2 註解
2000年諾貝爾生理學或醫學獎由瑞典人阿爾維德.卡爾松、美國人保羅.格林加德及埃裏克.坎德爾獲得,以表彰他們在"神經系統信號傳導"方面的重大發現。
人的大腦有上千億個神經細胞,它們通過異常複雜的神經網絡彼此聯繫。信息從一個神經細胞通過不同的化學遞質傳向另一個神經細胞,這種信號傳導發生在神經細胞間特殊接觸點突觸上,一個神經細胞有幾千個突觸與其他的神經細胞相聯繫。三位諾貝爾生理學或醫學獎的獲得者在神經細胞間信號傳導這一研究領域--慢突觸傳遞上作出了開創性的發現。他們的發現對於理解大腦的正常工作原理,以及信號傳導紊亂如何引發神經或精神疾病至關重要。藉助於這三位科學家的發現導致了新藥研究的重大進展。
阿爾維德·卡爾森
卡爾森,1923年生於瑞典烏普薩拉,1953年於瑞典隆德大學獲醫學博士學位。1959年至今任瑞典哥德堡大學藥理學教授。其主要成就爲:
卡爾森一系列的開創性工作始於50年代末,他最早證明了多巴胺（dopamine,DA）是腦內一種非常重要的神經遞質。在此之前,人們只是把它作爲另一種神經遞質———去甲腎上腺素（NA）的前體物質。卡爾森首先採用放射配體分析方法,精確地測量了組織內的DA水平,發現DA在腦內的分佈不同於NA,主要集中在黑質2紋狀體系統,其中紋狀體內的DA含量佔全腦的70%,提示DA可能是腦內獨立存在的神經遞質[1]。DA富集的基底神經節區域爲運動控制的中樞部位。
在其後的一系列實驗中,卡爾森用一種天然生物鹼———利血平耗竭突觸內的幾種神經遞質,發現實驗動物喪失了自主運動功能;而用DA的前體物質———左旋多巴（L2DOPA）治療,上述症狀消失,動物恢復了正常的自主運動;與此同時,腦內的DA水平也恢復正常。而另一種神經遞質———52羥色胺（52HT）的前體卻沒有類似的治療作用。這說明DA 作爲一種新的神經遞質對軀體運動控制至關重要。
2.抗帕金森病藥物
卡爾森認識到,利血平引起的症狀與帕金森病（Parkinson’s disease,PD）的症狀頗爲相似,這使他取得了另一項突破性的發現,即:PD的發病是由基底神經節的DA水平異常降低造成的。已知錐體外系運動受到基底神經節神經環路的調控,黑質2紋狀體DA系統是該神經環路中的重要調節環節,調控中心部位是紋狀體。PD病人的病因是由於黑質DA能神經元發生退變,超過80%以上,紋狀體系統的DA含量急劇降低,錐體外系運動功能失去自我平衡調控,從而引起了震顫、僵直和運動不能等症狀。他發現DA的前體物質L2DOPA,在腦內酪氨酸羥化酶（tyrosine hydroxylase,TH）的催化下可以轉化成DA,補充自身腦內的DA缺失,從而恢復正常的運動功能,改善PD病人的症狀。這一60年代的創新性成就幾十年來爲無數PD病人解除了痛苦,至今仍是PD治療無可替代的主流藥物。
除了發現DA對運動功能的影響,卡爾森的突出成就還在於證明了DA對人的精神情感控制的重要性,從而進一步闡明瞭治療精神分裂症藥物的作用機制。已知中腦2邊緣葉DA系統（伏膈核、嗅結節、杏仁核、膈區等）主要調控情緒,中腦2大腦皮層（額葉、頂葉、顳葉、扣帶回）DA系統主要參與認知功能,精神分裂症病人被認爲與上述兩系統DA功能失調密切相關。他發現,苯丙胺（促DA釋放劑）的過度作用能誘發類似精神病症狀;而絕大多數的抗精神分裂症的藥物,可以通過阻斷DA受體影響突觸傳遞達到治療效果,由此提出了精神分裂症的“DA學說”[2]。卡爾森教授對於另一種極爲常見的精神病———抑鬱症的治療也作出了突出貢獻,特別是對新一代抗抑鬱藥———選擇性52HT重攝取抑制劑的開發功不可沒。
保羅·格林加德
格林加德,1925年生於美國紐約。1953年於美國約翰?霍普金斯大學獲醫學博士學位。1968～1983年任耶魯大學藥理學和精神病學教授,此後任洛克菲勒大學分子和細胞神經科學研究室主任、教授。其主要成就爲:
1.慢速突觸傳遞
至60年代末,DA、NA和52HT作爲中樞神經系統的遞質已被廣泛接受,但對其作用機制知之甚少。格林加德的獲獎即是由於他在DA及其它一些神經遞質作用的分子機制———慢速突觸傳遞方面的突破性發現[3]。神經細胞通常藉助化學信使在突觸部位傳遞。突觸間化學信號的傳遞主要有兩種方式,快速突觸傳遞和慢速突觸傳遞。前者爲神經遞質從神經末梢的特定部位胞吐釋放出來,與突觸後膜上的離子通道結合,產生一個瞬間跨膜電流,整個過程在短短的幾個毫秒即可完成。常見的介導快速突觸傳遞的神經遞質有穀氨酸（G lu）、乙酰膽鹼（Ach）、甘氨酸和γ2氨基丁酸（G ABA）。還有許多突觸傳遞有賴於第二信使系統,屬慢速突觸傳遞,它通常利用神經肽作爲遞質,其在突觸後膜上的受體並非直接與離子通道相偶聯,而是通過中間的G2蛋白來影響離子通道或改變細胞內第二信使水平。這種方式作用緩慢,潛伏期長達幾百毫秒,作用時程長達數秒、數分,甚至以小時計。DA、NA和52HT以及一些神經肽等遞質的信號傳導方式就屬慢速突觸傳遞。這種傳遞方式參與了神經系統許多基本功能的維持,特別是對警覺和情感尤爲重要。慢突觸傳遞也可以控制快突觸傳遞,反過來影響語言、運動和感知功能。
格林加德發現,蛋白質磷酸化參與了慢速突觸傳遞。這意味着蛋白質磷酸化後可以使蛋白質的結構和功能發生改變。他發現,DA與細胞膜上的受體結合可以引起胞內的第二信使———cAMP的升高。cAMP激活P KA,後者可以催化其它蛋白質的磷酸化。
蛋白質磷酸化可影響神經細胞內具有不同功能的一系列蛋白質。其中一些蛋白組成了細胞膜上的離子通道。它們控制着神經細胞的興奮性,並使由神經細胞發出的電脈衝沿軸突傳向神經末梢成爲可能。每個神經細胞具有不同的離子通道,從而決定了神經細胞的反應性也不同。當某一特定的離子通道被磷酸化時,這一神經細胞的功能也就發生改變,譬如興奮性的改變。
格林加德繼而發現,在某些特定的神經細胞存在更爲複雜的化學反應,神經遞質即是通過影響一連串的磷酸化和去磷酸化而發揮作用的。DA和其它幾種神經遞質能夠影響一種調節蛋白———多巴胺和3,5磷酸腺苷2調節蛋白（dopamine and adenosine2 3,52mono2phosphate regulated protein232,DARPP2 32）,間接調控許多其它蛋白的功能。
DARPP232依賴於P KA信號轉導的產物,是存在於突觸後D1受體的專一性標誌物。應用放射免疫檢測法證實DARPP232的分佈,主要在黑質、紋狀體、嗅結節和伏膈核等DA神經末梢支配的神經元上,有明顯的專一性。
磷酸化的DARPP232是蛋白磷酸酯酶2I（pro2 tein phosphatase I）的強大抑制劑,阻止磷脂酶I的去磷酸化,使生理作用增強。DARPP232的生理意義有三點:（1）ARPP232達到最大半數抑制效應時,所需的濃度極低（10nmol/L）,而在神經元側棘中DARPP232的濃度比上述抑制濃度高1000～5000倍（約10mmol/L）;（2）它的抑制作用完全依賴於分子結構中蘇氨酸（Thr）的磷酸化,一旦被去磷酸化,抑制作用隨之解除;（3）腦內雖有很多磷酸酯酶,只有磷酸酯酶I受到磷酸化DARPP232的抑制,故有極好的選擇性,因此,磷酸化的DARPP232可特異性地放大D1受體的作用。當DARPP232被激活時,它可以影響幾種離子通道,使特定的快突觸的功能也發生改變。
格林加德在蛋白質磷酸化方面的突破性發現,闡明瞭DA等神經遞質發揮生理效應的分子機制,同時使人們對一些藥物,特別是對影響蛋白質磷酸化的藥物的作用機制的認識大大加深了一步。
埃裏克·坎德爾
坎德爾,1929年生於奧地利維也納。1956年於美國紐約大學醫學院獲醫學博士學位。1974年起先後任哥倫比亞大學生理學和精神病學系、生物化學和分子生物物理學系教授,現任神經生物學和行爲學研究中心終身教授。其主要成就爲:
坎德爾開始時運用哺乳動物進行學習記憶研究,很快他發現,對於研究基本的記憶過程來說,哺乳動物的神經系統無疑是太複雜了。他因而轉向研究一種簡單的實驗模型———海兔的神經系統。相對來說,海兔的中樞神經系統十分簡單,大約只有兩萬
個神經細胞（而人腦卻有上千億個神經細胞）,而且胞體較大（100微米）,可以很容易將它們分離培養,非常適於實驗研究。海兔的鰓具備一種簡單的防禦反射,可被用來研究基本的學習機制。
坎德爾發現,當海兔的吸盤受到一定的非傷害性刺激時會引起縮鰓反射;當吸盤重複受到刺激時,縮鰓反射的幅度越來越小,稱爲習慣化（Habitua2 tion）。但是當海兔的頭部或尾部突然受到一個傷害性刺激後,同樣刺激吸盤,縮鰓的幅度和速度都明顯增加,稱爲敏感化（Sensitization）。習慣化和敏感化都是屬於簡單的非聯想型學習（Non2associative learning）;動物通過習慣化學會了忽視周圍環境中的非傷害性事件;而敏感化則使動物記住了某種傷害性刺激,從而起到保護作用。
在上述行爲學研究的基礎上,坎德爾及其同事利用海兔神經元胞體較大的特點和現代的微電極技術,分別記錄了參與縮鰓發射的感覺神經元、運動神經元和中間神經元的電位變化,發現當吸盤的感覺神經元受到刺激而興奮（發放動作電位）時,在支配鰓的運動神經元中可以記錄到興奮性突觸後電位（Excitatory postsynaptic potential,EPSP）。有趣的是,當感覺神經元被重複刺激後,EPSP的幅度越來越小,與行爲上的習慣化十分相似;而尾部的傷害性刺激反而顯著增加EPSP的幅度,恰恰與反射的敏感化相一致。現已證明,刺激尾部是興奮了中間神經元,釋放的興奮性神經遞質引起感覺神經元-運動神經元之間突觸傳遞增強,而習慣化則與遞質釋放的減少以及由此引起的突觸傳遞效能的降低有關[6]。
坎德爾早期的工作表明,弱的刺激引起持續幾秒到數小時的短時程記憶。短時程記憶的機制在於在這種刺激方式下,能使感覺神經元的每個動作電位所釋放的遞質量增加。介導敏感化作用的中間神經元所釋放的遞質是52HT[7]。52HT與其受體結合,再通過Gs蛋白的作用使腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase）的活力增強,從而使感覺神經元末梢內的cAMP增加,cAMP激活cAMP依賴的蛋白激酶（protein kinase A,P KA）,再使K+通道磷酸化,改變通道的構型而降低K+電流,延長動作電位的時程,使Ca2+內流增加（通過N型Ca2+通道）,促使遞質釋放增加,因而使反射得以放大。
一種更強、持續時間更長的刺激可以引起長達數週的長時程記憶。強的刺激導致信使分子cAMP 以及P KA的水平升高,cAMP與P KA的調控亞基結合而釋放能轉移到核內的催化亞基,同時使與cAMP-反應元件結合蛋白（cAMP response element -binding protein,CREB）磷酸化,易化基本的轉錄機制,使一些記憶相關蛋白的合成與分泌增加,伴隨的形態學改變之一是突觸的實體增大,因而產生突觸功能的長時程改變,使記憶轉變爲長期。因此長時程記憶和短時程記憶的根本區別在於,長時程記憶需要新的蛋白質的合成,而短時程記憶只需把已有的蛋白質磷酸化[8]。如果新蛋白的合成被阻斷,長時程記憶就不能形成,而短時程記憶不受影響。
坎德爾證明短時程記憶和長時程記憶都發生在突觸水平,是神經元中生物化學的一系列短期或長期變化引起的。蛋白質磷酸化對短時程記憶至關重要,而新蛋白的合成對長時程記憶是不可缺的,其共同之處在於對突觸功能和/或形態的改變,而這些改變在一定程度上是可逆的,稱爲突觸的可塑性。因而,突觸可塑性是記憶的前提條件。進入90年代,他還在小鼠進行了研究,發現存在於海兔的學習記憶過程的突觸功能的長時程改變同樣適用於哺乳動物[9]。坎德爾所揭示的記憶基礎機制同樣適用於人類。我們的記憶可看作發生於突觸,形成於中樞。儘管通向認識複雜記憶的路還很長,坎德爾的成果無疑提供了一塊至關重要的基石。他爲我們提供了深入研究諸如記憶影像的儲存和再現機制的可能性。對於認識學習記憶的細胞和分子機制,探尋增強記憶的途徑,以及開發、研製改善各種癡呆病人的記憶功能的藥物都具有極爲重要的意義。
總之,三位獲獎者的成就在於揭示了突觸這一神經系統的基本單位的作用機制,因而著名的《科學》雜誌撰文稱今年的諾貝爾生理學或醫學獎是一次“突觸的慶典（a celebration of the synapse）”。從另一方面也說明腦功能研究已愈來愈受到人們的關注。“腦的十年”已經過去,人們對腦的認識大大前進了一步;“腦的世紀”即將來臨,揭示人腦的奧祕仍是人類面臨的最大挑戰之一。此次跨世紀的“突觸的慶典”無疑將激勵廣大神經科學工作者向“認識腦、開發腦、保護腦”的高峯攀登。
3 參考資料
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- ^ [2] Carlsson A,Waters N,Waters S,et http://www．wendangku．net/doc/9be4272ded630b1c59eeb50a．htmlwork interac2 tions in schizophrenia-therapeutic implications．Brain Res Brain Res Rev,2000,31∶342～349．
- ^ [3] Greengard P,Valtorta F,Czernik AJ,et al．Synaptic vesi2 cle phosphoproteins and regulation of synaptic function．Sci2 ence,1993,259∶780～785．
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- ^ [7] Brunelli M,Castellucci V,K andel ER．Synaptic facilitation and behavioral sensitization in Aplysia:possible role of sero2 tonin and Cyclic AMP．Science,1976,194∶1178～1181．
- ^ [8] Schacher S,Castellucci VF,K andel ER．cAMP evokes long2term facilitation in Aplysia sensory neurons that re2 quires new protein synthesis．Science,1988,240∶1667～1669．
- ^ [9] Grant SG,O’Dell TJ,K arl K A,et al．Impaired long2 term potentiation,learning,and hippocampal development in fyn Mutant mice．Science,1992,258∶1903～1910．