神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制與腦功能

陳直張

神經(jīng)元間的信號傳輸，歷來是神經(jīng)科學一個基礎而重要的研究領域?？茖W家在已經(jīng)對神經(jīng)傳導和突觸傳遞進行了長期研究，取得了豐富成果的歷史基礎上，又開始關注神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制問題。經(jīng)科學家研究腦的功能，它可以分為兩大類：一個是調(diào)節(jié)功能，另一個是神智（mind）功能。這兩類功能的實現(xiàn)都依靠三種基本的神經(jīng)活動，即神經(jīng)傳導、神經(jīng)傳遞以及神經(jīng)元的調(diào)制。本文著重要講的是神經(jīng)元的調(diào)制，這里所講的調(diào)制實際是對神經(jīng)元興奮性的調(diào)制。在人們的日常經(jīng)驗里，神經(jīng)系統(tǒng)的作用有快有慢。比如說，針刺了身體某處皮膚，人感到疼痛，腦和神經(jīng)的反應很快；但是如果感到心煩、不舒服，這種作用就屬于慢的成分。有一種感受，英文叫作feeling，筆者把它翻譯為“內(nèi)態(tài)感”。與感覺和知覺相比，內(nèi)態(tài)感的產(chǎn)生有慢成分的因素在里面，比較難以單純用神經(jīng)傳導或突觸傳遞來解釋。下面就來談一談傳導和傳遞以外的神經(jīng)元調(diào)制（modulation ofneurons）問題。

基本神經(jīng)活動研究發(fā)展的不均衡

上面說到三種基本神經(jīng)活動。簡單說來，神經(jīng)傳導是指神經(jīng)興奮的信號以動作電位的形式沿著神經(jīng)元軸突或者長樹突傳輸；突觸傳遞是指神經(jīng)信號在兩個神經(jīng)元之間，或神經(jīng)元跟其他可興奮細胞之間，以電或化學的形式進行傳送；神經(jīng)元調(diào)制是指通過突觸傳遞以外的途徑，影響神經(jīng)元興奮性以及神經(jīng)信號的傳輸。

事實上，神經(jīng)傳導和突觸傳遞這兩個方面歷來是神經(jīng)科學的中心話題與重點內(nèi)容，相關的工作很早就開始了。在1791-1797年之間，伽伐尼（L.Galvani）做了一系列實驗，刺激青蛙腿的坐骨神經(jīng)會引起青蛙腿部肌肉收縮。就現(xiàn)在的眼光來看，該實驗其實包括了兩個成分，一個是神經(jīng)興奮的傳導，一個是突觸傳遞。以后，關于神經(jīng)傳導的研究占據(jù)了神經(jīng)科學研究的主流，先是有動作電位的細胞外記錄，然后有細胞內(nèi)記錄并提出了“離子學說”，后來的膜片鉗研究又充實了離子學說。1998年成功解析了鉀離子通道的三維結構，最近又有一些關于離子型受體的三維結構研究，如AMPA受體、乙酰膽堿受體等。

突觸傳遞是神經(jīng)科學研究的又一強勁發(fā)展的領域。突觸傳遞的基礎在于，每個神經(jīng)元都是獨立單元。最早由卡哈爾（s.Ramon-Cajal）提出，一個一個神經(jīng)元是各自獨立的，這奠定了神經(jīng)元學說的基礎，于是后人才得以引出一個神經(jīng)元與另一個神經(jīng)元之間的傳遞。在研究反射活動的過程中，1906年謝靈頓（c.s.Sherrington）出了一本專業(yè)影響巨大的書，叫作《神經(jīng)系統(tǒng)的整合作用》，書中詳細分析了脊髓反射的各種活動規(guī)律。更重要的是謝靈頓于1897年提出突觸概念，而神經(jīng)解剖學家在電子顯微鏡下看見突觸是在1950年代。謝靈頓所分析的脊髓反射活動規(guī)律，實際上都涉及突觸活動。1950年代是突觸傳遞研究蓬勃發(fā)展的年代，一方面神經(jīng)解剖學家研究突觸的超微結構，另一方面恰恰是謝靈頓的學生、神經(jīng)電生理學家?？藸査梗↗.c.Eccles）記錄到突觸傳遞的電反應，即興奮性突觸后電位（EPSP）和抑制性突觸后電位（IPSP）。以后更深入的研究涉及突觸小泡怎樣外排，突觸后致密（PSD）是一個怎樣的結構，突觸后的遞質(zhì)受體如何引發(fā)突觸后反應等。突觸傳遞成為熱門的話題。

相對于以上兩種神經(jīng)活動而言，神經(jīng)科學界對神經(jīng)元調(diào)制這個問題注意得不夠。實際上，神經(jīng)元的調(diào)制包括三個方面，即神經(jīng)傳導的調(diào)制、突觸傳遞的調(diào)制，以及對神經(jīng)元個別區(qū)域或某一狀態(tài)的調(diào)制。在這三方面，對非突觸部位的調(diào)制，即對一般細胞膜極化狀態(tài)的調(diào)制，也就是對神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制（ambientmodulation of neurons）。研究還剛剛開始，正是本文所要講的重點內(nèi)容。另外，這里提到對神經(jīng)元某一狀態(tài)的調(diào)制，什么是神經(jīng)元的狀態(tài)？1991-1993年，加拿大一家實驗室的研究表明，用細胞內(nèi)電極記錄新紋狀體棘神經(jīng)元（spiny neuron）的細胞內(nèi)電位可以發(fā)現(xiàn)，實際上神經(jīng)細胞的膜電位是會有波動的，可以一會兒更加去極化，一會兒更加超極化，這樣就有“下狀態(tài)”（downstate，更超極化）和“上狀態(tài)”（up state，更去極化）之分。由此看來，神經(jīng)元的膜電位狀態(tài)不是一成不變的，它可以一會兒趨于上狀態(tài)，一會兒趨于下狀態(tài)。這些狀態(tài)應該也是可以被調(diào)制的，不過還沒有看到這方面的報道。

神經(jīng)傳導和突觸傳遞的調(diào)制

可能有人會認為，神經(jīng)傳導是比較穩(wěn)定的，不容易發(fā)生變動。其實并不盡然，神經(jīng)傳導可以受神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)制。實驗表明，與對照條件相比，使用γ氨基丁酸（GABA）以后軸突上傳導的動作電位顯著減少。又有實驗表明，應用5-羥色胺（5-HT₃）受體拮抗劑以后，軸突上前后兩個動作電位之間的間隔縮短了，其原因是軸突本體上有受體，軸突始段也有受體，通過這些受體的作用，神經(jīng)傳導就受到了調(diào)制。

最早提出神經(jīng)調(diào)制問題的是1979年庫普弗曼（I.Kupfermann）的綜述，他認為突觸傳遞過程可以受到調(diào)制，而“神經(jīng)調(diào)制”這個詞就是與突觸傳遞相對比而提出來的。庫普弗曼正確地分析了突觸傳遞與突觸傳遞受調(diào)制這兩種過程的區(qū)別。前者是神經(jīng)遞質(zhì)的作用，它直接作用于突觸后細胞的離子通道；后者通過間接作用，或影響突觸后細胞離子通道的功能，或影響突觸前的功能，從而影響傳遞。在這種學術思想基礎上，衍生出了有關突觸傳遞如何受到調(diào)制的大量研究，這里不作詳細介紹。

神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制

本文著重要介紹的是神經(jīng)元調(diào)制的第三種，即“神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制”，也可以說是“神經(jīng)元狀態(tài)的調(diào)制”。根據(jù)目前的認識，在以下三種情況下可發(fā)生神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制，或者說影響細胞膜的膜電位：一是較遠處突觸部位釋放遞質(zhì)，遞質(zhì)的溢出（spillover）可以作用到受影響神經(jīng)元的細胞周圍膜上；二是來自血液循環(huán)的激素影響神經(jīng)元的細胞周圍膜；三是旁分泌，即鄰近細胞分泌的活性物質(zhì)作用于受影響神經(jīng)元的細胞周圍膜上。下面分別加以介紹。

由GABA溢出所產(chǎn)生的張力性抑制

小腦顆粒細胞上的GABA。受體是獲得GABA張力性作用的一個好實驗標本。當刺激突觸前神經(jīng)元時有遞質(zhì)（GABA）釋放，GABA作用于突觸后GABAA受體并把它激活，于是產(chǎn)生抑制性突觸后電位（IPSP）。但是如果刺激的頻率很高，釋放的GABA很多，所釋放GABA除激活直接的突觸后區(qū)GABA。受體以外，還會激活鄰近的、突觸后膜區(qū)以外的受體，這種受體叫突觸外受體（extrasyanptic receptor）。在激活突觸外受體的條件下，IPSC相對于原來的記錄曲線，幅度增大，時間拉長。所增加的這一部分就是張力性抑制。張力性抑制往往只發(fā)生在遞質(zhì)釋放比較多的情況下。如果把激活時間再拉長一點，張力性抑制會更明顯，遞質(zhì)溢出所產(chǎn)生的效應會更遠一些，甚至與原來突觸距離較遠，這就稱為細胞周圍抑制。

實現(xiàn)張力性抑制的突觸外GABA。受體的組構已經(jīng)清楚，這種組構跟受體的亞單位組成有關。一般位相性受體的亞單位以α、β、γ為多，但實現(xiàn)張力性抑制的受體都含有8亞單位（不過有一種特殊的張力性受體不含δ亞單位）。因此，張力性GABA。受體所介導的電流比較慢，而且一下子也不是很強?，F(xiàn)在可以看到，這種調(diào)制并不是由G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）所介導，而是由受體離子通道介導。這里就涉及一個問題：一般認為突觸傳遞通過遞質(zhì)門控離子通道，而神經(jīng)調(diào)制通過GPCR，即使在2013年的科學文獻中也是這樣寫的。其實在筆者看來，此認識并不全面。問題的關鍵是，在本來通常的突觸定義中，只考慮了位相性的、快的作用，但是現(xiàn)在已經(jīng)知道有的“張力性抑制”（tonicinhibition）和“張力性興奮”（tonic excitation），其作用是神經(jīng)調(diào)制性質(zhì)的，卻又是可以通過遞質(zhì)門控離子通道實現(xiàn)其作用的。

舉一個具體例子，如果晚上睡覺不好，吃了半顆安定就睡好了。這個安定作用在哪里呢？是GABA_A。受體，但不是通常所說的突觸部位的GABA_A受體，至少主要不是。起作用的主要是細胞周圍GABA_A受體。安定主要不是作用于位相性GABA_A受體，而是作用于張力性GABA_A受體。

以上講的就是來自突觸部位溢出的遞質(zhì)的神經(jīng)調(diào)制作用。GABA_A受體的張力性抑制與臨床關系密切，例如在疾病方面，GABA_A受體與睡眠異常、應激和精神疾病、癲癇、酒精對腦的影響、卒中及其他腦損傷后腦功能的恢復和保護有關；在藥物方面，此受體涉及苯二氮卓類（benzodiazepines）、唑吡坦（zolpidem）、加巴噴?。╣abapentin）、噻加賓（tiagabine）、氨己烯酸（vigabatrin）、加波沙朵（gaboxad01）、加奈索酮（ganaxolone）、非那司提（finasteride）、神經(jīng)甾體、L-655，508、SNAP-5114、NPPB以及其他藥物的作用。苯二氮卓類包括前面講到的安定；還有唑吡坦，也是一種安眠藥。這些藥物都是作用在GABA的張力性抑制受體上。說到其中詳細機制如何，實際上還有待研究。

旁分泌所產(chǎn)生的神經(jīng)甾體的作用

接下來介紹神經(jīng)甾體（neural steroid）的旁分泌作用。神經(jīng)甾體是神經(jīng)細胞或神經(jīng)膠質(zhì)細胞自己產(chǎn)生的甾體。可作用于含δ亞單位的GABAA受體，選擇性地增強GABA反應性。神經(jīng)甾體對某些GABA_A受體的激動作用有時比GABA還要強，它可以引起一個GABA電流。研究表明，神經(jīng)甾體所引起的都是含8亞單位GABA_A受體的電流。

來自血液循環(huán)的激素

下面講激素的調(diào)制作用，這涉及筆者的本行。我們在1987、1988年的實驗中發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素之一的皮質(zhì)醇（cortisol，F(xiàn)）能引起豚鼠腹腔神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的超極化反應。當皮質(zhì)醇與血清白蛋白（BSA）結合而成為F.BSA之后，此反應依然存在。因為F.BSA是水溶性大分子，不能透過細胞膜，所以F.BSA應該作用于細胞膜的外側面。另外，這個反應可以被糖皮質(zhì)激素拮抗劑RU38486所拮抗，說明膜上存在有一定特異性的接受位點，也可以初步稱之為糖皮質(zhì)激素膜受體。這就是糖皮質(zhì)激素非基因組機制，或快速反應。

回想當年，有關糖皮質(zhì)激素膜受體的研究做起來很辛苦。100個細胞里只有幾個或者十來個有反應，大多數(shù)沒有反應。這可能是因為，每個細胞上面的受體數(shù)量都不太一樣。我們的其他實驗證明，糖皮質(zhì)激素膜受體與傳統(tǒng)糖皮質(zhì)激素核受體在與配基（即甾體激素）結合方面有交叉反應，因此有可能利用糖皮質(zhì)激素核受體的抗原來辨認和檢測膜受體的存在。為了說明糖皮質(zhì)激素膜受體的存在，我們用膠體金標記糖皮質(zhì)激素核受體的抗原，來尋找神經(jīng)元質(zhì)膜上是否有糖皮質(zhì)激素核受體樣的抗原活性。實驗結果表明，神經(jīng)元質(zhì)膜上出現(xiàn)一個一個的金顆粒點，而且金顆粒的點可以在非突觸區(qū)出現(xiàn)，這篇文章發(fā)表在《生理學報》上。鑒于金顆粒點可以在非突觸區(qū)出現(xiàn)，我們當時寫了這么一句話：“說明它（指受體）可以接受來自血液循環(huán)的激素的作用?！碑敃r我們就提出，對于血液循環(huán)里面來的這部分激素，不要僅僅考慮它對核受體的作用，還要考慮它的膜效應、它的快速作用?，F(xiàn)在回過頭來看，膜上的這一部分作用。實際上就是糖皮質(zhì)激素對神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制作用。

最近還看到另外一項關于鳥類雌激素快速作用的研究。鳴禽用叫聲去吸引另外一些鳥，比如雄的吸引雌的。從鳥的大概相當于高等動物大腦皮層的神經(jīng)元位置記錄單個神經(jīng)元的放電，實驗中播放同類鳥叫的錄音，以此作為對照實驗；另設實驗組，同樣播放鳥叫聲，但在腦局部注射雌激素。將對照組與實驗組進行對比時發(fā)現(xiàn)，給予雌激素后，反應增強了；反之，假如用拮抗劑，反應就減弱；假如把雌激素合成途徑阻斷，反應也會減弱。

值得重視的神經(jīng)元細胞周圍調(diào)制研究

本文想要強調(diào)的是，神經(jīng)元的細胞周圍調(diào)制的研究只是剛開始，當然這種研究很難做。下面討論三個問題。

問題一：細胞周圍調(diào)制的機制

既然神經(jīng)元有細胞周圍調(diào)制，那么這種調(diào)制是否可以不影響傳導也不影響傳遞，本身就直接引起腦功能變化？也就是說，傳導也沒有變，傳遞也沒有變，只因為神經(jīng)元細胞周圍的極化狀態(tài)變了，人的神智就會改變，人的調(diào)節(jié)功能就會改變。如果情況是這樣的，那么對于腦的認識就應當有一個極大的改變；如果不是這樣，神經(jīng)細胞的周圍調(diào)制就是通過影響神經(jīng)傳導或突觸傳遞，這樣才影響了人的神智或調(diào)節(jié)功能。后一種情況下也要問。神經(jīng)元細胞周圍的極化狀態(tài)改變又是如何影響神經(jīng)傳導或突觸傳遞的呢？這也是一個大問題。要回答這個問題，可能需要做新的電生理實驗設計。例如，需要做神經(jīng)元局部微域（microdomain）的電記錄，測量的范圍大概介于整個神經(jīng)元跟膜片鉗之間的尺度，姑且可以叫作中等膜片鉗（mesoclamp）。如果膜片鉗所用的膜片是1～4微米²的話，中等膜片鉗大概需要50～100微米²左右，要測量這片膜片的電位，要測量它對周圍膜的電位有什么影響。這是筆者的一個設想，否則怎么考慮此細胞的周圍調(diào)制是如何起作用的呢？這個實驗將來能否做得出來還不知道，但是如果要考慮這個問題，上述設想應該提出。早在2005年，已經(jīng)有了電壓敏感染料（voltagesensitive dye），它當時被應用于比較宏觀的研究，如猴子的大腦皮層，大概是幾個平方毫米的面積?，F(xiàn)在筆者的設想是比它要小兩個數(shù)量級，然后來測量神經(jīng)元細胞膜局部相當大范圍的膜電位變化，再看它有沒有影響傳導，有沒有影響傳遞。

問題二：細胞周圍調(diào)制與突觸區(qū)和突觸外區(qū)受體的關系

突觸區(qū)的受體跟突觸外區(qū)及細胞周圍區(qū)的受體，它們是配基門控離子通道，還是G蛋白偶聯(lián)受體？它們的分布怎樣，密度怎樣，有何不同？它們的亞單位構成又怎樣？這些受體的激活或抑制是不是影響了上狀態(tài)和下狀態(tài)？還要考慮的是，GABA的張力性抑制研究已經(jīng)做了，其他神經(jīng)遞質(zhì)的張力性抑制又如何？張力性興奮的情況如何？這些研究都值得深入做下去。

問題三：細胞周圍調(diào)制與腦整體活動的關系

與細胞周圍調(diào)制有關系的腦整體活動，最好的例子是全身麻醉和覺醒轉入睡眠這兩個問題。這兩種腦整體活動都和上行網(wǎng)狀激活系統(tǒng)的作用減弱有關。那么，當人從清醒轉入昏睡時，或是進入全身麻醉狀態(tài)時，信號又是怎么被阻斷的？哪些信號被阻斷了？事情顯然不僅僅是神經(jīng)傳導和突觸傳遞的中斷或者減弱。前面已經(jīng)介紹過，至少突觸外區(qū)GABA_A受體的張力性激活是起作用的。以全身麻醉的機制而言，以前曾有學說認為，全身麻醉是由于細胞膜的脂質(zhì)雙層受影響甚至受損傷。現(xiàn)在知道，這種學說過時了。有人提出了新的看法，認為全身麻醉的產(chǎn)生至少與兩個遞質(zhì)受體、一個離子通道有關，它們是GABA_A受體、NMDA受體、2PK通道。現(xiàn)在的問題在于，哪個神經(jīng)調(diào)制系統(tǒng)（神經(jīng)傳導通路）的哪個或哪些神經(jīng)元上面的這些受體或離子通道發(fā)生了改變。特別要研究：這些元素的細胞周圍調(diào)制是否起了作用，又起了什么樣的作用。只有這樣，像全身麻醉、覺醒一睡眠之類問題才能得到比較深入的解決。

總之，神經(jīng)細胞的周圍調(diào)制值得重視。