鎂離子對學(xué)習(xí)和記憶的影響及機制研究進展

婁志義，阮迪云，汪惠麗

（1.合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附中，安徽 合肥230051；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026）

鎂離子（M g2 +）在人體內(nèi)的含量非常豐富，作為酶輔助因子參與了大量酶促反應(yīng)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m，C N S）中，M g2 +亦有廣泛的分布，對于維持正常腦功能起著重要作用［1]。M g2 +對神經(jīng)系統(tǒng)的作用非常廣泛，其作用機制涉及面廣，現(xiàn)將其對學(xué)習(xí)記憶作用及其機制的相關(guān)研究進展做一綜述。

1 Mg2 +對學(xué)習(xí)和記憶的影響

Wilmott等［2]研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠抑制性回避訓(xùn)練實驗中，ip給予氯化鎂100和200 mg·kg-1能增強大鼠對有害刺激的記憶能力。楊英等［3]研究發(fā)現(xiàn)，給慢性腦低灌注大鼠按照每天5 mL·kg-1的劑量ip給予3.8%氯化鎂溶液，能增強突觸可塑性，改善慢性腦低灌注損傷大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力。Lamhot等［4]在雙向穿梭箱回避實驗中發(fā)現(xiàn)，妊娠期大鼠ip給予硫酸鎂270 mg·kg-1，對妊娠期間脂多糖引起的后代學(xué)習(xí)能力的損傷也具有改善作用。Slutsky等［5]認為，給大鼠飲用含氯化鎂或硫酸鎂的水并不能有效提高其腦中的Mg2 +含量，因而無法改善大鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力；通過給大鼠長期飲用含L-蘇糖酸鎂的水，能有效提高腦中M g2 +含量，進而增強大鼠空間學(xué)習(xí)記憶和工作記憶的能力。Abumaria等［6]發(fā)現(xiàn)，利用L-蘇糖酸鎂提高腦中M g2 +含量可增強大鼠的恐懼記憶能力。相反，Bardgett等［7]研究發(fā)現(xiàn)，M g2 +缺乏會導(dǎo)致小鼠恐懼記憶能力降低。由此可見，M g2 +確是影響動物學(xué)習(xí)記憶行為的重要元素。

2 Mg2 +影響學(xué)習(xí)和記憶的機制

2.1 對突觸長時程增強的影響

突觸是神經(jīng)元之間在功能上發(fā)生聯(lián)系的部位，也是信息傳遞的關(guān)鍵部位。突觸可塑性是指突觸的形態(tài)和功能可發(fā)生較為持久改變的特性或現(xiàn)象，包括突觸傳遞、突觸發(fā)育和突觸形態(tài)的可塑性［8]。長時程增強（long-termpotentiation，LTP）和長時程抑制（long-termdepression，LTD）是突觸可塑性的主要表現(xiàn)形式，是哺乳動物C N S貯存信息的主要機制，被公認為腦內(nèi)學(xué)習(xí)和記憶的分子生物學(xué)和細胞學(xué)基礎(chǔ)［9]。

Land field等［10]通過在食物中添加M g2 +來提高大鼠血漿中的M g2 +濃度，在海馬腦片上誘導(dǎo)出更強的LTP；Abumaria等［6]利用體外培養(yǎng)的大鼠前額葉皮質(zhì)腦片，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提高人工腦脊液中M g2 +濃度時，能顯著地增加突觸可塑性。相反，用不含M g2 +的人工腦脊液灌注海馬腦片，會表現(xiàn)出一種使L T P持續(xù)抑制的類似癲癇樣的腦電現(xiàn)象，在用正常腦脊液替換掉無M g2 +腦脊液后，該現(xiàn)象仍會持續(xù)2～3 h［11]。

2.2 對突觸前的作用

Mg2 +在突觸前主要影響神經(jīng)遞質(zhì)的重吸收。其中的一種機制是Mg2 +能激活Na-K-ATP酶的活性，因為有些神經(jīng)遞質(zhì)（如谷氨酸）的重吸收依賴于Na-K-ATP酶，所以提高Mg2 +的濃度能增強對神經(jīng)遞質(zhì)的重吸收［12]。另一個可能的機制是Mg2 +影響了ATP酶的活性，因為Mg2 +對于線粒體功能的發(fā)揮是必須的，對于保持細胞中線粒體數(shù)量也是不可或缺的［13]。由此推測，Mg2 +很可能是直接影響了細胞的能量代謝，進而影響ATP酶的活性，從而影響神經(jīng)遞質(zhì)的重吸收。

2.3 對突觸后的影響

2.3.1 參與N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的組成

在突觸后，Mg2 +作為NMDAR復(fù)合物的門控離子，對NMDAR功能及其涉及的學(xué)習(xí)與記憶過程有重要作用［14]。

NMDAR包括NR1，NR2（包括NR2A～NR2D）和NR3（包括NR3A～NR3B）3類亞基，前2類是功能性的NMDAR所必需的。NMDAR是由4個亞基構(gòu)成的四聚體，這個四聚體一般由2個NR1和2個NR2結(jié)合在一起組成，很少包括NR3亞基［15]。NMDAR的每個亞基具有相似的結(jié)構(gòu)，即包括胞外配體結(jié)合端、跨膜部分及胞內(nèi)C端?？缒げ糠钟蒑1，M3和M4構(gòu)成；配體結(jié)合端在細胞外，由M1片段延伸至胞外的S1部分及由M3和M4延伸至胞外的S2部分構(gòu)成，谷氨酸的結(jié)合位點就在NR2的S1和S2之間的縫隙，甘氨酸也結(jié)合于NR1的S1與S2之間。胞內(nèi)C端由M4片段延伸入細胞內(nèi)形成，在亞基內(nèi)側(cè)從細胞質(zhì)內(nèi)插入細胞膜中形成一個環(huán)狀孔隙結(jié)構(gòu)M2，此位置即NMDAR通道的“門”，Mg2 +即是通過與此結(jié)構(gòu)相結(jié)合而起阻滯作用［16]。

Mayer等［17]通過實驗證明，NMDAR通道內(nèi)存在電壓依賴性Mg2 +阻滯，他們對含Mg2 +細胞灌注NMDA并用電壓鉗進行記錄，發(fā)現(xiàn)將膜電位鉗制在+20 mV時，Mg2 +的阻滯作用基本消失，這樣，NMDAR通道才可被最大限度地激活。

2.3.2 作為NMDAR拮抗劑

位于NMDAR通道外的Mg2 +是一種天然的NMDAR拮抗劑，且有濃度效應(yīng)關(guān)系，在生理條件下，這種作用發(fā)生在突觸外［18]。Mg2 +對NMDAR拮抗作用具有相對的專一性，因為NMDAR具有不同的亞基，不同亞基對其敏感程度不同，NR2A和NR2B對Mg2 +的抑制作用敏感，而NR2C和NR2D對Mg2 +則不敏感［19]。細胞內(nèi)Mg2 +也能影響NMDAR的敏感性以及其活性。研究發(fā)現(xiàn)，在感覺神經(jīng)元以及海馬的突觸小體中，通過激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），可消除掉M g2 +對N M D A依賴的離子通道的阻礙作用［20]。同時，M g2 +也影響P K C的活性：在脊髓神經(jīng)元中，M g2 +的減少會導(dǎo)致N M D A R介導(dǎo)的P K C活性的增強以及一氧化氮釋放的增加［21]，這里存在一種正反饋的作用機制，即N M D A依賴的C a2 +電流可增強P K C的活性，從而進一步釋放M g2 +對N M D A依賴的離子電流的阻礙作用［22]，這就意味著減少胞內(nèi)M g2 +會增加N M D A R的敏感性。胞內(nèi)M g2 +對N R 2 B也具有拮抗作用，如果缺乏能增強N R 2 B受體活性，這是獨立于第二信使通路的作用［18，23]。由此表明，胞外和胞內(nèi) M g2 +都會抑制NM DAR的活性，尤其是N R 2 B的功能。

可是，Abumaria等［5-6]在離體培養(yǎng)大鼠前額葉皮質(zhì)切片實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提高人工腦脊液中的M g2 +濃度時，能顯著地增加N M D A R電流；通過給大鼠喂飼L-蘇糖酸鎂發(fā)現(xiàn)，M g2 +能增加N R 2 B受體的表達，而N R 1與N R 2 A受體的表達則不受影響。S u n等［24]的研究也發(fā)現(xiàn)，M g2 +能增加N R 2 B受體的表達。楊英等［3]發(fā)現(xiàn)，給大鼠每天以5 m L·k g-1的劑量i p 3.8%氯化鎂溶液能增加大鼠腦中M g2 +濃度，同時能提高N R 1的表達。相反，在培養(yǎng)神經(jīng)元時，培養(yǎng)液中短期（3 h）缺M g2 +則會導(dǎo)致N R 2 B和P D S-9 5表達的減少［25]。綜上所述，表明M g2 +對N M D A R通道電流具有不同的影響，這也許和M g2 +濃度有關(guān)，或是M g2 +對突觸處和突觸外的N M D A R具有不同的影響。M g2 +既能促進N R 2 B表達，又能抑制其活性，這可能需要達到一種平衡來調(diào)節(jié)N R 2 B的功能，具體機制有待研究。

2.3.3 作為絲氨酸消旋酶輔助因子

N M D A R通道是一類配體電壓門控通道，其功能的發(fā)揮除需要谷氨酸和甘氨酸結(jié)合至特定位點之外，還需要鋅離子和D-絲氨酸等的調(diào)節(jié)。研究表明，隨著年齡的增加，海馬中D-絲氨酸含量逐漸減少，如長期補充D-絲氨酸，可增強老年大鼠的認知能力［26-27]。M g2 +作為絲氨酸消旋酶的輔助因子，可使由L-絲氨酸到D-絲氨酸的轉(zhuǎn)化能力提高近1 0倍［28]。因此推測，補充M g2 +可能促進N M D A R的功能，使N M D A R本身的反應(yīng)能力增強。

2.3.4 影響鈣/Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ）通路

CaMKⅡ在學(xué)習(xí)記憶與突觸可塑性中發(fā)揮重要作用。其作用底物有多種，如NMDAR、α-氨基-3-羥基-5-甲基4-異惡唑丙酸（（alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl- 4- isoxazolepropionic acid，AMPA）受體、突觸素Ⅰ和微管相關(guān)蛋白等，C a M KⅡ能通過催化這些底物而發(fā)揮其廣泛的生物功能。C a M KⅡ的激活會導(dǎo)致包含谷氨酸受體亞基1的A M P A受體向突觸處轉(zhuǎn)移并固定，結(jié)果是放大了A M P A能電流，必然會增強興奮性突觸后電位的頻率以及海馬的L T P［29]。

Blair等［30]研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)神經(jīng)元時，若培養(yǎng)液中短期（3 h）低M g2 +處理會降低C a M KⅡ的磷酸化，抑制CaM KⅡ的活性；而Abumaria等［6]研究發(fā)現(xiàn)，利用L-蘇糖酸鎂提高大鼠腦中的M g2 +含量，能增強前額葉皮質(zhì)細胞C a M KⅡ的磷酸化，激活C a M KⅡ通路，同時也誘導(dǎo)LTP。除了直接激活C a M KⅡ外，M g2 +還存在一種重要的非直接通路，就是對離子通道型嘌呤能受體P 2 X 7的作用。P2X7是一種嘌呤受體，控制著非專一性的陽離子電流［31]。在神經(jīng)細胞上，對P 2 X 7受體的抑制能激活依賴C a M KⅡ的通路而促進神經(jīng)突發(fā)生［32-33]。因為在很多細胞上，M g2 +被證實對P 2 X 7受體有抑制效應(yīng)［34-36]，由此表明M g2 +能通過減弱P 2 X 7的活性來增強突觸的強度。

2.4 對cAMP-PKA-CREB通路的影響

cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白（cAMP responseelement binding protein，CREB）作為一種重要的核轉(zhuǎn)錄因子，它的功能表現(xiàn)在生命活動的許多方面，包括調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄、生理節(jié)奏、細胞的發(fā)育與生存、成癮性和抑郁以及學(xué)習(xí)記憶等。CREB在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、抑郁、成癮性，特別是在長時程記憶過程中具有重要作用。

胞外信號通路通過影響CREB的磷酸化激活有關(guān)的靶基因轉(zhuǎn)錄。多種蛋白激酶如P K A、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen- activated protein kinase，MAPK）和P K C等都可使CREB蛋白的Ser-133磷酸化。當(dāng)CREB蛋白的Ser-133被磷酸化后，可被CREB結(jié)合蛋白（CREB-binding protein，CBP）特殊的結(jié)構(gòu)域特異性地識別并結(jié)合，從而啟動基因的轉(zhuǎn)錄［37]。研究發(fā)現(xiàn)，M g2 +的處理能增加CREB磷酸化，同時能增強大鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力［6]。

在P K A系統(tǒng)中，主要是一些激素類物質(zhì)作為信號分子，它們可與細胞膜上G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupled receptor，GPCR ）結(jié)合，從而激活腺苷酸環(huán)化酶，調(diào)節(jié)第二信使c A M P的水平，激活P K A，將信號進一步放大，在細胞核中催化CREB的磷酸化，調(diào)控下游基因的表達。作為腺苷酸環(huán)化酶的激活劑，Mg2 +能有效地增強該酶的活性，刺激其將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP，激活cAMP 通路［38]。研究還證實，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BNDF）的表達直接受 CREB 的調(diào)節(jié)，而Mg2 +的慢性處理則促進BDNF的表達，同時增強了大鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力［5-6，39]。

2.5 對真核細胞延伸因子的影響

真核細胞延伸因子2（eukaryotic elongation factor 2，eEF2）通過在核糖體上催化多肽鏈的延伸而控制蛋白質(zhì)的合成。不同的刺激可通過影響eEF2磷酸化狀態(tài)而影響肽鏈的延伸，當(dāng)其56位酪氨酸被磷酸化后，其生物活性及與核糖體結(jié)合能力均降低［14，40]。

大鼠海馬和皮質(zhì)中，Mg2 +的增加能增強BDNF的表達［5]，BDNF作用于酪氨酸激酶受體B（tyrosine kinase receptor B，TrkB），進而激活PKB-哺乳動物西羅莫司（雷帕霉素）靶蛋白〔mammalian target of sirolimus（Rapamycin），mTOR〕-eEF2激酶（eEF2 kinase，eEF2k）通路，影響eEF2的磷酸化。實驗表明，在培養(yǎng)的神經(jīng)細胞上，Mg2 +處理具有抑制eEF2的磷酸化從而激活eEF2的作用［41]。

3 結(jié)語

綜上所述，無論是正常大鼠或腦缺血模型大鼠，補充Mg2 +能增強或改善其學(xué)習(xí)和記憶功能。在正常生理情況下，Mg2 +對動物無不良反應(yīng)。在人體中，血清Mg2 +＞1.25 mmol·L-1時會出現(xiàn)高鎂血癥，高鎂血癥產(chǎn)生的原因可能由于Mg2 +攝入量超過了腎的排出能力，也可能是因為腎功能障礙，導(dǎo)致排出Mg2 +的能力減低。高血鎂可阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)，阻斷乙酰膽堿在神經(jīng)末梢的釋放。使神經(jīng)肌肉接頭處沖動傳導(dǎo)障礙。但高鎂血癥在臨床中并不常見，因為腎對Mg2 +的調(diào)節(jié)能力很強，但腎功不全或大量靜脈使用Mg2 +制劑而忽視對Mg2 +的監(jiān)測，后果是嚴重的［42]。在研究Mg2 +對學(xué)習(xí)和記憶作用機制的過程中，早期研究認為，位于NMDAR通道中的Mg2 +對其有阻礙作用，后來的研究發(fā)現(xiàn)，在去極化條件下，這種阻滯作用基本可消除，從而激活NMDAR通道，這正是NMDAR通道發(fā)揮作用的方式。而外源性Mg2 +作為絲氨酸消旋酶的輔助因子可促進NMDAR功能，使NMDAR本身的反應(yīng)能力增強。另外，Mg2 +參與突觸后很多過程的調(diào)節(jié)，通過作用于學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的信號通路，促進相關(guān)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，進而增強學(xué)習(xí)記憶功能。由于信號通路之間的復(fù)雜聯(lián)系，Mg2 +作用的具體位點和通路尚不十分清楚，需要做進一步的分子水平上的研究。