脑内乙酰胆碱与认知活动的关系.pdf

心理科学进展 2008 16 3 453 457 Advances in Psychological Science 453 脑内乙酰胆碱与认知活动的关系 于 萍 渠春环 李新旺 郭春彦 首都师范大学心理系 北京 100089 摘 要 脑内细胞外乙酰胆碱 ACh 的变化主要反映胆碱能神经元的活动 皮层和海马等脑区的 ACh 主 要来源于基底前脑胆碱能神经元的纤维投射 应用微透析等技术在体检测清醒 自由活动动物认知过程中脑 内乙酰胆碱的含量 可以研究 ACh 与特定行为反应和认知活动之间的关系 研究发现当机体需要对新刺激 进行分析时 在学习与记忆 空间工作记忆 注意 自发运动和探究行为等认知活动中 基底前脑胆碱能神 经元被激活 脑内 ACh 的释放也随之改变 结果提示脑内胆碱能递质系统活动与认知过程密切相关 关键词 乙酰胆碱 学习与记忆 注意 自发活动量 探究行为 分类号 B845 1 前言 乙酰胆碱 Acetylcholine ACh 是中枢神经系 统中第一个被测定其脑内含量的神经递质 脑内细 胞外液中ACh的变化与中枢神经系统功能的改变有 着密切的关系 1 2 Bulbring等 1941 首先检测了 刺激外周神经引起的脊髓内ACh含量的变化 随后 又有研究者陆续测定认知活动过程中皮层内ACh的 改变 尤其是随着微透析等检测技术的发展 研究 清醒 自由活动动物认知过程中的脑内ACh动态变 化已经成为可能 结果发现当机体需要对新刺激 奖 赏或惩罚 进行分析时 基底前脑胆碱能神经元被 激活 皮层 海马等脑区内ACh的释放随着学习与 记忆 注意 自发活动 探究行为等认知活动而发 生改变 3 脑内细胞外的ACh是由胆碱能神经末梢所释 放 所以细胞外ACh的水平与胆碱能神经元的活动 相一致 脑内主要的胆碱能系统是基底前脑至皮层 和海马的胆碱能纤维投射 早期研究指出 刺激动 物前爪 中脑网状结构和基底核以兴奋它们向皮层 的投射 可同时引起感觉 运动皮层和顶叶皮层ACh 释放 随后的一系列研究也证实大脑皮层处于激活 状态时ACh的释放量大大高于基础状态 另一方面 应用电生理方法记录神经元的活动 发现ACh的释 放量决定于神经轴突末梢内Ca2 浓度以及神经动作 电位的频率 反之 利用微透析技术在灌流液中给 予河豚毒阻断神经末梢的兴奋后 ACh的释放减少 收稿日期 2007 12 31 通讯作者 于萍 E mail yupingyp 4 以上实验均提示细胞外ACh的变化代表了胆碱 能神经元的活动状态 而胆碱能系统向大脑皮层的 兴奋投射是引起皮层兴奋的主要原因 2 认知过程中脑内 ACh 的检测 静息状态下ACh储存在神经末梢的突触小泡 内 当动作电位传导至神经末梢时释放到突触间隙 经扩散与突触前和突触后的M和N胆碱能受体结合 最后被胆碱酯酶水解 多数研究者采用生化 生物 学和免疫组织化学方法测定脑组织匀浆中ACh的含 量 但脑组织被匀浆后ACh损失很多 造成检测的 灵敏度较低 而且为了阻止ACh的分解 需用微波 辐射法处死动物以迅速灭活代谢酶 为了研究认知 活动过程中脑内ACh含量的动态变化 杯形技术 Cup Technique 和微透析技术 Microdialysis Technique 先后得到广泛应用 尤其是针对清醒 自由活动动物认知活动的研究 杯形技术 通过在脑膜上轻微施压后得到的液 体柱来探测脑内神经递质的含量 杯内需填充含有 胆碱酯酶抑制剂的溶液以防止 ACh 分解 否则无法 检测 利用可以将 cup 植入到皮层的优点 Beani 等 1968 首次在清醒 自由活动动物上测定 ACh 含量 而不仅仅是麻醉动物 发现动物行为反应的 减少和脑电图的抑制均与ACh的释放减少有密切关 系 反之 当动物活动增加时 伴有 ACh 释放的增 加 Casamenti 等的研究是在产生吗啡依赖的自由活 动大鼠上进行的 发现吗啡耐受时皮层 ACh 没有变 化 而纳洛酮诱发戒断时 ACh 含量明显增加 杯形 技术的缺点一是样本收集困难和收集时间长 造成 检测的灵敏度较低 二是 cup 只能放置在皮层表面 454 心理科学进展 2008 年 只能研究皮层 ACh 的变化 不能检测其它深部脑区 ACh 的含量 因此杯形技术不能研究较复杂的行为 改变时脑内 ACh 的变化 微透析技术 Delgado 等 1972 首先提出了组 织透析取样技术 Dialytrode 后由 Ungerstedt 1974 将其进一步发展 并首次报道用于自由活 动动物的在体研究中 其基本原理是在透析作用下 细胞外神经递质水平与透析液中含量相一致 微透 析技术不需要在透析液中加入胆碱酯酶抑制剂 尽 管胆碱酯酶是高效的 但还是可以检测到细胞外液 中 ACh 的含量 Scali 等 1997 测得在平静状态下 成年大鼠大脑皮层和海马透析液中ACh的含量分别 是 5 5 1 0 和 5 0 1 0 fmole L 为了减少样本收集 时间和减少 ACh 的分解 也可在透析液中加入胆碱 酯酶抑制剂 如果加入 7 M 毒扁豆碱 则皮层 ACh 的含量是 54 5 59 2 fmole L 目前微透析技术已成 为检测认知过程中神经递质含量的主要方法 微透 析采集的样品量微 体积小 与高效液相色谱分析 High performance liquid chromatography HPLC 结合起来能够探测细胞外各种神经递质的含量 包 括 ACh 胺类 腺苷 NO 多肽 氨基酸和其它内 源性分子 它的优点在于不仅可以检测皮层 ACh 含 量 还可以检测皮层下深部结构的 ACh 水平 3 ACh 与学习记忆 3 1 损毁胆碱能通路导致学习记忆损伤 基底前脑向皮层和海马的胆碱能纤维投射是脑 内最主要的胆碱能通路 早期的研究多采用机械 药物和电损毁的方法阻断基底前脑胆碱能神经元的 投射 发现损毁后随着 ACh 释放的减少 也可诱发 记忆的损伤 Flicker 1983 和 Rawlins 1982 损 毁隔 海马投射导致短时记忆时目标选择的精确性 和 T 迷宫中操作能力的降低 Casamenti 1998 的 实验则选择性损毁基底核 导致皮层 ACh 的释放持 续降低 同时伴有被动回避反应和工作记忆的降低 Kasa 1997 的实验对胆碱能系统的损毁比较完全 当广泛损毁基底前脑向皮层和海马的投射后 导致 认知功能的总体水平下降甚至痴呆 因此认为脑内 胆碱能系统在认知功能尤其是记忆中发挥着重要作 用 近期 Winters 和 Bussey 2005 的研究也支持 上述观点 5 神经免疫毒素192 IgG Saporin可以特异性损伤 核团内的胆碱能神经元 但对非胆碱能神经元没有 影响 因此 利用脑内注射 192 IgG Saporin 的方法 可比前述方法更具有针对性地观察脑内胆碱能系统 的功能 侧脑室注射 192 IgG Saporin 的行为学研究 显示 只有损毁 90 的胆碱能神经元后才可以产生 比较可靠的行为学损伤 包括水迷宫任务的获得 延迟匹配任务 物体辨别获得等方面的损伤 Cahill 和 Baxter 2001 在基底前脑注射 192 IgG Saporin 阻断向皮层和海马的胆碱能投射 可导致皮层和海 马 ACh 释放显著降低 并引起学习能力和策略选择 能力的降低 6 Ballmaier 等 2002 先在双侧基底 前脑注射 192 IgG saporin 并使皮层 ACh 释放量降 低到探测水平以下 然后用胆碱酯酶抑制剂再将 ACh 水平恢复到正常水平 发现先前消失的前脉冲 抑制现象又出现了 Chudasama 等 2004 则通过 用192 IgG saporin损毁基底前脑和前额叶灌流M受 体阻断剂东莨宕碱这两个途径阻断胆碱能神经元向 皮层的投射 发现胆碱能系统损伤后不但造成记忆 能力下降 而且对记忆的影响程度与任务类型有关 与注意状态也有密切关系 7 以上研究均说明由基 底前脑投射至皮层和海马的胆碱能神经元在学习与 记忆中发挥着至关重要的作用 3 2 ACh 与空间工作记忆 ACh 是海马的主要神经递质 海马主要与工作 记忆有关 尤其在空间工作记忆 Spatial working memory 的获得 储存和提取中发挥重要作用 8 海马在空间工作记忆中的作用要依赖于其胆碱能系 统功能的完整性 Fadda 2000 发现在连续12 天 的放射状迷宫任务的学习过程中动物成绩的提高与 海马的 ACh 增加程度成正比 Chang 和 Gold 2003 的研究进一步证明在空间工作记忆任务的学习过程 中海马 ACh 升高 9 反之 Berger Sweeney 2001 用免疫毒性损伤的方法选择性损毁基底前脑胆碱神 经元后 小鼠执行水迷宫空间工作记忆任务的能力 下降 在临床上 促进胆碱能神经传递的药物已经 被用于治疗 Alzheimer 病人的认知损伤 最近 Gr n 等 2006 的研究指出轻度认知损伤 Mild cognitive impairment MCI 者认知活动能力的低下是由于其 海马胆碱能神经元的功能被抑制所致 增加海马的 胆碱能神经传递后 MCI 者的注意 认知灵活性 口头和空间工作记忆能力均得到改善 10 胆碱能神经元对空间工作记忆的调节主要通过 M 受体介导 并引起突触可塑性的改变 Van der Zee 用免疫组化的方法研究发现空间任务辨别的学习可 以选择性地增加海马CA1和CA2区的M受体数量 第 16 卷第 3 期 脑内乙酰胆碱与认知活动的关系 455 在皮层其它区域也观察到 M 受体的增加 随着空间 记忆学习进程中发生的习惯化 突触可塑性也发生 变化 包括突触结构和突触传递相关结构的改变 Apparsundaram 等 2005 的研究发现位于突触前膜 上的 负责重摄取胆碱的胆碱转运体 Choline transporter CHT 受体密度在空间学习过程中逐渐 增大 11 以上为行为功能变化的结构基础 空间参考记忆和空间工作记忆是两个不同的记 忆系统 Saar等认为空间工作记忆对东莨宕碱的反 应较长时参考记忆更加敏感 空间工作记忆更加依 赖于脑内M受体的功能状态 12 13 Von Linstow Roloff等 2007 进一步研究发现东莨宕碱 1mg kg 可以严重损伤动物在延迟位置匹配任务 Delayed matching to position DMTP 中的空间工作记忆 甚 至当剂量降至0 2mg kg时同样损伤空间工作记忆 但是对空间参考记忆没有影响 因此东莨宕碱可以 分别不同程度地干扰空间工作记忆和空间参考记忆 的获得及提取过程 14 Chang和Gold 2003 检测 脑内ACh的含量 发现在空间学习过程中海马和纹 状体ACh的释放过程是不同步的 首先被激活的是 海马 与空间工作记忆中的空间位置的获得有关 后被激活的是纹状体 此时海马也保持在激活状态 空间工作记忆的反应应答与两者的共同作用有关 脑内胆碱能系统从海马到纹状体的顺序激活标志着 从陈述性学习到程序性学习的转换 9 4 ACh 与注意 关于脑内胆碱能系统对注意过程影响的研究多 采用脑内损毁的方法 多数报道认为可干扰注意加 工 但因为实验中注意过程很难与学习记忆等其它 认知过程完全分离 所以结果极具复杂性 最早的 研究是 Stoehr 1997 用 192 IgG saporin 损毁基底 前脑胆碱能神经元 随后 Chudasama 等 2004 也 进行了类似的研究 分别用 192 IgG saporin 损毁基 底前脑和用东莨宕碱灌流前额叶 观察对视空间任 务的学习 记忆以及注意的影响 发现脑内胆碱能 系统损毁后 根据学习任务中注意加工程度的不同 对注意和记忆产生不同的损伤 两者产生了分离 7 另一方面 Sarter 等 2005 通过激活基底前脑至皮 层的胆碱能传入可加强与记忆相关的注意加工过程 15 微透析检测的结果是简单操作任务时皮层 ACh 增加 尤其在早期获得期最显著 即需要注意加工 的时期 Orsett 1996 等的研究就检测到在奖赏性 操作行为的获得期皮层和海马 ACh 释放增加 而不 是回忆期 最近 Parikh 2007 进一步发现大鼠在 执行视觉注意任务时 内侧前额叶皮层 Medial prefrontal cortex mPFC ACh 释放增加 16 但是 Passetti 2000 认为执行困难任务时的注意努力与 ACh 的释放之间并不是总存在对应关系 17 Sarter 2007 的最新研究认为刺激的注意加工过程与学 习程度之间关系复杂 基底前脑胆碱能系统主要影 响的是基本注意过程而不是学习 而且投射到前额 叶和顶叶后部的胆碱能神经元的作用也不同 前者 主要与刺激的注意加工过程有关 后者主要与学习 程度有关 18 5 ACh 与自发活动 自发活动量 Locomotor activation 反映行为唤 醒程度 关于自发活动量与ACh释放之间的直接关 系的研究出现不同结果 多数研究认为动物认知过 程中自发活动量的增加与ACh的升高有关 Watanabe 1990 首先发现纹状体的ACh释放与自 发活动量有关 Day的研究结果也认为大脑皮层 海马和纹状体ACh的释放与自发活动量有直接关 系 但是也有人不支持这种观点 Giovannini 2001 认为前脑和海马ACh释放与第一次暴露于新颖环境 时的自发活动量没有关系 但是60min后动物第二次 暴露于相同环境时 引起动物习惯化 此时ACh释 放与自发活动量有关 可见前脑和海马ACh的释放 与几个因素共同相关 自发活动量只是其中之一 其它因素如注意 唤醒 焦虑和应激等均可引起脑 内ACh的释放改变 几种功能均与ACh释放有关的 现象可以解释前述的矛盾结果 自发活动量与ACh 释放的关系根据所研究的区域 唤醒水平 注意水 平 行为表现的不同可以出现不同的结果 4 Mizuno 等 1991 发现海马 ACh 的释放规律 还与觉醒 睡眠等生物节律呈现一致性 在鼠等夜行 动物中 随着其夜间活动量的增加 海马 ACh 的释 放也随之升高 Mitsushima 1998 的研究结果与 其一致 如果应用基因突变的方法使大鼠的体温 自发活动量和睡眠节律较前延迟 2 小时 则海马 ACh 释放增加的出现也推迟 2 小时出现 说明海马 胆碱能神经元的功能受生物节律的调节 最近 Takase 2007 等用微透析方法 24 小时同时检测运 动前区 ACh 的释放 基底大细胞核 Nucleus basalis magnocellularis NBM 胆碱能神经元的数量以及 自发活动量这三个指标 以进一步确定三者之间的 关系 发现 ACh 释放呈现 24 小时节律 夜间高白 456 心理科学进展 2008 年 天低 与自发活动量的变化保持同步 进一步验证 了 Mizuno 的结果 另外他们首次报道 ACh 的释放 还表现出性别差异 雌性大鼠较雄性 ACh 释放量更 大而且 NBM 核的神经元数量也更多 因此认为运 动前区 ACh 的释放与运动的性别差异有关 19 6 ACh 与探究行为 关于前脑和海马的胆碱能神经元与新颖环境下 探究行为的关系首先得到电生理学研究的证实 Gray和McNaughton 1983 记录到动物处于新颖环 境下时 海马神经元出现 节律 而海马 节律是皮 层 海马胆碱能通路被激活的表现 在行为学研究方 面 Inglis和Fibiger 1995 指出视觉 嗅觉 听觉 和触觉等方面的新颖刺激均可增加皮层和海马ACh 的释放并引发一系列相应的行为改变 而且各种刺 激引起的海马ACh升高程度是相同的 并不具有特 异性 因此胆碱能递质系统的改变是对各种新颖刺 激发生的反应 并不是针对不同的刺激类型 Acquas 1996 进一步研究了刺激和胆碱能系统反应的关 系 发现在恐惧条件反射形成实验中 当用声音和 光线刺激作为条件刺激时 可显著增加ACh在额叶 皮层和海马的释放 但当反复给予声音和噪音刺激8 天并使动物形成习惯化后 不再引起ACh释放的增 加 Giovannini 2001 着重比较新颖性高低引起 ACh改变的不同 如果动物在新颖环境中仅仅停留 2min 则皮层ACh增加150 200 停留时间超过 30min 则皮层ACh增加幅度下降 另外 第一次暴 露在新颖环境时 皮层和海马ACh的释放分别增加 64 和200 而第二次处于新颖环境时 皮层和海 马ACh的释放增加分别降至37 和51 4 Bianchi 和Giovannini 2003 在前述基础上进一步观察了其 它递质系统与新环境中探索行为之间的关系 发现 当大鼠第一次暴露于新颖环境时 前10min内海马除 了ACh升高以外 谷氨酸 天门冬氨酸也较前升高 GABA则在10min后开始升高 而第二次处于相同环 境时 各种递质水平的升高均较前降低 因此新环 境中的探究行为受ACh 谷氨酸 天门冬氨酸和 GABA递质系统的协同调节 20 反之 Ricceri 2003 用192 IgG saporin损伤新 生大鼠胆碱能系统 大鼠成年后在空间新环境下的 探索能力下降 21 Michael 2007 最近具体研究了 海马CA3区至隔区的投射和隔区至海马CA3区胆碱 能投射之间的关系 结果是CA3区灌流东莨宕碱后 动物在空间和非空间新环境下的探索能力均下降 选择性切断CA3区至隔区的传出纤维 也得到类似 结果 相反灌流胆碱酯酶抑制剂毒扁豆碱则使之增 强 22 说明胆碱能系统调节海马的信息编码 储存 提取过程 并且CA3区和隔区存在相互作用 CA3 区通过影响隔区投射至海马的胆碱能传入来调节信 息编码 除了环境因素 新的味觉刺激也可引起岛叶 ACh的释放增加 已经证实岛叶在味觉信息的编码 过程中有重要作用 应用东莨宕碱阻断岛叶的M受 体可阻断对味觉的编码 Miranda等 2000 在大鼠 的饮水中加入糖精 当第三次给予时岛叶ACh的释 放不再增加 当用奎宁代替糖精作为新颖刺激时 又出现新的ACh释放高峰 但这个实验没有确定是 否味觉也可以激活海马及其他皮层区域ACh的释 放 而不仅仅是在味觉代表区 7 小结 综上所述 脑内ACh与认知活动之间关系复杂 在学习与记忆 注意 新环境下的探究行为和自发 活动等各种认知活动中 脑内ACh多呈现同步升高 的趋势 但是也有不同的结果 各种认知活动中脑 内ACh的改变主要表现在皮层 海马等脑区 它们 主要接受来自基底前脑的胆碱能纤维投射 虽然不 同的认知活动也可以引起某些特定相关脑区ACh的 升高 但是这方面的研究证据尚不充分 另外 脑 内ACh的改变还与认知过程中不同的信息加工环节 和模式有关 目前在研究清醒 自由活动动物ACh的动态含 量时方法学上尚存在一定限制 因为微透析技术应 用高压液相分析脑内ACh的含量时需要的采集时间 是5min 但认知活动中信息的获得和行为的改变通 常发生在数秒内 在5min的透析液收集期间所发生 的一切是无法全部探测到的 这种时间上的差距造 成无法精确确定脑内ACh变化和特定认知活动之间 的动态对应关系 尽管研究者们从不同的角度对脑内ACh与认知 活动的交互关系进行了考察 但这些研究彼此之间 并不是完全独立的 而是彼此之间有着密切的联系 对一些问题的探讨也往往伴随着另一些基本问题的 探讨 如在ACh与学习记忆关系的研究中 实际上 往往涉及到了注意 新环境刺激等对ACh的影响 因此在今后的研究中一个可行的研究方向是将这些 相关的问题有机地结合起来进行研究 进而揭示 ACh与认知活动关系的实质 第 16 卷第 3 期 脑内乙酰胆碱与认知活动的关系 457 参考文献 1 Phillis J W Acetylcholine release from the central nervous system A 50 year retrospective Critical Reviews in Neurobiology 2005 17 3 4 161 217 2 Sarter M Parikh V Choline transporters cholinergic transmission and cognition Nature Reviews Neuroscience 2005 6 1 48 56 3 Pepeu G Giovannini M G Changes in acetylcholine extracellular levels during cognitive processes Learning Memory 2004 11 1 21 27 4 Giovannini M G Rakovska A Benton R S et al Effects of novelty and habituation on acetylcholine GABA and glutamate release from the frontal cortex and hippocampus of freely moving rats Neuroscience 2001 106 1 43 53 5 Winters B D Bussey T J Removal of cholinergic input to perirhinal cortex disrupts object recognition but not spatial working memory in the rat Europe Journal of Neuroscience 2005 21 8 2263 2270 6 Cahill J F Baxter M G Cholinergic and noncholinergic septal neurons modulate strategy selection in spatial learning Europe Journal of Neuroscience 2001 14 11 1856 1864 7 Chudasama Y Dalley J W Nathwani F et al Effects of basal forebrain 192 IgG saporin lesions and intraprefrontal infusions of scopolamine Learning Memmory 2004 11 1 78 86 8 Bonini J S Da Silva W C Bevilaqua L R et al On the participation of hippocampal PKC in acquisition consolidation and reconsolidation of spatial memory Neuroscience 2007 147 1 37 45 9 Chang Q Gold P E Switching memory systems during learning Changes in patterns of brain acetylcholine release in the hippocampus and striatum in rats Journal of Neuroscience 2003 23 7 3001 3005 10 Gr n G Brandenburg I Wunderlich A P et al Inhibition of hippocampal function in mild cognitive impairment targeting the cholinergic hypothesis Neurobiology of Aging 2006 27 1 78 87 11 Apparsundaram S Martinez V Parikh V et al Increased capacity and density of choline transporters situated in synaptic membranes of the right medial prefrontal cortex of attentional task performing rats Journal of Neuroscience 2005 25 15 3851 3856 12 Saar D Grossman Y Barkai E Long lasting cholinergic modulation underlies rule learning in rats Journal of Neuroscience 2001 21 4 1385 1392 13 Vales K Stuchlik A Central muscarinic blockade interferes with retrieval and reacquisition of active allothetic place avoidance despite spatial pretraining Behavioural Brain Research 2005 161 2 238 244 14 von Linstow Roloff E Harbaran D Micheau J et al Dissociation of cholinergic function in spatial and procedural learning in rats Neuroscience 2007 146 3 875 889 15 Sarter M Hasselmo M E Bruno J P et al Unraveling the attentional functions of cortical cholinergic inputs Interactions between signal driven and cognitive modulation of signal detection Brain Research Reviews 2005 48 1 98 111 16 Parikh V Kozak R Martinez V et al Prefrontal acetylcholine release controls cue detection on multiple timescales Neuron 2007 56 1 141 154 17 Passetti F Dalley J W O Connell M T et al Increased acetylcholine release in the rat medial prefrontal cortex during performance of a visual attentional task Europe Journal of Neuroscience 2000 12 8 3051 3058 18 Sarter M Cholinergic control of attention to cues guiding established performance versus learning Theoretical comment on Maddux Kerfoot Chatterjee and Holland Behavioral Neuroscience 2007 121 1 233 235 19 Takase K Mitsushima D Funabashi T et al Sex difference in the 24 h acetylcholine release profile in the premotor supplementary motor area of behaving rats Brain Research 2007 1154 105 115 20 Bianchi L Ballini C Colivicchi M A et al Investigation on acetylcholine aspartate glutamate and GABA extracellular levels from ventral hippocampus during repeated exploratory activity in the rat Neurochemistry Research 2003 28 3 4 565 573 21 Ricceri L Behavioral patterns under cholinergic 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