第三章中枢神经递质及其受体
第一节中枢神经递质的概念
在化学传递中，虽然突触前膜和突触后膜只相隔20 nm左右，但由于神经元的突触后膜缺乏电的兴奋性，因此突触前膜的电变化不能直接传导至突触后膜，必须通过化学物质的媒介，才能将信息传递至突触后的细胞，这种起传递作用的化学物质称为神经递质(neurotransmitter)。
神经递质主要在神经元中合成，并贮存于突触体内，在冲动传递过程中释放到突触间隙，作用于下一个神经元或靶细胞，从而产生生理效应。
随着脑内化学传递过程的深入研究，了解到脑内许多结构含有多种不同的神经递质或神经激素。
同一种神经递质在不同的神经核团中又可能具有不同的功能，不同神经递质之间又可以相互作用和相互制约。
目前已知在同一个神经元中存在着两种或两种以上的神经递质。
由此不难看出这将给研究中枢神经递质带来一定的复杂性。
中枢神经递质研究的历史只有短短20多年，但是它在临床诊断和治疗上已取得了一些成效，如应用左旋多巴胺(L-dopa)能改善帕金森病，在理论方面，它对阐明人类脑的高级功能，如学习与记忆，睡眠与觉醒以及行为等具有非常重要的意义，还有应用胆碱酯酶抑制剂，治疗老年痴呆症，就是提高中枢神经递质乙酰胆碱的水平。
一、中枢神经递质
神经系统内存在着许多化学物质，但作为神经递质必须具备下列几个条件：
1、生物合成
这是最重要的标准。
在神经元内有专一的合成递质的酶系统，如胆碱能神经末梢有胆碱乙酰化酶(ChAc)，肾上腺能神经末梢存在着酪氨酸羟化酶(TH)，多巴胺脱羧酶(AADC)和多巴胺β-羟化酶(DβH)等。
2、囊泡贮存
神经递质通常贮存于神经元轴突末梢的囊泡中，这可防止被胞浆内其他酶所破坏。
3、释放
神经冲动到来时，神经末梢内合成的神经递质由突触前膜释放出来，进入突触间隙。
4、作用于受体
递质通过突触间隙作用在突触后膜或突触前膜的受体上。
作用于突触后膜的受体，可引起突触后膜产生兴奋性或抑制性突触后电位。
5、灭活
神经递质在发挥生理效应后通过灭活机制迅速终止生理效应，以保持突触传递的灵活性。
灭活的方式有两种，一种是被酶所破坏，如乙酰胆碱主要被突触前、后膜上的胆碱酯酶水解而失活，另一种是被突触前膜或后膜所摄取，如神经末梢所释放的去甲肾上腺素大部分又被突触前膜所摄取，称为重摄取或再摄取(reuptake或recapture)，其余部分或被突触后膜所摄取，或进入血液循环和脑脊液等，也有一部分就在突触间隙内被降解酶所破坏。
6、药理学验证
将外源性有关物质作用于突触后膜时，能产生与神经递质的生理功能完全相同的生理效应，即引起同样的兴奋或抑制效应。
如在动物实验中给予神经递质的拮抗剂，则能表现出对神经递质作用的拮抗效应。
二、中枢神经递质的种类
根据目前资料，中枢内仅有少数突触的神经递质已完全明确，但有许多中枢突触的神经递质，至今尚未得到充分的阐明。
可能作为中枢递质的化学物质种类很多，比较重要的有下列几种：
1、胆碱类
乙酰胆碱(acetylcholine, Ach)
2、单胺类
（1）儿茶酚胺(catecholamine, CA)
①多巴胺(dopamine, DA)
= 2 \* GB3 ②去甲肾上腺素(norepinephrine, NE)
= 3 \* GB3 ③肾上腺素(epinephrine, E)
（2）吲哚胺(indolakylarnlne, IA), 5-羟色胺(5-hydroxytryptamtne，5-HT)
（3）氨基酸类谷氨酸、天冬氨酸、γ-氨基丁酸(GABA)等
（4）其他组织胺等
（5）肽类目前已发现某些神经肽具有递质的功能
第二节中枢神经递质及其受体的功能和分布
本节将重点讲授下列神经递质的功能和分布
一、乙酰胆碱
二、抑制性氨基酸包括γ-氨基丁酸(GABA)、甘氨酸等
三、兴奋性氨基酸包括谷氨酸、天冬氨酸
四、去甲肾上腺素
五、多巴胺
六、5-羟色胺
七、组胺
八、神经肽
一、乙酰胆碱
乙酰胆碱(ACh)是脑内第一种被证实的神经递质。
由于至今仍缺乏高灵敏的、特异的检测脑内ACh的方法，有关脑内ACh方面的知识远落后于单胺类神经递质。
1、中枢乙酰胆碱能通路
脑内的胆碱能神经元分布上可存二种类型。
①局部分布的中间神经元，参与局部神经回路的组成。
在纹状体、隔核、伏隔核(neucleusaccumbens)、嗅结节(olfactory tubercle)等神经核团均有较多的胆碱能中间神经元，尤以纹状体最多。
②胆碱能投射神经元，这些神经元在脑内分布较集中，分别组成胆碱能基底前脑复合体和胆碱能桥脑-中脑-被盖复合体。
胆碱能神经元主要集中在内侧隔核、斜角带核(diagonal band nuclei)、无名质(substantia innominata)、视前大细胞区(magnocellular preoptic field)和基底核(neuleus basalis)，共同组成胆碱能基底前脑复合体。
2、脑内乙酰胆碱受体
绝大多数脑内胆碱受体是M-受体，N-受体仅占不到10％。
无论是脑内的M-或N-受体，它们的药理特性均与外周的M-或N-受体相似。
利用不同的M-受体阻断药可区分4种M-受体亚型。
哌仑西平{pirenzepine)和替仑西平(telenzepine)与M1受体有高亲和力，himbacine和AFDX-116与M2受体有高亲和力，hexahydrosiladifenidol(HHSD)对M3受体有高亲和力，tropicamide对M4受体显示高亲和活力，唯独还未能找到对M5受体有较高选择性的药物。
阿托品、东莨菪碱等目前常用的M—受体阻断药与上述亚型受体均有相似的亲和力。
M-受体在脑内分布广泛，密度较高的脑区包括大脑皮层、海马、纹状体、伏隔核、隔核、缰核、脚间核、上丘；下丘和顶盖前区等。
脑内M—受体以M1—受体为主，占M—受体总数的50％～80％。
与之形成鲜明的对照，脑内N—受体由于缺乏选择性高的工具药，含量又少，有关其药理特性和功能所知甚少。
3、中枢乙酰胆碱的功能
中枢ACh主要涉及觉醒、学习、记忆和运动控制。
M-受体激动药可使脑电图出现低幅快波的觉醒电活动。
M-受体阻断药可取消激动药的这种作用，而出现高幅慢波的睡眠脑电活动。
学习、记忆功能障碍是老年性痴呆的突出症状，病理研究显示梅奈特(Meynert)基底核胆碱能神经元明显减少，神经元丢失的程度与学习记忆障碍的程度密切相关。
在研究学习、记忆障碍的动物模型中，很多的模型都是用化学或物理的方法破坏基底前脑复合体的胆碱能神经元的胞体或它们投射到大脑皮层、海马的纤维束，或在受体水平阻断该胆碱能系统的活动，引起动物学习记忆下降。
目前临床最常应用的提高学习记忆的抗老年性痴呆的药物是中枢胆碱酯酶抑制剂多奈哌齐等，其主要的药理作用是提高中枢乙酰胆碱的水平。
纹状体在控制运动中起重要作用。
乙酰胆碱—多巴胺两系统功能平衡失调，如多巴胺系统功能低下使正常的运动出现障碍，ACh系统功能过强，可出现帕金森病的症状。
相反，则出现杭廷顿(Huntington)舞蹈病的症状，治疗前者可使用M—受体阻断药，后者可使用M-受体激动药。
二、抑制性氨基酸
①抑制性氨基酸，包括γ-氨基丁酸、甘氨酸、牛磺酸(taurine)和β-丙氨酸等，它们在脑内可使神经元出现膜电位超极化，抑制神经元放电，产生抑制性突触后电位(1PSP)。
②兴奋性氨基酸，包括谷氨酸、天冬氨酸、磺基丙氨酸(cysteic acid)和同型磺基丙氨酸(homocysteicacid)等，可使神经元膜去极化，产生兴奋性突触后电位(EPSP)。
1、γ-氨基丁酸
γ-氨基丁酸(GABA)广泛非均匀分布在哺乳动物脑内，而外周组织仅含微量。
用免疫组化技术显示脑内GABA，反映脑内GABA的分布。
研究表明，脑内广泛存在GABA能神经元，绝大多数都是短轴突的中间神经元，主要分布在大脑皮层、海马和小脑。
（1）GABA A受体GABA被认为是脑内最重要的抑制性神经递质，脑内有30％左右的突触是以GABA为神经递质；
脑内GABA受体主要是GABA A受体，少量是GABA B受体，GABAc受体目前仅发现在视网膜，见表1。
表1 中枢GABA受体的分类与特性
CACA: cis-4-aminocrotonic acid; 3-APMPA: 3-aminopropyl(methyl) phosphinic acid; 3-APPA: 3-aminopropylphosphinic acid; THIP: 4, 5, 6, 7-tetra hydroisoxazole(4, 5-c) pyridine-3-ol.
2、甘氨酸甘氨酸(Glycine)也广泛分布
在哺乳动物脑内，特别是脊髓前角，它是低位中枢另一种抑制性神经递质。
甘氨酸能神经元主要分布在脊髓及低位脑干，作为抑制性中间神经元参与对感觉传入、运动神经元活动的调节。
甘氨酸在不同的脑区扮演不同的角色，发挥相反的作用，在低位脑干和脊髓作为抑制性神经递质，发挥突触传递作用。
在前脑，甘氨酸作为NMDA受体的调节物质，易化谷氨酸的突触传递作用。
三、兴奋性氨基酸
目前认为谷氨酸是主要的兴奋性氨基酸，作为神经递质，参与突触传递。
除谷氨酸外，天冬氨酸(aspartic acid)也可以发挥相似的作用。
谷氨酸或天冬氨酸被释放后，可与不同的兴奋性氨基酸受体结合，可诱发突触后神经元兴奋，产生兴奋性突触后电位。
1、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA) 受体
受体在兴奋性氨基酸受体中，NMDA受体最受人们关注。
NMDA受体在脑内有广泛分布，与非NMDA受体在分布上有许多重叠。
NMDA受体激动时，其偶联的阳离子通道开放，除Na+、K+离子通过外，还允许Ca2+离子通过，高钙电导是NMDA受体的特点之一，也是它与谷氨酸兴奋性神经毒性、长时程突触加强(LTP)、记忆学习行为密切相关的原因。
2、非NMDA受体
非NMDA受体包括AMPA受体（ 氨基羧甲基恶唑丙酸受体）及KA受体(海人藻酸受体)，它们分别对AMPA和KA有较高的亲和力。
3、代谢型谷氨酸受体(mGluR)
mGluR是属G蛋白的偶联受体家族，由一条多肽链构成，有7个跨膜区。
目前已克隆出8种不同亚型的mGluR (mGluR l-mGluRa8)。
表2 兴奋性氨基酸离子通道受体的分型及特性
AP5：D-amino-5-phosphonopentanoam;
CGSl9755：4-phosphonomethyl-2-piperidine carboxytic acid ；
CGP37849：D ，L(E)-2-Amino-4-methylphosphono-3-pentanoic acid ；
GYKl52466：1-(4-aminophenyl)-4-methyl-7，
8-methylendioxy-5H-2
，3-benzodiazepine hydrochloride ；
NBQX ：6-nitro-7-sulphamobenzo (f)quinoxaline-2，3-dione ．
表3 兴奋性氨基酸促代谢受体(mGluR)的分型及特性
DCG-IV ：2s ，1'R ，2'R ，3'R-2 (2'，3'-dicarboxyclopropyl) glycine ；
DHPG ：3，5-dihydrophenylycine ； MAP4：methyl-1-AP4；
MCCG ：2s ，1's ，2's-2-methyl-2-(2'-carboxycyclopropyl) glycine.
兴奋性氨基酸是脑内半数以上突触的神经递质。
通过上述受体的介导，不但参与快速的兴奋性突触传导，而且在学习、记忆、神经元的可塑性，神经系统发育及一些疾病发病机制中如缺血性脑病、低血糖脑损害、癫痫、脑外伤和老年性中枢退行性疾病等发挥重要作用。
四、去甲肾上腺素
脑内去甲肾上腺素（NA）能神经元胞体分布相对集中在脑桥及延髓，但NA 神经末梢在脑内弥散广泛分布。
NA能神经元胞体密集在蓝斑核(locus ceruleus)，大鼠及人的蓝斑核各有1500个和12000个NA能神经元。
脑内肾上腺素受体也存在α1、α1和β受体。
根据药物作用、损伤NA神经元、动物实验和临床资料提示脑内NA能神经系统参与觉醒、情感、痛觉调节、学习和记忆、心血管调节和药物依赖等生理、病理机制。
由于NA和肾上腺素（E）都作用于相同的受体，脑内NA含量远比E高(50～100倍)，NA和E无论在递质合成、贮存、递质释放、受体相互作用及重摄取等突触活动十分相似。
至今并无特异的工具药可区分出2种递质突触传递过程及功能。
五、多巴胺
自60年代发现多巴胺（DA）不仅是脑内去甲肾上腺素合成的前体，而且是重要的神经递质。
在中枢神经系统内，DA神经元分布相对集中，投射通路较清晰和支配范围较局限，在大脑的运动控制、情感思维和神经内分泌方面发挥重要的生理作用，与帕金森病、精神分裂症的病理密切相关。
六、5-羟色胺
脑内5-羟色胺（5-HT）能神经元与NA能神经元的分布相似，主要集中在脑桥、延脑中线旁的中缝核群，共组成9个5-HT能神经核团(B1～B9)。
根据受体偶联的信号转导系统和它们氨基酸顺序的同源性，可把5-HT受体分成不同的亚型。
共有5-HT1~77种受体，每种受体可存在不同的亚型。
药理作用、损毁实验、动物行为和临床的资料提示脑内5-HT能系统参与心血管活动调节、觉醒—睡眠周期调节、痛觉调制、精神情感活动和下丘脑—垂体的
神经内分泌活动的调节。
七、组胺
尽管很早就知道脑内存在组胺(histamine)，但由于缺乏特异性高的工具药及检测方法的限制，有关组胺在中枢作用的研究进展缓慢。
直至70年代后，脑内组胺的研究才有了较快的发展，但仍滞后于其它单胺递质。
组胺受体：目前鉴别出3种组胺受体亚型，H1、H2和H3
目前对组胺脑内的生理作用仍不清楚，推测脑内组胺参与饮水、摄食、体温调节、觉醒和激素分泌调节活动。
临床上影响脑内组胺作用的药物用途有限，它的中枢作用往往是临床上抗组胺药物的副作用。
八、神经肽
50年代中期已从下丘脑分离纯化出加压素和催产素，是最早确定的神经肽。
神经肽受体与经典递质相似，各种神经肽都有各自的受体及不同的受体亚型。
神经肽是它们的天然配体，但一些人工合成非肽类化合物也可以是神经肽受体的选择性配体。
如胆囊收缩素—A (CCK-A)受体可选择地被A71623激动，被devazepide阻断。
速激肽—2(NK-2)受体又可分别被GR64349激动和GR94800阻断。
几乎所有的神经肽受体都属于G蛋白偶联受体家族，享有这个家族分子生物学的共同特点。
阿片受体μ、δ、κ受体通过G i/o蛋白与腺苷酸环化酶或钙通道或钾通道偶联，引起cAMP下降或膜对Ca2+或K+通透性改变。
第三节研究中枢递质的一般方法
在中枢神经系统内存在着血—脑屏障，使有些影响递质的药物难以进入中枢，同时又由于各种功能不同的神经元排列十分密集，难以区分，因此研究中枢神经递质时，在其方法上需要考虑周到。
近年来应用了化学刺激或损毁的方法及微量测定技术，对中枢递质的定性、定量、定位以及对中枢神经系统药物作用的研究起到了一定的促进作用。
一、在不同水平上研究中枢递质的方法
1、在动物的颈动脉和颈静脉中取血，并分析其化学成分的差别，从中可以反映出脑代谢的特征。
2、脑组织培养，将离体脑组织切片置于特定的培养基内保温培育，可以在几小时内保持组织在体时的代谢特性。
3、将脑分区测定神经递质的含量，由于某些脑区的递质含量甚微，因此可将几个动物的同一脑区合并测定。
4、亚细胞分析，将脑组织匀浆用差速离心法得到突触膜粗制品，然后用蔗糖密度梯度高速分层离心法，得到较纯的突触体。
用放射受体结合法测定突触后膜上受体的活性，也可用同样的方法使突触体内的囊泡和线粒体分离，分离后的囊泡经多次冰冻-融化处理后，使囊泡破裂，并将所含的递质释放，再通过离心使其与囊泡分离，然后进行测定。
5、脑灌流方法，用人工脑脊液对脑表面，脑室系统或脑实质进行灌流，通过灌流，脑组织中的化学成分可进入灌流液，因此分别进行灌流可以分别了解有关脑室周围脑区的代谢活动，同样，一些化学物质也可通过脑灌流方法将灌流液透入脑组织。
据估计，从侧脑室灌入而从小脑延脑池流出的一次灌流实验中发现受影响的脑组织约占全脑的10～20％，所以脑室灌流可反映部分脑组织内部的情况，因此，这是研究脑化学的常用方法。
二、改变中枢递质含量的方法
1、电刺激损毁
由于同一类型的神经元常汇集于一个核团内，如去甲肾上腺素能的胞体位于蓝斑核，而5—羟色胺能神经元的胞体分别位于中缝核和黑质，因此刺激或损毁这些核团或由它发出的纤维束就可影响脑内及脑脊液内该递质的含量。
2、化学刺激损毁
应用化学药物研究中枢递质具有特异性高和选择性强的特点，它可以分别对同一脑区不同类型神经元的功能进行分析研究，如在下丘脑外侧区的同一个埋藏瘘管中注入NE或Ach，可分别引起摄食或饮水活动，这说明同一脑区内具有不同功能的神经元。
此外，还可用特殊的化学物质分别损毁不同的神经末梢，如6—羟基多巴胺(6-OHDA)可破坏肾上腺素能神经末梢，而5，6-双羟色胺则可破坏5-HT能神经末梢。
所以，将这些物质称为神经的“化学切断剂”。
不同药物能分别影响神经末梢内神经递质的合成，贮存，释放等环节，因此，研究者可以应用药物的特性选择性地研究中枢神经递质的不同环节。
药物可通过不同的给药途径而达到不同的效果，通过血液循环给药，可使大部分药物经过毛细血管进入脑组织液，有一部分药物经脉络丛进入脑脊液，再弥散或转运入脑实质。
由于第四脑室末端，松果体、垂体后叶，下丘脑等部位的血液丰富，血管通透性大，因此，药物容易进入，但是，由于脑内存在血-脑屏障，所以在给药时应根据药物的特性，如Ach及单胺类物质不易入脑，面它们的前体（胆碱、多巴与5-羟色胺酸)容易入脑，所以可应用这些药物的前体研究中枢神经递质的性质：另外，还可以通过脑室注射或直接注入脑组织，或者通过埋藏瘘管的慢性实验等给药方法，使药物直接影响中枢的不同脑区而产生一定的生理效应。
为了更精确地定位，可采用微电泳的方法对脑内神经元进行定位研究。
这种方法不但可以观察药物对神经元的突触前，后膜的影响，而且对脑组织损伤也小，因此，还可以重复地进行研究。
三、神经化学实验技术
由于神经递质，神经激素，神经肽等神经传递物质在中枢的含量极微，因此必须应用灵敏度高，特异性强、检出量小的荧光分析。
放射受体分析，放射免疫分析和酶标记免疫分析等方法进行研究。
1、荧光分析法和气相色谱法
荧光分析法比较简单，它可测到10-8一10-9g的单胺类物质，在组织提取液中有多种有机成分，应用气相色谱可将此种成分进行分离，并做定性与定量测定。
2、同位素法
（1）同位索示踪法将14C或3H标记的递质注入脑室后可被脑组织摄取并与内源性递质达到平衡。
按不同时间取脑，分区进行液体闪烁记数，可反映中枢递质的动态变化。
（2）放射自显影此法应用放射性同位素示踪，将脑片直接置于感光胶片或乳胶上，利用放射性进行曝光，可得到放射性强度精确的定位圈，此法已得到广泛的应用。
目前放射自显影已由核团水平发展到显示细胞，细胞膜、囊泡，染色体等，它的缺点是周期长。
（3）免疫法由于神经递质为小分子化合物，本身不具有抗源性，因此有人将神经递质与肽类物质相结合，再注入兔体内以产生抗体，这些抗体再与小分子结合进行放射免疫测定。
一些与递质合成有关的酶也可用放射免疫法进行测定。
四、生物测定法
生物测定法是中枢递质研究工作中最早应用的方法之一，至今仍然是一种灵敏而实用的方法。
V ogt(1954)应用生物测定法发现大脑各区NE的分布是不均匀的。
应用生物测定方法测出大鼠脑中NE浓度的灵敏度可达10-9g，但由于同一生物组织有时可对几种物质起反应，因此特异性较差是其主要缺点。
五、形态学方法
在这方面应用得较多的是荧光组织化学方法，它应用甲醛与单胺类物质缩合，并使之诱发荧光反应，产生新的发荧光的化合物，如儿茶酚胺的缩合物发绿色荧光，5-HT的缩合物发黄色荧光，因此可用荧光显微镜或电子显微镜等技术对中枢递质的定位进行研究。
它的缺点是只能进行定性分析，而难以进行定量分析，而且也难以区分儿茶酚胺的不同成分。
六、活体伏安法
利用电化学分析的方法进行活体测量，得到的电信号与体内某些化学物质的含量相关联，因此在研究生命活动过程中可测定某一组织内物质的含量，并跟踪其动态变化，使能更深入揭示生命活动的规律。
活体伏安法是近年来用于体内神经递质代谢的研究方法，在活体测定生理活动过程中，中枢内某些神经递质的动态变化对进一步阐明中枢内某些神经递质及其作用机制具有深远的意义。
思考题：
1、什么是中枢神经递质？
2、神经递质必须具备那几个条件？
3、中枢神经递质的种类有哪些？
4、中枢乙酰胆碱的功能是什么？
5、中枢兴奋性氨基酸有哪些？抑制性氨基酸有哪些？兴奋性氨基酸的主要功能
是什么？。
