哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中電突觸功能的研究進(jìn)展

孫旭璐

(山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南250100)

機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)中電突觸最常見的形式為間隙連接，其他形式的電突觸也有報道［1］。目前研究認(rèn)為［2～4］，電突觸最主要也是最基本的功能在于同步化神經(jīng)元的活動，隨著在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域相繼發(fā)現(xiàn)電突觸，有關(guān)它其他功能的證據(jù)與推測也愈發(fā)豐富。但相較于化學(xué)突觸，電突觸的研究仍然處于起步階段，它與化學(xué)突觸并行存在的意義也尚無定論。電突觸在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中可能具有先導(dǎo)作用，與腦神經(jīng)環(huán)路的形成密切相關(guān)。了解哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程，是向揭示人神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程更進(jìn)一步，從而能夠研究神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常所造成的疾病，例如小兒癲癇、智力發(fā)育遲緩等，假如這些疾病是由于電突觸形成過程中某些信號通路發(fā)生異常，則這些信號通路可能成為藥物作用的理想靶點，從而幫助治療這些神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的相關(guān)疾病，至少可能緩解癥狀。

1 電突觸的細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

電突觸存在的主要形式為間隙連接，相鄰一對細(xì)胞的間隙連子的6個亞基彼此對接形成細(xì)胞間通道，容許離子(主要為K+)、小分子代謝物及胞內(nèi)信號分子等通過［5］。間隙連接蛋白有多種，但在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中最為常見的是縫隙連接蛋白36(Cx36)［6］，所以Cx36是哺乳動物電突觸定位、功能研究的重要參考指標(biāo)之一。此外，也存在非間隙連接的電突觸:某些抑制性電突觸的突觸前神經(jīng)元可通過正電荷外流而增加周圍環(huán)境中神經(jīng)沖動形成區(qū)域的正電性，引起附近神經(jīng)元的超極化從而降低該區(qū)域神經(jīng)元的興奮性［1］。

2 電突觸的功能

2.1 信號傳導(dǎo) 由于電流可通過間隙連接在兩細(xì)胞間流動，電突觸最基礎(chǔ)的功能在于電信號傳導(dǎo)。電突觸的電信號傳導(dǎo)具有低通濾波器的特征，突觸后電位與突觸前電位相比會有延遲和弱化且形成電突觸的兩細(xì)胞對電刺激的反應(yīng)有時是非對稱的［5，7，8］。在信號傳導(dǎo)方面，電突觸相較于化學(xué)突觸的最大優(yōu)勢在于迅速、低延遲，這在變溫動物快速應(yīng)激反應(yīng)中尤其有效，如海兔避敵時釋放墨汁的反射。但這一特征在恒溫的哺乳動物體內(nèi)卻顯不出太多優(yōu)勢，因為較高的體溫可以縮短化學(xué)突觸的信號延遲時間［5］。而電突觸的非對稱性暗示了電突觸不僅僅在信號傳導(dǎo)，且在信號篩選與整合方面的作用。哺乳動物視網(wǎng)膜部位的桿狀A(yù)Ⅱ細(xì)胞間、桿狀A(yù)Ⅱ細(xì)胞與給光型雙極細(xì)胞間可形成間隙連接的電突觸，且后者的電突觸在電信號傳遞上是非對稱的，即電信號并非完全對稱地在雙向傳導(dǎo)，而是更傾向于從桿狀A(yù)Ⅱ細(xì)胞傳遞至給光型雙極細(xì)胞。這也許可以防止不同的給光型雙極細(xì)胞過度向同一個桿狀A(yù)Ⅱ細(xì)胞傳遞電信號，從而避免引起電信號傳遞混亂［9］。

2.2 神經(jīng)元同步化 哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)新皮層、海馬、丘腦網(wǎng)狀核等結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元常產(chǎn)生同步化、節(jié)律性的電位活動［2～4］。這種電位活動常稱為振蕩，產(chǎn)生于神經(jīng)元本身，但神經(jīng)元間振蕩的同步化卻主要由于突觸聯(lián)系［5］。有研究發(fā)現(xiàn)，新皮層的低閾值放電(LTS)中間神經(jīng)元在代謝型谷氨酸受體激動劑的作用下可產(chǎn)生高度同步化的節(jié)律性尖峰振蕩［4］，當(dāng)敲除小鼠LTS細(xì)胞的Cx36基因時，這些細(xì)胞仍能產(chǎn)生與原頻率相同的振蕩，但神經(jīng)元間的聯(lián)系大大減弱，且同步化大幅減退［10，11］。丘腦網(wǎng)狀核的抑制性中間神經(jīng)元間的電突觸聯(lián)系可增強(qiáng)其振蕩電位的同步性，在Cx36敲除小鼠中，中間神經(jīng)元的突觸聯(lián)系衰退，但電位的振蕩特征卻基本未受影響［11］。原位雜交及免疫標(biāo)記實驗結(jié)果顯示下橄欖核神經(jīng)元中高度表達(dá)Cx36，基因敲除實驗證明了Cx36 參與細(xì)胞間振動的同步化［5，12］。

神經(jīng)元同步化的重要結(jié)果之一在于形成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)眾多神經(jīng)元的信息在一個彼此聯(lián)系的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中匯集時，單個神經(jīng)元的干擾會大大弱化，可以提高視覺分辨率［1，13］。此外，以一定頻率同步振動的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能參與大腦皮層信息編碼，目前研究較多的為視覺信息與嗅覺信息編碼［14，15］。對神經(jīng)元同步化程度的調(diào)控還可能與生理狀態(tài)(如睡眠到清醒)的切換有關(guān):丘腦網(wǎng)狀核的抑制性中間神經(jīng)元間可以電突觸聯(lián)系(如前所述)，代謝型谷氨酸受體激動劑能有效削弱此種聯(lián)系，使單個神經(jīng)元對刺激更為敏感，這恰好與個體從睡眠到清醒狀態(tài)的切換相關(guān)聯(lián)［16］，而大腦皮層的興奮程度直接受丘腦的控制。

也有研究顯示，Cx36敲除小鼠在行為表型上與野生型相比并無突出變化，于是研究人員推測Cx36介導(dǎo)的電突觸形成對小鼠的生存能力無關(guān)鍵性影響［5］。但對生存優(yōu)勢的評價標(biāo)準(zhǔn)因人而異，電突觸改變而帶來的小鼠某些行為上的變化也可能未能有效識別，同時僅針對單一基因的敲除來判斷細(xì)胞甚至整個個體行為的變化是很不可靠的。

2.3 學(xué)習(xí)與記憶 動物的學(xué)習(xí)與記憶功能與神經(jīng)系統(tǒng)電突觸具有的選擇性與可塑性有關(guān)。其選擇性首先取決于間隙連接子的“兼容性”，不兼容的間隙連接子一般不可對接形成間隙蛋白，兩細(xì)胞間也就無法形成電突觸聯(lián)系。此外，細(xì)胞黏附分子與膠質(zhì)細(xì)胞也可能與間隙連接的選擇性有關(guān)，前者促進(jìn)細(xì)胞的接觸，后者使細(xì)胞彼此排斥［5］。不同類別的中間神經(jīng)元間不會形成電突觸，即使它們的樹突或軸突分枝有交叉。最后最重要的是，電刺激小鼠丘腦網(wǎng)狀核神經(jīng)元可以改變?nèi)ル娡挥|聯(lián)系的強(qiáng)度:對電突觸聯(lián)系的一對網(wǎng)狀核神經(jīng)元施加電刺激可使其產(chǎn)生長期抑制，且抑制效果對稱;如僅施加在其中一個細(xì)胞上的電刺激則會引發(fā)不對稱的長程增強(qiáng)效應(yīng)(LTP)和長程抑制效應(yīng)(LTD)［17］。LTP 和 LTD 正是目前理論研究公認(rèn)的學(xué)習(xí)與記憶的基礎(chǔ)。

可見電突觸參與了動物的學(xué)習(xí)與記憶過程。研究發(fā)現(xiàn)，阻斷大鼠背側(cè)海馬神經(jīng)元后，大鼠對恐懼的學(xué)習(xí)與記憶能力衰退［17］。

2.4 電突觸具有促神經(jīng)通路發(fā)育及成熟的作用長久以來一直有電突觸的形成對神經(jīng)通路發(fā)育成熟有重要作用的假說［18～20］。人為削弱小鼠運(yùn)動神經(jīng)元間的電突觸聯(lián)系可以加速其神經(jīng)肌肉接頭的消失［19］;嗅球中，通過Cx36間隙連接的僧帽細(xì)胞可能是谷氨酸能突觸環(huán)路正常形成所必需的［20］。研究發(fā)現(xiàn)，在哺乳動物出生后不久(發(fā)育早期)，多種神經(jīng)元如大腦皮層錐體細(xì)胞、皮層底板神經(jīng)元、丘腦中間神經(jīng)元等多以電突觸聯(lián)系，但這種聯(lián)系強(qiáng)度隨發(fā)育而下調(diào)，漸被發(fā)育成熟的化學(xué)突觸聯(lián)系所取代［21～24］。推測出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是:①間隙連接有利于營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子等在細(xì)胞間的迅速傳遞，促進(jìn)了細(xì)胞生長;②筆者認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中存在大量抑制性神經(jīng)元(如γ-氨基丁酸能神經(jīng)元)，假如兩個抑制性神經(jīng)元需要在發(fā)育過程中相互加強(qiáng)聯(lián)系，是難以通過化學(xué)突觸聯(lián)系實現(xiàn)的(除非神經(jīng)元，如嗅覺神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，胞內(nèi)氯離子濃度高于胞外從而變抑制為興奮作用)，因為這兩者間的抑制作用會弱化突觸聯(lián)系，在發(fā)育過程中會被其他興奮程度高的突觸所淘汰，因此電突觸在發(fā)育早期可能替代化學(xué)突觸加強(qiáng)和維持兩抑制神經(jīng)元間的聯(lián)系。

現(xiàn)在，已經(jīng)有實驗室發(fā)現(xiàn)了電突觸在小鼠大腦新皮層發(fā)育過程中，由同一放射狀膠質(zhì)細(xì)胞連續(xù)不對稱分裂形成的興奮性神經(jīng)元(稱之為姐妹神經(jīng)元)在形成化學(xué)突觸前會以電突觸相互聯(lián)系，而非姐妹神經(jīng)元間則不表現(xiàn)出這種傾向性，并且抑制這種電突觸聯(lián)系可以明顯減弱之后姐妹神經(jīng)元間化學(xué)突觸的形成，但是比較有趣的是，電突觸的聯(lián)系在化學(xué)突觸形成之前就消失了［25］。姐妹神經(jīng)元在形成電突觸前是怎樣相互識別的?是否表達(dá)了特殊的可相互識別的細(xì)胞黏附因子?在電突觸消失后化學(xué)突觸形成前是什么維持了姐妹神經(jīng)元間的聯(lián)系?抑制性神經(jīng)元間是否也通過這樣的電突觸聯(lián)系建立起發(fā)育早期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?這些問題都需要進(jìn)一步的研究。然而不論如何，這一實驗的成功都對以電突觸的構(gòu)建過程為基礎(chǔ)從而研究哺乳動物大腦環(huán)路的形成帶來曙光。同時，在認(rèn)識大腦環(huán)路形成的基礎(chǔ)上，可以更進(jìn)一步研究神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常所造成的疾病，例如小兒癲癇、智力發(fā)育遲緩等。假如這些疾病在細(xì)胞層面上伴隨著神經(jīng)元電突觸形成過程中某些信號通路的異常，則這些信號通路可能成為藥物作用的理想靶點，從而幫助治療這些神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的相關(guān)疾病。

總之，電突觸是神經(jīng)元之間(神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞間亦存在)有別于化學(xué)突觸的一種連接方式，主要通過間隙連接實現(xiàn)。細(xì)胞間的間隙連接蛋白形成通道，將細(xì)胞緊密聯(lián)系在一起，同時允許電流及小分子的通過。電突觸聯(lián)系的神經(jīng)元可以參與直接的電信號傳導(dǎo)(一般顯示抑制性)以及神經(jīng)元活動的同步性;電突觸的選擇性與可塑性暗示其可能在學(xué)習(xí)與記憶中發(fā)揮作用;電突觸在哺乳動物個體發(fā)育過程中先于化學(xué)突觸產(chǎn)生又于化學(xué)突觸成熟后強(qiáng)度衰退，表明其在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的先導(dǎo)作用。并且，神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常導(dǎo)致的疾病大多直接關(guān)系到個體的學(xué)習(xí)與記憶能力，所以這兩個與電突觸相關(guān)的研究方向假如能夠融合，可能會有更新的發(fā)現(xiàn)，從而幫助治療與兒童學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。而當(dāng)哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)形成成熟的化學(xué)突觸后，由于化學(xué)突觸亦參與電突觸參與信號傳遞和神經(jīng)元同步化等活動，那么相較于發(fā)揮主要功能的化學(xué)突觸，電突觸也許只起到精細(xì)調(diào)節(jié)的功能。

［1］Korn H，Axelrad H.Electrical inhibition of Purkinje cells in the cerebellum of the rat［J］.Pro Natl Acad Sci USA，1980，77(10):6244-6247.

［2］Beierlein M，Gibson JR，Connors BW.A network of electrically coupled interneurons drives synchronized inhibition in neocortex［J］.Nat Neurosci，2000，3(9):904-910.

［3］Bragin A，Jando G，Nadasdy Z，et al.Gamma(40-100Hz)oscillation in the hippocampus of the behaving rar［J］.Neurosci，1995，15(1 Pt 1):47-60.

［4］Landisman CE，Long MA，Beierlein M，et al.Electrical synapses in the thalamic reticular nucleus［J］.Neurosci，2002，22(3):1002-1009.

［5］Bennett MV，Zukin RS.Electrical coupling and neuronal synchronization in the mammalian brain［J］.Neuron，2004，41(4):495-511.

［6］Belluardo N，Mudo G，Trovato-Salinaro A，et al.Expression of connexin36 in the adult and developing rat brain［J］.Brain Res，2000，865(1):121-138.

［7］Devor A，Yarom Y.Generation and propagation of subthreshold waves in a network of inferior olivary neurons［J］.Neurophysiol，2002，87(6):3059-3069.

［8］Mann-Metzer P，Yarom Y.Electrotonic coupling interacts with intrinsic properties to generate synchronized activity in the cerebellar inhibitory interneuron networks［J］.J Neurosci，1999，19(9):3298-3306.

［9］Veruki ML，Hartveit E.Electrical synapses mediate signal transmission in the rod pathway of the mammalian retina［J］.Neurosci，2002，22(24):10558-10566.

［10］Deans MR，Gibson JR，Cellito C et al.Synchronous activity of inhibitory networks in neocortex requires electrical synapses containing Cx36［J］.Neuron，2001，31(3):477-485.

［11］Hormuzdi SG，Pais I，LeBeau FEN，et al.Impaired electrical signaling disrupts gamma frequency oscillations in connexin 36-deficient mice［J］.Neuron，2001，31(3):487-495.

［12］De Zeeuw CI，Chorev E，Devor A，et al.Deformation of network connectivity in the inferior olive of connexin 36-deficient mice is compensated by morphological and electrophysiological changes at the single neuron level［J］.Neurosci，2003，23(11):4700-4711.

［13］DeVries SH，Qi X，Smith R，et al.Electrical coupling between mammalian cones［J］.Curr Biol，2002，12(22):1900-1907.

［14］Stopfer M，Bhagavan S，Smith BH，et al.Impaired odour discrimination on desynchronization of odour-encoding neural assemblies［J］.Nature，1997，390(6655):70-74.

［15］Wehr M，Laurent G.Odour encoding by temporal sequences of firing in oscillating neural assemblies［J］.Nature，1996，384(6605):162-166.

［16］Landisman CE，Connors BW.Long-term modulation of electrical synapses in the mammalian thalamus［J］.Science，2011，310(5755):1809-1813.

［17］Haas JS，Zavala B，Landisman CE.Activity-dependent long-term depression of electrical synapses［J］.Science，2011，334(6054):389-393.

［17］Bissiere S，Zelikowsky M，Ponnusamy R，et al.Electrical synapses control hippocampal contributions to fear learning and memory［J］.Science，2011，331(6013):87-91.

［19］Kandler K，Katz LC.Neuronal coupling and uncoupling in the developing nervous system［J］.Curr Opin Neurobiol，1995，5(1):98-105.

［18］Roerig B，F(xiàn)eller MB.Neurotransmitters and gap junctions in developing neural circuits［J］.Brain Res Brain Res Rev，2000，32(1):86-114

［21］Personius KE，Chang Q，Mentis GZ，et al.Reduced gap junctional coupling leads to uncorrelated motor neuron firing and precocious neuromuscular synapse elimination［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2007，104(28):11808-11813.

［22］ Maher BJ，McGinley MJ，Westbrook GL.Experience-dependent maturation of the glomerular microcircuit［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2009，106(39):16865-16870.

［23］Lo Turco JJ，Kriegstein AR.Clusters of coupled neuroblasts in embryonic neocortex［J］.Science，1991，252(5005):563-566.

［24］Chang Q，Balice-Gordon RJ.Gap junctional communication among developing and injured motor neurons［J］.Brain Res Brain Res Rev，2000，32(1):242-249.

［25］Yu YC，He SJ，Chen S，et al.Preferential electrical coupling regulates neocortical lineage-dependent microcircuit assembly［J］.Nature，2012，486(7401):113-117.