ltp

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谈到LTP不能不提到DonaldHebb以及他在1949年说

过的一段话：``Whenonecellrepeatedlyassistsin

firinganother,theaxonofthefirstcell

developssynapticknobs(orenlargesthemifthey

alreadyexist)incontact

withthesomaofthesecondcell.”

``WhenanaxonofcellAisnearenoughtoexcite

acellBandrepeatedlyor

persistentlytakespartinfiringit,somegrowth

processormetabolic

changetakesplaceinoneorbothcells,suchthat

A’sefficiencyasone

ofthecellsfiringB,isincreased.”

这段话预言了学习记忆的机制——LTP的发现。

1973年，Bliss等在海兔海马的单突触传入通路上给

与短串强直刺激后，使突触后细胞的兴奋，突触后电

位出现长达数天乃至数周的振幅增大，这种现象称之

为长时程突触增强（LTP）。从此，LTP受到了神经科

学家的广泛重视，认为是学习和记忆的基本神经基础。

1983年，科学家发现NMDA（N—甲基—D—门冬氨酸）

受体通道复合体在LTP过程中起着重要作用。

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关于LTP的诱导和形成机制，文献上研究和讨论最多

的是哺乳动物海马CA1区的LTP。有关机制可以简略

概括为：当突触前的传入纤维受到高频刺激时，兴奋

性神经递质谷氨酸从突触前膜到突触间隙，和突触后

膜上的NMDA受体结合，激活NMDA受体，使阻

碍钙离子内流的镁离子被移除，大量钙离子内流，激

活细胞内的一系列分子过程，最终形成LTP。

在以后的一段时间内，我计划从各方面分别讨论LTP

的诱发和形成机制，今天刚刚列了一个大纲(继续补

充，希望大家提建议)：

1．Theimportantmolecules:

（1）钙离子

（2）NMDA

（3）aCaMKII

（4）PKA

（5）immediateearlygene

（6）CREB

（7）AMPA

（8）Retrogrademessenger

(9)其他离子通道

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(10)alpha-actin

(11)PP1

(12)PSD-95

2．海蜗牛中的LTP的研究

3．MossyfiberLTP

4．CerebellumLTP

5．其它脑区的LTP

6.抑制性神经元在ＬＴＰ中的作用

7．转基因技术和基因敲除技术在LTP研究中的应用举

例

8．intrinsicexcitabilityandLTP

9．metaplasticity——LTPofLTP

TD?——timing

eticsandLTP

12.来自形态学研究的证据——Spinearchitecture

andLTP

13.尚未结束的战争：LTP——pre-syanpticor

post-synaptic?

14.……(请补充)

15.……(请补充)

......

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......

-2．各种LTP纪录的protocol方法集锦

-1．其他

下次我首先讨论aCaMKII在LTP的形成和学习记忆中

的作用，发表时间大概在下周末左右。在讨论完

aCaMKII后还没有想好,如果各位战友对某一个小主

题感兴趣可以提出来，可以在讨论完aCaMKII后展开

讨论（-1.其他和-2各种LTP纪录的protocol方法

集锦我从现在开始积累，不能提前）。

另外，毕竟和LTP相关的研究太广泛了，一个人的力

量有限，我一个人写完这么多方面速度可能和蜗牛相

比，有兴趣的战友我们可以共同完成这个主题，每人

分担其中的一个或几个方面的总结。

关于LTP的具体实验问题的讨论，如果有问题的战友

可以直接跟帖提出问题，我会一一回贴回答。

随着神经科学的发展，神经电生理技术作为检测细胞/

组织功能的一个实验手段，越来越受到众多学者们的

重视。考虑到做LTP相关实验的战友越来越多，为此，

我们特别邀请bluebacopa战友开一个专题讨论，

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bluebacopa在神经电生理方面有很多经验和体会，也

很愿意和大家交流，希望战友们积极参与讨论！

我们对bluebacopa表示感谢！

LTP的分子机制

1。CaMKII（1）

CaMKII这个蛋白是个很特殊的蛋白，在脑内含量非常

高，大约占总蛋白量的1-2%。在突触部位的含量很

高，并且是PSD（postsynapticdensity）主要蛋白。

但这个蛋白最特殊之处是其具有自身调节能力，仿佛

自己本身就是一个具有学习记忆的功能。

让我们看看这个蛋白的“光辉形象”。从外部看这个

蛋白的形状象两片重叠在一起的雪花，12个亚基

（subunit）形成一个双层的六角形，12个亚基排列

的非常规则。除了这个美丽动人的外表之外，这个蛋

白作为与学习记忆,与LTP密切相关的重要蛋白之一，

有着她自己独特的分子生物学特性---自身具有记忆

功能。

CaMKII有四种亚型（isoform），分别为α，β，γ，

δ，其中以α，β在脑内的含量最高。这里我只说

α亚型，也就是αCaMKII的故事。

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说到分子结构，首先要知道的就是这个分子有几个结

构域（domain）。αCaMKII的每一个亚基有四个结

构域，一个催化活性结构域，自身抑制结构域，自身

磷酸化结构域，一段Self-associationdomain（包

含一段自由可变区）。催化活性域由底物结合位点，具

有催化活性，这一结构域具有催化磷酸转移酶反应的

作用；Self-associationdomain是多个亚基互相结

合不可缺少的，我想不需要过多的讨论。但这个蛋白

的自身抑制结构域和自身磷酸化结构域非常特殊，咳，

咳，注意了，你可以忽略刚说的这一段让人感觉很枯

燥的话，但不要忽略下边一段。

刚说了，这个蛋白分子有一个催化活性结构域，但由

于有自身抑制结构域的存在，在正常的情况下催化活

性结构域并没有催化活性。自身抑制结构域的作用就

像是一把锁，在自身抑制结构域内有一段蛋白结构和

CaMKII的催化底物结构相似，这个假催化底物区占据

催化域中的底物结合位点（S-site）,使酶无法和底

物结合，抑制其磷酸激酶活性。开这把锁的钥匙就是

“钙离子/钙调蛋白复合物”，当细胞受到高频刺激，

NMDA受体开放，钙离子内流，细胞内钙离子浓度增高，

就有了开锁的钥匙了。不过这把锁很怪，一旦打开了，

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就很难再锁上了，总开着。是因为和钙离子/钙调蛋白

结合以后，“锁区”---自身抑制结构域中的T-site

中的一个氨基酸位点（Thr286）被相邻的亚基磷酸化，

邻近结构发生变化，不再能够和S-site结合了。这时

即便是细胞内的钙离子已经降低了，由于相邻亚基的

互相磷酸化作用，这个CaMKII一直处于活化状态（记

忆？）。CaMKII的分子记忆功能就表现在这里：她自

己能够“记住”曾经和钙离子/钙调蛋白复合物结合

过，并且这个记忆可以保持一段时间（几分钟到一小

时，对分子来说已经很长了）。（快乐的鸽子留言：如

果觉得很枯燥，可以开始走神了，可以自动跳过下一

段）

所以，CaMKII在细胞内有3种不同程度的活化状态：

a.不包括自身磷酸化的活化状态：受到的刺激比较

弱，12个亚基中的某一个或两个不相邻的亚基和钙离

子/钙调蛋白短暂结合而活化，0.1s-0.2s后失活。

（0.1s-0.2s正好是钙调蛋白和CaMKII的解离时间

常数）

b.自身磷酸化状态：受到的比较强的刺激的时候，钙

离子升高的时间和幅度都增大，同一个全酶

（holoenzyme）结构中的至少两个亚基和两个钙离子/

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钙调蛋白复合体结合。一个钙离子/钙调蛋白复合体激

活一个亚基A，同时另一个钙离子/钙调蛋白复合体

激活相邻的亚基B并引起亚基B的变构，使Thr286

暴露出来，被亚基B被亚基A激活，然后亚基B可以

进一步激活亚基C,直到整个全酶的12个亚基都被活

化。一旦被激活后，即使是细胞内的钙离子水平已经

下降到正常水平，CaMKII还可以继续保持活化状态。

这种活性状态可以持续几分钟，直到Thr286位点去磷

酸化失活。

c.第三种状态：自身磷酸化的过程经常和去磷酸化过

程同时存在，但当细胞受到的外界刺激很强时，自身

磷酸化的速率大于去磷酸化的速率，CaMKII蛋白表现

为长时间持续活化状态。

CaMKII的这一特征是MaeyKenney

（/~mbklab/

l）的实验室在1986年发现的。在1989年，roberto

malinow

(/)和

RichardTsien

（/group/Tsienlab/）发现

抑制突触后的PKC和CaMKII抑制LTP的诱导。

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CaMKII的这些特点：脑细胞内尤其是PSD中含量高，

具有“分子记忆功能”---自身磷酸化，抑制CaMKII

后抑制LTP的诱导，都提示CaMKII在LTP的形成过程

中和学习记忆的过程中可能发挥重要作用。

正好这时，有两个科学家开始了一个将产生惊人结果

的实验。导师SusumuTonegawa由于发现了产生抗体

多样性的遗传原理，刚得到了一个诺贝尔医学奖不久

（1987年），博士后AlcinoSilva刚得到遗传学的博

士学位，两个原研究领域与学习记忆毫不相关的人决

定研究学习和记忆的分子生物学机制（现在Alcino

Silva把这个方向的研究叫做Molecularand

CellularCognition

（）。两个科学狂人（一

个觉得做免疫就那样了，反正已经得了诺贝尔奖了，

再做做别的领域的研究，另一个初生牛犊不怕虎）用

了不到3年的时间，第一次把基因敲除的方法用到了

学习和记忆的研究中，敲除了脑内一个蛋白--CaMKII，

彻底抑制了LTP的诱导，同时发现动物的空间学习记

忆功能严重受损。这个结果以背靠背的两篇article

的形式发表在Science杂志上，到目前已经共被引用

了一共1000多次。

（/；

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/）（快乐的鸽子留言：看

来要想科研非常成功，首先脑子不正常，要敢想敢做，

心有多大，舞台就有多大，难呀。）

证明了CaMKII在LTP的诱导和学习记忆中的作用，从

CaMKII的特殊分子特点可以推断出，下一步就是需要

证明CaMKII的这一特殊分子特点（Thr286位点磷酸

化引起的自身磷酸化）在LTP和学习记忆中的作用了。

这时AlcinoSilva已经在冷泉港实验室建立了自己的

实验室，他的博士后已经开始着手做这方面的实验了，

后来的结果证明是，只需改变CaMKII蛋白中的的一个

氨基酸，就足以对LTP和学习记忆产生影响了。

（快乐的鸽子留言：今天就写这些了。

下次接着写Thr286的结果，顺便讨论一下基因敲除技

术。以及CaMKII的失活过程的调节位点，CaMKII对

AMPA的作用，CaMKII和NMDA受体的相互作用，以及

这些分子间的相互作用实如何影响LTP和学习记忆

的。

PS:我是利用实验之余的时间写的，同时还在准备博士

毕业写论文，没有特别认真准备，想到哪儿写到哪，

写得比较粗糙，难免有错误和遗漏之处，敬请各位战

友不吝纠正和补充，这样才能真正达到讨论交流和互

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相学习的目的。我明天还要去开一个会，下星期4才

能回来，今天仓促贴出这一段，以做到我开始时说的

每星期帖一段，下周末开会回来再把CaMKIi的第二部

分写完。

在证明了CaMKII在LTP的诱导和记忆的形成过程中是

必需的（necessary）了之后，下面一个问题就是

CaMKII的激活是不是足以诱导LTP(sufficient)。

在1994年，Malinow所领导的实验小组证明了用重

组牛痘病毒介导在海马突触后神经细胞内表达组成性

激活的CaMKII，可以引起LTP。这篇文章在证明了

CaMKII的重要性的同时，还在当时LTP到底是突触前

还是突触后机制的大论战争中为“突触后派”提供了

一个重要的证据（关于突触前和突触后的问题以后讨

论）。

在AlcinoSilva1992年发表的基因敲除CaMKII的文

章里，在敲除了CaMKII之后，还在留了一个尾巴，在

原基因组留下了用于筛选阳性克隆的neo基因。虽然

这给大家留下了一个问题：导致LTP缺失和学习记忆

受损会不会是留下的这个neo尾巴呢？由于当时已经

有很多实验表明了CaMKII在学习记忆中重要性，所以

小问题并没有影响着两篇章要文章在science上出

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现。[*基因敲除技术（参考

/bbs/post/view?bid=156&id=406

0211&sty=1&tpg=1&age=0）]

在1998年，AlcinoSilva自己领导的实验室在

Science上又发表了一篇文章，第一作者是现在

UniversityCollegeofLondon的教授Karlpeter

Giese

（/staff/personalpage

s/）。在这篇文章中，作者利用新的

基因嵌入技术，基因嵌入的方法与基因敲除基本上是

一样的，不同的是不但把整段基因都敲除除去，而是

用一段外源性的基因代替内源性的基因，CaMKII中

的自主磷酸化位点上的第286个氨基酸threonine被

一个氨基酸alanine所代替，使CaMKII不能够在这一

位点被激活，实验的结果是仅仅一个氨基酸的变化就

引起了LTP诱导不出，小鼠的学习记忆受损，这个T286

位点地自身磷酸化是LTP的诱发所必需的。

另外在1994年，2000年诺贝尔奖获得者ericKandel

实验室发表了2篇文章，利用可调节的T286D转基因

小鼠，使处于持续活化状态的CaMKII大量表达，发现

强刺激100Hz的刺激所诱导的LTP是正常的，但较低

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品率5-10Hz刺激所诱导的LTP受损，诱导LTP所需要

的域值升高，在行为学实验中转基因组的表现明显比

对照组差。这一行为结果可以拿来和下面Ype

Elgersma的文章对比来看，一个是LTP诱导的域值下

降，一个LTP诱导的域值上升（关于可调节的转基因

系统-tTA/tet-O系统，见下一贴）

CaMKII自身的磷酸化调节位点除了T286以外，还有

一个重要的调节位点，那就是位于305位和/或306

的两个threonine.这两个位点也是自身磷酸化位

点，但和T286不同，这两个位点的自身磷酸化使蛋白

的激酶活性受到抑制，所以这两个位点被称为抑制性

自身磷酸化位点。体外的实验表明，在T286被磷酸化

后，很快发生T305,306位点的抑制性磷酸化过程。在

基础水平（basallevel）,这两个位点处于持续被磷

酸化的状态中。(ShenK,1999)体外实验还发现

T305,306两个位点的磷酸化使CaMKII和PSD区蛋白

的结合减弱，T305,306这两个位点上的磷酸化过程在

LTP的诱导和学习记忆中的作用在Silva实验室的另

一篇文章中被揭示。

2002年，Silva实验室的博士后YpeElgersma（：

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/fgg/neuro/research/Elgersma

/）在neuron上发表了一篇文章，在这篇文

章中，作者们做了两组系的基因潜入的小鼠，一组是

TT305/6VA系，305，306l两个位点上的两个threonine

杯不能磷酸化的两个氨基酸所代替，所以TT305/6VA

的305，306两个位点不能够被磷酸化，使CaMKII不

再具备抑制性自身磷酸化功能。第一组是T305D，

threonine被aspartate所代替，aspartate本身带负

电，干扰CaMKII和Ca/CaM结合，抑制T286位点的自

身磷酸化，其效果是和T305,306位点的磷酸化一致

的，就是使CaMKII处于失活状态。结果和预测的一致，

T305,306两个位点的磷酸化可以使PSD区的CaMKII

蛋白减少。

随后的LTP诱导实验结果很有趣：

1．先看TT305/306VA：a.在比较弱的刺激下：

100Hz/0.04s或10Hz/10s的刺激，在野生型对照组小

鼠中诱导不出LTP，但在TT305/306VA小鼠中诱导出

了LTP。b.在比较强的刺激条件下，2-thetaburst刺

激或100Hz/1s的刺激，在野生型和突变小鼠中诱发了

相同幅度的LTP。说明TT305/306VA的点突变使LTP

的诱导刺激的域值降低了。

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2．T305D更为戏剧性a.首先由于T305D这个点突

变使CaMKII一直处于失活状态，几个不同的常用诱导

条件（2-thetaburst刺激或100Hz/1s的刺激）都没

有能够诱导出LTP。这点还能够理解。B.但使人吃惊

的是完全敲除CaMKII却能够诱发出一定程度的LTP，

只是比野生型对照组的显著要小。这一点文章给出了

解释,在完全敲除alphaCaMKII的小鼠中，betaCaMKII

有明显的代偿性增加。

再来看行为学实验结果：

1．先说T305D，完全诱导不出LTP，水迷宫实验的结

果是动物根本就学不会，连续训练8天或14天的结果

还是随即的搜索4个象限。alphaCaMKII完全敲出的

突变组比对照组要差，但还有一定的学习能力，这和

LTP结果一致，可能也是因为betaCaMKII的代偿作用。

2．但是在TT305/306VA中，更容易诱发出LTP，但

水迷宫实验的结果是第8天和对照组相同，在第14

天比对照组还差。比对照组学的慢，和LTP的结果并

不一致。然后实验者把隐藏的平台又换了一个位置，

动物必须学找到新的平台位置同时忘掉原来的平台位

置，突变组的动物学的还是慢。这说明容易诱导LTP

并不一定总伴随着学习记忆能力的增强。LTP诱导容

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易的一个结果还可能是脑内产生过多的“噪音”，干

扰正常的学习记忆过程。

关于alphaCaMKII在LTP诱导中的作用暂时写道这里，

这里先主要说了CaMKII自身调节位点的磷酸化过程

在LTP诱导中的作用。另外，CaMKII本身还具有其他

多个重要的蛋白结合位点和调节位点，比如和NMDA

受体，AMPA受体的结合和相互作用等，在LTP的诱导

和表达过程中也非常重要，在以后具体写到相应的受

体时再详细讨论。

接下来我开始写NMDA受体在LTP诱导中的作用，还会

写到LTP诱导过程中CaMKII和NMDA受体的相互作用。

大概会在周末的时候发第一部分。

附：可调节的转基因系统之一：

转基因表达的“开关控制系统”---tTA/tet-O系统

和rtTA/tet-O系统.

tTA/tet-o系统用的是两组转基因表达在同一组小鼠

上，其中tTAgene在CaMKIIpromoter（根据所要表

达部位的不同可用不同的promotor）的控制之下，

使tTA基因只表达在前脑的兴奋性细胞中。另一组准

基因系统是tet-Opromoter控制之下的目的基因，

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tet-O基因可以被tTA激活，而且只有在tet-O

promoter被激活之后，目的基因才开始表达。当两组

转基因表达在同一动物上时，CaMKIIpromoter使tTA

基因只表达在前脑的兴奋性细胞中，tTA基因表达一

种蛋白（真核细胞转录启动因子）激活Tet-Opromoter,

启动目的基因的表达，这是目的基因的表达处于

“开”的状态。但给小鼠的水或饲料中添加

doxycycline一段时间后，tTA的活性受到抑制，目的

基因的表达也随之被“关闭”。这一个“开关控制系

统”有两个缺点：一是在小鼠的发育过程中，目的基

因的表达是处于“开”的状态，外源性的转基因经常

是对动物有害处的，可能影响小鼠的发育。即便是在

小鼠很小的时候就用doxycycline使目的基因处于

“关”的状态，doxycycline可以在动物的身体内沉

积，使doxycycline很难以被清理出动物体内

由于以上缺点，Kandel的实验室有开发了另一个“开

关控制系统”：rtTA/tet-O系统，其原理和tTA/tet-O

系统的原理是一致的，但这个系统使目的基因在开始

的时候是处于“关”的状态，只有在通过在水或者饲

料中添加doxycycline才能使目的基因处于“开”的

状态。

另一个可诱导的转基因表达系统是受变异的雌激素受

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体控制的，以后写到

Creb和LTP的关系时再写。

在pubmed中输入NMDA可以查出23471篇文章，输入

NMDA和LTP两个关键词可以查出1158篇文章，可见

关于NMDA的研究已经非常详细非常深入了。

LTP的是在1973年第一次被Bliss和Lomo发现的，

很快就抓住了大家的眼球，对于LTP和学习记忆的关

系，LTP的机制进行了充分的研究，现在我们都已经

知道NMDA在LTP的诱导中有着重要的作用，在某些部

位和形式的LTP诱导过程中是必不可少的。第一次认

识到NMDA受体（CollingridgeGL,KehlSJ,McLennan

H.1983）在LTP诱导中的重要作用是在LTP发现之后

10年，1983年。第一次发现LTP的文章发表在J

Physiol，第一次发现NMDA在LTP中的作用也是在J

Physiol，那时的JPhysiol比现在影响大的多。

在这个实验中，作者们选用了NMDA的特异拮抗剂APV，

发现APV在基础条件下对CA1区的fEPSP没有影响，

但可以阻断高频刺激所引起的LTP的形成。对NMDA

受体在LTP诱导中的作用提供了有利的证据。自从这

个实验以后，同样的方法又被用了无数次用以证明某

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种形式或部位的LTP是不是NMDA受体依赖性的，所以

这个实验堪称经典实验之一（一点题外话：APV的全

称是DL-2-amino-5-phosphonovalerate，在欧洲都叫

做APV，在北美叫做AP5，在中国叫做……，反正我把

这两个名字换着用，体现者中国的博大精深。在历史

上对NMDA受体的研究有重要影响的有两个：一个是

NMDA受体基因的分子克隆，另外一个就是工具药APV

的使用。第一次克隆NMDA基因是在1991年由东京的

一个实验小组得到的。）

NMDA在LTP诱导中的重要性现在已经是众所周知的。

其实NMDA这个受体很好的体现了LTP的3大特性之

一：联合性。首先看一看NMDA的分子结构，这一部分

写得比较枯燥。我分以下几点简单的写一些：a.谷氨

酸受体分类b。NMDA受体的拓扑学受体的亚

基组成；

基本上可以归结为几句话：

1。谷氨酸受体分3类，NMDA受体是其中的一种。

2。NMDA结构有细胞外的N端，3个跨膜区，一个膜内

的Loop，细胞内的C端。

3。每个NMDA有4个亚基，其中有2个必不可少的NR1

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亚基，和两个NR2A和/或NR2B亚基组成。NR2A和NR2B

亚基是近来LTP/LTD研究的又一轮热点之一。

以下是较详细的一段描述，写得很枯燥，没有耐心者

建议可以忽略，不影响对以后内容的理解。

a.谷氨酸受体：谷氨酸是中枢神经系统内最重要的兴

奋性氨基酸递质，谷氨酸受体有两种:即代谢型受体

（metabotropicglutamatereceptors,mGluRs）和

促离子型谷氨酸受体（ionotropicglutamate

receptors,iGluRs）。（小声说，其实这两个古怪的名

字是我刚刚google出来的，觉得很别扭，我还是用

mGluR和iGluR比较习惯）

谷氨酸受体的分类NMDA受体，AMPA受体，和kainate

受体是根据各自的不同的特异的受体得来的。其实从

分子生物学角度来看，分别属于至少6大基因家族

（genefamilies），谁让药理学方法远远早于基因学

分类方法呢，到目前药理学分类方式一直占有绝对统

治优势。这里只写NMDA受体：

受体的结构：

毫无疑问，NMDA受体是一个跨膜蛋白（我承认是我废

话，受体蛋白当然是跨膜蛋白了），这个跨膜蛋白的N

端在细胞外，C端在细胞内，有3个跨膜区（M1，M3，

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M4），另外还有一个M2其实是个“伪跨膜区”，夸了

半截又弯回来了，在膜内形成了一个发卡状的loop，

这个M2就是离子通道的主要组成部分。NMDA受体的

晶体结构到现在还没有结晶出来，到目前为止只有一

篇晶体结构的文章发表在这个月10日的nature上，

还是一个部分片段的结晶，其大部分结构和功能的研

究还是主要是一些靠点突变+cysteinescan方法得到

的非直接证据。

这里有一张NMDA拓扑学的示意图：

NMDA受体的晶体结构到现在还没有结晶出来，到目前

为止只有一篇晶体结构的文章发表在这个月的

nature上，还是一个部分片段的结晶，其大部分结构

和功能的研究还是主要是一些靠点突变+cysteine

scan方法得到的非直接证据。

C端区有多个被蛋白激酶磷酸化的位点，又位于细胞

内，因此是调节参与多种细胞内活动的重要区域。

N端区和M3,M4之间的loop共同构成受体结合位点，

还有一张示意图：

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C。NMDA受体家族成员由(NR1)、(NR2A、NR2B、NR2C、

NR2D)(NR3A、NR3等多种亚基构成。在到目前目前

为止关于LTP的研究中，研究最多的是NR1、NR2A、

NR2B三种亚基。其中NR2A和NR2B在LTP,LTD，以及

学习记忆中的作用更是现在研究的热点。

我把各个亚基的主要特点罗列一下：

1．每个NMDA受体中都含有两个NR1亚基，没有不含

有NR1的NMDA受体，

2．2个NR1和两个NR2亚基组成异源聚合体

（heterooligomers），可以有三种形式，NR1/NR2A,

NR1/NR2B,NR1/NR2A/NR2B。

3．NR2A，NR2B的数量是随着年龄的变化而此消彼长，

幼年动物的NR2B较多，随着年龄的增长NR2A数量逐

渐增多。

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4．而NR2C主要表达在小脑中，

5．NR2D是只在胚胎阶段表达的亚基类型。

6．含有NR2A或NR2B亚基的二聚体NMDAR具有高电导

通道开放和对胞外Mg2+高敏感的特点

7．而含有NR2C或NR2D的NMDAR则具有对细胞外Mg2+

阻断低敏感和低电导通道开放；

以上1-7是我现在能够想起来的一些特点，没有对此

进行认真的文献检索，可能会有遗漏和错误。

NMDA受体在LTP诱导中的作用

第一次认识到NMDA受体(Collingridgeetal.,1983)

在LTP的诱导中的作用。这一结果已经为所有研究

LTP的科学工作者所熟悉。

LTP有一个重要的特征是联合性（associatitivity），

NMDA受体的重要特点之一——Mg2+对NMDA受体得的

电压依赖性阻滞作用，是是学习记忆过程中联合性

（associatitivity）的重要分子基础。这一重要功能

可使NMDA受体能对不同的兴奋性突触输入进行整合，

并改变突触传递的效能。镁离子的这一作用是在1984

年(Nowaketal.,1984)，被发现的。

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在镁离子浓度为零的情况下（实线），谷氨酸引起的

NMDA电流变化是几乎完全和电压成正相关的，I/V

曲线几乎呈现一条直线,但在细胞外液中有镁离子存

在的情况下（虚线），在膜电位为负值时，NMDA通道

的通透性很小；相反在膜电位为正值时，I/V曲线几

乎没有受影响。可见细胞外的镁离子在膜电位为负值

时对NMDA受体离子通道具有阻碍作用，只有当膜电位

去极化，达到正值时，谷氨酸引起NMDA开放，钙离子

内流。所以NMDA受体的开放需要两个因素同时存在：

a,和谷氨酸结合b.细胞去极化，移除镁离子的阻碍

作用。

在发现了NMDA受体在LTP诱导过程中的重要作用之

后，在1986年，Morris刚刚发明了MorrisWaterMaze

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（1984年发表的），还很“veryproudofit”呢，

NMDA受体又是一个如此重要的分子，他就用他的伟大

发明来检测了一下NMDA受体在学习记忆过程中的作

用，作出了第一篇提供NMDA对学习记忆的重要性的直

接证据的文章(Morrisetal.,1986)。

NMDA受体基因在1991年第一次被克隆出来以后

(Moriyoshietal.,1991)，NMDA受体在LTP的诱导

过程和学习记忆中的作用的研究很快就进入了分子生

物学水平。因为NMDA受体不但在学习记忆中有很重要

的作用，在其他很多重要的生理病理过程都很重要，

比如说神经系统缺血保护，呼吸节律的产生。基因敲

除技术那时还是处于它的黄金时期，敲除一个基因就

意味着一篇science或者nature文章。所以很快就

有人动手做NR1的基因敲除了。敲除NR1的文章在

1994年就产生了，发表在neuron上，可见是这个基

因刚一克隆出来就开始做基因敲除小鼠了，但是在基

因敲除小鼠出生后几个小时就死了(Forrestetal.,

1994)。这篇文章说明了两个问题：1。NR1亚基在NMDA

的组成中是必须的亚基。2。NMDA对新生小鼠的成活

和发育是必须的。虽然NR1基因敲除的杂合体小鼠可

以成活到成年，但由于有发育问题的影响或者由于其

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他原因，没有人用这只杂合体基因敲除小鼠并没有用

来进行学习记忆或LTP的研究。另一个实验室在几乎

相同的时候在进行着NR2A的基因敲除工作，他们发现

敲除了NR2A之后，LTP的表达和动物的学习记忆能力

均受到了影响（(Sakimuraetal.,1995)。

但是用基因敲除NR1亚基对LTP和学习记忆的研究并

没有停下来，这时基因敲除产生了很大的一个进步，

1996年，第二代基因敲除技术，条件性基因敲除技术

（conditionalknockout）问世，第一作者是著名的

华裔科学家JoeTsien.当时他在SusumuTonegawa

的实验室做博士后。如前所说，SusumuTonegawa实

验室也是第一个用基因敲除小鼠证明CaMKII在学习

记忆中的重要性的实验室，那两篇文章的的第一作者

AlcinoSilva凭两篇现在已经分别被引用了700多次

的Science文章在冷泉港建立了自己的实验室。这次

JoeTsien又在他们的导师的指导下制造了一轮能量

巨大的冲击破，在1996年的cell上发表了2篇被引

用了几百次的文章(Tsienetal.,1996a;Tsienet

al.,1996b)。SusumuTonegawa的诺贝尔奖是因为他

曾经在免疫学领域的贡献得到的，他在学习记忆领域

的贡献绝对还有资格再得一次。

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conditionalknockout的技术其实就是传统的基因敲

除技术和转基因技术的结合。用的也是Cre—loxP重

组系统，floxedgene表达在一只小鼠的所有细胞中，

Cre在特异的promotor的作用下表达在另一只小鼠的

某些细胞中，在这两只小鼠交配产生后代中，在某些

后代中（多少由孟德尔遗传规律决定）就有在某种细

胞中即有floxedgene的表达，又有cre的表达，Cre

分子就把这个细胞里的目的基因切除去了。CNSNEURON

的帖子讲得更清楚详细，有兴趣的战友可以参阅：

在JoeChen的文章中，floxedgene是NR1,转基因

小鼠的Cre是在alphaCaMKII的promotor控制下表达

的，CaMKIIalpha是表达在前脑的所有的兴奋性神经

元内蛋白，但传统的转基因技术是转基因片段并不是

完全遵照promotor的指令表达的，有时候有些偏差。

Tsien等很幸运得到了一个小鼠品系,Cre只表达在海

马的Ca1区的锥体神经元内。由于另外的一个小鼠品

系的NR1基因是被floxed的，所以得到的条件性基因

敲除小鼠是在CA1区的兴奋性神经元内NR1基因被敲

除了，所以被称为”subregion-and

cell-type-specificknockouttechnique“还因为

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alphaCaMKII是一个postnatal表达的蛋白，所以在

alphaCaMKIIpromotor的控制下的转基因也是在出生

后3-4个星期后才出现的，因此小鼠的发育没有受到

影响。

CA1区锥体神经元特异的NR1基因敲除导致了CA1区

的NMDA电流完全消失，短时程增强（STP），LTP，LTD

消失，但光学显微镜和电子显微镜的研究都没有发现

形态学的变化。这个NR1条件性基因敲除小数还有

Morriswatermaze实验中的学习记忆受损，表明了

CA1区的NMDA受体在某种形式的学习记忆中是必需

的。(说点题外话：这个故事后来又有发展，Tsien的

这篇文章上的Cre是在小鼠2个月左右取材观察Cre

的表达的，当时Cre的确只在CA1区，但其实这个小

鼠的Cre的表达范围是随年龄逐渐扩大的，在5个月

后就已经表达在整个海马包括CA1，CA3，DG区了，甚

至大脑皮层的表达也很多。这里我说的是Tsien制的

这一个系的小鼠，后来有其他实验室用和他一样的方

式制造的同样的小鼠品系并不是都有这个问题，我们

实验室现在有3个alphaCaMKII-Cre系，这3个系的

表达相互之间都略有差异。这其实是传统转基因技术

的一个缺陷，就是外来基因是随机插入的，有时表达

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范围和设想并不完全一致，所以后来华人科学家

WilliamXiangdongYang在Heintz实验室作博士后

期间首先使用了BAC转基因技术，使外来转基因的表

达定位更准确，对BAC技术有兴趣的可以参考（Yang

XW,ModelP,HeintzN.：Homologousrecombination

basedmodificationinEscherichiacoliand

germlinetransmissionintransgenicmiceofa

technol.

1997Sep;15(9):859-65.）

前一次写的NMDA亚基的分类已经说了，NR2D是只表

达在胚胎期的一个亚基，在小鼠出生的第二周其在海

马区的表达量就几乎是0了，这个亚基并且几乎没有

对镁离子的依赖性，通道开放的时间也比其他型的亚

基长。于是产生了一个有趣的转基因小鼠，这个系的

转基因小鼠，在CaMKIIpromotor的控制下，NR2D在

前脑，包括大脑皮层和海马区大量表达，导致本来表

达量虽年龄增加的NR2B的表达比对照组明显减少

(Okabeetal.,1998)。电生理实验的结果非常有意

思，这个非镁离子依赖性的通道开放时间长的亚基的

表达，在juvenile时期的小鼠海马脑片中能记录到正

常的LTP，但LTD受损。但在成年期和青少年期，LTP

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减小但LTD是正常的。但这些小鼠在Morriswater

maze的表现和对照组的差异不大，这个实验结果非常

有趣，又是LTP和学习记忆的变化方向不一致的一个

例子。

总结各个亚基的特点，NR2A和NR2B具有很强的镁离

子依赖性，比NR2C,NR2D更能体现LTP的联合性，只

有同时发生突触前和突触后的变化，才能使NMDA受体

开放引起LTP，而且刚好在大脑皮层和海马部位特异

表达的是NR2A和NR2B（大自然的设计是如此精确，

空间时间的玩美结合）而但NR2A和NR2B的表达和分

子特点还有不同之处，NR2B和NR2A随着动物年龄的

变化此消彼长，小鼠从幼年到成年的过程中海马区的

突触地可塑性是逐渐降低的，是不是由于NR2B的表达

下降导致的？可不可以人为增加NR2B的表达量，是海

马区的突触可塑性增高，小鼠变得更聪明呢?Tsien

在1996年的12月发表了前述的两篇Cell文章后，

1997年在普林斯顿建立了自己的实验室，在1999年9

月就在nature上发表了自己实验室的第一篇文章，一

只聪明的转基因小鼠诞生了，LTP的比对照组高，LTD

的变化不明显，空间学习记忆能力增强，这是通过基

因改造来提高动物学习记忆能力第一次尝试(Tanget

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al.,1999)。

Enrichment应该是可以促进LTP的产生的，至少是不

会抑制LTP的诱导的。关于enrichment促进学习记忆

的分子机制现在还不是很清楚，我想可能和一些神经

生长因子的产生和释放有关，也可能和GABA能神经递

质传递的改变有关（是我想，不知道别人是不是也这

样想）。实际上，enrichment对不仅对NMDA受体缺失

产生的学习记忆下降有关，还可以reverse其他一些

别的原因引起的学习记忆功能受损。

Cuedfearconditioning和contextfear

conditioning的区别在于CS的不同，在最常用的fear

conditioning的实验设计中，US一般的是电击，在

contextfearconditioning过程中CS是动物所处的

空间环境，因为海马对空间学习记忆很重要，所以这

个过程中一般有海马的参与。

CS在Cuedfearconditioning中一般用声或光，一

般的实验步骤有两种，一种是让动物在某一空间环境

呆很长时间后再进行条件反射训练，因为动物已经知

道了环境是无害的，形成的条件反射是不包括空间环

境的。另一种训练方法是在环境A训练，在环境B测

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试，环境A和B尽可能的不一样（包括气味，光线，

声音和布置），条件发射时只是声音或光线引起的。这

种条件发射回路是不需要海马参与的。

Cuedfearconditioning和contextfear

conditioning都需要amygdala的参与，因为amygdala

对“害怕”这种情绪反应很重要。

delay和tracefearconditioning的区别在于CS

和US的时间关系上，tracefearconditioning的实

验设计中，US和CS之间有一个较长的时间差，要解

决这种时间上非连续性的学习任务海马的参与是必要

的；delayfearconditioning的CS和US之间没有

时间延迟，delayfearconditioning对海马的损毁

不太敏感。因为在traceanddealyfear

conditioning的实验设计中，要严格控制CS的turn

on/turnoff的时间，只能用cuedfearconditioning

做，因为context是无法迅速“开关”的，不象声音

或者光，可以随时打开和关闭。一般的cuedfear

conditioning如果没有特殊说明指的是delayfear

conditioning。

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关于中文怎么说，希望其他人能帮你回答，我一点概

念都不知道，就是我写的东西有些中文名词还是我自

己编的，有很多不标准的东西几乎是肯定的。这些东

西我没有学过中文的，也几乎没有怎么看过中文的文

献，知之甚少，现在用中文写东西到处找中文说法比

看文献的时间可能还长，找不到就用英文或者现场制

造一个，请原谅。还有原文的问题，一般的杂志学校

图书馆都有电子版，在哪里都可以通过学校的服务器

下载，不用担心上传原文的问题。

LTP和LTD的诱导都需要有NMDA受体的活化，这个结

论很自然的产生的一个问题就是：同一个受体参加两

种不同的生理过程，这个受体也就是NMDA受体参与

LTP和LTD的诱导过程有什么不同呢？

NMDA受体这个“一身两用”的作用产生的原因其实

是其活化程度的结果，也可以说是细胞内钙离子升高

程度不同的结果。RobertMalenka(Cummingsetal.,

1996)的实验室在1996年发表一篇neuron文章，发现

在LTP诱导过程中，加入较低浓度的APV，部分阻断

NMDA受体，使tetanicstimulation后的胞内钙浓度

轻度上升，本来可以诱导出LTP的刺激只得到了LTD。

同理，通过将突触后膜钳制在一个叫静息电位更负的

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超极化水平，使突触后电位在tetanicstimulation

后轻微上升，细胞内的钙离子轻度升高，原本可以诱

导出LTP的刺激也诱发了LTD。由此可见，受到tetanic

stimulation后细胞内的钙离子浓度升高程度是决定

突触可塑性方向的一个关键因素。而NMDA受体的这个

“一身两用”的作用也正是通过其自身的通透性调节

胞内钙浓度实现的。2000年(Nishiyamaetal.,

2000)，Kato的实验室发表了一篇nature文章证实

了这一理论并且进一步发现了LTP/LTD之间转换的另

一个“轴”—细胞内的钙库的作用。LTD诱发过程需

要细胞内的ryanodinereceptorsandinositol

triphosphate(InsP3)receptors的参与。阻断细

胞内的ryanodinereceptorsandinositol

triphosphate(InsP3)receptors使本来应该产生

LTD的刺激条件诱导出了LTP。（对胞内钙离子浓度的

影响还有VDCC的作用）

NMDA受体由NR1，NR2等亚基组成，其中NR1亚基是

必须的，没有NR1就没有NMDAR，在成年动物的海马，

占主要地位的NR2是NR2A和NR2B.但两个重要的NR2

亚基NR2A和NR2B的表达在动物出生后的表达是变化

的，幼年动物的NR2B较多，随着年龄的增长NR2A逐

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渐增多。(华裔科学家MogenSheng和YuhNungJan

在这方面发了很多文章)同时突触可塑性也在发生变

化，在幼年动物脑片诱发LTP容易，诱发LTD也容易。

在成年鼠的海马脑片上，很难诱发出LTD。那么NR2B

和NR2A在LTP/LTD的诱发过程中的作用是否不同呢？

难道是NR2B和NR2A表达水平的变化导致了LTP/LTD

的诱发难易程度的变化？要证明NR2B和NR2A在

LTP/LTD的诱发过程中的作用，YuTianWang和他实验

室的科学家们所用的方法非常直接：分别只阻断NR2B

或者只阻断NR2A，然后分别观察LTP/LTD的诱发情况

(Liuetal.,2004)。

他们这个实验的结果也很直接：

1.用ifenprodil或Ro25-6981阻断NR2B，LTD

的诱发被阻断，但LTP的产生并未受到影响。

2A的特异性阻断剂NVP-AAM077（0.4uM）可

以阻断LTP的产生，但对LTD的产生没有明显作用。

3.同样，在全细胞记录的LTP,LTD实验中，得到

了相同的结果：阻断NR2B阻断了LTD的诱导但对LTP

的诱导没有影响。

相反，阻断NR2A对LTD的诱导没有影响，但是在NR2A

拮抗剂存在的条件下，本来可以诱发出LTP的刺激条

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件导致了LTD的产生。

综上所述，从这些实验可以得到这样的结论：NR2A是

诱导LTP所必需的而NR2B是诱导LTD所必需的。

他们的发现可以用来解释海马神经元的可塑性随动物

年龄的变化而产生的变化：随着年龄的增加，NR2A增

加NR2B减少，LTD的诱导变得越来越难。基因敲除NR2A

使LTP和学习记忆受损(Sakimuraetal.,1995)。

但和以前的某些大的发现似乎有不相符之处：如果

NR2B是LTD诱导所必需的而对LTP的诱导没有明显影

响，过量的表达NR2B应该导致LTP没有变化，LTD的

诱导更加容易。但YangpingTang和JoeTsien的1999

年的结果显然不是这样的(Tangetal.,1999)，过量

的表达外源性NR2B导致了LTP的表达高于对照组但

LTD没有明显区别，而且动物学习能力增强。Butwhy?

这篇文章反映了nature和science杂志在选择发表

的文章的时候的一个重要原则之一，发在这两个杂志

上的文章都很“sexy”，热点，一下子就可以抓住大

家的眼球，但文章本身并不都是完美无缺的，这篇文

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章就给大家留下了很大的继续探索的余地。

很快，有几篇文章提出了不同的看法：

1．LackofNMDAReceptorSubtypeSelectivityfor

ci.

25:6907-6910

ich,kal,,,

g,,(2005).

2．ActivationofNR2A-ContainingNMDAReceptors

IsNotObligatoryforNMDAReceptor-Dependent

Long-TermPotentiation.

uf,,on,a,

er,(2005).

ci.25:8386-8390

3．NMDAreceptorsubunitcompositioncontrols

synapticplasticitybyregulatingbindingto

CaMKII.

BarriaA,MalinowR

Neuron.2005Oct20;48(2):289-301.

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但也有支持的：

,n,,Y.P.

Auberson,,,G.L.

,Differentialroles

ofNR2AandNR2B-containingNMDAreceptorsin

corticallong-termpotentiationandlong-term

depression,ci.24(2004),pp.

7821–7828.（在perirhinalcortex部位）

.

5．RolesofNMDANR2Bsubtypereceptorin

prefrontallong-termpotentiationandcontextual

fearmemory.

ZhaoMG,ToyodaH,LeeYS,WuLJ,KoSW,ZhangXH,

JiaY,ShumF,XuH,LiBM,KaangBK,ZhuoM.

Neuron.2005Sep15;47:859-72.(海马依赖性的

行为学结果支持)

6．Neuron.2005Jun2;46(5):745-60.

DifferentialrolesofNR2A-andNR2B-containing

NMDAreceptorsinRas-ERKsignalingandAMPA

receptortrafficking.

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KimMJ,DunahAW,WangYT,ShengM.

对这些结果就不一一详细列举了，不过总的看来，争

论部分主要集中在LTP的诱导机制方面，在LTD方面

的争论还是相对小些。导致这些不一致结果的原因可

能包括阻断剂的特异性（这点很明显，ci.25:

6907-6910）,动物的年龄，品系不同，诱导LTP,LTD

方式的不同，记录部位的不同等原因。关于NR2A和

NR2B在突触可塑性中作用的研究还远没有搞清楚，相

信很快就有更多的这方面文章出现。

这个周末我再找时间写一写关于NMDA受体和CaMKII

的相互之间的作用。在LTP的诱导过程中，参与的分

子和蛋白很多，这些分子或蛋白之间也互相作用，形

成仿佛一张大网。关于这些分子间的相互作用，这些

分子到底是怎样互相依赖，互相激活，相互抑制，精

确的调节突触地可塑性，还远远不够清晰。因为这一

段时间写了一些CaMKII和NMDAR在LTP诱导中的作

用，我希望能把这两个重要蛋白间的相互作用关系顺

便写一些。

AMPA

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从今天开始介绍在LTP的诱导表达过程中的另一格非

常重要的蛋白：AMPA受体。LTP的诱导需要NMDA受体

的激活，钙离子内流，PKC,MAPK,CaMKII等激酶的

活化，那么在LTP的诱导过程中，这些细胞内的化学

变化是如何最终表达为突触传递的增强呢？AMPA受

体就是参与LTP的表达过程的重要蛋白之一。

大家都知道，对于LTP的研究研究过程到现在还在继

续，到目前为止，对于LTP的诱导和表达过程已知的

是NMDA受体激活，钙离子内流，CaMKII活化，但其

下游的具体过程并不是很清楚，大致已经知道了由很

多重要分子的参与，基因转录功能启动，蛋白质的表

达增加，但具体细节例如各分子间如何相互作用相互

协调的过程并不清楚。但LTP的结果是清楚的：突触

传递增强。

导致突触传递增强的原因不外乎3种：突触前释放增

加，突触后受体数量或功能的变化，突触间隙的递质

清除减慢。但到底是哪一种机制在起作用呢？

在海马区的LTP研究中，最初试图给这一问题找到直

接答案和证据的实验利用了递质的量子化释放的原理

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（quantalmodelfortransmitterrelease）。这一

原理最初是通过对神经肌肉接头处的递质释放研究发

现的。在对LTP的研究中，通过观察LTP对quantal

model中的不同参数（q:单个量子释放引起的突触后

变化；m突触前释放的量子数量）的影响，确定突触

前或突触后的变化。在早期，通过运用量子释放理论

对LTP的研究，不但没有搞清当时突触前或突触后的

争论，反倒带来了更多的迷惑（关于突触前或突触后

机制的争论以后才写，这里先重点讨论AMPA）。直到

后来，第一次对中枢神经系统的量子化释放理论进行

了修改，在q,m,之外还有一个重要的参数n，即突触

的数量的改变。这就是现在要说的silencesynapse

的理论基础。

silencesynapse首先是从理论上推断出来的：

那么silencesynapse的理论是怎样提出的呢？

nn(Kullmann,1994)可是太聪明

了，通过总结前人的两方面的工作提出了这一理论：

1．由于诱导LTP后的量子化释放的变异系数

（coefficientofvariation，CV）是变化的，说明

突触前的量子式的释放增加，所以LTP的表达是突触

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前的变化引起的。(MalinowandTsien,1990)

2．在LTP诱导之后，NMDAR介导的兴奋性突触后电

位(EPSC)并没有发生变化，如果说LTP的释放是突触

前机制引起的递质释放增加引起的，NMDA受体和AMPA

受体的神经递质是一样的，都是L-谷氨酸，突触前的

谷氨酸释放在引起AMPA受体介导的EPSC的变化的同

时，NMDA受体介导的EPSC同样也会发生变化。但是

真实的情况是：在LTP诱发后，只有AMPA-EPSC变化，

NMDA-EPSC没有变化，所以说LTP的表达是突触后的。

(MullerandLynch,1988)

3．上述两种说法好像都对，当时两家各执一词，争

论得不可开交，几乎每月的nature，science上都有

新的论据的提出。在上述两个理论打成一团的时候，

nn基于前人的实验结果，稍稍把

实验改进了一小步，提出了一个新的理论：silence

synapse的理论。

他将AMPA-EPSC，NMDA-EPSC分开来分析，同时观察了

AMPAR和MNMDAR的EPSC在LTP诱导前后的变化：假

设所有的表达NMDA受体的突触都同时表达AMPAR，因

为他们合用同一种神经递质，那么两者的变异系数CV

应该是相等的。然而，实际的结果却是：AMPAR-EPSC

的CV比NMDAR-EPSC高。在诱发LTP后，NMDAR的CV

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是不变的，只有AMPA-EPSC发生变化。

对上述现象的解释就是：有些有NMDAR受体表达的突

触上没有AMPAR表达，LTPinduction"uncovers

clustersoflatentAMPA/kainatereceptors,with

nochangeintransmitterrelease"，这就是

silencesynapse模型的提出，而后的很多电生理和

解剖学的研究都支持了这一模型。

为silencesynapse理论提供实验证据：

nn首先从理论上提出了silent

synapse的存在，后来Malinow和Malenka的实验室

分别证实了silentsynapse的存在，最直接的证据则

是用实验证实通过分析synapticfailures发现的

(Montgomeryetal.,2001)。

silentsynapse是怎样的一种突触呢？大多数的情况

下NMDAR和AMPAR是共存于突触后膜上的，但也有一

些突触的后膜上只有NMDA受体，没有AMPA受体的存

在。这方面最直接的证据首先是用电生理的方法分析

synapticfailures发现的：

先看看什么是synapticfailures。Synaptic

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failures分两种：releasefailures和transmission

failures

1．当动作电位到达突触前部位时，有些突触部位的

神经递质不能释放到突触间隙，称为release

failures，releasefailures是经常存在的。事实上

动作电位到达突触前膜的时候，多个突触部位同时受

到刺激，而从突触后的变化是由EPSCsandfailures

混合而成的。

2．如果递质释放到突触间隙不能引起突触后的反

应，称为transmissionfailures。

A.由于NMDA受体的性质决定，在静息电位时NMDA

受体被镁离子阻挡，这是谷氨酸释放不能引起NMDA

受体的反应，引起transmissionfailures。

B．如果通过钳制电压是突触后去极化，镁离子的阻碍

作用被以移除，NMDA受体引起的transmission

failures就不存在了。

C．综合A,B可以得出，在静息电位的情况下的

synapticfailures多于去极化膜电位时的synaptic

failures。而且通过NMDA的这一特性可以区分开NMDA

受体和AMPA受体介导的反应。

3．通过比较LTP诱发前和诱发后的Synaptic

failures可以发现，只有AMPA介导的突触反应的

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Synapticfailures减少了，而NMDA受体介导的

Synapticfailures没有变化。说明了在诱发LTP后，

有一些本来没有表达AMPA受体的突触有了有功能的

AMPA受体的表达。

现在silencesynapse的理论，现在已经是LTP界普

遍接受的一个模型了。

（题外话:如果想了解LTP的电生理方面的工作，看

RogerNicoll,RobertoMalinow,GaryLynch,Robert

Malenka等几个大牛的文章可能就够了。）

silencesynapse理论也得到了形态学方面的证据，

用免疫金标电镜的方法，比较LTP诱导前后突触部位

的NMDAR/AMPAR的表达情况，可以发现AMPAR的表达

的变化，和silencesynapse的理论是一致的，再次

证明了这一理论的正确性。

silencesynapse的理论提出了这样一个模型：在LTP

表达过程中，更多AMPA受体通过某种机制表达到突触

部位，导致在突触前释放谷氨酸受体量不变的情况下，

突触后反应增加。那么，AMPAR是怎样表达到突触后

膜上的呢？这里有涉及到了一个新的理论：AMPAR

trafficking

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AMPA受体如何到达突触后膜部位

关于AMPAR如何到达了突触后膜，有两种可能：一是

原本存在于突触外部位的AMPAR通过平行滑动到达了

突触部位，另一种可能是细胞内的AMPAR通过出胞作

用表达到了突触部位的细胞膜上。现在的证据多支持

后者：

1。在LTP的诱发过程中有膜融合的过程(Lledoetal.,

1998)。A.阻止了膜融合过程可以阻止LTP产生。B.

促进膜融合过程可以增强突触部位的递质传递，C.但

诱发了LTP后此传递过程减弱,说明LTP诱发过程中

存在着膜融合的过程，也就是出胞作用是存在的。

2。另一个证据就是在CA1神经元内表达GluR1-GFP

的融合蛋白(Shietal.,1999)，静息状态下融合蛋

白大部分散在分布于细胞浆内，在高频刺激后可以看

到这个绿色蛋白的聚集和向着突触所在部位——树突

棘（dendriticspine）部位的聚集。而且这一过程也

是NMDA受体依赖性的，可以被AP5所阻断。这一结果

说明了AMPA的亚基在高频刺激后的聚集成AMPAR的过

程。但是，这些AMPAR怎样表达到了突触后膜上呢？

3。只包括GluR1亚基的AMPA受体是完全的内向整合

通道（inwardrectification），而包括了GluR2的

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AMPAR离子通道没有整合作用的。通过过量表达

GluR1-GFP就可能导致细胞内的GluR1大大多于GluR2,

诱发LTP的高频刺激一些只含有GluR1亚基表达到突

触后膜，如果这种只表达GluR1的AMPA受体增加必将

导致内向整流作用增大，这是可以通过电生理的方法

就检测的。果真，在静息电位下这些外源性的蛋白都

表达在细胞内，和对照组比内向整流作用没有明显区

别，但高频刺激后内向整流作用明显变大。说明这些

亚基在高频刺激后不但可以聚集，还可以融合到突触

后膜，使EPSC增大(Hayashietal.,2000)。

以上2，3是有很多是Song-HaiShi博士毕业论文的

部分内容，Song-HaiShi因此获得了Science

magazineandAmershamBiosciences发的Young

ScientistPrize。毕业后Song-HaiShi博士又在

UCSF的著名华人科学家LilyJanandYuhNungJan

夫妇的实验室从事博士后工作，明年3月份Song-Hai

Shi博士将在Sloan-KetteringInstitute建立自己

的实验室，只要研究方向是神经发育方面的。（我的感

觉是中国人在美国做神经发育的比较成功的80%来自

于LilyJanandYuhNungJan实验室）

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说了半天AMPAtrafficking和silencesynapse的问

题，到底在学习记忆过程中有没有这个过程呢？目前

关于silencesynapse在学习记忆中的起作用，虽然

结论很可能是肯定的，但还没有直接证据。但AMPA

trafficking今年有了直接证据，

这部分还没有写完，下面这篇文章是今年发表的：

RumpelS,LeDouxJ,ZadorA,MalinowR.

Science.2005Apr1;308(5718):83-8.

Postsynapticreceptortraffickingunderlyinga

formofassociativelearning.

这篇文章是来自于同一科研小组，作者们看到了在学

习的过程中，AMPAtrafficking的发生，用GluR1C

末端的片断作为dominantnegative的抑制剂，可以

发现阻断AMPAtrafficking可以阻断学习记忆。这篇

文章我想做为第一次JournalClub的讨论主题，到时

再详细讨论。

以下是关于silencesynapse和AMPAtrafficking

的研究中的部分文献：

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Hayashi,Y.,Shi,S.H.,Esteban,J.A.,Piccini,

A.,Poncer,J.C.,andMalinow,R.(2000).Driving

AMPAreceptorsintosynapsesbyLTPandCaMKII:

requirementforGluR1andPDZdomaininteraction.

Science287,2262-2267.

Kullmann,D.M.(1994).Amplitudefluctuationsof.

Neuron12,1111.

Lledo,P.M.,Zhang,X.,Sudhof,T.C.,Malenka,

R.C.,andNicoll,R.A.(1998).Postsynaptic

membranefusionandlong-termpotentiation.

Science279,399-403.

Mack,V.,Burnashev,N.,Kaiser,K.M.,Rozov,A.,

Jensen,V.,Hvalby,O.,Seeburg,P.H.,Sakmann,

B.,andSprengel,R.(2001).Conditional

restorationofhippocampalsynapticpotentiation

e292,

2501-2504.

Malinow,R.,andTsien,R.W.(1990).Presynaptic

enhancementshownbywhole-cellrecordingsof

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long-termpotentiationinhippocampalslices.

NATURE346,177.

Montgomery,J.M.,Pavlidis,P.,andMadison,D.

V.(2001).Pairrecordingsrevealall-silent

synapticconnectionsandthepostsynaptic

29,

691-701.

Muller,D.,andLynch,G.(1988).Long-term

potentiationdifferentiallyaffectstwo

componentsofsynapticresponsesinhippocampus.

ProceedingsOfTheNationalAcademyOfSciences

OfTheUnitedStatesOfAmerica85,9346.

Shi,S.H.,Hayashi,Y.,Petralia,R.S.,Zaman,

S.H.,Wenthold,R.J.,Svoboda,K.,andMalinow,

R.(1999).Rapidspinedeliveryand

redistributionofAMPAreceptorsaftersynaptic

e284,

1811-1816.

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由于能力，时间和精力有限，只能写一写主要的发现，

其间肯定遗漏了一些其他重要文章，占有如发现请补

充。

缺血过程中除了NMDAR和钙离子的参与，还有其他重

要分子的参与。在学习记忆过程中，同样除了这两个

分子还有其他分子的参与，现在已知的和学习记忆有

关的分子有200多种。除了NMDA受体激活和钙离子增

加这个相同过程外，缺学和学习记忆都分别有其他分

子的参与，决定细胞活动的方向。这些“其他分子”

现在可能还没有完全搞清楚，但现在已经知道了其中

的一些。我不是这方面的专家，缺血研究的最新进展

我知道的不是非常清楚。神经所今年发了一篇文章探

讨这方面的问题的，你可以找来看一看。

Gao,J.,Duan,B.,Wang,D.,Deng,X.,Zhang,G.,

Xu,L.,andXu,T.(2005)CouplingbetweenNMDA

ReceptorandAcid-SensingIonChannel

48:

635-646.

另外，我想即便是NMDA受体激活钙离子内这两个细胞

内分子变化在缺血反应和学习记忆这两个过程中还有

个“度”的问题，钙离子增加的程度不同导致的结果

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也会不同。但就学习记忆过程来说，LTD和LTP这两

个看似相反的过程都需要NMDA受体激活和钙离子浓

度增加，但一个引起LTP，突触传递增强，另一个引

起LTD，突触传递减弱。关键就是LTD诱发过程中钙

离子浓度的较小幅度的增加，而在LTP诱发过程中，

钙离子增加的幅度较大。可能缺血过程中钙离子增加

的幅度更大，超过了生理范围（我猜的，没有找文献

依据），触发细胞凋亡过程。细胞都死了当然就不能增

加学习记忆了。

而且在学习记忆过程中，还有一个细胞内分子活性的

基础水平的问题。比如说学习记忆过程中有CaMKII

活性的增加，但不表示CaMKII活性一直处于高水平就

有利于学习记忆。

在小鼠前脑内表达一直处于活性状态的CaMKII使学

习记忆下降，你可以参考：

BachME,HawkinsRD,OsmanM,KandelER,Mayford

mentofspatialbutnotcontextualmemory

inCaMKIImutantmicewithaselectivelossof

hippocampalLTPintherangeofthetheta

.1995Jun16;81:905-15.

（还有这个实验组的几篇类似文章，你可以查出来看

看）

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另一个实验组作的另外一个knock-in小鼠，使CamKII

激活后不容易失活，相应也是脑内CaMKII活性增加，

结果也是LTP的诱发域值增加，学习记忆下降。

ElgersmaY,FedorovNB,IkonenS,ChoiES,

ElgersmaM,CarvalhoOM,GieseKP,SilvaAJ.

InhibitoryautophosphorylationofCaMKII

controlsPSDassociation,plasticity,and

.2002Oct24;36(3):493-505.

所以说，虽然LTP,学习记忆的过程有某一分子的活性

增加说水平上升，但并不等于说这种分子越多越有利

于学习记忆，维持正常的基础水平也很重要，否则“噪

音”太大了，神经元就不能更有效的过滤出有效信号

了。

AMPA受体是一个多聚体，由4个亚基组成。组成AMPA

受体的亚基包括GluR1-GluR4.在成年的哺乳动物的

海马区，AMPAR的组成主要有两种:GluR1-GluR2以

及GluR2-GluR3.不同亚基的位于细胞内的C末端的

长短各异，在海马区，GluR1，GluR4和部分GluR2

（GluR2L）的C末端都是长片断。

AMPAR的不同亚基的C末端可以和细胞内的其他蛋白

或因子起作用，这些和AMPAR相互作用的蛋白都含有

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一个或几个PDZ结构域。这些蛋白可以分成两大组：1，

和GluR1结合的；2，和GluR2及GluR3结合和。

和GluR1结合的蛋白有SAP97和RIL；和GluR2/GluR3

结合的蛋白有GRIP，ABP/GRIP2，rGDLG6和afadin

等蛋白。

AMPA受体在LTP的产生过程中，silentsynapse和

AMPA受体trafficking一直受到极大的关注，是LTP

诱导和产生的分子机制的热点之一。但同时还有一方

面的研究不可忽视，就是AMPAR分子本身的变化。

来自OregonHealthSciencesUniversity的Thomas

ing实验室的AndresBarria当时还在读博

士期间在science上发表了一篇文章，第一次提供了

在LTP的诱导过程中的AMPAR自身的变化的直接证据。

（AndresBarria现在在Malinow实验室做博士后，

今年在neuron上发表了一篇文章，是关于LTP诱导过

程中NR2B亚基和CaMKII的相互作用，估计现在在job

market上找工作，不出意外明年就可以建立自己的实

验室了）

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在AndresBarria这篇文章中，作者们做了一系列非

常直观的实验(Barriaetal.,1997b)：首先是检验

LTP诱导后CaMKII的磷酸化。这一实验的结果和前人

的结果是一致的，LTP诱导后CaMKII在T286位点发

生自体磷酸化。

然后又检测了LTP诱导后AMPAR的磷酸化。这是首次

发现LTP诱导后有AMPAR磷酸化发生，AMPAR受体在

LTP诱导后的磷酸化发生在GluR1,GluR2和GluR3并

没有发生磷酸化。

接下来的实验是这篇文章的点睛之笔：在当时已知

NMDA受体钙离子和CaMKII参与了LTP的诱导过程。

这篇文章的作者们分别用APV和KN-62阻断NMDAR和

CaKII，发现APV可以阻断CaMKII的磷酸化，说明了

CaMKII仔LTP的诱导过程中处于NMDAR的下游。KN-62

可以阻断AMPAR的磷酸化，说明AMPAR处于NMDAR的

下游。

这篇文章提供了LTP的诱导过程中的各个分子相互调

节的关系：高频刺激—?----NMDA受体激活

---?-----CaMKII磷酸化-----？-----AMPAR受体磷

酸化----？----LTP。后来的很多实验都是在这个模式

的基础上进行的。

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在这篇science文章发表的同一年，AndresBarria

还发表了另外一篇JBC文章，证明了AMPA受体上的

CaMKII磷酸化位点是GluR1的Ser831(Barriaetal.,

1997a)。这篇文章采用的是传统的细胞生物学方法：

首先用GST融合蛋白找出AMPA受体上被CaMKII磷酸

化的位点位于C末端，然后用点突变的方法确定这个

作用位点是S831,这一位点是PKC作用位点,提示

CaMKII可能通过某种途径激活PKC，然后引起GluR1

在S831位点的磷酸化。GluR1上还有一个S845位点

是PKA的作用位点，在这个实验中，CaMKII激活后并

不能直接引起GluR1的S845这一位点的磷酸化。

这篇JBC是一个体外实验，实在HEK293表达系统中得

出的结论。在同一时间的另外一篇JBC文章，也得出

了和AndresBarria等人同样的结论(Mammenetal.,

1997)。自然而然的，下一个问题就是：在高频刺激

LTP的诱导过程中也是在GluR1的S831位点发生磷酸

化反应吗？到目前为止，大家公认的答案是yes!这一

结论是通过对AMPAR的电导变化的观察得出的结论。

gridge实验室发表在Nature上发

表了一篇文章(Benkeetal.,1998)。在这篇文章中，

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作者们发现在高频刺激诱发LTP后AMPA受体的电导增

加。另一篇文章发现CaMKII的活化也可以通过磷酸化

GluR1的S831导致AMPAR的电导增加(Ponceretal.,

2002)，所以可以得粗结论：LTP或激活CaMKII所引

起的AMPAR电导增加的原因很可能是由于GluR1亚基

在S831位点的磷酸化，这个结论基本也得到了研究

LTP分子机制的科学界的公认。

由此可见，在LTP的诱导和表达过程中，NMDAR激活，

Ca离子增加，CaMKII激活后最终导致AMPAR发生两方

面的变化：1。AMPAR的膜转运导致AMPAR在突触后膜

的insertion增加。2。AMPAR的GluR1亚基在S831

位点磷酸化，AMPAR电导增加。这两种变化都导致突

触传递的增强，导致LTP的产生。

这个结论同时产生另外一个问题，AMPAR受体的膜转

运和在S831位点的磷酸化，电导增加这两方面是互相

调节的前后两个步骤还是两个相互平行的过程？

从目前的观点看来，答案倾向于后者,即这一过程是相

互平行的过程。

支持这一结论的只要有两方面的试验：

1．GluR1上S831位点的点突变使这一位点不能

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被磷酸化（当然也就不能增加AMPAR的电导了），

CaMKII活化依旧可以使AMPAR表达到突触后膜上，

AMPARtrafficking并不受影响(Hayashietal.,

2000)。

2．但GluR1上的S831位点不变，只有S845位点

的点突变后，AMPAR的trafficking受影响，高频刺

激后不再有AMPAR在突触后膜的表达增加。说明S845

位点的磷酸化是必须”necessary”的。（但不是充

分”sufficient”的）

S831是GluR1亚基中的PKC的作用位点，而S845是

PKA的作用位点，LTP产生的过程中AMPAR的这两个

主要变化是神经元内不同的信息传导通路同时被激活

的作用能够结果。

LTP产生过程中AMPARTraffickingandinsertion

还受到其他很多种蛋白分子活性的调节，如SuyGap,

Sap97,Ras等分子，以后写到相应分子的作用时再详

细讨论。

缺血过程中除了NMDAR和钙离子的参与，还有其他重

要分子的参与。在学习记忆过程中，同样除了这两个

分子还有其他分子的参与，现在已知的和学习记忆有

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关的分子有200多种。除了NMDA受体激活和钙离子增

加这个相同过程外，缺学和学习记忆都分别有其他分

子的参与，决定细胞活动的方向。这些“其他分子”

现在可能还没有完全搞清楚，但现在已经知道了其中

的一些。我不是这方面的专家，缺血研究的最新进展

我知道的不是非常清楚。神经所今年发了一篇文章探

讨这方面的问题的，你可以找来看一看。

Gao,J.,Duan,B.,Wang,D.,Deng,X.,Zhang,G.,

Xu,L.,andXu,T.(2005)CouplingbetweenNMDA

ReceptorandAcid-SensingIonChannel

48:

635-646.

另外，我想即便是NMDA受体激活钙离子内这两个细胞

内分子变化在缺血反应和学习记忆这两个过程中还有

个“度”的问题，钙离子增加的程度不同导致的结果

也会不同。但就学习记忆过程来说，LTD和LTP这两

个看似相反的过程都需要NMDA受体激活和钙离子浓

度增加，但一个引起LTP，突触传递增强，另一个引

起LTD，突触传递减弱。关键就是LTD诱发过程中钙

离子浓度的较小幅度的增加，而在LTP诱发过程中，

钙离子增加的幅度较大。可能缺血过程中钙离子增加

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的幅度更大，超过了生理范围（我猜的，没有找文献

依据），触发细胞凋亡过程。细胞都死了当然就不能增

加学习记忆了。

而且在学习记忆过程中，还有一个细胞内分子活性的

基础水平的问题。比如说学习记忆过程中有CaMKII

活性的增加，但不表示CaMKII活性一直处于高水平就

有利于学习记忆。

在小鼠前脑内表达一直处于活性状态的CaMKII使学

习记忆下降，你可以参考：

BachME,HawkinsRD,OsmanM,KandelER,Mayford

mentofspatialbutnotcontextualmemory

inCaMKIImutantmicewithaselectivelossof

hippocampalLTPintherangeofthetheta

.1995Jun16;81:905-15.

（还有这个实验组的几篇类似文章，你可以查出来看

看）

另一个实验组作的另外一个knock-in小鼠，使CamKII

激活后不容易失活，相应也是脑内CaMKII活性增加，

结果也是LTP的诱发域值增加，学习记忆下降。

ElgersmaY,FedorovNB,IkonenS,ChoiES,

ElgersmaM,CarvalhoOM,GieseKP,SilvaAJ.

InhibitoryautophosphorylationofCaMKII

__________________________________________________

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controlsPSDassociation,plasticity,and

.2002Oct24;36(3):493-505.

所以说，虽然LTP,学习记忆的过程有某一分子的活性

增加说水平上升，但并不等于说这种分子越多越有利

于学习记忆，维持正常的基础水平也很重要，否则“噪

音”太大了，神经元就不能更有效的过滤出有效信号

了。

LTP，今年你读这些文章了吗？

2005年LTP研究代表性文献总结

1。Almaguer-Melian,W.,Rojas-Reyes,Y.,Alvare,

A.,Rosillo,J.C.,Frey,J.U.,andBergado,J.

A.(2005).Long-termpotentiationinthedentate

gyrusinfreelymovingratsisreinforcedby

intraventricularapplicationofnorepinephrine,

iolLearnMem83,72

-78.

2。Bagal,A.A.,Kao,J.P.,Tang,C.M.,and

Thompson,S.M.(2005).Long-termpotentiationof

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exogenousglutamateresponsesatsingle

tlAcadSciUSA102,

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3。Barria,A.,andMalinow,R.(2005).NMDA

ReceptorSubunitCompositionControlsSynaptic

PlasticitybyRegulatingBindingtoCaMKII.

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4。Beffert,U.,Weeber,E.J.,Durudas,A.,Qiu,

S.,Masiulis,I.,Sweatt,J.D.,Li,W.P.,

Adelmann,G.,Frotscher,M.,Hammer,R.E.,and

Herz,J.(2005).Modulationofsynaptic

plasticityandmemorybyreelininvolves

differentialsplicingofthelipoprotein

47,567-579.

5。Chen,L.,Yamada,K.,Nabeshima,T.,andSokabe,

M.(2005).alpha7Nicotinicacetylcholine

receptorasatargettorescuedeficitin

hippocampalLTPinductioninbeta-amyloid

harmacology.

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6。Coesmans,M.,Weber,J.T.,DeZeeuw,C.I.,

andHansel,C.(2004).Bidirectionalparallel

fiberplasticityinthecerebellumunderclimbing

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7。Erreger,K.,Dravid,S.M.,Banke,T.G.,Wyllie,

D.J.,andTraynelis,S.F.(2005).

Subunit-specificgatingcontrolsratNR1/NR2A

andNR1/NR2BNMDAchannelkineticsandsynaptic

ol.

8。Fan,Y.,Fricker,D.,Brager,D.H.,Chen,X.,

Lu,H.C.,Chitwood,R.A.,andJohnston,D.

(2005).Activity-dependentdecreaseof

excitabilityinrathippocampalneuronsthrough

increasesinI(h).NatNeurosci8,1542-1551.

9。Fonseca,R.,Nägerl,U.V.,Morris,R.G.,and

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HippocampalLTPunderRegimesofReducedProtein

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10。Irvine,E.E.,Vernon,J.,andGiese,K.P.

(2005).alphaCaMKIIautophosphorylation

contributestorapidlearningbutisnot

rosci8,411-412.

11。Kim,M.J.,Dunah,A.W.,Wang,Y.T.,andSheng,

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NR2B-containingNMDAreceptorsinRas-ERK

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12。Lisman,J.,andSpruston,N.(2005).

PostsynapticdepolarizationrequirementsforLTP

andLTD:acritiqueofspiketiming-dependent

rosci8,839-841.

13。Liu,Q.S.,Pu,L.,andPoo,M.M.(2005).

RepeatedcocaineexposureinvivofacilitatesLTP

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14。Raymond,C.R.,andRedman,S.J.(2005).

Spatialsegregationofneuronalcalciumsignals

encodesdifferentformsofLTPinrathippocampus.

JPhysiol.

15。Rumpel,S.,LeDoux,J.,Zador,A.,andMalinow,

R.(2005).Postsynapticreceptortrafficking

underlyingaformofassociativelearning.

Science308,83-88.

16。Shumyatsky,G.P.,Malleret,G.,Shin,R.M.,

Takizawa,S.,Tully,K.,Tsvetkov,E.,Zakharenko,

S.S.,Joseph,J.,Vronskaya,S.,Yin,D.,etal.

(2005).stathmin,ageneenrichedintheamygdala,

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17。Taverna,F.A.,Georgiou,J.,McDonald,R.J.,

Hong,N.S.,Kraev,A.,Salter,M.W.,Takeshima,

H.,Muller,R.U.,andRoder,J.C.(2005).

Defectiveplacecellactivityinnociceptin

receptorknockoutmicewithelevatedNMDA

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18。Tomita,S.,Stein,V.,Stocker,T.J.,Nicoll,

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SynapticPlasticityRegulatedbyPhosphorylation

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19。Wang,H.X.,Gerkin,R.C.,Nauen,D.W.,and

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20。Wolters,A.,Schmidt,A.,Schramm,A.,Zeller,

D.,Naumann,M.,Kunesch,E.,Benecke,R.,

Reiners,K.,andClassen,J.(2005).

Timing-dependentplasticityinhumanprimary

ol.

21。Zhu,Y.,Pak,D.,Qin,Y.,McCormack,S.G.,

Kim,M.J.,Baumgart,J.P.,Velamoor,V.,

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Auberson,Y.P.,Osten,P.,vanAelst,L.,etal.

(2005).Rap2-JNKremovessynapticAMPAreceptors

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