兴奋性Glu Ca2

精神和神经疾病是最常见和最严重的健康问题。神经和精神疾病的临床治疗需要神经科学的进步来阐明它们，预防和治疗。在过去的20年左右，我们看到分子遗传学和细胞生物学在中枢神经系统的成功应用。随着人类和小鼠基因组的完整绘制，新的疾病相关基因和蛋白质正在被迅速辨认出来。疾病相关基因和蛋白质的发现为未来了解其发病机制打开了大门，并为其潜在的脑疾病患者临床治疗奠定了基础

“多伦多大学医学院生理学系，多伦多大学疼痛研究中心，加拿大安大略省多伦多大学M5S 1A8;(电子邮件保护)

如精神分裂症，自闭症精神发育迟滞,慢性疼痛、抑郁和阿尔茨海默而且帕金森疾病．

了解一个新基因的序列或一个新蛋白质的结构还不足以理解它在其中的作用大脑功能．神经元之间通过一种叫做突触的结构进行交流。解释突触如何工作的一个主要原则是，当两个神经元表现出一致的活动时，两个神经元之间的突触强度应该增加，这是唐纳德·赫布在他的著名著作《行为的组织》中提出的。随后发现的长期增强(LTP)海马体为研究大脑功能提供了一个关键的突触模型。最近，基因改造小鼠的能力取得了进展，这使得将特定基因与突触传递/可塑性和完整的动物行为(包括记忆)联系起来成为可能，药物成瘾,持续

当我们成功地将突触功能中的基因与行为表型变化联系起来时，我们面临着一个更困难的问题:像LTP这样的突触可塑性的变化如何在系统和行为水平上影响大脑功能?神经生物学和遗传学的最新进展极大地帮助我们解决了这个问题。首先是引入各种转基因小鼠。这种方法可以克服对感兴趣的蛋白质缺乏药物以及它们潜在的副作用。由于Susumu和Kandel在学习和记忆神经科学中引入了这种方法，越来越多的出版物涉及到行为表型、学习、记忆、疼痛、药物成瘾和各种遗传疾病的分子。第二是化学和生物学的交叉结合。在对蛋白质结构了解的基础上，产生了许多化学抑制剂。在不久的将来，基因敲除小鼠与药物抑制剂的结合将提供更好的大脑功能机制研究。神经科学家的一项主要任务是将分子和细胞研究的最新发现与完整动物的神经网络和生理功能结合起来。

在此，我综述了感觉相关中枢突触的最新进展，以及它们在感觉传递、调节和恐惧相关信息的长期存储中的作用。我认为这些突触机制为未来的神经网络研究提供了基础，也为设计更好的治疗慢性疼痛和恐惧的药物提供了基础。

3.脊髓背角:第一感觉突触感觉传输

神经元的脊髓背角和相关区域接受感官输入，包括有害信息，并将它们传递到脊柱上结构。使用药理学和行为学方法的研究表明谷氨酸和神经肽，包括P物质(SP)，是疼痛的兴奋性递质。通过对初级传入纤维和背角神经元之间感觉突触反应的电生理研究，证实谷氨酸是主要的快速兴奋性递质，突触反应是由突触后谷氨酸受体介导的。当a-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体介导突触后电流的最大组成部分时，kainate (KA)受体优先参与高(有害)刺激强度诱导的突触反应。与此一致的是，在成年动物中，KA和AMPA受体的拮抗比单独拮抗产生更大的镇痛效果。这些发现表明，感觉方式可能部分由不同的突触后神经递质受体编码。

除了谷氨酸，包括SP在内的一些神经肽被认为是感觉传递素。多年来，由于SP介导的反应起效非常慢，因此一直缺乏SP可以介导单突触反应的电生理学证据。最近使用全细胞膜片钳记录的研究显示，在初级传入纤维和背角神经元之间的突触中，SP-和神经激肽a介导的突触电流相对较快。兴奋性突触后电流(EPSCs)响应初级传入纤维的爆发活动可能影响脊髓背角神经元的兴奋性。这些神经肽介导的EPSCs与谷氨酸介导的突触反应一起，可能导致背角神经元长时间高频率地产生动作电位。因此，谷氨酸和神经肽介导的EPSCs的结合使得痛觉信息可以从外周传递到中枢神经系统5。

3.2.5 -羟色胺(5 -)全身的增强作用

脊髓背侧神经元接受来自脑干降血清素系统的神经支配。应用5-HT或5-HT2亚型受体激动剂可诱导突触反应的长期促进7。其中一种促进机制是谷氨酸AMPA受体与含有突触后密度-95/盘大/咬合带-1 (PDZ)结构域的蛋白相互作用，从而招募沉默突触。为了研究GluR2/3- pdz相互作用在感觉突触传递中的功能意义，我们合成了一个与GluR2最后10个氨基酸对应的肽(“GluR2- svki”:NVYGIESVKI)，该肽可以破坏GluR2与GRIP7的结合。正如预期的那样，GluR2-SVKI肽阻断了5-HT的促进作用。GluR2-SVKI对突触促进的作用是选择性的，因为在这些神经元中，基线EPSCs和谷氨酸引起的电流不会随着时间的推移而改变7。此外，phorbol 12,13-dibutyrate (PDBu)诱导的突触促进作用也被GluR2-SVKI阻断，这表明蛋白激酶C激活介导的突触促进作用与5-HT产生的突触促进作用相似，其依赖于GluR2/3 C-末端的相互作用7(图25.1)。

据报道，谷氨酸和降钙素基因相关肽(CGRP)等几种感觉传递素受体的激活可提高cAMP水平。在最近的一项研究中，应用forskolin对成年小鼠的背根刺激引起的突触反应没有显著影响。然而，5-羟色胺和forskolin联合应用可产生持久的突触反应促进作用。cAMP水平升高的可能原因是钙敏感的腺苷酸环化酶(AC)。我们发现在缺乏AC1的小鼠中，5-HT和forskolin诱导的促进作用完全被阻断，这表明钙敏感的AC1是重要的8。cAMP和5-HT之间的相互作用可能提供了一种结合作用heterosynaptic脊髓背角中央可塑性的形式，允许来自周边的感觉输入与来自脑干前腹延髓(RVM)的中央调节影响协同作用。

冰斗(GluR5)

冰斗(GluR5)

营

冰斗(GluR6)

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冰斗(GluR6)

图25.1。脊髓感觉突触信号通路参与突触增强。谷氨酸(Glu)是脊髓中主要的快速兴奋性递质。在正常情况下，AMPA和KA GluR6受体都参与突触反应。谷氨酸NMDA受体的激活导致树突突触后Ca2+的增加刺．Ca2+作为一个重要的细胞内信号，触发一系列的生化事件，有助于突触传递的增强。Ca2+与CaM结合，导致钙刺激的ACs激活，包括AC1和AC8和Ca2+/CaM依赖蛋白激酶(PKC, CaMKII和CaMKIV)(未显示)。Ca2+/CaM依赖性蛋白激酶使谷氨酸AMPA受体磷酸化，增加其对谷氨酸的敏感性，并增加功能突触的数量。除了同质突触LTP，突触后AMPA受体的招募有助于血清素诱导的促进。前腹侧髓质(RVM)中的神经元投射到脊髓背角，并调节脊髓中的感觉突触传递。5-羟色胺(5-HT)是介导这种促进效应的传递器。5-HT诱导的促进作用可能需要激活特定亚型的血清素受体和cAMP信号通路的共同激活，以诱导成人脊髓背角神经元的促进作用。5-HT通过G蛋白受体激活突触后PKC。PKC激活和随后的AMPA受体和GRIP相互作用导致AMPA受体募集到突触。 Due to enhanced synaptic efficacy between primary afferent fibers and dorsal horn neurons, spike (action potential) responses to the stimulation of afferent fibers and behavioral nociceptive responses are enhanced (e.g., decrease in response latencies). Glutamatergic transmission is also under presynaptic regulation through the activation of auto-KA GluR5 receptors.

3.3.同源性突触LTP

脊髓背角神经元LTP的研究很受关注，因为人们认为损伤后感觉反应的增强可以解释慢性疼痛9。虽然已经证实，在损伤后，背角神经元对外周刺激的刺突反应增强了9，但刺突反应的增强是否仅仅是因为背根神经节(DRG)细胞和背角神经元之间的突触传输增强了，还有待进一步研究。与海马等其他区域的突触不同，脊髓背角神经元的突触增强不是由强强直刺激引起的。最近的研究进一步表明LTP只发生在一些脊髓突出细胞中10(图25.1)。脊髓LTP需要激活神经激肽亚型1 (NK1)受体或NMD A受体。此外，只有表达SP受体的脊髓背角神经元经历了增强，尽管在大脑的许多其他区域，不需要SP来诱导NMDA受体依赖的LTP10。未来研究为什么不表达SP受体的背角神经元不能诱导LTP是很重要的。

试图将脊髓的变化与行为反应联系起来是很困难的。脊髓感觉突触不仅接受来自外周的输入，还接受来自脊柱上结构的双相调制。此外，许多椎管上结构也与疼痛相关的行为反应有关。因此，将脊髓中的发现与行为变化直接联系起来还为时过早。

4.杏仁核:恐惧及其长期储存

4.1.杏仁核和恐惧

恐惧记忆需要更高级的大脑结构的参与，包括海马体、杏仁核等皮质结构2, 11 - 13。对动物和人类的研究一致表明，杏仁核对恐惧记忆的形成很重要。两种形式的恐惧记忆通常被研究在动物:听觉和情景恐惧记忆。对于听觉恐惧记忆，来自不同方法的实验证据表明，杏仁核在记忆的获取和保持中起着重要作用2。杏仁核中的神经元，尤其是外侧杏仁核(LA)的神经元，接受来自外周2的听觉(用于条件性刺激，CS，在恐惧条件性刺激中)和体感输入(用于无条件刺激，US)。LA神经元同时接受来自听觉丘脑和听觉皮层的听觉输入。这两种途径都有助于听觉恐惧记忆，尽管它们在不同形式的听觉记忆中可能起着不同和互补的作用。对于体感输入，包括有害输入(如US)， LA的神经元接受来自丘脑的体感输入。LA神经元对伤害性刺激有反应，一些LA细胞对听觉和有害刺激都有反应17。对于情境性恐惧记忆，据信需要杏仁核和海马体的参与18,19。 In addition to the amygdala and hippocampus, cortical areas that process nociceptive stimuli project to the LA and other amygdala nuclei20,21.

4.2.恐惧和LTP

新信息是如何在杏仁核回路中学习和存储的?一个主要的假设是，在杏仁核的训练后，突触传递经历了长期的可塑性变化。使用多种方法进行的研究，包括大脑切片的电生理记录和整个动物的单个单元或场突触反应，一致表明LTP是杏仁核中恐惧记忆最可能的突触机制。首先，利用离体杏仁核切片或体内记录的电生理学研究表明，听觉传入通路，包括听觉丘脑-杏仁核通路和听觉皮质-杏仁核通路，在ltp诱导刺激范式22-24后发生突触增强。其次，杏仁核中LTP的联想性质支持了恐惧条件反射需要听觉和痛觉输入汇聚到LA24的单个神经元的观点。第三，在听觉恐惧条件反射过程中，LA区的神经活动已被证明以类似于人工LTP诱导后观察到的方式被修改25,26。第四，抑制杏仁核中LTP的诱导和/或巩固的药物也抑制恐惧记忆27-29(评论见参考文献2)。最后，最近的一项研究表明，恐惧条件反射阻断了ltp诱导的通向外侧杏仁核皮质通路突触传递的突触前增强。

4.3.Thalamic-Amygdala LTP

LTP的突触机制已经在杏仁核切片中得到了最好的研究。已经注意到NMDA受体和/或l型的作用电压门控钙通道(L-VGCCs)对LTP诱导的影响多少依赖于诱导协议31(图25.2)。NMDA受体的激活是丘脑-杏仁核LTP的诱导所必需的。有趣的是，选择性NR2B受体拮抗剂在浴中应用阻断了ltp32,33的诱导。含有NMDA受体的NR2A的作用尚未被研究。除了NMDA受体外，据报道KA GluR6受体对LTP也很重要。场电位记录和全细胞膜片钳记录显示LTP在缺乏GluR6亚基的小鼠中被阻断。相比之下，GluR5亚基敲除小鼠LTP正常。GluR6促进LTP的确切突触机制仍有待研究。此外，有报道称，抑制代谢性谷氨酸受体(mGluR) 5亚型可阻断LTP32。因此，丘脑-杏仁核通路的突触增强很可能涉及多个受体系统。

杏仁核LTP中蛋白激酶的参与也被研究了。据报道，camp依赖性蛋白激酶(PKA)和CaMKII有助于LTP的诱导。此外，CaMKIV与杏仁核的早期LTP有关34。LTP在丘脑-杏仁核通路中的表达包含突触前和突触后两种机制。最近的一项研究表明，在LTP过程中，配对脉冲促进(PPF)在丘脑-杏仁核通路中发生改变，提高了突触前对LTP的贡献的可能性。此外，抑制一种逆行信使一氧化氮(NO)的产生，阻断LTP35(见图25.2的模型)，提示NO可能作为一种逆行信使在丘脑-杏仁核LTP的表达中发挥作用。

4.4.皮质-杏仁核通路中的LTP

LTP在通往LA的皮层通路中的诱导发生在突触后，而LTP的表达发生在突触前。LTP的诱导依赖于突触后去极化，依赖于Ca2+通过NMDA受体23,30或L-VGCCs30流入突触后细胞。Tsvekov等人在一个执行良好的实验中发现，当NMDA受体和L-VDCCs都被阻断时，LTP被完全阻断。据报道，小电导Ca2+激活K+通道(SK)也有助于皮质-杏仁核通路中的LTP 36。封锁SK渠道大大增强了LTP。这些结果表明，Ca2+内流通过NMDA受体激活SK通道，并分流产生的兴奋性突触后电位。

皮质-杏仁核LTP的表达主要集中在突触前23,30。LTP与PPF的降低相关，并被浴液阻断，但不被突触后注入PKA抑制剂。此外，forskolin可通过该通路诱导LTP，阻断破伤风诱导LTP。据报道，许多其他信号分子/蛋白质有助于PI-3激酶抑制剂阻断皮质-杏仁核通路中破伤风诱导的LTP(现场记录)。破伤风和forskolin诱导的MAPK激活被PI-3激酶抑制剂阻断，这也抑制了CREB的磷酸化。这些结果表明PI-3是MAPK和CREB激活的上游，因此有助于杏仁核的突触可塑性。

图25。2.杏仁核中促进LTP的突触前和突触后信号通路。NMDA受体对LTP的诱导很重要。Ca2+作为一种重要的细胞内信号，触发一系列有助于LTP表达的生化事件。Ca2+/CaM依赖蛋白激酶磷酸化谷氨酸AMPA受体，增加其对谷氨酸的敏感性和功能AMPA受体的数量。CaMKIV是一种主要在细胞核中表达的激酶，它的激活会触发依赖于CaMKIV的CREB，从而导致LTP。L-VGCCs的参与也受到牵连，这取决于LTP诱导协议。逆行信使一氧化氮(NO)的产生被认为对LTP的表达很重要。

图25。2.杏仁核中促进LTP的突触前和突触后信号通路。NMDA受体对LTP的诱导很重要。Ca2+作为一种重要的细胞内信号，触发一系列有助于LTP表达的生化事件。Ca2+/CaM依赖蛋白激酶磷酸化谷氨酸AMPA受体，增加其对谷氨酸的敏感性和功能AMPA受体的数量。CaMKIV是一种主要在细胞核中表达的激酶，它的激活会触发依赖于CaMKIV的CREB，从而导致LTP。L-VGCCs的参与也受到牵连，这取决于LTP诱导协议。逆行信使一氧化氮(NO)的产生被认为对LTP的表达很重要。

皮质-杏仁核LTP (L-LTP)的晚期由PKA和MAPK37介导。L-LTP与CREB的磷酸化和蛋白质合成有关。大多数研究分子参与丘脑-杏仁核LTP，包括GluR138、NR2B33、GluR639、NO35、CaMKIV34和CaMKII31，但它们在皮层LTP中的作用尚未阐明。

5.前扣带皮层(acc):一个综合中枢

5.1.突触传递在ACC

谷氨酸是ACC7中主要的快速兴奋性递质。ACC中有不同类型的谷氨酸受体，包括AMPA、KA、NMDA和mGluRs。大鼠和小鼠ACC锥体神经元全细胞膜片钳记录显示，兴奋性突触反应是由谷氨酸AMPA/KA受体介导的7,40。虽然大多数快速EPSCs是由突触后AMPA受体介导的，但最近的一项研究报道，一些突触电流可以由成年小鼠ACC神经元中的谷氨酸KA受体介导40。此外，利用KA亚型受体敲除小鼠进行的遗传研究表明，突触后KA受体介导的电流需要GluR5和GluR6亚基40。除了快速突触反应，NMDA受体介导的慢突触反应也被记录在生理温度下的成年ACC切片或自由运动动物ACC的体内记录41,42。这些结果表明，在生理条件下，突触后NMDA受体参与了ACC的感觉突触传递。

5.2.ACC的LTP

通过对成年大鼠或小鼠的ACC切片进行现场记录，发现ACC内的谷氨酸能突触对暴激刺激的反应可以持续增强，这一范式与ACC神经元的活动更密切相关。强化持续时间至少40-120分钟。LTP可以用全细胞膜片钳在成年小鼠切片中记录。使用另外两种不同的诱导方法可以诱导长期突触增强43。突触后NMDA受体和突触后Ca2+信号的激活对LTP的诱导至关重要。在LTP过程中，未检测到PPF的明显变化，这表明增强不太可能是由于纯粹的突触前机制。NMDA、NR2A和NR2B亚基的激活对LTP43的诱导至关重要。要完全抑制扣带LTP的诱导，需要阻断NR2A和NR2B亚基。除了NMDA受体外，KA GluR6受体的激活也被报道有助于扣带LTP39。

环AMP是神经元中重要的第二信使。最近使用基因敲除小鼠和药理激活剂/抑制剂的研究发现，钙刺激的AC1和AC8在锥体细胞中由束突刺激或配对训练协议诱导的扣带LTP中很重要。MAP激酶的激活对扣带LTP也很重要。此外，LTP34的诱导还需要CaMKIV。因此，可能有多种信号通路对扣带LTP的诱导至关重要。未来的研究需要解决AMPA受体亚基在扣带LTP中的可能贡献(图25.3)。

5.3.行为恐惧和ACC

据报道，刺激前扣带皮层产生恐惧记忆，而前扣带皮层的神经元活动是提取远程恐惧记忆所必需的。

最近使用药理学和遗传学方法的研究表明，抑制ACC中的NMDA NR2B受体显著减少了经典恐惧记忆的形成，表明ACC神经元活动有助于恐惧记忆的形成43。为了支持前扣带皮层在恐惧中的作用，Tang和同事报告说，刺激前扣带皮层会产生恐惧记忆，而不会产生经典的足部电击42。这种由前扣带皮层刺激引起的恐惧记忆需要杏仁核的活动，这表明前扣带皮层和杏仁核很可能一起工作记住可怕的线索。

继续阅读:抑郁症中突触发生改变的证据

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