N-甲基-D-天冬氨酸受体在可卡因成瘾中作用的研究进展



N-甲基-D-天冬氨酸受体在可卡因成瘾中作用的研究进展

贾祥磊张继川

(昆明理工大学医学院，云南昆明650500)

关键词〔〕可卡因；成瘾；NMDA受体；可塑性

第一作者：贾祥磊(1985-)，男，在读硕士，主要从事神经电生理研究。

活动依赖的突触传递能效的改变，在多种记忆学习中起着重要的作用。药物成瘾的过程中，往往伴随着突触传递效能的改变。研究发现，参与成瘾的分子机制与突触可塑性的分子机制有很大重合。有观点认为成瘾是一种异常的学习记忆行为。在可卡因成瘾中，不仅在不同脑区有突触可塑性的产生，而且兴奋性突触可塑性的分子开关-N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA)的组成及其生理特性都发生了改变，提示了NMDA受体在药物成瘾的作用比较复杂。本文旨在回顾NMDA受体在成瘾中所起的作用。

1NMDA受体

1.1NMDA受体概述NMDA是神经元中一种重要的配体依赖的电压门控的选择性钙离子通道，且具有电压依赖性的Mg2+阻断特性NMDA受体对钙离子的高通透性这一特性，使得NMDA受体在兴奋毒性和突触的可塑性方面具有重要的作用。

1.2NMDA受体的组成及分布NMDA受体作为中枢神经系统中重要的兴奋性谷氨酸受体，几乎在全脑都有分布，其中以海马、大脑皮质、纹状体、杏仁体等部位分布最多〔1，2〕。NMDA 受体主要由NR1、NR2、NR33种类型的亚基构成，它们又可通过基因的选择性剪接产生多种不同亚单位的组合。NMDA 受体主要由4个亚基形成异源四聚体结构。通常有两个NR1亚基和两个NR2或者NR3亚基组成，NR1又有8种不同的亚单位(NR1-1a/b-4a/b)，它们来源于同一基因，由于剪切部位的不同而生成。由于NR1 亚基广泛存在于人的大脑之中，因此，在脑部发育的整个阶段，其表达一直发挥着重要作用，NR1随海马区的发育，在不同的时期，NR1表达不一。但是NR1 的表达总体上呈现出上升趋势，在婴儿3 w时，NR1 的表达升至高峰，然后再平稳下降〔3，4〕。NR2亚基有NR2A、NR2B、NR2C、NR2D等亚型，NR2亚基的分布会随着人体的发育而变化，在胚胎期，NR2 亚基主要表现为NR2B 和NR2D，其中NR2B几乎遍布于中枢神经系统，而NR2D则分布于脑干和间脑〔5，6〕。出生后，随着发育NR2A表达逐渐增高〔7〕。NR3主要存在于正在发育的中枢神经系统中。NR3主要有NR3A和NR3B亚基，NR3A 胚胎时表达较低，但出生后快速的提升，而在青春期至成年期时又出现减少，它主要存在于海马、丘脑以及皮质中；而NR3B 主要存在于脊髓躯体运动神经元中〔8〕。

1.3NMDAR与突触可塑性NMDA受体在多种神经系统病理、生理过程中起着重要作用，参与许多复杂的病理和生理机制。NMDA受体的双门控特性，使它在活动依赖的突触可塑性中像一个分子开关一样，同时整合突触前和突触后的活动。当突触后膜去极化，消除了Mg2+对NMDA受体的阻断，Ca2+可通过突触前释放的谷氨酸结合的NMDA受体进入胞内。一般情况下，高频刺激引起树突棘内的Ca2+浓度在短时间内急剧升高，激活蛋白激酶(如Ca2+/钙调蛋白酶Ⅱ)，磷酸化α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPAR)，诱发长时程增强(LTP)；相反，低频刺激引起树突棘内Ca2+浓度中等程度升高，从而激活蛋白磷酸化酶(如calcineurin)，AMPAR去磷酸化，进而诱发长时程抑制(LTD)〔9〕。

2可卡因成瘾和NMDA受体

2.1可卡因与成瘾假说可卡因(苯甲酰甲基芽子碱)是提取自古柯树叶中的生物碱，具有很强的中枢神经系统兴奋作用。低浓度的可卡因非选择性地抑制电压依赖的钠离子通道，而高浓度的可卡因作用于中脑边缘奖励系统，促进中脑多巴胺的释放，具有很强的成瘾性。

中脑腹侧被盖区(VTA)多巴胺能神经元到伏隔核(NAc)的神经纤维，被公认为是大脑内的奖励中枢。多巴胺释放到突触间隙后一部分被突触间隙的儿茶酚胺-O-甲基转化酶(COMT)转化为3甲基-氧酪胺(3MT)，随后经单氨氧化酶(MAO)氧化为高香草酸(HVA)，另外一部分则由突触前膜上多巴胺转运体(DAT)重摄取进入突触前。DAT先与多巴胺和Na+结合，再与Cl-结合，才能将多巴胺重摄取入突触前。而可卡因竞争性的结合到DAT的Na+结合位点，阻碍了多巴胺和DAT的结合，导致多巴胺在突触间隙的持续增高〔10～12〕。中脑边缘多巴胺系统(MLDS)与药物成瘾及奖赏关系十分密切。在小鼠中敲除DAT后则几乎无法形成可卡因的自给药行为，提示可卡因是通过抑制DAT的功能从而导致成瘾的〔12〕。可卡因通过增加突触间隙的多巴胺，激活细胞内环磷酸腺苷通路(cAMP)和钙依赖的通路磷酸化环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)，调控下游一系列基因的转录。随着可卡因的反复使用，导致这些效应的逐渐累积，最终导致成瘾〔13〕。

随着成瘾性药物的使用，中脑边缘多巴胺系统会做出适应性的改变，其突触传递效能发生改变，同时在大脑的多个脑区也产生了突触可塑性，所以成瘾可以认为是一种异常的学习记忆活动〔14，15〕。中科院徐林教授研究组提出了组合突触可塑性是形成毒品异常记忆基础假说，也可称其为记忆形成的组合编码假说〔16〕。

2.2可卡因与NMDA受体依赖的突触可塑性NMDA受体在可卡因成瘾中起着重要的作用，基因敲除NMDA受体组成亚基可消除可卡因诱导对多巴胺神经元和GABA能神经元的可塑性〔17〕，用药阻断NMDA受体后，也可降低了动物对可卡因药物的渴求〔18〕。NMDA受体在成瘾过程中作用，更多地体现为对突触可塑性的调控。

在离体脑片研究发现，可卡因轻微抑制AMPA受体介导的EPSC，单次给予可卡因24 h之后，在VTA区域多巴胺能神经元上诱导出AMPA受体介导的LTP，表现为投射到多巴胺能神经元上的兴奋性突触中AMPA受体介导的电流的增强，这种LTP依赖NMDA受体的激活，维持时间在5～10 d，如果在单次可卡因暴露的同时注射MK801阻断NMDA受体，则阻断了LTP〔19〕。随后有研究证实，NMDA受体所介导的LTP需要含有GluA1亚基的AMPA受体的插入〔14〕。

在正常情况下，突触前刺激伴随突触后去极化诱导LTP，伴随突触后超极化则诱导了LTD。而单次可卡因暴露之后，突触后去极化的配对不能诱导LTP，反而是突触后超极化的配对刺激从LTD反转为LTP〔20〕。

长期使用可卡因后，多巴胺能神经元上兴奋性突触对配对刺激诱导的LTP更敏感，在对照组不能诱导LTP的少数配对刺激在长期可卡因组能诱导出NMDA受体依赖的LTP。这主要是由于长期可卡因暴露降低了VAT区多巴胺能神经元上抑制性的输入〔21〕。进一步研究发现，NAc中表达D1受体的中型多棘神经元偏好投射到VTA区GABA能神经元，长期可卡因暴露使这条抑制性通路产生了LTP，降低了VTA区GABA神经元的活动使得DA神经元去抑制〔22〕。而NAc的壳中的兴奋性输入在长期可卡因使用中产生的AMPA/NMDA电流比例的降低可能是有VTA中突触可塑性的产生所导致的，如果敲除VTA区多巴胺神经元上的NR1亚基，消除了可卡因诱导的VTA区多巴胺神经元上的突触可塑性，同时也消除了NAc神经元上的突触可塑性，显著降低了戒断后小鼠对可卡因的渴求〔17〕。

2.3可卡因与NMDA受体的改变在可卡因成瘾过程中，不仅NMDA受体依赖的突触可塑性发生了改变，NMDA受体本身的结构和功能也有动态的改变。

可卡因可以抑制多巴胺再摄取，而多巴胺受体激活会影响到NMDA受体的功能。多数研究发现，激动D1DR会抑制NMDA受体所介导的电流〔23，24〕，也有研究发现相反的结果〔25〕。这种D1DR激活对NMDA受体所介导的电流的作用可能存在年龄依赖性〔26〕。

可卡因对NMDA受体的作用相比而言更为复杂。在离体试验中，单次可卡因刺激在20 min后以依赖于D1/D5类多巴胺受体激活的方式增强了VTA区多巴胺神经元NMDA受体介导的电流，这种增强来自于突触后膜上NMDA受体的组成成分的变化，即包含NR2B受体亚基的NMDA受体插入增加。有研究发现，可卡因诱导的新插入的NMDA受体不仅包含NR2B亚基，还包括NR3B亚基。而包含NR3A亚基的NMDA受体对于可卡因诱导的AMPA受体可塑性是必须的〔27〕。单次可卡因暴露24 h后，利用双光子技术光解笼合的谷氨酸，观察VTA区DA神经元，发现NMDA受体电流介导的单位电流显著降低〔20〕。反复可卡因处理后，在NAc区域，人为给药7 d或者14 d，戒断24 h，NR1和NR2B都表现为表达减少〔28～30〕。而在给药4～7 d后长期戒断(14～21 d)的试验中，NR1、NR2A和NR2B表达上调〔30～35〕。在自给药(10～21 d)后短期戒断(1 d)试验中，NR1、NR2A和NR2B也表达上调〔23，36，37〕。可见这些变化与给药方式、给药时间长短及戒断时长都密切相关。而在VTA区域，NR1几乎都表达上调，与给药方式和戒断时间长短无关〔30，38，39〕。值得注意的是，多个实验室在对可卡因成瘾患者进行尸检时同样发现VTA区域NR1表达增加〔40〕。在自给药的实验中发现，在VTA区域AMPA/NMDA受体所介导的电流的比值增加，甚至在戒断药物90 d后这种增加依旧没有衰退〔41〕。这种变化很可能是来自于突触部位AMPA受体的表达上调，而不是NMDA受体数目的改变。实验表明，长期给药后VTA神经元上突触部位的功能NMDA受体数目并未受影响〔42～44〕，而是NMDA受体的亚基组成有所变化〔27〕，这些亚基的变化为成瘾的治疗提供了思路。

3展望

可卡因成瘾的机制是非常复杂的。目前研究者通过不同年龄段的动物和不同的给药方式来研究可卡因对突触可塑性的影响，试图通过研究突触可塑性来研究成瘾的分子机制，为进一步研究成瘾的治疗方法提供理论依据。在可卡因的成瘾中，NMDA受体起到了关键的作用，这种作用为以往的中脑边缘多巴胺系统等经典的理论提供了更详尽的补充。当然，可卡因成瘾机制的研究还面临着许多问题，因此深入阐明可卡因成瘾的机制有待于后期的大量研究。

参考文献4

1Jia J，Wang X，Li H，etal.Activations of nPKC epsilon and ERK1/2 were involved in oxygen-glucose deprivation-induced neuroprotection via NMDA receptors in hippocampal slices of mice〔J〕.J Neurosurg Anesthesiol，2007；19(1):18-24.

2Wee KS，Zhang Y，Khanna S，etal.Immunolocalization of NMDA receptor subunit NR3B in selected structures in the rat forebrain，cerebellum，and lumbar spinal cord〔J〕.J Comp Neurol，2008；509(1):118-35.

3王玉兰.生后早期大鼠海马NMDA受体亚单NR1、NR2A和NR2B的表达变化〔J〕.神经解剖学杂志，2003；12(1):413-8.

4Henson MA，Roberts AC，Salimi K，etal.Developmental regulation of the NMDA receptor subunits，NR3A and NR1，in human prefrontal cortex〔J〕.Cereb Cortex，2008；18(11):2560-73.

5Monyer H，Burnashev N，Laurie DJ，etal.Developmental and regional expression in the rat brain and functional properties of four NMDA receptors〔J〕.Neuron，1994；12(3):529-40.

6Ishii T，Moriyoshi K，Sugihara H，etal.Molecular characterization of the family of the N-methyl-D-aspartate receptor subunits〔J〕.J Biol Chem，1993；268(4):2836-43.

7Paoletti P.Molecular basis of NMDA receptor functional diversity〔J〕.Eur J Neurosci，2011；33(8):1351-65.

8Wenzel A，Villa M，Mohler H，etal.Developmental and regional expression of NMDA receptor subtypes containing the NR2D subunit in rat brain〔J〕.J Neurochem，1996；66(3):1240-8.

9Malenka RC，Bear MF.LTP and LTD: an embarrassment of riches〔J〕.Neuron，2004；44(1):5-21.

10Chen R，Tilley MR，Wei H，etal.Abolished cocaine reward in mice with a cocaine-insensitive dopamine transporter〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，2006；103(24):9333-8.

11Gether U，Andersen PH，Larsson OM，etal.Neurotransmitter transporters: molecular function of important drug targets〔J〕.Trends Pharmacol Sci，2006；27(7):375-83.

12Thomsen M，Hall FS，Uhl GR，etal.Dramatically decreased cocaine self-administration in dopamine but not serotonin transporter knock-out mice〔J〕.J Neurosci，2009；29(4):1087-92.

13Sandberg SG，Garris PA.Neurochemisty of Addiction.Monitoring Essential Neurotransmitters of Addiction.In. Kuhn CM, Koob GF, ed. Advances in the Neuroscience of Addiction〔M〕. 2nd ed.Boca Raton(FL):CRC Press,2010: 30-9.

14Luscher C，Malenka RC.Drug-evoked synaptic plasticity in addiction: from molecular changes to circuit remodeling〔J〕.Neuron，2011；69(4): 650-63.

15Kelley AE.Memory and addiction: shared neural circuitry and molecular mechanisms〔J〕.Neuron，2004；44(1):161-79.

16Liu Z，Han J，Jia L，etal.Synaptic neurotransmission depression in ventral tegmental dopamine neurons and cannabinoid-associated addictive learning〔J〕.PLoS One，2010；5(12):e15634.

17Mameli M，Halbout B，Creton C，etal.Cocaine-evoked synaptic plasticity: persistence in the VTA triggers adaptations in the NAc〔J〕.Nat Neurosci，2009；12(8):1036-41.

18Uzbay IT，Wallis CJ，Lal H，etal.Effects of NMDA receptor blockers on cocaine-stimulated locomotor activity in mice〔J〕.Behav Brain Res，2000；108(1):57-61.

19Ungless MA, Whistler JL, Malenka RC,etal.Single cocaine exposure in vivo induces long-term potentiation in dopamine neurons〔J〕.Nature，2001;411(6837):583-7.

20Mameli M，Bellone C，Brown MT，etal.Cocaine inverts rules for synaptic plasticity of glutamate transmission in the ventral tegmental area〔J〕.Nat Neurosci，2011；14(4):414-6.

21Qin Y，Ouyang Q，Pablo J，etal.Cocaine abuse elevates alpha-synuclein and dopamine transporter levels in the human striatum〔J〕.Neuroreport，2005；16(13):1489-93.

22Bocklisch C，Pascoli V，Wong JC，etal.Cocaine disinhibits dopamine neurons by potentiation of GABA transmission in the ventral tegmental area〔J〕.Science，2013;341(6153): 1521-5.

23Ortinski PI，Turner JR，Pierce RC.Extrasynaptic targeting of NMDA receptors following D1 dopamine receptor activation and cocaine self-administration〔J〕.J Neurosci，2013;33(22):9451-61.

24Lee FJ，Xue S，Pei L，etal.Dual regulation of NMDA receptor functions by direct protein-protein interactions with the dopamine D1 receptor〔J〕.Cell，2002;111(2):219-30.

25Cepeda C，Levine MS.Dopamine and N-methyl-D-aspartate receptor interactions in the neostriatum〔J〕.Dev Neurosci，1998;20(1):1-18.

26Tong H，Gibb AJ.Dopamine D1 receptor inhibition of NMDA receptor currents mediated by tyrosine kinase-dependent receptor trafficking in neonatal rat striatum〔J〕.J Physiol，2008;586(19):4693-707.

27Yuan T，Mameli M，O′Connor EC，etal.Expression of cocaine-evoked synaptic plasticity by GluN3A-containing NMDA receptors〔J〕.Neuron，2013；80(4)：1025-38.

28Le Greves P，Zhou Q，Huang W，etal.Effect of combined treatment with nandrolone and cocaine on the NMDA receptor gene expression in the rat nucleus accumbens and periaqueductal gray〔J〕.Acta Psychiatr Scand Suppl，2002；(412)：129-32.

29Yamaguchi M，Suzuki T，Abe S，etal.Repeated cocaine administration differentially affects NMDA receptor subunit(NR1，NR2A-C)mRNAs in rat brain〔J〕.Synapse，2002；46(3)：157-69.

30Loftis JM，Janowsky A.Regulation of NMDA receptor subunits and nitric oxide synthase expression during cocaine withdrawal〔J〕.J Neurochem，2000；75(5)：2040-50.

31Ghasemzadeh MB，Mueller C，Vasudevan P.Behavioral sensitization to cocaine is associated with increased glutamate receptor trafficking to the postsynaptic density after extended withdrawal period〔J〕.Neuroscience，2009；159(1)：414-26.

32Schumann J，Yaka R.Prolonged withdrawal from repeated noncontingent cocaine exposure increases NMDA receptor expression and ERK activity in the nucleus accumbens〔J〕.J Neurosci，2009；29(21)：6955-63.

33Zhang X，Lee TH，Davidson C，etal.Reversal of cocaine-induced behavioral sensitization and associated phosphorylation of the NR2B and GluR1 subunits of the NMDA and AMPA receptors〔J〕.Neuropsychopharmacology，2007；32(2)：377-87.

34Scheggi S, Manqiavacchi S, Masi F,etal.Dizocilpine infusion has a different effect in the development of morphine and cocaine sensitization：behavioral and neurochemical aspects〔J〕.Neuroscience，2002；109(2)：267-74.

35Crespo JA，Oliva JM，Ghasemzadeh MB，etal.Neuroadaptive changes in NMDAR1 gene expression after extinction of cocaine self-administration〔J〕.Ann N Y Acad Sci，2002;965：78-91.

36Lu L，Grimm JW，Shaham Y，etal.Molecular neuroadaptations in the accumbens and ventral tegmental area during the first 90 days of forced abstinence from cocaine self-administration in rats〔J〕.J Neurochem，2003;85(6)：1604-13.

37Fitzgerald LW，Ortiz J，Hamedani AG，etal.Drugs of abuse and stress increase the expression of GluR1 and NMDAR1 glutamate receptor subunits in the rat ventral tegmental area：common adaptations among cross-sensitizing agents〔J〕.J Neurosci，1996;16(1)：274-82.

38Churchill L，Swanson CJ，Urbina M，etal.Repeated cocaine alters glutamate receptor subunit levels in the nucleus accumbens and ventral tegmental area of rats that develop behavioral sensitization〔J〕.J Neurochem，1999;72(6)：2397-403.

39Tang WX，Fasulo WH，Mash DC，etal.Molecular profiling of midbrain dopamine regions in cocaine overdose victims〔J〕.J Neurochem，2003;85(4)：911-24.

40Chen BT，Bowers MS，Martin M，etal.Cocaine but not natural reward self-administration nor passive cocaine infusion produces persistent LTP in the VTA〔J〕.Neuron，2008;59(2)：288-97.

41Borgland SL，Malenka RC，Bonci A.Acute and chronic cocaine-induced potentiation of synaptic strength in the ventral tegmental area：electrophysiological and behavioral correlates in individual rats〔J〕.J Neurosci，2004;24(34)：7482-90.

42Thomas MJ，Beurrier C，Bonci A，etal.Long-term depression in the nucleus accumbens：a neural correlate of behavioral sensitization to cocaine〔J〕.Nat Neurosci，2001;4(12)：1217-23.

43Kourrich S，Rothwell PE，Klug JR，etal.Cocaine experience controls bidirectional synaptic plasticity in the nucleus accumbens〔J〕.J Neurosci，2007;27(30)：7921-8.

44Paoletti P，Bellone C，Zhou Q.NMDA receptor subunit diversity：impact on receptor properties，synaptic plasticity and disease〔J〕.Nat Rev Neurosci，2013;14(6)：383-400.

〔2015-02-19修回〕

(编辑李相军/滕欣航)

通讯作者：张继川(1972-)，男，博士，教授，主要从事精神疾病突触可塑性的调控机制的研究。

基金项目：国家自然科学基金(NFSC3117105)

中图分类号〔〕Q404；Q426；Q964〔

文献标识码〕A〔

文章编号〕1005-9202(2015)21-6285-04；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.21.134