合，就使得CaMK不仅可以靠近NMDA，也能靠近AMPA受体，从而使后者磷酸化。 一个模型：神经冲动引起谷氨酸受体(NMDA受体, AMPA受体)活化，进而使与谷氨酸受体偶联的Ca 离子通道开放，Ca 离子进入胞内，胞内Ca 离子浓度增加，从而激活 CaMK。CaMK自身磷酸化变为不依赖Ca 离子的活化状态。活化的CaMK起以下作用：活化的CaMK磷酸化gK (Ca )或其他离子通道，从而改变神经元的兴奋性，这可能是LTP的基础；活化的CaMK移向谷氨酸受

13、体，对受体进行磷酸化，从而进一步活化谷氨酸受体或者使其失活，以调节这一过程处于最适水平；活化的CaMK磷酸化中间纤维等成分，从而改变神经元的形态，突触的数量及结构。 第四节 LTP与学习记忆有关的受体 4.1 NMDA受体及其在LTP中的作用 4.1.1 NMDA受体(NMDAR)的特征 现已发现NMDAR至少存在7个亚单位，即1种NR1亚单位、4种NR2亚单位(NR2A、NR2B、NR2C和NR2D)以及2种NR3亚单位 (NR3A和NR3B)。 NR 1广泛分布于中枢神经系统，以海马、大脑皮质、小脑最丰富。 对不同年龄组海马脑片的电频刺激后，检测NR1表达发现在青年大鼠海马区该受体表达显著

14、增高，而老龄大鼠无明显变化。可见NR1的表达量具有年龄相关性和一定程度的可塑性。 4.1.2 NMDA受体在LTP 中的作用 神经海马发育早期，谷氨酸能神经元内的NMDA受体即可参与 LTP的建立，一定强度和频率的电刺激，可使谷氨酸能突触的后膜去极化移开阻止Ca2+内流的Mg2+，使NMDA受体通道复合体的Ca2+通道开放，Ca2+内流并触发神经元内一系列生化反应，最终改变突触后膜的性质，继而建立了LTP。 4.1.3 NMDA受体激活后的细胞内级联反应 当递质与NMDA受体结合后，通道打开，Ca2+内流，胞内Ca2+浓度升高，继而触发一系列生化反应。 首先，以G蛋白为中介，激活磷脂酶C，催化

15、磷酯酰肌醇水解为三磷酸肌醇(IP3 )和二乙酰甘油(DAG)。 第二，以IP3和DAG作为细胞内第二信使，引起细胞内继发效应。IP3刺激内质网释放出Ca2+，从而使细胞内Ca2+水平进一步升高； DAG则在Ca2+的存在下，激活蛋白激酶C(PKC)，激活的PKC不仅可加强Ca2+依赖性Glu的释放，提高突触后膜对递质的敏感性，而且能增强Ca2+通过电压依赖性通道进一步内流入细胞。 第三，PKC使蛋白质磷酸化，并修饰核转录因子，转录因子的修饰促使早期诱导基因的表达，进而影响核内相关靶基因的启动和转录，导致突触后神经元产生LTP生理效应。 4.1.4 NR1亚基在学习记忆中的作用 海马对人类和动物

16、的学习记忆过程发挥重要作用。在解剖学上，海马可分为不同的3个主要区域：CA1区、CA3区和齿状回 (DG)。海马依赖性记忆的范围是全局性的，即包括所有的感觉模态的形成和空间、非空间信息的组合。 NMDA依赖性的突触可塑性是学习记忆形成的重要机制。 4.2 AMDA受体及其在LTP中的作用 4.2.1 AMPA受体的特性 AMPA受体是由GluR1GluR4四个亚型组成的复合物，每个复合物都存在4到5个亚型。突触膜上AMPA受体是可以迁移和定位的。 在高频刺激海马CA1区或其他兴奋性突触诱导LTP产生过程中，突触后膜去极化，NMDA受体通道开放，细胞内Ca2+ 持续升高，Ca2+与CaM 结合激

17、活CaMK，AMPA受体亚型GluR1被磷酸化，AMPA受体从非突触位点，如细胞内或邻近的突触外膜，重新分布到突触部位。 4.2.2 AMPA受体在LTP中的作用 实验发现LTP的产生会引起AMPA受体与递质的结合量增加，这表明LTP的表达可能与AMPA受体在静寂突触上的再现有关。 AMPA受体能通过胞饮和胞吐作用在细胞质和细胞膜表面循环。 AMPA 受体通过构成性通路和维持性通路两条调节机制插入和移出突触。构成性通路处于非激活状态时，没有突触可塑性形成。一旦激活，迅速产生瞬间兴奋；维持性通路则始终处于激活状态，维持受体的转化。前者被认为有助于记忆的形成，而后者有助于记忆的巩固。通过激活依赖性

18、构成性通路，受体插入突触后膜引起AMPA受体数目增加，这个过程是一个或几个突触受体数目改变导致的“瞬间激发”引起的。 相反，维持性通路是突触后膜上已存在受体的重分布，这个过程中受体数目不增加也不减少，但会维持已有的结构和信息，突触后细胞膜形态学的改变与突触效能增强密切相关，而AMPA受体插入可引起突触PSD结构改变，明显增强突触效能。 LTP就是通过突触后细胞内Ca2+浓度的升高及各种信号级联反应的激活形成的。在LTP产生的分子机制中，Ca2+通过NMDA受体通道进入细胞内，迅速激活CaMK，在持续激活状态CaMK可直接磷酸化AMPA受体G1uR1亚型丝氨酸残基。AMPA受体特别是G1uR1

19、亚型磷酸化，可增强AMPA受体介导的单通道传导增强。而且，AMPA受体介导的单通道传导增强也可在LTP诱导后产生。故LTP可能是通过CaMK介导AMPA受体G1uR1亚型磷酸化而产生的。 4.2.3 AMPA受体在小脑LTD 信号传导级联反应 海马脑区的认知性学习记忆功能，主要通过海马细胞上的 NMDA 受体及其神经细胞突触的LTP来实现；而小脑运动性学习记忆则主要是通过小脑蒲肯野氏细胞上的AMPA受体及其突触的LTD来完成学习记忆过程。 4.2.4 AMPA受体与学习记忆 小脑的学习记忆是与AMPA有着相当密切的关系。小脑的学习记忆形式是运动性学习记忆，它是快速、准确地完成各种复杂运动所必需

20、的学习和记忆过程，是区别于大脑海马认知性学习记忆的另一种重要的学习记忆类型。 大脑海马的认知性学习记忆功能主要通过海马细胞上的NMDA受体及其神经细胞突触的LTD来实现；而小脑运动性学习记忆的机制则主要是通过小脑蒲肯野氏细胞上的AMPA受体及其突触的LTD来完成学习记忆过程的。 4.3 代谢型谷氨酸受体（mGluRs）及其在LTP中的作用 4.3.1 mG1uRs的特征 mG1uRs是G蛋白偶联受体，根据氨基酸序列的同源性及细胞内信号传导机制的不同等，可将其分为3组8个亚型。 mG1uR1和mG1uR5为第一组，与PLC偶联，PLC激活后促使PI水解成为IP3和DAG，使细胞内钙库释放Ca ，

21、并激活PKC； mG1uR2和mG1uR3为第二组，与AC偶联； mG1uR4、mG1uR6、mG1uR7和mG1uR8为第三组，也与AC偶联。 第一组mG1uRs在CA1区的突触后膜上很有规律的地排列于突触周围区域靠近NMDA受体的部位，通过一分子骨架交联在一起。这种结构在突触传递的可塑性中有重要作用。 GluR主要有两种形式，一种为3-TM型，NH2端和COOH端分别在膜的两侧，另一种是4-TM型，NH2端和COOH端在膜的一侧（图8）。 4.3.2 mG1uRs在LTP中的作用 mG1uRs与G蛋白偶联，通过细胞内的多种信使系统介导慢突触传递。mG1uRs广泛分布于脑内，它激活后可调节神

22、经元上Ca 、K 等重要的离子通道和-氨基丁酸受体A型及离子型谷氨酸受体(如NMDA受体)等，从而在LTP的诱发中发挥重要作用。 4.4 钙调磷酸酶（CN）及其在LTP中的作用 钙调磷酸酶(calcineurin，CN)是一种由细胞内钙调控的丝/苏氨酸蛋白酶，研究证明CN参与了神经元突触的可塑性、神经突起的生长。 发现CNA在大脑皮层、海马、纹状体有高表达，在小脑、中脑、脑干有低表达。提示CNA选择性地参与了突触的去增强效应，CNA可能选择性地参与了海马的LTD形成。CN参与了短期记忆转变为长期记忆的过程。 胞内Ca 浓度升高从而使CaM与CN结合，激活CN的蛋白磷酸酶活性，将蛋白磷酸酶1(P

23、P1)的调节物抑制物-1(I-1)去磷酸化，使之对PP1的抑制作用消失。失去抑制物的PP1使其底物之一：磷酸化的cAMP反应元件结合蛋白(CREB)脱磷酸失活，使cAMP反应元件(CRE)依赖的基因表达与CREB失偶联，最终导致对记忆形成的反向调节。 第五节 神经细胞粘附分子与学习记忆 记忆的形成阶段包含着神经元突触的可塑性变化过程。神经细胞粘附分子( neural cell adhesion molecules，NCAMs)可同时增进突触的可塑性和维持突触结构的稳定性, 神经细胞粘附分子对与学习和记忆相关的过程起着一定的调节作用。 有几方面的事实支持NCAMs在突触可塑性和记忆中的作用：a）

24、在那些持续性突触发生和可塑性的脑区,有与轴突在发育阶段生长类似的特征性的NCAM的表达；b）在突触可塑性和学习中可检测到NCAMs的表达或翻译后修饰作用；c）特异的针对NCAMs或相应合成多肽的抗体可阻止LTP 或记忆的产生；d）转基因小鼠中抑制NCAMs的表达导致学习和记忆障碍。 在神经元发育过程中，NCAMs 不仅在神经元的识别和粘附中有重要的作用，而且在神经元突触的生长过程中也发挥重要作用。 许多证据表明NCAMs可能是通过调节第二信使的水平来影响神经元的功能的。也就是说NCAMs对神经元的作用与信息传导过程有关。 许多研究还表明，唾液酸多聚体（PSA）是NCAMs功能的关键调节因子。从

25、胚胎脑中分离出的NCAMs含大量PSA，PSA的表达同相应的神经元可塑性变化有着一致的时序。PSA可促进神经元生长并可能参与信号的传导机制；出生后，其表达在中枢神经系统被下调；成年时PSA在神经元可塑性较大的区域(比如海马)维持着较高的表达水平。 大量证据表明LTP和记忆产生过程伴随着突触形态的变化和数目的增加。NCAMs在LTP 和记忆伴随的突触重建过程中起着非常活跃的作用。 第六节 MAPK级联信号通路与LTP 丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated p roteinkinases，MAPK)级联信号通路是介导细胞反应的重要信号系统，能够对多种细胞生长因子和促进有丝分裂物质

26、作出反应，把细胞外信号从细胞表面传导到细胞核内部,在细胞的增殖和分化过程中发挥重要的作用。在中枢神经系统中，成熟神经元几乎不再增殖和分化，但是MAPK及其上游调节物质和下游作用分子仍然广泛分布存在。近年来的研究表明，MAPK对LTP以及学习记忆过程具有重要的调节作用。 MAPK与海马LTP及突触可塑性 在对学习记忆相关的行为学实验以及LTP的诱导和维持的研究中发现，作用于MAPKs的一些工具药物可以影响实验动物的学习记忆能力，并可以影响海马LTP的诱导和维持；作用于不同MAPKs亚族的工具药物对LTP的影响又不尽相同。 第七节 逆行信使及其作用机制 一般来讲，神经信号传递方向是从突触前到突触后

27、，而在大鼠海马LTP产生和维持中，研究者观察到信息的从突触后到突触前的跨突触逆行传递，如蛋白质、K+、膜磷脂代谢产物(花生四稀酸、血小板活性因子)、气体分子NO和CO等，都可自由通过胞膜到达突触前膜，它们被认为是对突触前递质释放起加强作用的逆行信使。 将外源性的NO和CO直接施入海马脑片，观察对神经细胞内电位的影响。结果发现，给脑片施加弱的强直刺激的同时，给予NO或CO，可使这一强直刺激发出的突触电位快速、长时程地增大。这一长时程增强效应在空间上限于被激活的突触前纤维的突触，并能阻断由强的强直刺激所产生的LTP。NO和CO的这一增强效应不能被NMDA受体阻断剂所阻断，可见NO和CO是逆NMDA

28、受体发挥作用的。 7.1 CO与长时程增强(LTP) 海马LTP作为突触形成的模式已被广泛接受，LTP承担学习和记忆的一定形式，干扰LTP的形成就能干扰学习和记忆。内源性CO的产生至少有两条途径：大部分来自依赖还原型辅酶-(NADPH)的血红素氧化分解；少部分来自有机分子如酚、组织、脂肪的依赖NADPH的微粒体脂质过氧化，后一途径产生的CO是否有生理作用，以及是否能被细胞调节，尚不清楚。 CO参与海马LTP的形成，参与学习和记忆过程；血红素加氧酶-1(HO-1)的抑制剂锌原卟啉( ZnPP-9)可阻断成年豚鼠海马CA1区LTP的形成，并能消除以往已形成的LTP。 ZnPP-9主要是通过与HO活

29、性位点结合，抑制HO活性，进而不能产生CO，并以剂量依赖方式阻断LTP的形成，证明CO作为逆向信使参与LTP的形成，可能与突触前增强和局限的突触后效应有关。 7.2 NO与长时程增强(LTP) 中枢神经系统内，内源性的NO是在NOS催化L-精氨酸生成瓜氨酸而释放的。NO作为逆行信使，符合三个基本条件：在突触后神经元内产生，抑制该物质生成的方法亦能抑制LTP的形成。已有资料表明海马突触后锥体细胞的胞体和树突中存在一氧化氮合酶(Nitric Oxide Synthase, NOS)；必须从突触前扩散到突触后，并作用于突触前位点；该物质作用迅速具备短距离作用的特征以保证LTP产生的突触特异性。 NO是一种半衰期只有46 秒的高度可溶性跨膜气体,可保证其作用的快速有效与特异性