NMDA依赖的突触长时程增强和长时程抑制模型与仿真研究
作者：董爱荣，谭小丹，苏永春，高天明， 邓亲恺。
A model and simulation research of NMDAdepended bidirectional synaptic plasticit。
【Astract】 AIM: To study the correlative mechanism between the induction of long term modification and the activity of different NMDA receptor subtypes. METHODS: Based on the analysis of dynamic properties of NMDA receptor subtypes, an amended mathematical model of postsynaptic calcium was proposed to describe the relationship between different NMDA receptor subtype activity and presynaptic stimulus frequency. Along with a biochemicalreaction networks model of the postsynaptic Ca2+depended signaling pathways, we developed a unified biophysical model about the hippocampal CA3CA1 synapses bidirectional plasticity. RESULTS: According to the inductive condition of longterm potentiation (LTP) and long term depression (LTD), our computer simulation mimicked the induction processes of NMDARdependent long term modification. CONCLUSION: It is elucidated that the calcium transients required for LTD may primarily come from the calcium inflow mediated by NR2B subtype channel of NMDA receptor and the induction of LTP may require the calcium inflow mediated by NR2B subtype channel.
【Keywords】 longterm potentiation; longterm depression; receptors, NmethylDAspartate; biophysical model。
【摘要】 目的： 探究突触长时程增强和长时程抑制与NMDA受体亚型活性状态间的相关机制. 方法： 通过对NMDA受体亚型通道的动力学差异特性进行分析，提出一个修正的突触后钙信号模型来描述NMDA受体不同亚型的活性状态与突触前刺激频率的关系，并结合突触后钙依赖信号网络模型，建立了一个关于海马CA3CA1突触长时程增强和长时程抑制的生物物理模型. 结果： 根据LTP和LTD诱导条件，对NMDA依赖的突触长时程增强和长时程抑制的诱导和形成过程进行了仿真. 结论： 诱导LTD所需的钙暂态可能来源于NMDA通道的NR2B亚型的钙内流，而与LTP的诱导过程相对应的钙信号可能主要是通过该受体NR2A亚型通道的钙内流产生. 【关键词】 长时程增强；长时程抑制；受体，N甲基D天冬氨酸；生物物理模型 0引言。
海马神经元突触长时程增强（long term potentiation, LTP）和长时程压抑（long term depression, LTD）是突触长时程修饰的主要表现形式，是研究学习记忆过程的突触模型. NMDA受体的激活是海马CA3CA1突触LTP和LTD的诱导过程所必需的，同一种受体的激活如何能导致完全相反的突触强度修饰结果目前尚未明确［1］. 选择性地阻断含有NR2A或NR2B亚基的受体会导致该突触上LTP或LTD的诱导失败［2］. NMDA受体两种亚型通道所介导的不同钙暂态可能会导致突触后信号转导通路到达不同的稳态. 由于目前的实验条件很难对上述机制进行研究，我们意图通过模拟突触前施加一定频率的刺激造成的NMDA受体不同亚型活性状态改变以及由此引发的钙暂态变化，并结合一个突触后钙信号转导网络的生化模型，对NMDA依赖的海马突触LTP和LTD诱导形成过程进行仿真，以探究LTP和LTD的形成与NMDA受体亚型活性状态间的相关机制.
1方法。
1.1NMDA通道的组成及其电生理特性NMDA受体通道由NR1亚基和至少一种NR2亚基组装而成，NR2亚基又可分为NR2A, NR2B, NR2C和NR2D 4种，不同的NR2亚基介导了NMDA受体异聚体不同的门控和药理学功能［3］. 成熟小鼠的海马CA1区突触中主要包含的NMDAR亚型为NR1/NR2A, NR1/NR2B和NR1/NR2A/NR2B，其中包含NR2B的受体亚型主要介导通道电流快的成分，而包含NR2A的亚型则主要介导通道电流中慢的成分，他们在特定区域表达的不同比例会影响NMDA受体的时间常数.
在静息电位时，NMDA被Mg2+以电压依赖方式阻断而失活. 膜的去极化可解除Mg2+对通道的阻滞作用，在谷氨酸存在的情况下，NMDA通道被激活. 不同的NMDA受体亚型所介导的钙内流暂态动力学特性可以通过各自的时间常数（τs≈250 ms；τf ≈50 ms［3］）来反映. 根据文献［4］ 的结论，NMDA通道介导的单位面积钙内流可以表示为：INMDA=P*(Nfe—(t—i/f)/τf+Nse—(t—i/f/τs)*B(V)(V—Vr)（1）B(V)=［1+exp(—0.062*V)*(［Mg］/3.57)］—1 （2）其中，P=0.75,代表单位面积上开放的NMDA受体通道数量；f为突触前刺激频率；用V代表突触后极化电压,量纲为伏特（V）；Vr=130 V代表钙的翻转电压，(V—Vr)则代表驱动力；B(V)代表镁离子对通道的影响， 其中，［Mg］=1 mmol/L；而Nf和Ns分别代表被激活的NR2A和NR2B亚型受体的含量. 为了反映不同亚型在实验中表现的不同特性，我们将其定义为突触后极化电压的函数：Nf=1—((V—65)/195)2（3）Ns＝((V—65)/195)2 （4）在大多数的实验记录中，突触后极化电压与突触前刺激频率呈线性依赖关系［3］，我们假定突触后极化电压V的幅值由下面的表达式决定：V=65V—f*(V/Hz)（5）。
1.2突触后钙信号的动力学特性在海马CA1区域，突触前阈值下刺激导致EPSP产生时，NMDA介导的钙内流被认为是突触后钙的主要来源［1］. 假定树突棘内钙的时间常数(τCa)为50 ms，突触后钙信号的变化可以通过下面的数学式子描述：d［Ca(t)］/dt=INMDA—［Ca(t)］/τCa （6）静息状态的胞内钙浓度约为0.1 μmol/L，我们得到突触后钙暂态的数学形式：［Ca(t)］=0.1+e—t/τCa*∑n〖〗1INMDA （7）。
1.3介导突触可塑性形成的钙信号转导生化网络细胞内与突触长时程可塑性有关的钙敏感酶类主要包括蛋白激酶A（PKA）、钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）、钙调神经磷酸酶（CaN）及蛋白磷酸酶1（PP1）等. 目前认为突触传递效能的可塑性主要表达为，突触后AMPA受体的的功能和数量的双向调节［1］： PKA对AMPA受体的S_845位点的磷酸化是AMPA受体向突触后膜的转运是必需的；而CaMKⅡ通过磷酸化AMPA受体的S_831位点而增加其单个通道的电导，PP1通过将AMPA受体上述位点脱磷酸化而导致其在突触后膜的活性水平下调，并介导PSD内CaMKⅡ的失活；CaN和PKA则通过磷酸化调节蛋白磷酸化酶1（PP1）的抑制剂—1（I1），影响PP1的活性［5］.
用Y0代表所有亚基都未被磷酸化的CaMKⅡ全酶浓度，Yi代表第i重磷酸化的CaMKⅡ全酶浓度， C代表（Ca2+ ）4 CaM复合体的浓度，R代表突触后AMPA受体的总浓度，R1和R2分别表示仅S_845位点被磷酸化和S_845, S_831两位点都被磷酸化了的AMPA受体的浓度. ep代表PSD内有活性PP1的浓度， ep0代表自由的PP1与结合I1P的PP1的浓度之总和，Ｉ代表自由I1P的浓度，I0代表I1亚基的总浓度.