NMDA受体及其与癫痫所致认知功能损害的关系

焦聚，马融，任献青

癫痫是一种慢性反复发作性脑功能失调综合征，是由于脑内神经元超同步化放电所引起，癫痫的发生、发展与脑内神经递质失衡有关，谷氨酸是大脑中含量最高的兴奋性神经递质之一，而N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体是一种重要的离子型谷氨酸受体，它在突触传递和神经可塑性等生理过程中扮演关键角色。癫痫发作可导致NMDA受体通道过度激活，其介导的Ca2+大量进入细胞后会产生一系列级联反应，导致细胞兴奋性中毒造成神经元细胞损伤和死亡，神经损伤作用于NMDA受体使其结构发生变化，从而更进一步加剧癫痫的发展及神经功能障碍。

1 NMDA受体的结构

自1989年克隆出第一个谷氨酸受体亚型之后[1]，学者们对谷氨酸受体进行了更加广泛且深入的研究，目前认为，NMDA受体拥有3种不同的亚基，分别是GluN1、GluN2和GluN3。GluN2包括GluN2(A/B/C/D)4种不同亚型，GluN3包括GluN3(A/B)2个亚型。Laube等[2]在1998年提出了NMDA受体是四聚体的依据，目前四聚体的结构被学者们广泛认可。大多数NMDA受体由2个甘氨酸结合亚基GluN1以及2个谷氨酸结合亚基GluN2结合组成，或者是GluN2与GluN3联合在一起[3-5]。NMDA受体亚基有着相似的结构，跨膜部分由M1、M3、M4构成；配体结合端在细胞外由S1、S2两部分组成，S2由M3、M4延伸至胞外的部分构成，S1由M1片段延伸至胞外的部分构成，S1继续向外延伸构成了细胞外的另一部分N末端，由M4片段延伸入细胞内形成胞内的C末端，在亚基内侧从细胞质内插入细胞膜中形成一个经折叠的环状孔隙结构M2，此位置即NMDA受体通道的“门”，Mg2+即是通过与此结构相结合而起阻滞作用，谷氨酸的结合位点在GluN2的S1和S2之间的缝隙，同样甘氨酸也结合于GluN1的S1与S2之间[6]。

2 NMDA受体生理特点

NMDA受体通道与其他谷氨酸受体通道的不同之处在于，它的开放同时受配体和电压双重门控条件控制。1984年Mayer等[7]在试验中证明，NMDA受体通道内存在电压依赖性的Mg2+阻滞，他们对含镁细胞予以灌注NMDA并用电压钳进行记录，发现将膜电位钳制在+20 mV时，Mg2+的阻滞作用基本消失，NMDA受体通道才可以被最大限度激活。1987年Johnson等[8]发现在甘氨酸和谷氨酸协同作用时NMDA受体通道的电流强度大大增强。1988年Kleckner等[9]进一步证明要使NMDA受体通道完全被激活必须要有谷氨酸和甘氨酸的同时作用。Laube等[10]在1997年提出了NR2B是谷氨酸受体结合位点的依据。2005年Furukawa等[11]描述了谷氨酸与NR2A结合位点的晶体结构。具有功能的NMDA受体需要两个GluN1亚基与2个GluN2亚基共同组装[12-14]。GluN3亚基同GluN1亚基一样可以与谷氨酸结合而并不能单独构成具有功能性的受体[15,16]，它可以同其他亚基组合在一起[5,17，18]。Tovar等[19]在1999年的实验表明，利用对NMDA受体起选择性抑制的艾芬地尔灌注于重组的NMDA受体，其结果是GluN1/GluN2A受体完全不受艾芬地尔抑制，而NR1/NR2B则对艾芬地尔敏感，GluN1/GluN2A/GluN2B受体对艾芬地尔的敏感度则在上两者之间。当大鼠脑神经元NMDA受体缺少GluN1亚基时，NMDA受体通道将不能行使其功能[20,21]。诸如上述探索GluN1与GluN2亚基功能的研究还有很多，这些都说明GluN1是NMDA受体功能性的必需亚基，而GluN2亚基决定受体附加的生物物理学、药理学的特性，包括通道开放的频率，单个通道的电导率等等[6,22,23]。1998年Vicini等[24]发现，诱导含有不同亚型的GluN2(A/B/C/D)重组NMDA受体通道兴奋，通道开放后的衰减时间不同，表现为GluN2A

3 NMDA受体亚基的分布情况

在中枢神经系统，不同时期NMDA受体亚基在不同部位的表达也在发生着变化。1994年Monyer等[26]利用X线胶片放射自显影法，检测不同时期GluN1-mRNA及GluN2(A/B/C/D)-mRNA在大鼠脑部的表达，实验证明大鼠从胚胎期14 d开始在海马区就可以检测到GluN1、GluN2B的表达，随着胚胎时间的延长，GluN1的表达比GluN2B更为显著，GluN2B在海马区表达较多，GluN2D在丘脑区也可见表达，而整个胚胎期并未见到GluN2A、GluN2C的表达。出生后，GluN1在皮质层、海马区、丘脑及小脑部位始终保持着较高的表达量，直到出生后12 d达到峰值，而成年后则略有下降，成为表达量最低的时期。GluN2各亚型在出生后则因部位不同而出现了表达的差异性，如GluN2A在出生后7 d也逐渐出现，但只是在海马和皮质区表达，从出生后12 d至成年，GluN2A的表达量达到峰值；GluN2B在出生后7 d和12 d的表达量基本相同而成年后则大幅下降。随后在1997年，Laurie等[27]应用免疫印迹法检测出生后大鼠不同时期GluN2(A-D)-protein在全脑的表达量，发现GluN2A蛋白在出生时并未表达，直到出生后6 d才能被检测出来，随着大鼠的生长其表达量逐渐增加，直到成熟时期达到高峰；GluN2B蛋白在出生时就已经表达，生后12～20 d表达量达到最高峰，而至成年后表达量却略有下降。在检测大鼠不同部位的GluN2(A-D)蛋白表达量时发现，在海马神经元内GluN2A和GluN2B的表达量很大，而GluN2C和GluN2D却并未被检测到，GluN2C主要出现在丘脑和小脑，而GluN2D主要在丘脑、下丘脑及脑干处表达。由于亚基在时间及部位上的变化，在大脑皮质、海马区以及小脑，出生后1周内的受体主要是GluN1/GluN2B，但随着生长GluN1/GluN2A型逐渐占据主导地位，这种转变使NMDA受体介导的突触后电流的衰减速度加快[28]。

4 NMDA受体与认知功能的关系

NMDA受体依赖性长时程增强(long term potentiation，LTP)和长时程减弱(long-term depression，LTD)被认为参与了学习和记忆的过程[29,30]。长时程增强和减弱是突触可塑性的一种表现。长时程突触可塑性是一种术语用来形容神经元突触上信号传递的功效向长期经验转变[31]。LTP和LTD是由特殊的兴奋所诱导[32]，比如LTP需要突出前后神经元同时兴奋，因为当突触前膜兴奋释放足够量谷氨酸与突触后膜结合的同时后膜需要去极化以释放阻滞NMDA受体通道的Mg2+，此时Ca2+才能通过NMDA受体通道大量内流，进而激活细胞内信号级联反应产生突触效能变化[33]。而LTD的产生仅需要重复突触前神经元低频率的兴奋就可诱发，无需突触后膜的兴奋，因为即便在神经元安静状态时Ca2+的流入推动力也非常大，而且Mg2+对NMDA的阻滞作用的静息电位下并不是完全的[34]。因为NMDA受体依赖Ca2+内流诱发LTP和LTD，那么细胞肯定有一个方法来判断到底是产生增强作用还是抑制作用，事实上NMDA受体适度兴奋就会导致突触后膜适度的Ca2+流入，从而最优选择诱发LTD，然而当更强的NMDA受体兴奋会使更多的Ca2+流入突触后膜诱发LTP[35]。利用选择性基因敲除技术敲除鼠海马CA1区锥体细胞的GluN1基因表明突变鼠的突触可塑性异常，无法建立LTP，出现空间记忆缺陷[36]。腹腔内注射非竞争性NMDA受体拮抗剂MK801能够破坏发育期大鼠的空间工作记忆[37]，而海马内注射MK801能够破坏大鼠T型迷宫位置辨别倒序学习[38]。

5 NMDA受体与癫痫的关系

癫痫是神经系统疾病中的常见病，以脑部神经元出现自发的超同步化放电，导致突然、反复的中枢神经系统功能失常为特征。这种异常的神经元活动可能影响正常的认知过程和个体的行为，比如口头的记忆障碍多与左侧颞叶癫痫相关，视觉记忆障碍多与右侧的颞叶癫痫发作相关[39,40]，而额叶或者边缘叶损伤相关的癫痫，可以引起记忆、语言及心理障碍[41]。所以癫痫灶损害的位置与认知功能障碍的类型有很大联系。儿童时期出现颞叶癫痫发作的患者总脑白质体积减少，且伴有认知能力差的状况[42]。临床和实验研究均提示发育期大脑的惊厥性损伤，可能在海马区产生与年龄相关的功能和结构的病理变化[43]。NMDA受体在癫痫发作的病理生理中起着非常重要的作用，尤其是在大脑的发育阶段，NMDA受体与惊厥发作的关系尤为密切。由于NMDA受体亚基在发育期的表达与时间有着紧密的联系，它在大鼠出生后2～3周时表达量达到顶峰，此时NMDA受体对癫痫的发作也最敏感[44]。1998年Rice等[45]利用毛果芸香碱诱发的癫痫模型，研究NMDA受体在癫痫发展过程中的作用，得出的结论是在边缘叶癫痫的发作及癫痫持续状态的产生必须要有NMDA受体兴奋性参与。2003年Stafstrom等[46]在借鉴Velisek实验的基础上，以NMDA为诱导剂引发发育期大鼠癫痫，造成了癫痫大鼠认知功能的损害，这种伤害在其成年后依旧存在。在很多研究中外源性的NMDA注入动物模型的脑内可诱发癫痫，免疫组化显示NMDA亚基增加，膜片钳技术测试癫痫后NMDA介导的突触后膜的电流增加[47]。NMDA受体过度激活后引起细胞内Ca2+超载，然而，线粒体从胞浆摄取过量的Ca2+，导致线粒体Ca2+浓度持续升高，促使线粒体电子传递链功能障碍，继而引起NOS活性增强和ROS的大量生成。氧自由基可造成脂质、蛋白质和核酸过氧化，细胞膜破坏，最终导致神经元损伤和死亡[48,49]。Ca2+超载后引发一系列Ca2+依赖的级联反应，如钙依赖性磷脂酶激活，引起膜磷脂的分解，所产生游离脂肪酸、前列腺素、白三烯等物质，均对细胞产生毒害作用。Ca2+还可直接激活钙蛋白酶，促使作为细胞骨架成分的胞衬蛋白裂解，在Ca2+的刺激下，核支架蛋白酶使分离核中的纤层蛋白降解，从而直接损伤细胞[50,51]。

综上所述，癫痫发作及其导致的认知功能障碍与NMDA受体通道有密切联系。NMDA受体各亚基在行使其功能上起着不同的作用，阻断NMDA受体亚基的功能可抑制癫痫的发作，因此今后临床上对癫痫的治疗及改善其认知功能障碍，开发与NMDA受体相关的药物值得进一步研究，在探究中医药对癫痫治疗的靶点上可给予NMDA受体通道更多的关注。

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(收稿日期：2013-12-11)