海馬神經元鈣離子通道的研究進展

崔 越 周 敏 周靜文 黃子芮 謝遠龍 (三峽大學醫(yī)學院，湖北 宜昌 443002)

海馬功能的完整不僅依賴于結構的完整，同時也依賴于各種神經遞質的參與及其質和量的正常。鈣離子水平的異常將導致細胞功能障礙，甚至死亡。海馬神經元上的鈣通道與海馬功能的發(fā)揮也有密切關系。L型鈣通道參與神經系統(tǒng)的多種重要生理功能，包括長時程增強和抑制、學習和記憶等，而海馬是實現(xiàn)這些功能的主要腦區(qū)。海馬不同亞區(qū)表達不同的鈣通道亞單位，在將胞外電信號傳遞到胞內轉化為化學信號時發(fā)揮鑒別器的作用，進而調控各種神經功能。不同的電壓依賴性鈣通道在不同的腦區(qū)甚至在同一神經元內均存在不同的分布特征。因此，不同亞型的鈣通道可能參與神經元上不同部位的鈣內流，進而介導不同的鈣相關信號的傳導。

現(xiàn)從海馬神經元的基本離子通道、鈣離子通道與海馬神經元的存活和發(fā)育、藥物干預對海馬神經元的影響、海馬神經元與記憶的關系等方面就有關海馬神經元鈣離子通道研究的新進展做一綜述。

1 海馬神經元的基本鈣離子通道

神經元上的離子通道對神經元基本形態(tài)的維持，以及神經元各種功能的發(fā)揮具有重要意義，各種離子通道是神經元膜表面的重要功能單位。海馬上的離子通道包括鉀，鈉，鈣通道等。鈣通道在其中扮演重要角色，神經元通過電壓依從性鈣通道(VDCCS)的開關來控制不同功能。電生理學和藥理學的研究將VDCCS分成T型、L型、N型、P型、Q型和R型等多種亞型。這些通道亞型是由幾種不同的亞單位組成：包括α1亞單位、β亞單位和α2δ亞單位。L型電壓敏感性鈣通道在海馬錐體神經元的樹突和胞體中都特別集中，該L型鈣通道的電流占細胞總體鈣電流的30%～50%。神經元胞體膜上L型鈣通道是最重要的VDCCS，L型鈣通道不僅在調節(jié)胞質內Ca2+的水平中發(fā)揮重要作用，而且還能將鈣調信號傳至細胞核〔1〕。

2 鈣離子通道對海馬神經元的存活和發(fā)育的影響

2.1 鈣通道介導的鈣電流水平影響海馬神經元的存活 研究表明，海馬神經元的存活依賴經電壓門控性鈣通道(VDCC)中低水平的Ca2+的流入，離子通道的數量或功能變化可能影響神經元的存活，在培養(yǎng)的海馬神經元上，給予L型鈣通道特異性阻斷劑可直接誘導神經元死亡，而給予激動劑Bay K 8644則可對神經元起到保護作用。LI等〔2〕在研究L型鈣通道在腦缺血后海馬神經元遲發(fā)性死亡中的作用中觀察到，神經元的存活可能依賴于適當的細胞內“鈣調定點”。細胞可能有三種不同的Ca2+水平：①低 Ca2+水平，神經元凋亡的危險性高;②中等Ca2+水平，神經元易于存活;③具有細胞毒性的高Ca2+水平，易于誘導神經元壞死。結果表明L型電壓依賴性鈣通道在神經元的存活和死亡中有重要作用，提示缺血后晚期L型電壓依賴性鈣通道活動降低可能是海馬CA1神經元遲發(fā)性死亡的機制之一。楊勝等〔3〕在研究大鼠海馬神經元膜離子通道隨培養(yǎng)時間變化的特點中發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)初期神經元的存活和發(fā)育依賴經VDCC中低水平的Ca2+流入。神經元培養(yǎng)細胞后期，VDCC和NMDA受體電流仍持續(xù)增加，從而引起神經元在興奮過程中大量Ca2+流入，過度的Ca2+流入對神經元會產生毒性，導致存活率明顯下降。表明VDCC和NMDA受體數量的持續(xù)增加與神經元存活率的減少有密切關系。

適當的胞內鈣水平對神經元的存活非常重要，阿爾茨海默病(AD)中選擇性的神經細胞死亡是胞內鈣穩(wěn)態(tài)失調的結果，即L-VSCCs的表達和功能性的改變。L-VSCCs在AD小腦中是沒有改變的，而在AD海馬中保留的神經元L-VSCCs表達增加，過多的L-VSCCs介導鈣流入增多可能使AD神經元更易受損?？紤]到CA1中廣泛的細胞損傷伴隨L-VSCCs增長，推測CA1區(qū)神經細胞可能沒有足夠的胞內Ca2+保護機制。

2.2 鈣通道影響海馬神經元的發(fā)育 L型鈣通道在神經發(fā)育過程中具有重要作用，例如：L型鈣通道在調控神經錐體生長、神經元的遷移、軸突和樹突的延伸、突觸可塑性等方面具有重要作用。隨著海馬神經元的發(fā)育，其離子通道也逐漸發(fā)育成熟，這與海馬神經元的離子通道表達有關。Gage等在培養(yǎng)的大鼠胚胎E16 d的胚胎干細胞(HPCs)上記錄到了電壓依賴性鈣電流，并且有報道電壓依賴性鈣通道參與了HPCs向神經元分化的調控〔4〕。馮錦麗等〔5〕用細胞免疫熒光和免疫印跡的方法研究顯示，海馬神經前體細胞(HPCs)表達L型鈣通道的Cav1.2 a1C和Cav1.3 a1D亞單位，共聚焦鈣成像證明了功能性L型鈣通道的存在，并且利用全細胞膜片鉗技術記錄到了L型鈣電流。以上結果表明成年Wistar大鼠的海馬HPCs可表達功能性的L型鈣通道。L型鈣通道可能在成年HPCs的分裂增殖、遷移或分化中發(fā)揮作用。L型鈣通道的激活可以直接調控一些對神經元的功能和存活必需且重要的基因的表達，如c-Fos，腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)和Bel-2等。

在培養(yǎng)的大鼠海馬神經元上的VDCC的研究中指出：低密度培養(yǎng)的海馬神經元表達出藥理學上多樣化的鈣離子通道族群，包括T、N、L、P/Q型鈣通道，而且不同類型鈣通道的相關比例已經接近先前所描述的在大鼠海馬切片里的類型組成。低密度培養(yǎng)可以作為一個適合的模型用于研究海馬神經元膜鈣通道。

Kelly等〔6〕用放射自顯影法研究老年鼠海馬、內嗅皮質、新皮質上的L型和N型鈣通道。結果表明，并非所有的腦內癲癇高發(fā)區(qū)的L型和N型鈣通道的數量與年齡變化有關，年齡相關的變化在腦內鈣離子生理中可能表現(xiàn)在電壓門控鈣離子通道功能的改變，而不是數量的改變。

在老年大鼠海馬中L型鈣通道的a1D亞基(Cav1.3)表達中的區(qū)域選擇性改變的研究中，Veng等〔7〕指出：L型電壓敏感性鈣通道介導的鈣電流在老年大鼠CA1區(qū)神經元中是增加的。L型鈣通道的a1C和a1D兩種亞基蛋白在幼年和老年大鼠海馬中的表達，發(fā)現(xiàn)了a1D亞基選擇性表達的年齡相關性變化，即在老年大鼠的CA1區(qū)中a1D亞基蛋白是增加的，但在CA3區(qū)是減少的。由此推測，老年動物中鈣電流的改變可能是由L型鈣通道a1D亞基表達的改變產生的。這些發(fā)現(xiàn)有助于對衰老過程中鈣穩(wěn)態(tài)變化機制的理解。

3 藥物干預對海馬神經元鈣離子通道的影響

藥物對海馬神經元的發(fā)生有干預作用，主要是通過影響鈣離子流的變化來實現(xiàn)。Veng等研究表明〔8〕：退行性記憶損傷程度與海馬CA1區(qū)L型鈣通道上的a1D(Cav1.3)蛋白的增加成正比，用尼莫地平(NIM)長期治療可以得到改善。海馬對嚙齒類動物的空間記憶形成非常關鍵。鈣電導的L-VSCC亞單位α1D在老年大鼠CA1區(qū)有選擇性表達的提高，由此推測，過多的Ca2+通過L-VSCC的流入會對記憶的形成造成傷害。于是，他們探索了退行性記憶下降和a1D蛋白質表達的關系，還研究了長期使用L-VSCC的拮抗劑尼莫地平對退行性記憶減退和a1D表達的影響。報告顯示，CA1區(qū)中退行性記憶減退鼠的a1D表達的增加和工作記憶減退程度成正比。結論表明LVSCCs參與了記憶形成的過程。在老年化過程中所觀察到的L-VSCC蛋白和電流的增加會影響退行性記憶減退。另外，由NIM治療對退行性記憶減退帶來的改善可以被調控，至少可以通過減少a1D非正常的高水平表達從而得到控制。這些發(fā)現(xiàn)可以運用在阿爾茨海默病的病人治療上，因為這些病例的海馬中L-VSCC都會升高，同時可以應用到長期使用L-VSCC拮抗劑治療的病人身上〔8〕。

Li等研究表明〔9〕：神經降壓素(NT)可以通過調節(jié)L型鈣通道增強鼠海馬CA1區(qū)的γ氨基丁酸能(GABAergic)的活動能力。NT是一種重要的影響神經元信號和GABAergic信號的神經肽，其機制是NT通過活化GABAergic神經元上NTS1受體來瞬時增加CA1區(qū)GABA的釋放，而且NT通過PLC-PK途徑介導的對L型鈣通道的調節(jié)增加神經元的興奮性。

Chameau等研究表明〔10〕：用糖皮質激素受體綁定于DNA的方法證明糖皮質激素(GC)能顯著增強小鼠海馬CA1區(qū)椎體神經元上L型鈣電流幅度并影響鈣通道亞單位的表達。他們驗證了GC對L型和N型鈣離子通道是否具有選擇性，而且認為基因靶點最終介導了鈣電流的增強。非穩(wěn)態(tài)噪聲分析法顯示增強的電流是由于功能性通道數量的倍增而非大量的單一電導引起的。定量實時PCR揭露小鼠CA1區(qū)的編碼L型和N型鈣通道的Cav1亞基轉錄體并沒有被正調節(jié)，然而β4亞基轉錄體被直接地、持續(xù)地和極大地上調，表明皮質類激素介導的L型鈣通道數量的增加不是僅依靠通道亞基前體形成機制。

Lafourcade等研究〔11〕了由鈣離子對抗物，大麻素類，類罌粟堿，突觸可塑性顯示的GABAA和GABAB受體反應之間的區(qū)別。實驗結果：GABAB反應是由突觸前的N型或P/Q型鈣離子通道釋放GABA的中間神經元引起的，但是它們不受eCBs或內源性大麻素(eCB)介導的長時程增強(iLTD)的限制。GABABIPSPS對阿片受體(μORs)激動劑的壓迫敏感，這個結果表示GABAB反應的主要來源是μOR表達的中間神經元群體，而且，不是所有中間神經元都能產生GABAB反應。CB1R或μOR激動劑可以顯著的改變海馬電路活動的平衡。

突觸前副交感神經系統(tǒng)中的高電壓鈣通道在興奮性或抑制性突觸釋放神經遞質過程中扮演重要角色〔12〕。在研究中，不同劑量的維拉帕米(10、20、50 mg/OR kg)長期抑制L型VDCCs用來評價海馬齒狀回抑制性中間神經元的功能和成對脈沖刺激海馬齒狀回介導的短期可塑性。數據表明，在長期口服治療劑量(50 mg/kg)的維拉帕米以間隔20、30至50 ms的交叉刺激群峰時能促進細胞的興奮性，說明在通道內成對脈沖電位化path-DG突觸在群峰電位振幅頻率差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.01)，而不論何種劑量興奮性突觸后電位斜率沒有顯著差異。齒狀回(DG)神經元的促進作用是通過抑制性中間神經元直接和(或)間接抑制海馬齒狀回谷氨酸的釋放產生的。因此，這些實驗表明，長期使用維拉帕米可影響短期突觸前的可塑性。

4 海馬神經元鈣離子通道與記憶之間的關系

海馬與記憶有著密切的聯(lián)系，腦海馬CA1及CA3區(qū)是學習記憶功能重要的腦區(qū)，與長時程增強(LTP)密切相關。鈣調神經磷酸酶抑制劑他克莫斯(FK506)影響VGCC依賴的長時程增強(LTP)。VGCC依賴的LTP要么被短暫的鉀通道阻滯劑TEA誘導或者被一個在NMDA受體封閉下的強大的強直刺激所誘導。FK506(1～5 μm)在TEA誘導的LTP下產生劑量依賴性的抑制作用，F(xiàn)K506(10 μm)也阻滯強大的強直刺激下誘導的LTP，但是對強直后增強無影響。而低濃度FK506(1 μm)既不抑制又不增強VGCC依賴的LTP。K506對VGCC依賴的LTP有抑制作用。

FK506能阻止海馬上電壓門控鈣通道依賴性的LTP有兩種機制，一種機制是FK506可能影響鈣觸發(fā)的信號轉導。強大的強直刺激可以激發(fā)電壓門控鈣通道并導致Ca2+內流，胞質內的鈣離子濃度升高可以激活鈣依賴的酶級聯(lián)反應，包括蛋白激酶和蛋白磷酸酶。K506極有可能通過抑制鈣調神經蛋白酶的活性來影響下游的信號轉導。另一種機制可能是FK506通過直接減弱VGCC的活性來抑制VGCC依賴的LTP。FK506可通過抑制NMDA受體活性來抑制LTP，可能同樣的機制也存在于VGCC活性的調節(jié)。

有研究表明，神經細胞核內的鈣離子濃度增加將激活導致突觸后結構長效改變的相關基因，這種改變正是學習和記憶的機制。但是鈣離子進入海馬錐體神經元的方式還未知。Fedorenko等研究〔13〕了存在于海馬CA1區(qū)分離的錐體神經元的核膜上的鈣離子通道類型，在這些細胞的內核膜首次發(fā)現(xiàn)了三磷酸肌醇受體(IP3Rs)被≥0.1 μmol/L的三磷酸肌醇活化。海馬CA1區(qū)分離的錐體神經元的核膜在鈣離子直接進入細胞核進行鈣儲備的過程中起重要作用。

用L型電壓門控性鈣通道阻滯劑硝苯地平灌注大鼠海馬可提高記憶力。在大鼠海馬背側的CA1區(qū)進行雙側插管灌注后做逐步下降的抑制回避任務訓練。通過實驗他們得到每一側灌注28或280 ng電壓依賴性鈣通道拮抗劑硝苯地平或其媒介(20%的二甲基亞砜鹽溶液)這兩個不同劑量藥物的鼠訓練0或30 min后進行研究，而且高劑量組在訓練前進行了10 min灌注，訓練24 h后進行一個記憶保持試驗。與對照組相比，最高劑量硝苯地平組訓練之后0 min進行測試，動物的實驗成績提高，低劑量組沒有統(tǒng)計學意義。訓練后30 min給藥或訓練前10 min給藥沒有作用。盡管無法辨別是神經的直接影響還是血管的間接作用，這些結果與之前的益智藥二氫吡啶類鈣拮抗劑的作用一致。這些數據和早期的Lee和Lin描述海馬內硝苯地平的致健忘的效果不一致，這可能是因為劑量不同。這個結果與其他研究者用二氫吡啶、硝苯地平觀察到的倒U型劑量反應曲線相似。

盡管目前關于海馬上鈣通道的研究有一定進展，海馬上鈣通道在海馬神經元存活和發(fā)育中都扮演重要角色，藥物干預也可影響海馬功能，但是目前很多具體機制還處在研究階段，海馬神經元在學習和記憶中的作用機制還有待進一步研究。

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