【关键词】 脑内烟碱受体 学习记忆
能与乙酰胆碱（acetylcholine， Ach）结合的受体，称为胆碱受体（cholinoceptor）。早期研究发现，副交感神经节后纤维所支配的效应器细胞膜的胆碱受体对以毒蕈碱（muscarine）为代表的拟胆碱药较为敏感，故把这部分称为毒蕈碱型胆碱受体(muscarinic Ach receptor)，即M胆碱受体。位于神经节和神经肌肉接头的胆碱受体对烟碱（nicotine）较为敏感，故称其为烟碱型胆碱受体(nicotinic Ach receptor)，即N胆碱受体。1980 年后，随着分子生物学的发展，人们认识到毒蕈碱受体和烟碱受体是由不同基因调控表达，分属于2类不同的受体家族。毒蕈碱受体属于G蛋白耦联、由第二信使介导的受体家族;烟碱受体属于离子通道耦联的受体家族，其激活后主要通过对膜电位的调节、改变离子电流而影响细胞功能活动。由于烟碱受体在体内分布广泛，作用复杂，长期以来对其在脑内介导的生物效应认识不足。上世纪90 年代以后，越来越多的研究表明脑内烟碱受体的激活也与认知功能活动有关。
1 烟碱受体的分子结构与脑内分布
烟碱受体可以分为2类：一类是肌肉型烟碱受体（nicotinic muscie receptor），主要分布于脊椎动物骨骼肌神经接头及电鳐的电板，其结构和功能至今已研究得比较清楚，是一个很好的生化和分子生物学模型系统。另一类是神经元烟碱受体（neuronal nicotinic acetylcholine receptor，nnAchR），主要分布于脊椎动物脑、神经节、RenShaw细胞、嗜铬细胞。nnAchR是由α、β两种亚基组成的五聚体蛋白。烟碱受体蛋白由5个亚单位组成，呈五角形排列，中央形成1个离子通道，主要控制细胞内外的Na+ 、K+ 和Ca2+的流动。构成烟碱受体的每1 个亚单位都含有2 个亲水区和4 个疏水区，这4 个疏水区分别称为M1 、M2 、M3 和M4 。每个亚单位的M2构成离子通道的内衬面。因为M2螺旋上含有较多的酸性氨基酸残基，使通道形成负性电位，对带正电荷的离子具有亲和力，所以烟碱受体通道是一种选择性的阳离子通道［1］。迄今为止，在中枢神经系统中已经发现和克隆出8 种α亚单位(α2～9 ) 和4种β亚单位(β2～5)［2-3］。放射自显影技术、免疫组化技术和原位杂交技术是研究不同亚型烟碱受体分布的常用方法，分别使用这3种技术通常可以得到一致的结果［4］。目前对于以下烟碱受体的亚单位的分布有较明确的结果:α2位于脚间核;α3和β4位于自主神经节和少数的中枢神经核(缰核、松果体、孤束核等);α4分布很广泛，位于耳蜗、前庭神经节以及除了纹状体、海马、小脑之外的整个脑区，尤其在丘脑内的含量最高;α5位于前脑、嗅区、海马、杏仁核、基底节、脑干和脊髓;α6 和β3位于躯体感觉神经节和中枢含有胆碱能的神经核;α7位于下丘脑、海马及下丘等部位;β2存在于整个神经系统［2，4～7］。一般认为，中枢神经系统中的烟碱受体是由2个α亚单位和3个β亚单位组合而成。2个α亚基上有激动剂Ach的作用位点，当Ach与α亚基结合后，可使离子通道开放，从而调节Na+、K+、Ca2+离子流动。这些亚单位可以是异源性，也可以是同源性地组成不同的神经元烟碱受体亚型。现已证明脑内较为丰富的异源性神经元烟碱受体亚型为α4β2亚型(2个α4、3个β2亚单位组成) 。另有α4β4 亚型(2个α4 、3个β4 亚单位组成) 和α3β2亚型(2个α3、3个β2亚单位组成)。也发现了更复杂的神经元烟碱受体亚型，由3种亚单位(α3、α5、β4)或4种亚单位(α3、α5、β2、β4)组成。脑内的同源性神经元烟碱受体亚型主要由α7、α8、α9亚单位组成。不同的亚单位在种系发生的早期可能是同一个基因型，在长期的种系进化过程中衍化成不同的亚单位，故同源性组成的神经元烟碱受体亚型被认为是一种原始形式的受体。
2 脑内烟碱受体与学习记忆的关系
2．1 神经退行性病变和学习记忆 文献报道Alzheimer′s病（阿尔茨海默病，AD）及Parkinson′s（帕金森）病患者的脑内烟碱受体有丧失，而药理流行性调查显示吸烟者的Alzheimer′s 病及Parkinson′s病的发病率低，可能与烟碱对神经细胞的保护作用有关。Potter等［8］报道了烟碱及ABT-418急性使用可以改善AD患者记忆的再现能力。AD是一种渐进性神经变性引起的、以记忆和认知功能损害为特征的一种疾病，该疾病神经病理性损害的标志包括前脑基底部胆碱能神经元的缺失和β-淀粉样蛋白（amyloid-β，Aβ）在神经鞘的沉积。在细胞水平对Aβ与烟碱受体亚型相互作用的研究中发现，从这些神经元的全细胞记录显示，Aβ与烟碱引起敏感的除极化反应和内向离子流具有浓度依赖性和可逆性，Aβ对单通道和全细胞的影响可被非竞争性烟碱受体拮抗剂美加明（mecamylamine）和竞争性烟碱受体拮抗剂二氢-β-刺桐碱（dihydro-beta-erythroidine， DHbetaE）所阻滞，但不可被特异性α7烟碱受体拮抗剂甲基牛扁亭碱（methyllycaconitine ，MLA）所阻滞，表明Aβ能激活基底前脑神经元的非α7型烟碱受体。此外，非α7受体激动剂UB-165、地棘蛙素、金雀花碱可产生类似Aβ与烟碱激发的反应，而选择性α7受体激动剂AR-R17779则不能，因此非α7烟碱受体可代表Aβ在AD中作用的一个新的靶点［9］。基底外侧杏仁核（basal lateral mygdala）是杏仁核神经元回路的关键组成部分，据认为与恐惧反应有关。运用全细胞膜片钳记录发现，激活烟碱受体可引起基底外侧主要神经元的电位依赖性、特发性氨基丁酸能电位频率的增加，这种特发性氨基丁酸能电流可被低Ca2+和高Mg2+所取消，表明它们是特异性的抑制性突触后电流。激动剂和拮抗剂的使用表明，乙酰胆碱诱导抑制性突触后电流频率的增加主要与α3β4烟碱受体亚型有关。此观察表明在基底外侧杏仁核烟碱所致抑制性突触后电流频率增加主要与GABA能神经元上的α3β4烟碱受体有关，并且在杏仁核调节突触传递中扮演重要角色［10］。帕金森病（PD）的临床表现多与黑质纹状体系统多巴胺(DA)缺乏所导致的锥体外系功能失调有关。为了进一步探讨PD患者认知功能障碍是否与脑内烟碱受体含量降低有关，Rinne等［11］对18例有认知功能缺陷的PD患者和13名正常人尸检，［3H］-烟碱对脑组织标本进行放射自显影研究，发现PD 组患者额叶皮质的脑组织的烟碱受体的数量与对照组相比显著减少。实验证实PD 患者的认知功能障碍与患者额叶皮质烟碱受体数量减少密切相关。动物实验证实烟碱受体的激动药可增加猴MPTP Parkinson′s病模型的认知能力，而且这种作用可被脑中注射α-银环蛇毒素（α-bungarotoxin）、二氢-β-刺酮碱、甲基牛扁亭所阻断［12］。β2亚单位基因敲除的大鼠有一定的记忆障碍，而且烟碱对记忆的改善作用消失［13］。ABT-418是烟碱的异唑衍生物，为α4β2亚型受体的完全激动剂，对动物模型有增强认知功能和抗焦虑作用［14］。ABT-418贴片可显著改善多动症(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)患者的症状，作用机制可能与烟碱类激动药促使DA释放，改善认知能力有关［15］。在对烟碱诱导的癫疒间发作的敏感性的影响因素的研究中，发现α6烟碱受体在烟碱诱导的癫疒间发作中发挥作用［16］。Hansen等［17］通过对2种新型α7受体激动剂和抗精神病药在治疗精神分裂症（schizophrenia）和AD中作用的比较，再次证明了烟碱受体在神经退行性疾病中的作用。抗精神病药的一个重要特征就是能诱导即早基因c-fos在边缘前脑的表达。利用2种新型α7受体选择性激动剂PUN-282987、SSR180711与抗精神病药在边缘前脑的相同部位诱导c-fos表达的作用进行比较，发现2种α7受体选择性激动剂能剂量依赖性地增加c-fos在边缘前脑和伏状核表层的表达。SSR180711在伏状核和边缘前脑的作用可被预先注射选择性拮抗剂甲基牛扁亭所阻断，同样在α7受体基因敲除小鼠SSR180711也无c-fos诱导作用；该结果显示在激活前脑区域的作用方面，α7烟碱受体的药理学作用与常用抗精神病药相似。
2．2 神经元烟碱受体与学习记忆的行为学研究 目前，已有许多学者通过对哺乳类动物的行为学研究，以探讨脑内烟碱受体与认知功能的关系。Granon等［18］将烟碱受体拮抗剂银环蛇毒素（bungarotoxin）注入大鼠额叶皮质，观察其对动物行为的影响。结果发现，注射银环蛇毒素后，大鼠工作记忆明显降低，而本能的行为不受影响。研究表明，额叶皮质烟碱受体介导的效应与较高层次的认知功能有关。通过对果蝇的行为和遗传的研究发现，在成年果蝇大脑的凯尼恩细胞中，对α-银环蛇毒素敏感的烟碱受体能介导快速兴奋性突触传递，而此快速兴奋性突触传递与嗅觉学习相关的细胞可塑性改变密切相关［19］。既往许多研究表明，在逃避实验及迷宫实验中，自发性高血压大鼠(spontaneous hypertensive rat，SHR)会表现出学习、记忆能力的下降。为了进一步研究SHR 的认知功能障碍与高血压引起的脑内烟碱受体表达异常的关系，Gattu等［20］对12周的SHR 及年龄相似的正常大鼠进行水迷宫实验和逃避实验等行为学研究，并且使用放射标记的［3H］-金雀花碱和放射标记的［125I］α-银环蛇毒素对大鼠脑组织的烟碱受体进行放射自显影研究。与对照组比较，无论在水迷宫实验还是在逃避实验中，SHR 组均存在学习、记忆等认知能力的低下;［3H］-金雀花碱结合位点的含量在额叶皮质、海马下托后部、丘脑、脚间核以及纹状体等部位都有显著的降低，［125I］α-银环蛇毒素结合位点含量在嗅核前部、杏仁核以及部分丘脑核亦均显著降低，表明由高血压引起的认知功能障碍与脑内烟碱受体表达异常有关。Pocivavsek等［21］在大鼠双侧腹侧海马连续4周注射α4β2受体拮抗剂DhbetaE，然后利用迷宫测试大鼠的工作记忆，发现DhbetaE注射可明显损害大鼠的工作记忆功能。Chan等［22］研究了α7型烟碱受体和α4β2型烟碱受体与记忆的关系，通过激动剂和拮抗剂的使用，测试了大鼠在迷宫中的工作记忆和参考记忆，发现前额皮质的α7型烟碱受体与工作记忆和参考记忆皆有关，而α4β2型烟碱受体与工作记忆有关。Marubio等［23］利用α7-β2双重突变型老鼠来研究中枢神经内烟碱受体的作用，然后利用一系列行为学测试方法测试基因突变型老鼠在焦虑、运动活力、惊恐反应、前置脉冲抑制、运动协调及学习、记忆的表现，缺乏α7-β2烟碱受体亚型的老鼠在被动回避反应中的学习记忆能力减弱，而在旋转运动中的表现增强。 Curzon等［24］利用反义核苷酸连续6天在大鼠脑室外侧中央注射，作用于α7型烟碱受体3′-和5′-基因位点阻止其蛋白表达，然后运用甲基牛扁亭碱检测发现，在海马和皮质的α7型烟碱受体分别减少42%和25%，而通过金雀花碱检测未发现α4β2型烟碱受体减少；在随后进行的水迷宫空间记忆能力测试中，发现注射反义核苷酸的大鼠其空间记忆能力明显降低，证明了大鼠的空间学习记忆能力与海马和皮质的α7型烟碱受体有关。上述3位学者的研究进一步从亚型的角度说明了烟碱受体在行为学中的作用。巩春智等［25］在小鼠的跳台和避暗实验中发现，恩氟烷可明显影响小鼠的记忆，潜伏期明显缩短，错误次数明显增多，而经过侧脑室注射烟碱后，记忆明显改善，潜伏期延长，错误次数减少，推测小鼠的记忆功能与烟碱受体有关。
2．3 神经元烟碱受体与学习记忆的电生理研究 长时程增强(long-term potentiation，LTP)作为中枢突触可塑性的一个模式，近年来引起了神经生物学家的广泛兴趣。LTP已经被许多学者看作是学习、记忆等认知功能活动的细胞学机制［26］。为了进一步研究LTP 的产生与烟碱受体活性的关系，Fujii等［27］向大鼠海马切片中加入不同浓度的烟碱，用以易化LTP 产生。结果发现，与不使用烟碱比较，浓度为1 μmol/L和10 μmol/L的烟碱均可以易化LTP 产生。但同时向海马切片中加入浓度为3 μmol/L美拉明(烟碱受体阻断剂)时，无论是浓度为1 μmol/L的烟碱还是浓度为10 μmol/L的烟碱均不能易化LTP产生。实验证实，短期使用烟碱可以通过与海马烟碱受体特异性的结合，易化大鼠海马LTP 产生。以上实验为烟碱受体的激活与认知功能活动相关提供了细胞学水平的证据。Freir等［28］发现，α7型烟碱受体拮抗剂甲基牛扁亭碱（MLA）显著抑制LTP，表明α7型烟碱受体的活性对LTP的形成是必要的。Song等［29］研究了选择性α7烟碱受体拮抗剂甲基牛扁亭碱、α-银环蛇毒素对大鼠海马脑片γ振荡（gamma oscillations）的影响，海马γ振荡是形成网络神经元同步化活动的机制之一，据推测与学习、记忆、注意等活动有关。
转贴于 在该实验中观察了α7型烟碱受体对γ振荡的影响，通过选择性α7型烟碱受体拮抗剂和非α7型烟碱受体拮抗剂的使用，发现选择性拮抗剂甲基牛扁亭碱、α-银环蛇毒素可显著降低γ振荡的频率和峰值，而非α7型烟碱受体拮抗剂美加明和二氢-β-刺桐碱则对γ振荡无显著影响，这表明α7型烟碱受体在大鼠海马脑片的γ振荡的调控中起重要作用，有助于解释烟碱受体在认知功能如学习、记忆、注意力等活动中的作用。Wang等［30］使用α4β2型烟碱受体部分选择性激动剂TC-2559在活体完整神经回路内研究α4β2型烟碱受体对激活齿状回背中部传入途径中神经元突触可塑性的影响，首次表明选择性激活α4β2型烟碱受体可降低由高频刺激诱发的LTP水平，而这种作用可被选择性拮抗剂二氢-β-刺酮碱所翻转，烟碱受体的这种调节作用与早先使用广谱激动剂获得的结果相反。3 小 结
随着科学技术的发展，人们对神经元型烟碱受体的研究也不断深入，越来越多的行为学实验、临床病理研究和电生理研究表明，脑内胆碱能烟碱受体与认知功能的关系密切，但对与学习记忆关系的研究多局限在某一领域，还未做到从微观到宏观、从离体到在体地将行为学实验、临床病理研究和电生理及分子生物学研究有机地融为一体，各种亚型的功能有待进一步阐明，因此这一领域有待研究的课题还很多。
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