赵 爽 张胜昌

(右江民族医学院病理生理学教研室，广西 百色 533000)

癫痫伴记忆认知损伤与突触可塑性的关系

赵 爽 张胜昌1

(右江民族医学院病理生理学教研室，广西 百色 533000)

癫痫；学习记忆；突触可塑性

我国目前约有1 000万例以上的癫痫患者，在其伴随症状中30%～40%会发生不同程度的认知与学习记忆功能障碍，包括对一般知识的注意力、空间结构记忆、言语记忆、阅读学习及精神活动等方面，患者尤其以长短时记忆能力、视觉空间记忆能力受损最为显著〔1〕。大脑发生不同程度的缺氧、代谢紊乱、兴奋性神经递质过度释放、组织酸中毒、甚至神经组织结构变异等成为经常重复性痫性发作后累及记忆与认知功能的可能机制〔2〕。神经突触可塑性变化也是癫痫伴随学习记忆与认知功能损害发生的重要机制之一。

1 突触可塑性与记忆认知损伤

大脑具有可塑性，即神经突触可塑性，指神经系统在外界环境变化或脑损伤时，大脑结构与功能发生相应变化的能力，使突触传递效能发生易化或抑制，即从神经元到神经环路发生的某些适应性改变，涉及神经元、神经突触及整个神经系统结构与功能的调控〔3〕。突触可塑性包括结构和功能可塑性两类情况。突触结构的可塑性，如突触的大小、分支、数量、神经回路的微细结构等形态变构；突触功能可塑性则包括突触连接的改变及突触效能变化等，人的听觉、视觉、躯体感觉、记忆、语言等高级认知功能都存在着神经可塑性〔4〕。脑组织海马苔藓纤维发芽(MFS)、颗粒细胞形成异常联结效应网络，并呈异位分散式分布，神经元间兴奋性扩布传导反应受限，神经元突触结构扩展增生并重构异常的神经网络，这些形态或功能上的变化均与神经再生及可塑性有关，在痫性发作的患者或动物模型中可以出现。神经元也可以在基因和外部微环境的共同作用下反复过度放电，致使神经元凋亡、坏死，并促进胶质细胞增生，同时学习记忆与认知能力随之下降〔5～7〕。

2 海马MFS与突触可塑性变化

海马是与学习记忆及认知有关的神经回路中非常重要的结构环节。海马功能和结构的可塑性变化与重建是痫性发作后记忆认知障碍的生物学基础，这种可塑性变化与突触重建主要表现在海马MFS上。研究表明，海马神经元脱失或海马内MFS的程度与认知功能下降密切相关，特别是海马齿状回颗粒细胞MFS可能是引起癫痫记忆与认知行为紊乱的结构基础〔8〕。研究还发现动物模型中齿状回内分子层和CA3区有末梢MFS及突触重建现象〔9〕，在颗粒细胞间形成了异常兴奋性联系即突触可塑性变化，门区及内分子层局部电生理环路发生改变，增加了发作易感性从而诱发癫痫〔10〕。

囊泡吸附性蛋白质中突触素(SYN)在身体所有的神经末端广泛表达，与突触结构和功能密切相关，尤其在钙离子激活诱导下于突触前囊泡膜主要介导神经递质的释放和突触囊泡的回收利用，其表达数量和表达位置可确切地反映突触的分布及功能状态，被认为是突触成熟和可塑性迹象产生的一个重要标志，例如突触的损伤或丢失在神经生物学中就可以以SYN的表达为标记，痫性发作后记忆与认知功能障碍的发生也与突触的损伤或丢失有关。Marcskó等〔11〕和Schmitt等〔12〕在老年大鼠学习记忆与海马SYN表达关系的研究中揭示，记忆受损动物较记忆正常者神经元不同程度受损，不同脑区SYN阳性表达水平减少，与行为学实验中逃避潜伏期的明显延长呈负相关。当痫性发作持续状态的急性期时，海马SYN免疫反应减弱；SYN的表达再一次增多将发生于以上急性阶段后的慢性自发发作时期，在这个时期MFS的分布与SYN表达定位相一致，神经元突触出现增生与重塑〔13〕。SYN表达异常是急性癫痫发生的结果，也可能是慢性癫痫得以持续维系的分子基础，从而导致神经突触重塑影响学习记忆与认知能力。神经颗粒素(Ng)为许多重要脑区所表达的蛋白，是蛋白激酶C的激活底物，也可以与钙调蛋白(CaM)结合，当Ng发生化学修饰如氧化、谷胱甘肽化、磷酸化等，与CaM的结合能力将下降，CaM将自由结合钙离子，活化蛋白激酶(CaMK)Ⅱ、NO合酶(NOS)和腺苷酸环化酶(AC)等，突触可塑性相关重要的形成机制中长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)便与以上蛋白激酶系统密切相关，因此Ng在突触可塑性和学习记忆机制等方面作用显著。小鼠实验结果显示〔14〕，Ng基因敲除后，实施Morris水迷宫和Barnes迷宫检测，小鼠不能在隐蔽平台实验和探究性实验中做出正确的判断与选择，并表现出明显的转向能力障碍，成为Ng在学习与记忆形成中具有重要作用较为有力的证据。细胞周期素依赖性激酶(Cdk)5能够参与海马MFS过程，如与调节蛋白p25、p35等结合形成复合物，通过介导骨架蛋白tau、磷酸酶抑制剂- 1、突触后致密物PSD- 95等蛋白的异常磷酸化水平促进MFS及突触重建，进而影响痫性发作后的记忆认知功能〔15,16〕。

3 突触可塑性改变的相关分子机制

MFS是常见的病理现象，其形成有赖于多种神经导向因子的参与。神经生长导向因子有Slits、Netrin、Ephrins及Semaphorins家族等，均可促进或抑制MFS的形成并调控其生长方向，在突触重塑中发挥着重要的作用〔17〕。神经生长相关蛋白(GAP)- 43为一种胞膜磷蛋白，是神经损伤后轴突上高度诱导的快速转运蛋白，主要位于轴突生长锥上，参与轴突生长和突触可塑性形成，是损伤后MFS的首选标志物之一，GAP- 43基因敲除小鼠表现为轴突纤维出芽功能丧失〔18〕。轴突定向因子中的Sema3A属排斥性轴突导向因子，作用较强。研究发现，电刺激大鼠痫性发作持续状态后，齿状回分子层中星形胶质细胞的Sema3A表达短暂下调，同时齿状回颗粒细胞GAP- 43 mRNA表达上调，且这一过程常与MFS相伴，Sema3A有抑制MFS的作用，轴突导向由抑制因子和诱导因子共同作用完成〔19〕。慢性致痫大鼠海马中，GAP- 43和Sema3A蛋白在齿状回和CA3区表达相反，促进了此区MFS的产生，两者在CA1区同时表达上调，解释了该区易于形成异常兴奋性环路和难以产生MFS的原因。突触结合蛋白(Syt)- Ⅰ、层黏连蛋白、突触后密度蛋白(PSD)- 93及参与肌动蛋白崩解过程的生物分子Mical- 1等突触机制相关生物分子都与MFS的形成和痫性发作关系密切，对学习记忆与认知功能也可以产生不同程度的影响〔20〕。

4 神经再生与突触可塑性改变

神经再生可以影响学习与记忆能力，慢性癫痫出现的神经再生异常同样也可以影响学习记忆与认知能力，甚至发生情绪变化如伴有抑郁症状等。研究人员新近还解析了大脑中的一个重要区域：内侧前额叶区，其活动延迟期间将有助于学习及工作记忆任务的完成，这为深入理解工作记忆能力提供了重要信息〔21〕。痫性发作患者经海马神经干细胞移植可生成新的γ- 氨基丁酸(GABA)能中间神经元，从而减少发作次数和改善认知功能〔22〕，神经调节蛋白(NRG)1及其受体ErbB4酪氨酸激酶，对于维持杏仁核GABA能神经元活性也同样非常重要〔23〕。神经再生是重要的神经可塑性变化之一，干预神经再生将可能成为癫痫及其并发症防治的重要手段之一。

5 N- 甲基- D- 天冬氨酸(NMDA)受体与突触可塑性变化

脑内兴奋性神经递质谷氨酸(Glu)受体中的离子型受体(iGluRs)主要介导快信号传递，根据激动剂不同，可分为海人藻酸(KA)、α- 氨基- 3- 羟基- 5- 甲基- 4- 异噁唑丙酸(AMPA)及NMDA受体，均属配体门控离子通道，与神经元异常放电直接相关。颞叶癫痫NMDA受体亚基GluN2B的mRNA含量减少极易发生海马硬化，GluN2A和GluN2B亚基大量表达，还可能参与突触可塑性调控，与认知损害有关。

NMDA受体通道开放后，将允许Na+、K+及Ca2+通过，树突棘内Ca2+内流可以激活某些蛋白激酶，从而引发下游的一系列生化反应，最终可对突触的连接强度加以修饰，因此，NMDA受体是诱导突触可塑性的门控开关〔24〕。NMDA受体依赖性LTP和LTD被认为参与了学习和记忆的过程〔25〕，而LTP和LTD正是突触可塑性的一种表现。“长时程突触可塑性”已成为一种术语，用来形容神经元突触信号传递的功效向长期经验适应性转变〔26〕。LTP和LTD由特殊的兴奋所诱导，比如LTP需要突触前后神经元同时兴奋，当突触前膜兴奋释放足够量Glu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。利用选择性基因敲除技术敲除鼠海马CA1区锥体细胞的GluN1基因或注射NMDA受体拮抗剂MK801则表现为突变鼠的突触可塑性异常，无法建立LTP，出现空间记忆缺陷〔27〕。突触前NMDA受体活性依赖的BDNF分泌在皮质纹状体LTP中同样发挥着至关重要的作用〔28〕。NMDA受体参与LTP和LTD、参与学习和记忆的形成机制、参与中枢神经系统发育的突触发生与可塑性形成、参与Glu的神经毒性，可作为神经病学和精神病学某些疾病如癫痫、脑梗死、神经性头痛、阿尔茨海默病、精神分裂症等潜在的诊疗靶点〔29〕。癫痫发作与发病形式多种多样及对人群调查尚缺乏标准化的评估方法，某些痫性发作是否一定伴随认知障碍仍不明确〔30〕。但近年来通过大量临床观察和动物实验〔22〕表明，此综合征中异常的神经元活动及重要的发病机制之一，突触可塑性变化可以影响正常的学习记忆及认知过程甚至个体行为。提示必要科学合理的认知干预可延缓痫性发作所致学习记忆能力的损伤，并在一定程度上改善认知功能。

1 Badawy RA,Johnson KA,Cook MJ,etal.A mechanistic appraisal of cognitive dysfunction in epilepsy〔J〕.Neurosci Biobehav Rev,2012;36(8):1885.

2 陈 珉,傅建梅.癫痫患者的认知功能评估〔J〕.中华全科医学,2013;11(3):403- 4.

3 Castrén E,Hen R.Neuronal plasticity and antidepressant actions〔J〕.Trends Neurosci,2013;36(5):259- 67.

4 Li B,Wanka L,Blanchard J,etal.Neurotrophic peptides incorporating adamantane improve learning and memory,promote neurogenesis and synaptic plasticity in mice〔J〕.FEBS Lett,2010;584(15):3359- 65.

5 Hester MS,Danzer SC.Accumulation of abnormal adult- generated hippocampal granule cells predicts seizure frequency and severity〔J〕.J Neurosci,2013;33(21):8926- 36.

6 Pun RY,Rolle IJ,Lasarge CL,etal.Excessive activation of mTOR in postnatally generated granule cells is sufficient to cause epilepsy〔J〕.Neuron,2012;75(6):1022- 34.

7 Fang M,Xi ZQ,Wu Y,etal.A new hypothesis of drug refractory epilepsy:neural network hypothesis〔J〕.Med Hypotheses,2011;76(6):871- 6.

8 杨常泉,马 融,梁 倩.茸菖胶囊对戊四唑致痫大鼠学习记忆能力及海马苔藓纤维出芽的影响〔J〕.天津中医药,2013;30(5):287- 90.

9 Wilke SA,Raam T,Antonios JK,etal.Specific disruption of hippocampal mossy fiber synapses in a mouse model of familial Alzheimer′s disease〔J〕.PLoS One,2014;9(1):e84349.

11 Mracskó E,Hugyecz M,Institóris A,etal.Changes in pro- oxidant and antioxidant enzyme levels during cerebral hypoperfusion in rats〔J〕.Brain Res,2010;1321:13- 9.

12 Schmitt U,Tan Moto N,Seemlier M,etal.Detection of behavioral alterations and learning deficits in mice lacking synaptophysin〔J〕.Neuroscience,2009;162(2):234- 43.

13 冯亚梅,毛诗贤.癫痫大鼠模型海马组织突触素- 1的表达变化研究〔J〕.重庆医科大学学报,2013;38(6):608- 10.

14 Miyakawa T,Yared E,Pak JH,etal.Neurogranin null mutant mice display pe- rformance deficits on spatial learning tasks with anxiety related components〔J〕.Hippocampus,2001;11(6):763- 75.

15 Molnár E.Motor learning and long- term plasticity of parallel fibre- Purkinje cell synapses require post- synaptic Cdk5/p35〔J〕.J Neurochem,2014;131(1):1- 3.

16 Tu S,Okamoto S,Lipton SA,etal.Oligomeric Aβ- induced synaptic dysfunction in Alzheimer′s disease〔J〕.Mol Neurodegener,2014;9:48.

17 Laumonnerie C,Da Silva RV,Kania A,etal.Netrin 1 and Dcc signaling are required for confinement of central axons with in the central nervous system〔J〕.Development,2014;141(3):594- 603.

18 Guarnieri S,Morabito C,Paolini C,etal.Growth associated protein 43 is expressed in skeletal muscle fibers and is localized in proximity of mitochondria and calcium release units〔J〕.PLoS One,2013;8(1):e53267.

19 Ben- Zvi A,Sweetat S,Behar O.Elimination of aberrant DRG circuitries in Sema3A mutant mice leads to extensive neuronal deficits〔J〕.PLoS One,2013;8(7):e70085.

20 Hua SY,Syed A,Aupérin TC,etal.The cytoplasmic domain of rat synaptotagmin Ⅰ enhances synaptic transmission〔J〕.Cell Mol Neurobiol,2014;34(5):659- 67.

21 Liu D,Gu X,Zhu J,etal.Medial prefrontal activity during delay period contributes to learning of a working memory task〔J〕.Science,2014;346(6208):458- 63.

22 Miltiadous P,Kouroupi G,Stamatakis A,etal.Subventricular zone- derived neural stem cell grafts protect against hippocampal degeneration and restore cognitive function in the mouse following intrahippocampal kainic acid administration〔J〕.Stem Cells Transl Med,2013;2(3):185- 98.

23 Lu Y,Sun XD,Hou FQ,etal.Maintenance of GAB aergic activity by neuregulin 1- ErbB4 in amygdala for fear memory〔J〕.Neuron,2014;84(4):835- 46.

24 齐建国.神经科学扩展〔M〕.北京:人民卫生出版社,2011:258- 63.

25 Dobrek L,Thor P.Glutamate NMDA receptors in pathophysiology and pharmacotherapy of selected nervous system diseases〔J〕.Postepy Hig Med Dosw,2011;65:338- 46.

26 Lüscher C,Malenka RC.NMDA receptor- dependent long- term potentiation and long- term depression(LLTP/LTD)〔J〕.Cold Spring Harb Perspect Biol,2012;4(6):a005710.

27 Watson DJ,Stanton ME.Intrahippocampal administration of an NMDA- receptor antagonist impairs spatial discrimination reversallearning in weanling rats〔J〕.Neurobiol Learn Mem,2009;92(1):89- 98.

28 Park H,Popescu A,Poo MM.Essential role of presynaptic NMDA receptors in activity- dependent BDNF secretion and corticostriatal LTP〔J〕.Neuron,2014;84(5):1009- 22.

29 Cousins SL,Kenny AV,Stephenson FA.Delineation of additional PSD- 95 binding domains within NMDA receptor NR2 subunits reveals differences between NR2A/PSD- 95 and NR2B/PSD- 95 association〔J〕.Neuroscience,2009;158(1):89- 95.

30 Lin JJ,Mula M,Hermann BP.Uncovering the neurobehavioural comorbidities of epilepsy over the lifespan〔J〕.Lancet,2012;380(9848):1180- 92.

〔2016- 03- 12修回〕

(编辑 苑云杰/杜 娟)

广西自然科学基金项目(No.2016GXNSFAA380278,2014GXNSFBA118172)；广西高校科学技术研究项目(No.KY2015YB229，KY2015YB141)

张胜昌(1977- )，男，博士，副教授，主要从事神经生物学研究。

赵 爽(1980- )，女，硕士，副教授，主要从事神经病理生理学研究。

R742.1

A

1005- 9202(2017)15- 3885- 03；

10.3969/j.issn.1005- 9202.2017.15.108

1 广西中医药大学