低氧對突觸效能長時程增強和長時程抑制的調(diào)控機制研究進展

李竹雨，陶嘉楠，安琪

1 青海大學研究生院，西寧 810000；2 青海大學附屬醫(yī)院消化內(nèi)科

人體進入海拔2500 m 以上的區(qū)域時會出現(xiàn)明顯的缺氧癥狀，甚至進展為各型高原病，故規(guī)定海拔2500 m 以上為醫(yī)學角度上的高原［1］。高原最主要的氣候特點為低壓性低氧、干燥、寒冷、高溫及強紫外線等，其中對人體生理功能影響最大的是高原低氧［2］。低氧對記憶或認知的影響主要體現(xiàn)在工作、學習、空間能力、記憶力和執(zhí)行力等各個方面，海拔越高，低氧程度越嚴重，對記憶或認知的影響就越大。除此之外，高原暴露時間也與記憶力的損害程度成正相關［3］。突觸是神經(jīng)細胞之間特異的通訊結(jié)構(gòu)，通過形成功能性神經(jīng)環(huán)路來傳遞和存儲信息。學習與記憶產(chǎn)生的神經(jīng)活動是通過改變突觸傳遞而改變腦功能，突觸的結(jié)構(gòu)和突觸的效能也可以隨著環(huán)境因素而改變［4］。在重復或持續(xù)的神經(jīng)活動下，突觸會發(fā)生一種長期性的效能改變，稱為長時程增強（long-term potentiation，LTP）或長時程抑制（longterm depression，LTD）。LTP 是指突觸對相同強度的刺激產(chǎn)生更強的反應，LTD 是指突觸對相同強度的刺激產(chǎn)生更弱的反應。LTP 和LTD 可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的連接強度，從而影響信息編碼和存儲。目前為止，關于低氧如何調(diào)控LTP或LTD過程，從而影響學習記憶能力的具體機制仍無定論，現(xiàn)將低氧對突觸效能LTP和LTD的調(diào)控機制研究進展綜述如下。

1 低氧對突觸效能LTP的調(diào)控機制

LTP 是研究最深入的記憶細胞模型之一，其定義為在短暫、高頻刺激或其他誘導后，突觸效能的長期增強［7］。LTP 與學習和記憶密切相關，是兩者活動的生理基礎，也是記憶研究的極佳模型［6］。在不同的突觸中，表現(xiàn)為不同的LTP的形式，而在同一突觸中，LTP 也可以具有多樣性，例如在大腦齒狀回顆粒細胞和CA3 錐體神經(jīng)元之間的突觸前膜，LTP 是通過電壓門控鈣通道（voltage-gated Ca2+channels，VGCCs）和cAMP-PKA 信號傳導導致的鈣內(nèi)流實現(xiàn)的［8］。LTP 在CA1 錐體神經(jīng)元之間的突觸中依賴于N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR），主要發(fā)生突觸后修飾［9］。但低氧對LTP影響如何，目前暫時沒有定論，其機制主要和NMDAR、缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factors，HIFs）有關。

1.1 低氧通過NMDAR 調(diào)控突觸效能的LTP ARIAS 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，慢性間歇性缺氧可抑制小鼠海馬體神經(jīng)元中NMDA 依賴的突觸可塑性，慢性間歇性低氧暴露10天后，小鼠海馬切片中出現(xiàn)過度氧化狀態(tài)，使得NMDAR減少，從而抑制LTP，其機制可能是低氧抑制了NMDAR 主要亞單位GluN1 的表達，使用還原劑后對NMDAR 的表達并沒有影響，這表明慢性間歇性缺氧對LTP 的影響可能是不可逆的。人體內(nèi)最常見的慢性間歇性低氧的病理生理狀態(tài)就是阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（obstructive sleep apnea syndrome，OSAS）。有研究［11］提示，OSAS患者常伴有記憶力的嚴重減退，且其程度與OSAS病情程度呈正相關。NAJAFIAN 等［12］采用大鼠研究缺氧誘發(fā)的癲癇發(fā)作（hypoxia-induced seizures，HS）是否改變海馬CA1細胞的LTP，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HS后48～72 h，CA1 細胞異惡唑丙酸受體（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicacid receptor，AMPAR）增加，引起LTP的抑制。若使用AMPAR拮抗劑2，3-二羥基-6-硝基-7-磺胺酰-苯唑（f）喹諾（NBQX）治療可防止HS誘導的LTP抑制。

1.2 低氧通過HIFs 調(diào)控突觸效能的LTP 在缺氧時，神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)許多病理生理變化，其中就包括HIFs 的變化。有學者［13］用脯氨酸-4-羥化酶區(qū)域（prolyl-4-hydroxylase domains，PHDs）抑制劑處理神經(jīng)細胞后發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬區(qū)突觸傳遞的損害程度降低，這表明HIFs 對神經(jīng)細胞及神經(jīng)突觸的可塑性具有重要影響。YORK 等［14］研究發(fā)現(xiàn)，LPS 可誘導小鼠海馬區(qū)神經(jīng)元發(fā)生炎癥，且LPS 增加了小膠質(zhì)細胞中HIF-1α 的水平，進而使得IL-1β 和TNFα 的生成增多，IL-1β 能抑制海馬的LTP，但研究發(fā)現(xiàn)TNFα不足以抑制LTP，因為LTP 在IL-1 受體存在時被恢復。DAI等［15］將用氯化鈷（CoCl2）預處理骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSC）培養(yǎng)基后，用微滲透泵以1.0 μL/h的流速注射到缺氧大鼠左側(cè)腦室7 d，發(fā)現(xiàn)HIF-1α及其靶基因、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和紅細胞生成素（EPO）的水平顯著增加，同時伴有神經(jīng)細胞興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）和LTP 活動的增強，進一步免疫組化定量表明GluR2 蛋白表達增加，故推測HIF-1α 通過作用于GluR2 發(fā)揮作用。由上可見，低氧通過HIFs 可能對LTP 具有雙重效應。但遺憾的是，多部分研究為動物實驗，以上結(jié)論在人體中具體如何尚不明確。

2 低氧對突觸效能LTD的調(diào)控機制

LTD 是在長時間的模式刺激后，持續(xù)數(shù)小時或更長時間的神經(jīng)元突觸效能活動依賴性降低。LTD發(fā)生于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的許多區(qū)域，其機制因腦區(qū)和發(fā)育進程而異。誘導典型的LTD 需要0.5～5 Hz 的重復突觸刺激，如果突觸后神經(jīng)元被適度去極化以緩解Mg2+誘導的NMDAR 阻滯或使用特定的神經(jīng)調(diào)節(jié)劑也能誘導LTD［16］。抑制NMDARs 可阻斷LTD，而激活NMDARs 可誘導LTD，NMDARs 吸收Ca2+進入突觸后神經(jīng)元，緩沖Ca2+的升高可預防LTD［17］。有動物模型表明，通過NMDAR 進入突觸后樹突棘的鈣是LTD的觸發(fā)因素，但與LTP一樣，觸發(fā)LTD的突觸后鈣信號的定量特征仍有待確定［18］。小腦神經(jīng)元的突觸LTD 過程被認為是運動性學習記憶的神經(jīng)電生理基礎［19］，但低氧如何影響LTD 過程進而影響學習記憶目前暫不明確，其調(diào)控機制主要與α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體即AMPA 受體（AMPAR）、代謝性谷氨酸受體-5（metabotropic glutamate receptor-5，mGluR5）有關。

2.1 低氧通過AMPAR 調(diào)控突觸效能的LTD AMPAR 是介導中樞神經(jīng)系統(tǒng)快速興奮性突觸傳遞，其在突觸后膜的動態(tài)表達與LTP和LTD的誘發(fā)和維持均有關，可以參與某些高級神經(jīng)活動，如學習與記憶等。AMPAR 在β-淀粉樣蛋白作用下的過度胞吞和裂解致其在突觸后膜缺失，可致突觸損傷和功能障礙，與阿爾茨海默?。╝lzheimer's disease，AD）早期認知障礙密切相關［20］。AMPAR 還參與谷氨酸介導的興奮性損傷，Ca2+通透性AMPAR亞型的過度激活能導致AD 神經(jīng)元的功能障礙甚至死亡［21］。缺氧時大腦中幾種主要的LTD 形式包括NMDAR 依賴性LTD 和mGluR 依賴性LTD 過程減弱，由于AMPAR 被網(wǎng)格蛋白和胞吞作用從細胞表面局部去除，故導致AMPAR含量的減少［22-23］。

低氧可以抑制突觸可塑性，并且可以導致神經(jīng)元的過度興奮和特定神經(jīng)元的死亡。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）在神經(jīng)元的過表達增強了短暫缺氧發(fā)作的預處理作用。研究［24］顯示，低氧培養(yǎng)神經(jīng)細胞24 小時后，抗凋亡基因Stat3、Socs3 和Bcl-xl 的表達顯著增加，編碼促炎細胞因子IL-10和IL-6的基因表達也增加，使AMPAR 表達下降。反之，在BDNF 過度表達的培養(yǎng)基中，低氧反應后促凋亡基因（Bax，Casp-3和Fas）和促炎基因（IL-1β 和TNFα）的表達降低，可有效防止AMPAR 下調(diào)。故我們可以認為BDNF 對缺氧誘導的下調(diào)AMPAR 抑制LTD 具有保護作用，但其在慢性高原病認知損害時的臨床應用目前沒有循證醫(yī)學依據(jù)。

此外，還有研究發(fā)現(xiàn)采用嚙齒類動物的缺氧誘導的新生癲癇模型，使海馬CA1錐體神經(jīng)元AMPAR功能的持續(xù)性增加，癲癇發(fā)作時通過全細胞膜片鉗記錄顯示AMPAR 功能開始上調(diào)，隨后瞬時動態(tài)減弱48～72 小時，LTD 也可能隨之先增后減。這種調(diào)控是由哺乳動物雷帕霉素（mammalian target of rapamycin，mTOR）介導的，mTOR 抑制劑的應用可預防低氧性癲癇發(fā)作后穩(wěn)態(tài)的損害，提示在癲癇發(fā)生中穩(wěn)態(tài)可塑性機制可能是潛在的可調(diào)節(jié)的治療靶點?？梢?，低氧對LTD 的影響并不是單一的，許多研究的結(jié)論也似乎相互矛盾，需要進一步研究。

2.2 低氧通過mGluR5 調(diào)控突觸效能的LTD 研究［25］顯示，mGluR5參與了幾種海馬突觸可塑性的形成，可引起海馬CA1 和CA3 區(qū)較強的消除增強現(xiàn)象，亦可誘導海馬齒狀回慢性增強，在晚期突觸重塑中起作用，參與LTD 過程。可溶性淀粉樣蛋白-β-蛋白（Aβ）低聚物是AD 的主要標志物，通過多種病理機制，包括神經(jīng)元的過度激活、微血管缺氧和神經(jīng)炎癥觸發(fā)綜合應激反應（integrated stress response，ISR），增加轉(zhuǎn)錄因子eIF2α 磷酸化（ISR 的核心事件），促進mGluRs依賴性LTD，從而導致AD發(fā)生［26］。有學者［27］發(fā)現(xiàn)，在活鼠中微血管性缺氧會導致mGluR5-LTD 途徑的易化，ISR 抑制劑可消除海馬的空間學習和記憶缺陷，使海馬蛋白合成正?；崾救毖跬ㄟ^下調(diào)mGluR5 抑制LTD。還有研究［28］發(fā)現(xiàn)，在缺氧小鼠海馬CA3-CA1 通路中，mGluR5 激動劑二羥苯甘氨酸（paired-pulse low frequency stimulation，PP-LFS）能促進LTD 在易感小鼠中特異性，而激活BDNF/TrkB 信號通路能減弱LTD。綜上所述，低氧通過mGluR5影響LTD過程。

綜上所述，低氧對LTP 或LTD 的調(diào)控并不是單一的，但根據(jù)目前的研究，低氧對兩者的作用似乎更多為抑制，這也是長期生活在平原地區(qū)的人群進入高原后最初一段時間內(nèi)學習記憶效率嚴重低下的重要原因之一。前文已敘及，BDNF對低氧誘導的LTP損傷具有一定的逆轉(zhuǎn)作用，故針對于高原工作者出現(xiàn)學習記憶能力降低的情況，理論上可予以BDNF治療，但并無人體試驗的報導。期待今后隨著科學的發(fā)展，低氧調(diào)控LTP 或LTD 的機制能夠被逐步揭示，并且有針對性的藥物問世，為高原人們的學習工作而服務。