成大研發快訊 - 文摘 成大研發快訊 第五卷 第三期 - 2008年七月十八日 [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080718/4.html ]
成熟大腦新生神經元神經突觸塑性表現之研究
葛少宇
1,
楊志豪
2,
閔國麗
1,
宋洪軍
1,
許桂森
2,* 1約翰霍普金斯大學神經科 2成功大學醫學院藥理學科 richard@mail.ncku.edu.tw Neuron (2007) 54:559-566.背
景簡介: 神經元具有新生的作用。哺乳類動物在其中樞神經系統的某些 特定區域終其一生會不斷的進行神經元的新生作用。其中以海 馬廻齒狀廻區域的新生顆粒狀神經元新生作用最具代表性。新 生顆粒狀神經元在其發育成熟後會與原有之神經網絡聯結成具 功能表現之系統。然而，這些新生的神經元是否可以取代死亡 或老化神經元的功能或去執行現有存在之神經元所無法執行的 功能呢？則仍不清楚。目前已有相當的文獻指出新生的神經元 可能參與某些形式的學習及記憶過程，或與某些情緒反應的發 生有關。然而，其如何參與此等認知功能的表現則仍然不清 楚。此研究議題近年來成為相當多神經科學研究學者相當感興 趣的重要課題。 神經突觸塑性與學習及記憶功能的表現有著相當重要的關聯性。研究新生神經元與原有存在之成熟神經網 絡間之神經突觸塑性表現對於了解新生神經元的生理功能及意義具有相當大的助益。先前的研究指出，在 海馬廻齒狀廻區域之新生顆粒狀神經元較成熟之顆粒狀神經元表現較強的長期神經突觸塑性。其誘發長期 增益現象表現之閾值較低。然而有趣的問題是:是否新生顆粒狀神經元表現較低誘發閾值的長期增益現象會 持續到其轉化成成熟的顆粒狀神經元呢?近年來利用反轉錄病毒載體及電氣生理學的方式可以準確的進行 一系列發育週期的新生顆粒狀神經元活性探討，也可以提供對於了解其參與神經元發育的分子機制進行更 深入的探討。因此，在此研究中我們利用此等技術對於新生顆粒狀神經元表現較低誘發閾值的長期增益現 象的課題進行更完整的研究。 此外，成熟的大腦中樞神經系統具有高度的可塑性來接受及適應各種不同環境的刺激及經驗的學習及記 憶。而此等神經突觸塑性的表現主要係透過神經元結構及突觸功能快速的轉換能力所達成的。而且此等能 力在發育早期的表現特別的明顯，也對於神經元發育的過程特別的重要。是否這些神經元發育早期的能力 也表現在成熟大腦新生顆粒狀神經元目前仍然不太清楚，因此這也是我們進行此系列實驗研究的一個重要 的探討主題。 結果: 利用低頻電刺激海馬廻腦薄片上穿質通路可以在新生顆粒狀神經元計錄到興奮性突觸後電位(圖1)。利用給 與短暫的陣發型磁波刺激則可以成功地在一個月大的新生顆粒狀神經元上誘發出長期增益現象的表現(圖 1A)。然而相同的刺激條件，則僅能在64%的成熟顆粒狀神經元上誘發長期增益現象的表現(圖1B, D)。此 外，一個月大的新生顆粒狀神經元也表現出較低誘發閾值的長期增益現象。此發現與2-3週大動物之海馬 廻齒廻區顆粒狀神經元誘發出長期增益現象的結果相似(圖1C)。然而，四個月大的新生顆粒狀神經元與成 1 of 4成大研發快訊 - 文摘 熟的顆粒狀神經元表現長期增益現象的比例相當，給與短暫的陣發型磁波刺激可以在67%的四個月大的新 生顆粒狀神經元誘發出長期增益現象(圖1D)。在長期增益現象表現的大小程度上，一個月大的新生顆粒狀 神經元表現出較大程度的長期增益現象；而四個月大的新生顆粒狀神經元與成熟的顆粒狀神經元表現長期 增益現象的大小程度相當年(圖1E)。此等結果印證了海馬廻齒狀廻區域之新生顆粒狀神經元較成熟之顆粒 狀神經元表現較強的長期神經突觸塑性。 圖 1. 海馬廻齒廻區新生顆粒狀神經元在發育過程中長期增益現象表現的情形。一個月大的新生顆粒狀 神經元(A) 與四個月大的新生顆粒狀神經元(C) 長期增益現象的誘發表現。(C) 成熟的顆粒狀神經元表現長 期增益現象的情形。(D和E) 新生顆粒狀神經元在不同發育時期長期增益現象表現的比例與程度。 我們接著探討為何新生顆粒狀神經元較成熟顆粒狀神經元表現較強的長期神經突觸塑性的可能作用分子機 制。利用NMDA受體阻斷劑APV，我們證明在海馬廻齒廻區新生顆粒狀神經元所誘發的長期增益現象需要 NMDA受體的活化，而且此機制與新生顆粒狀神經元的成熟成度無關(圖1A-D)。由於NMDA受體之NR2B 次單元在神經元上表現的多寡與神經元發育的成熟度有關，因此我們進一步的分析不同發育程度的新生顆 粒狀神經元上其含NR2B次單元之NMDA受體表現的程度。利用NR2B次單元專一性的藥理阻斷劑﹐我們 印證了在新生顆粒狀神經元的NR2B次單元表現的量隨著神經元發育成熟的過程而逐漸的遞減(圖2)。 2 of 4
成大研發快訊 - 文摘 圖 2. 海馬廻齒廻區新生顆粒狀神經元在不同的發育時期其含NR2B次單元之NMDA受體表現的情形。 (A) 不同的發育時期以NR2B次單元專一性的藥理阻斷劑ifenprodil來阻斷NMDA受體所媒介之興奮性突觸 後電流的情形。(B) 不同的發育時期的新生顆粒狀神經元及成熟顆粒狀神經元含NR2B次單元之NMDA受 體的比例情形。 為了連結含NR2B次單元的NMDA受體表現的程度與新生顆粒狀神經元表現長期增益現象大小的關聯性， 我們也利用NR2B次單元專一性的藥理阻斷劑ifenprodil來分析不同發育程度之新生顆粒狀神經元所表現含 NR2B次單元之NMDA受體與長期增益現象大小的相關性(圖3)。結果顯示不同發育程度的新生顆粒狀神經 元所表現的長期增益現象對於ifenprodil有著不同的敏感度。Ifenprodil對於一個月大的新生顆粒狀神經元 表現出較大程度的抑制作用(圖3A)。另一種NR2B次單元專一性的藥理阻斷劑Ro-25-6981也呈現相同的結 果(圖 3B)。這些結果顯示含NR2B次單元之NMDA受體表現的程度大小決定了海馬廻齒廻區新生顆粒狀神 經元誘發長期增益現象的閾值高低及大小，而且此作用隨著神經元的發育逐漸的轉變。 3 of 4
成大研發快訊 - 文摘 圖 3. 海馬廻齒廻區新生顆粒狀神經元在不同的發育時期其長期增益現象表現與NR2B次單元之NMDA 受體表現相關的情形。(A) 新生顆粒狀神經元與成熟的顆粒狀神經元在ifenprodil存在下表現長期增益現象 的情形。(B) Ifenprodil與Ro-25-6981對於長期增益現象誘發表現之影響。 結論: 經由一系列完整的實驗探討及分析，我們認為新生顆粒狀神經元在發育的初期會表現出較低誘發閾值的長 期增益現象，然而此現象會隨著神經元發育的成熟度而逐漸遞減，最終與成熟的顆粒狀神經元的表現程度 相當。此發育過程中的表現與含NR2B次單元之NMDA受體表現的程度有關。此等作用可能參與提昇接受 外在環境的刺激的能力或學習及記憶的過程有關。其更直接的生理相關性則仍有待更進一步的探討。 4 of 4
