胆碱能系统在中枢神经系统的功能 || 阿尔茨海默病分子生物学

 阿尔茨海默病的胆碱能学说

1914年，Dale发现乙酰胆碱 (ACh) 有强烈的血管减压作用，1921年，Loewi发现刺激迷走神经能释放ACh，确认它的化学神经传递的作用，1935年，Dale确认ACh是神经递质，它也是第一个被发现和得到公认的神经递质。70年代末及80年代初，对AD患者及认知障碍患者尸检发现大量从基底前脑投射到皮层的胆碱能神经突触丢失，ACh、胆碱乙酰基转移酶 ( ChAT ) 等胆碱能标记物异常，并且与AD的严重程度相关，药物破坏胆碱能活性会导致行为认识损害，以及增加胆碱能活性改善老年患者认知。Bartus于1982年提出老年人相关的认知功能障碍及痴呆的胆碱能假说。胆碱能损伤学说于上世纪八十年代被提出，是首次用于解释阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease, AD) 发病机制的学说，它的提出具有跨时代的意义，并引领了之后一系列针对AD病因以及治疗的研究热潮。

胆碱能系统在中枢神经系统的功能

1胆碱能系统与神经分化及发育

体外研究发现，皮质前体细胞可表达M2、M3和M4 mAChRs，ACh激活mAChRs，通过G蛋白、Ca2+信号通路、蛋白激酶C、MAPK磷酸化及DNA合成，促进前体细胞的增殖及向神经元分化。进一步的研究显示， M1、M3、M5激活Gq/11蛋白，胞内贮存Ca2+释放诱导前体细胞增殖，M2激活Gi/o蛋白调节前体细胞的神经元分化。nAChRs对神经细胞的分化也有调节作用，在活化α4β2 nAChR后，神经前体细胞向神经元方向分化，给予α4β2 nAChR拮抗剂，分化被完全阻断，但给予а7 nAChR拮抗剂，分化仍然继续，分化需要Math1 的持续表达。而AChE则阻止细胞增殖，但促进神经细胞分化及形成神经网络。对于在前体细胞前的神经干细胞，则是通过M1受体介异向神经元细胞分化。

胆碱能传入支配在神经分化及突触生成中起着重要作用。在突触发生之前，ACh及AChR已经出在大脑，参与神经元的成熟。在刚出生的大鼠大脑额叶、顶叶及枕叶底部，可以发现一些ChAT阳性生长锥的轴突，出生后第4天，就这些轴突已经出现在皮质的外层及边缘区，还可以发现一些ChAT弱阳性的中间神经元，出生后第8天，更多的中间神经元被标记，而且各种未稍的胆碱神经在每一个皮层都已经形成神经网络]。ACh调节皮质神经元的发育及形态的发生，影响皮质的连接。在出生一周的大鼠，胆碱能神经已经投射到额前皮质的γ-氨基丁酸能神经元，通过激活mAChRs促进断续的梭状波丛γ振荡放电，而在幼儿期，则是通过激活mAChRs及nAChRs，产生持续的δ-γ节律。在皮层发育时，α4β2和а7 nAChR是高表达的。在出生后数月额前皮质VI层，ACh刺激锥体神经元，可产生较明显的电流，然后随着发育逐渐下降。这一层与注意力的产生密切相关。胆碱能中间神经元促进突触修整细化，调节发育中皮质回路的感觉神经输入。ACh可激星形胶质细胞mAChRs，导致纤维连接蛋白、层粘连蛋白等细胞外基质蛋白大量分泌，而加速海马神经元轴突的生成。因此，ACh刺激还能为神经的发育及成熟提供有利的环境。在去胆碱能支配的皮质，可观察到明显的胞体缩小，树突变短，分支减少，及神经元间的连接改变，皮层变薄，也证明了胆碱能在神经发育中的作用。

海马主要负责记忆和学习，胆碱能神经对于成年海马的神经的发生有重要作用。在年轻成年及老年小鼠齿状回神经干细胞，激活mAChRs可致Ca2+浓度迅速增加，神经干细胞明显增殖。支配海马的胆碱能神经主要来自于基底前脑，特别是中隔内侧核和Broca斜角带核，ACh由突触末梢及游离神经末梢释放，参与成年海马的可塑性调节。用皂草素注入侧脑室选择性损毁基底前脑来源的胆碱能神经元后，齿状回及嗅球BrdU标记的神经发生及NeuN阳性神经元核明显减少，颗粒下层凋亡细胞增多，而给予胆碱能激动剂毒扁豆碱后，齿状回神经发生增加。改变基底前脑ACh水平，也会影响神经元分化及短期存活。这其中的分子机制还不清楚。在海马新生的神经元与胆碱能神经元产生接触，并表达M1、M2，а7，β2等受体，ACh可能作用于这些受体，通过丝裂原活化蛋白激酶、PI3K/Akt、蛋白激酶C、Ca2+信号通路途径，调节神经干细胞及前体细胞。

2胆碱能系统与突触可塑性

突触可塑性是学习记忆的分子细胞层面的神经学基础，主要包括短期突触可塑性与长期突触可塑性。短期的主要包括易化、抑制、增强，长期的主要表现形式为长时程增强(longterm potentiation, LTP)和长时程抑制(longterm depression, LDP)。NMDA受体依赖型LTP是LTP中研究的最多的类型。突触后膜除极，谷氨酸结合并激活NMDA受体，使钙离子通道打开。随后，进入的钙离子激活一系列下游信号通路的酶，包括钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C，使钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ发生自身磷酸化，钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ可以移位至突触后密集区(postsynapticdensity, PSD)，与仪一辅肌动蛋白、PSD95、突触黏附分子等PSD上的蛋白结合；结合后的复合物促进α氨基羟甲基恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionicacid，AMPA)受体在突触后膜上的锚定，增强突触后膜受体的敏感性进而影响LTP的产生。胆碱能系统对突触可塑性主要起着调节作用，与ACh作用的受体类型及位于突触前或突触后有关，作用机制也有差异。如突触前mAChRs减少谷氨酸、GABA和 ACh释放，降低海马的反应性，而突触后的mAChRs则通过抑制K+通道而产生相反的结果，突触后M1激活增加NMDA受体敏感性。在海马，ACh促进LTP的现象可通过胆碱能的激动剂作用或刺激中隔核区而观察到，然而，即使破坏了支配海马的胆碱能神经纤维，对LTP形成及维持的影响也不是持续性的。M1型受体可以促进海马CA1 LTP的形成，及调节兴奋阈。而M1敲除的小鼠，LTP形成及能力只有轻度受损。M2/M4型受体特异性拮抗剂作用于CA1突触前自身受体时，也可以诱导TLP形成，但是需要M1/M3受体激，且独立于NMDA受体及电压依赖的Ca2+通道。

体外研究中，激活在海马CA1区切片的nAChR，特别是а2,并联合а7失活的情况下，会降低LTP的诱导阈，把短时程增强变为LTP，这种把短时程增强转换成LTP可能的机制包括烟碱通过Ca2+内流，诱导CA1锥体神经元的突触后动作电位，或者调节抑制性中间神经元，导致锥体神经元的脱抑制。然而а7受体的激活剂DMXB在低剂量时能促进LTP的诱导，在高剂量时却是抑制。低剂量的а7部分激活剂S24795也能易化LTP的形成。并且，烟碱或ACh激活а7能唤醒沉默的突触进入功能状态，从而增强LTP的形成。在体内研究中，大多数证据来自于在齿状回的研究，快速烟碱处理激活nAChR诱导LTP形成，这个过程依赖于а7及а4β2的激活。快速烟碱处理后的LTP能持续长达5个小时，但是需要多巴胺能的输入

3胆碱能系统与记忆

海马被是学习记忆的关键结构，中枢胆碱能神经元从内侧隔核与斜角带通过穹隆投射至海马结构和扣带回皮质，在学习记忆过程中，隔核和斜角带核的ACh沿隔-海马胆碱能通路抵达海马，兴奋海马的锥体细胞，完成学习任务及对记忆的储存和再现。研究表明，学习及记忆中，胆碱能系统激活，海马ACh的水平上升，并且与学习记忆的类型、时程相关。记忆并不是一个单一的过程，它需要多个大脑结构及系统对认知处理过程的支撑。在记忆过程，胆碱能参与程度取决于海马功能的需求，并且对多个记忆系统有重要的选择/协同作用。海马ACh的释放与任务有关，中隔内侧核-海马胆碱能神经元参与了学习及记忆，ACh升降的水平取决于具体的任务及学习程度。海马高水平ACh有助于处理更复杂的信息。与暗示条件恐惧时比较，处理更复杂的关联条件恐惧时，海马会释放更多ACh，使用扁豆碱提高胆碱能功能时，小鼠会更多地偏向处理关联条件恐惧，而使用东莨菪碱拮抗时，侧会偏向于暗示条件恐惧，而且海马高水平的ACh意味着更高学习能力，海马依赖的学习与海马ACh水平相关，ACh升高的浓度及持续时间影响记忆的类型及记忆处理过程。杏仁核，纹状体分别是处理情感记忆、程序记忆的主要部位，胆碱能协同这些不同的记忆系统，从而选择不同的学习策略。海马高水平的ACh与杏仁核依赖的学习表现负相关，提示胆碱能的激活妨碍杏仁核依赖的学习任务，然而当海马在处理记忆时，杏仁核的ACh却是增加的。

其次，记忆有着动态的处理过程，包含不同的时期(编码、巩固、提取)，ACh的作用也取决于记忆处理过程处于什么时期。研究显示，长期及短时记忆都能马上增加海马的胆碱能活性，但只有长期记忆在早期的反复训练中会导致随后的胆碱能活性下降，而且，胆碱能开始的激活及随后的抑制水平与学习的获得程度相关。来自于新皮层的新信息从嗅皮层及齿状回传入海马的胆碱能被激活，高水平ACh抑制海马内在的CA1及CA3神经元，抑制CA3贮存的信息流入CA1，减少对新信息的干扰，有利于新记忆的编码。与清醒期高水平ACh不同，在休息期(或慢波睡眠期)却是低水平ACh。低水平ACh减少对海马CA1、CA3兴奋性反馈的抑制，有利于海马嗅皮层的信号输出，如慢波睡眠时，EEG检测到起源于CA3的尖涟波，提示通过CA1及新皮层神经网络的共激活，促进之前编码的新记忆的巩固。东莨菪碱抑制胆碱能活性时，会损伤记忆编码，但不会影响记忆提取，而毒扁豆碱增加胆碱能活性时，会破坏记忆提取，不会影响记忆编码。功能磁共振的研究也提示，毒扁豆碱可以增加海马空间语境信息编码的神经活性。因此激活胆碱能促进记忆编码，但记忆的巩固及提取却需要低水平的胆碱能活性。

然而研究显示，条件及新鲜刺激能使额皮层及海马的ACh释放增加，但是习惯性活动刺激并没有这种效果。因为条件及新鲜刺激能引起更多的注意。提示胆碱能系统可能是通过选择性注意参与学习记忆。纹状体囊状乙酰胆碱转运蛋白基因敲除小鼠研究也证实，胆碱能系统对空间任务影响不大，但注意力下降明显。

在药物研究中，限制胆碱摄入、长期嗜酒、使用损害记忆力的药物会对记忆产生损害及减少海马ACh生成，而使用改善记忆力的药物则会提高海马ACh的量。对隔核有影响的药物也同时会对海马ACh有一致的影响，然而也有很多研究得出相反的结果，当使用药物提高动物记忆力时，海马的ACh量不升反降。因此，记忆的改变不一定有相应的ACh变化，调控隔核影响记忆力也不见得一定会影响胆碱能的活性标记物。药物研究还进一步显示，胆碱能激动剂全身用药能逆转隔核及穹窿破坏导致的记忆力下降，提示调节ACh改善受损的记忆。这些证据都提示了，海马ACh参与了记忆，但没有确定海马ACh是否是记忆所必需的。进一步全身性使用东莨菪碱及海马局部注射均会造成明显的海马相关学习记忆受损，这些证据提示海马ACh是正常的学习记忆必需的。使用神经毒素破坏隔核及穹窿会损害海马相关的学习记忆，但这种破坏是非选择性的，除了破坏胆碱能神经，还会损伤GABA能神经。应用选择性免疫毒素192-IgG-saporin，可选择性破坏基底前脑的胆碱能神经元，但该区域的其它神经元则未受损害。然而用192-IgG-saporin选择性破坏隔核海马胆碱能神经元后，却没观察到非选择性破坏隔核、穹窿出现的记忆受损，在水迷宫实验中没有空间学习受损，放射臂迷宫实验中没有空间工作记忆受损，也没有关联条件恐惧改变，这些新出现的结果则提示海马ACh并不是海马依赖的记忆所需的。把192-IgG-saporin注射到基底前脑时，也没有出现记忆的改变，然而联合损伤内侧隔核/斜角带核、大细胞基底核的胆碱能神经元时，则会出现单一损伤没有的记忆行为改变。提示基底皮层及隔核海马胆碱能神经元对记忆损伤的联合作用。

总而言之，海马胆碱能神经元活性与记忆相关，在隔核海马投射受损后，恢复海马ACh水平能改善记忆，提示海马ACh参与记忆。然而选择性损伤隔核海马投射的胆碱能神经元后，对海马依赖的学习记忆影响非常有限，提示海马ACh可能会在未受损伤的大脑里对记忆有促进作用，但对海马记忆的许多方面并不是必需的。ACh虽然参与了记忆的形成，但并不是必不可少的，它在记忆的过程中，更多的是起到调节功能。或通过注意力，辅助记忆的形成。