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饶毅:神经信息传递的电和化学基础

分类:
医学动态
作者:
H
来源:
赛先生
2019/02/28 10:57

 

                                                                                                   

 

人脑为已知世界之最奇妙。

 

有大脑才有人类最核心的特征,才有艺术、人文、政治、经济、社会科学、自然科学……可能其他科学都消失了,之后还会有人思考大脑。

 

研究脑和神经系统的学科为神经科学,它含有从基础的神经生物学、神经生理学到神经内科、精神病多个分支,也是心理和认知科学的基础,而它本身也是从物理学、化学、到遗传学和分子生物学等多学科交叉研究的对象。

 

脑的重要性

所有伟大的人都思考过现在称为大脑的器官,反之亦然。

 

在没有科学之前人类就思考过什么是灵魂,当然那时不一定知道这是脑的产物,也不知道大脑是产生思维的器官。

 

金字塔内的图显示,古埃及人曾认为心脏重要。

 

古希腊的Democritus of Abdera(公元前460-370)认为不同组织和器官中流动着活的、有灵性的原子。Plato(公元前428/423-348/347)认为智力在脑(intellectual soul)、感觉在心(sensitive soul)(Del Maestro,1998;Bennett,1999),而Aristotle(公元前384-322)认为灵魂所在心脏(Del Maestro,1998;Bennett,1999;López-Muñoz F and Alamo C,2009)。

 

托勒密时代的埃及,亚历山大的Herophilos(公元前约325-280)和Erasistratus(公元前约304-250)认为“灵气”(pneuma,拉丁的spiritus)承载动物的灵魂,由动物吸入空气(air,cosmic pneuma)后,从肺入心,在心脏转化为活力灵气(pneuma zootikon,拉丁的spiritus vitalis),通过血液到脑,在脑室内转化为动物灵气(pneuma psychikon,拉丁的spiritus animalis)。亚历山大学派提出脑为智力之源,做过解剖的他们提出神经分为感觉和运动两部分(Bennett,1999;López-Muñoz F and Alamo C,2009)。

 

希腊的Galen(129-200)认为脑重要(Bennett,1999),他改进了元气理论,认为心脏压缩的气送到脑的血管丛,在侧脑室中变成“动物灵气”(psychic penuma,spiritus animalis),灵气进入脊髓和神经,作为“动灵”(dynamis psykhiké),引起肌肉运动(López-Muñoz F and Alamo C,2009)。

 

文艺复兴时代,达芬奇(1452-1519)对脑有兴趣(Del Maestro,1998)。他不仅画了很多脑的图,而且为了寻找灵魂(senso comune),他于 1487年用蛙做实验。他用手术刀捣毁延髓后,蛙即刻死亡,他认为这是运动和生命的基础(Del Maestro,1998)。这一实验到1739年由英国生理学家Alexander Stuart(1673-1742)所重复,有时为中学生物学的实验之一。当时流行脑室的作用,达芬奇认为侧脑室管感觉(他标记为imprensiva),第三脑室为灵魂(senso comune)所在,第四脑室管记忆(memoria)(Del Maestro,1998)。

 

米开朗琪罗(1475-1564)有可能把脑画到西斯廷教堂的顶上了(Meshberger,1990;Suk and Tamargo,2010)。

 

解剖学家Vesalius(1514-1564)清晰地描述了脑和神经系统的解剖。

 

一般认为笛卡尔(1596-1650)是数学家、哲学家。1649年,他提出灵魂位于脑内的松果体,理由是外在的感觉器官成双成对,而脑内所含也皆对称,只有松果体是单一并位于中央。他去世后1662年出版的《论人》一书中,他认为神经以水力传导。这两个提议的细节都错了,但他把灵魂落实到脑的具体结构,加上他正确理解信息在视神经的传导途径,可以称为神经生物学先驱。

 

生物电与神经

神经是什么?

 

意大利科学家Giovanni Borelli(1608-1679)认为神经纤维充满液体,脑内刺激引起外周释放液滴,引起肌肉收缩(Borelli,1670;Bennet,1999)。荷兰的Antonie van Leeuwenhoek(1632-1723)在显微镜下观察神经纤维,由细的神经纤维组成更粗的神经(van Leeuwenkoek,1695,1717;Bennet,1999)。意大利的Felice Fontana(1730-1805)提出神经纤维内含疏水的透明胶质(Fontana,1760,1781;Bennet,1999)。

神经是如何与其靶组织连接的?1735年,荷兰的Herman Boerhaave(1668-1738)描绘了神经与肌肉的连接,也就是后来称为“神经肌接头”的结构(Boerhaave,1735;Bennet,1999)。

神经如何发挥作用?意大利的Luigi Galvani(1737-1798)对理解神经起了很大的推动。1781年1月26日,Galvani发现:如果远处电机飞出火花时,人用导体(例如金属或手指)碰到蛙,引起蛙腿收缩(Galvani,1791;Piccolino,2006)。1786年,Galvani观察到:蛙腿-脊髓制备物挂在铁栏杆上,如果插入脊髓的金属钩向铁栏杆移动,蛙腿收缩。这一结果在室内也能被重复。只要肌肉和脊髓与金属(如图)碰到,就可出现蛙腿收缩,但非导体不引起收缩(Galvani,1791;Piccolino,2006)。引起收缩的效率与导电性正相关。因为这类实验没引入外来电流,所以应该是生物内部有电——生物电。1794年,Galvani将支配一条腿的神经切断,然后将其置于完整的支配另外一腿的神经上,引起第二条腿的收缩,说明神经本身就有电(Essai,1804)。

Galvani提出“动物精神之电本质”,电藏在神经里面(“electricity concealed in nerves”)。

 

意大利的伏特(Alessandro Volta,1745-1827)对同一现象有不同的看法。他认为在电解质两端分别有一金属电极,如果两电极的金属不同可以形成电流。伏特由此发明了电池。

 

所以,蛙腿实验既是电生理的起源,也是电化学的先驱工作、人造能源的起源。

 

神经纤维及其电传导

意大利的Carlo Matteucci(1811-1868)用Leopoldo Nobili发明的敏感的检流表(galvanometer)检测到切断的兴奋性组织(神经和肌肉)中有电流(Matteucci,1838;Bennet,1999)。他还证明,收缩的肌肉产生的电,足以刺激神经,引起后者支配的肌肉出现收缩。他检测到切断的肌肉与完整肌肉之间的电流,认为这些电流是肌肉产生的。

 

德国的Emil du Bois-Reymond(1818-1896)验证了Matteucci的结果,称之为“肌肉电流”,并发现肌肉电流的负变化。其后,他改进得到更精密的检测仪,由此发现了神经电流和神经电流的负变化(negative variation),先称之为“动作电流”,后常用“动作电位”(du Bois-Reymond,1841, 1842)。

 

神经冲动传导有多快?德国柏林洪堡大学的Johannes Müller(1801-1858)曾认为速度太快、不可能测量到(Müller,1840;Bennet,1999)。1849年12月29日,德国物理学家、生理学家、医生Herman von Helmholtz(1821-1894)检测到特定神经的传导速度为每秒30.8米(Helmholtz,1850;Bennet,1999)。

 

德国犹太生理学家Julius Bernstein(1839-1917)是du Bois-Reymond的研究生,也曾任von Helmholtz的助手(Seyfarth,2006)。他改进仪器后检测动作电位形成的过程(Bernstein,1868;Seyfarth,2006)。1902年,Bernstein提出电势的膜理论:他认为神经和肌肉细胞膜符合Walter Nernst(1864-1941)提出的方程式(Nernst,1889),而且细胞膜也与Wilhelm Ostwald(1853–1932)提出的半透膜一样,对离子选择性通透。静息时细胞膜对钾离子通透,形成细胞膜外相对正、细胞膜内相对负的极性。收到刺激而兴奋时,细胞膜对所有阳离子通透性增加,出现去极化(Bernstein,1902;Seyfarth,2006)。

 

与Bernstein文章同一期杂志德国生理学家Ernest Overton(1856–1933)报道:细胞外如果缺乏钠离子,肌肉不能被刺激所兴奋,而且钠离子的作用不能被钾离子所替代(Overton,1902;Kleinzellet,1997)。其后,他也证明细胞外的钠离子对神经的兴奋性很重要(Overton,1903,1904)。提高细胞外钾离子浓度可以抑制肌肉的兴奋性(Overton,1904)。那时已知细胞内钾离子浓度高于细胞外,而细胞外钠离子浓度高于细胞内,Overton从而提出肌肉和神经的兴奋就是其细胞外的钠离子与细胞内的钾离子进行交换(Overton,1904;Kleinzellet,1997)。 

 

1871年,美国生理学家Henry Bowditch(1840-1911)在德国访学期间提出心脏收缩的“全或无”规律:“一个刺激要就是能够引起收缩,要么不能,如果能,收缩的强度总是最大”(Bowditch,1871)。1902年,牛津大学的Francis Gotch(1853-1913)发现刺激一旦达到一定强度可以兴奋骨骼肌或神经,则骨骼肌和神经的兴奋性(包括神经的传导速度)都一样,继续增加刺激强度不会导致更大的兴奋性(Gotch,1902)。1905年,剑桥大学的Keith Lucas(1879-1916)证明骨骼肌兴奋性的“全或无”规律,刺激一旦强到可以引起骨骼肌收缩,则收缩程度一样,也就是在超过阈值后,兴奋不再与刺激强度有关,而只与肌肉有关(Lucas,1905)。Lucas的学生Edgar Adrian(1889-1977)证明,神经纤维也遵循“全或无”规律(Adrian,1912,1914;Lucas and Adrian,1917)。1922年,美国生理学家Joseph Erlanger(1874-1965)和Herbert Gasser(1888-1963)在圣路易斯的华盛顿大学改进了阴极射线示波器,可高精度地检测动作电位及其在神经纤维的产生和传导(Gasser and Erlanger,1922)。

电生理长期依赖于细胞外记录,而理论预计应该有跨细胞膜的电压差。一般神经纤维太细,当时的技术无法检测跨膜电位。1936年,牛津大学的John Young(1907-1997)发表他在普利茅斯海洋实验室的工作,他发现了枪乌贼(Loligo forbesi)的巨神经纤维,它是枪乌贼用于快速逃跑的神经,其直径粗约0.5毫米(Young,1936)。Young告诉来访的美国哥伦比亚大学医学院物理学家Kenneth Cole(1900-1984):“如果你要研究神经,就得研究这轴突”。Cole曾用阴极射线示波器检测过多种生物(包括Nitella,丽藻)和神经的膜电位,他回美国后,在马萨诸塞州的Woods Hole海洋生物学实验室暑期实验期间,和他的学生Howard Curtis研究了巨神经的电生理(Curtis and Cole,1938)。他们观察到:动作电位发生时,局部膜电阻减少、电导增加(Cole and Curtis,1939)。

来自Hodgkin and Huxley (1952d),主图自Cole and Curtis (1939),虚线由Hodgkin and Huxley (1952d)

 

Cole于1936年访问英国时见过剑桥大学的神经生理学家Alan Hodgkin(1914-1998)。Hodgkin于1937年至1938年在洛克菲勒医学研究所待一年,初衷是到Herbert Gasser的实验室工作,但他到哥伦比亚大学看到Cole和Curtis用丽藻做的研究,并知道他们计划暑期去Woods Hole海洋实验室做枪乌贼巨神经的研究后,决定暑期与Cole一道去Woods Hole,他们合作研究乌贼巨大神经,内容是继续Cole和Curtis(1939),研究结果也在同一期杂志发表(Cole and Hodgkin,1939)。

 

Hodgkin回英国后,1939年暑期带着刚从剑桥大学本科毕业的另一位科学世家子弟Andrew Huxley(1917-2012)到普利茅斯海洋做暑期研究(Huxley,2002)。Cole也带Curtis在Woods Hole做同样实验。他们都用枪乌贼巨神经纤维,Hodgkin和Huxley记录到静息的跨膜电位(50毫伏)和兴奋时跨膜电位(90毫伏),动作电位时细胞内相对于为正40毫伏(Hodgkin and Huxley,1939)。Hodgkin和Huxley先用英国的Nature发表其内容简报,三周后希特勒入侵波兰,他们研究暂停。

1939年夏天Curtis和Cole获得类似Hodgkin和Huxley的结果,第二年发表(Curtis and Cole,1940)。两位美国科学家继续研究,发现当细胞外钾离子浓度提高时,静息膜电位减小,当细胞外钾离子浓度等于细胞内钾离子浓度时,静息电位为0,继续提高细胞外钾离子浓度会逆转的静息电位(Curtis and Cole,1942)。因此,细胞膜对钾离子通透而产生静息电位。

二战后,Hodgkin和Huxley重返研究,他们于1945年全文发表了自己1939年的工作,并回顾了Cole实验室的工作。他们总结,因为动作电位时膜电位不等于0,需要修改动作电位的传导模式(Hodgkin and Huxley,1945):

Hodgkin和Huxley(1945)探讨了动作电位形成的四种可能机制,都是错的。Hodgkin事后认为不能排除受Curtis和Cole(1942)文章中错误数据的影响。Curtis和Cole(1942)报道动作电位与静息电位差别可以大到110毫伏,这样就难以钠平衡电位来解释(Hodgkin,1976)。Curtis和Cole(1942)还提到,去除所有离子对电位的影响等同于去除钾离子的影响,所以看起来没有其他离子参与(Curtis and Cole,1942;Hodgkin,1976)。后来才知道是神经旁边有一层结缔组织的膜(perineurium)没有清除干净,去除离子的实验不干净(Hodgkin,1976)。

 

1946年,已就职芝加哥大学的Cole与George Marmont在Woods Hole做暑期研究期间,在Jimmie Savage建议下发明了后来被人们称为“电压钳制”的方法,得到Will Rall的帮助后,1947年他们首次成功地进行了电压钳制实验,文章由Marmont单独发表(Marmont,1949;Cole,1979)。Curtis于1947年写信告诉了Hodgkin,Hodgkin当年秋天访问芝加哥时,看了Curtis的实验。Hodgkin告诉Cole并在芝加哥大学学术报告讲述自己和Bernard Katz的实验提示钠离子顺浓度梯度进入细胞的内向电流是动作电位的基础(Hodgkin and Katz,1949;Cole,1979;Huxley,1992)。Marmont不热心做电压牵制实验,Cole自己做了,并在1949年巴黎会议上介绍了结果(Cole,1949)。Cole做了电压钳制实验,但他忙于其他事务,包括从芝加哥搬到华盛顿,先后在海军医学研究所、国立健康研究院(NIH),直到1960和1961才发表电压钳制实验(e.g.,Moore and Cole,1960;Cole and Moore,1960;Cole,1961)。

 

电压钳制方法是两对电极监测神经纤维,一对检测细胞内外电位差,一对用于注射电流,对抗电压的改变,而将电压维持在研究者设定的水平。在出现膜电位变化时,通过电压钳制可以同时检测膜电流大小,因为它与用于维持电压钳制的电流大小相等、方向相反。

 

Hodgkin和Huxley以及德国移民英国的犹太科学家Bernard Katz(1911-2003)用电压钳制方法研究了枪乌贼巨神经纤维。他们的研究自1946年开始,至1952年达高峰。

 

神经纤维是神经的轴突,其内含细胞浆为轴浆。1945年Hodgkin和Huxley的文章提出动作电位形成的四种可能之一是轴浆内阴离子外流,但没探讨钠离子内流。1946年,Hodgkin和Huxley探讨静息电位和动作电位的离子基础。在当年12月投稿的文章中,他们指出:目前的共识是神经或肌肉纤维内钾离子浓度高于其血中浓度,而钠离子浓度和氯离子浓度低于血浆浓度(细胞外浓度约等于血液中的浓度);钾离子的轴浆浓度二十倍于其血浆浓度,钠离子和氯离子的轴浆浓度为血浆浓度的十分之一(Hodgkin and Huxley,1947)。1902年,Bernstein就提出钾离子是静息电位的基础,Overton提出了细胞外钠离子的重要性。1942年,Curtis and Cole实验证明了细胞外钾浓度影响静息电位。1947年,Hodgkin and Huxley实验显示动作电位之后的钾离子外流可以恢复静息电位,也就是说动作电位的下降是因为钾离子外流(Hodgkin and Huxley,1947)。在与Huxley讨论的基础上,Hodgkin和Katz(1949)检验了钠离子的功能。因为钠离子在细胞外的浓度高于细胞内,动作电位如果用钠离子,就应该是钠离子从细胞外流向细胞内。如果降低细胞外的钠离子浓度,就会降低动作电位;如果细胞外和细胞内钠离子相同,就不会出现动作电位。他们实验确实得到这样的结果。他们用不含钠离子的等渗透压的右旋糖代替海水,在两分钟之内,动作电位消失,而加含钠离子的海水后,在一分半钟左右恢复原有的动作电位。细胞外钠离子浓度如果增加,也可以加快动作电位的上升速度、加大动作电位的幅度。因此,他们证明了钠离子内流是动作电位的基础(Hodgkin and Katz,1949)。钾和钠离子的作用不限于枪乌贼巨神经,而同样在其他神经如蛙的有髓神经起作用(Huxley and Stämpfly,1951)。剑桥大学和哥伦比亚大学的科学家分别用同位素(K42、Na24)验证了钾和钠离子的分布,并证明动作电位时钠离子内流(Keynes and Lewis,1951a,b;Rothenberg,1950)。

1952年,Hodgkin和Huxley在《生理学杂志》发表五篇文章(Hodgkin, Huxley and Katz,1952;Hodgkin and Huxley,1952a,b,c,d),第一篇与Katz合作,前四篇于1951年10月24日投稿、1952年4月28日发表。第五篇1952年3月投稿、8月28日发表。1952年10月他们在《皇家学会会刊B》进一步讨论这一系列工作。第一篇叙述了他们改进的电压钳制方法,具体细节与Cole(1949)和Marmont(1949)有所不同,特别是他们是将两根电极插入纤维内,类似以后教科书的图示。小于10毫伏的刺激枪乌贼巨神经,不能引起动作电位,15毫伏以上可以引起全或无的反应,电压改变约100毫伏(Hodgkin, Huxley and Katz,1952)。

第二篇文章,首次用“电压钳制”一词(Huxley and Huxley,1952a)。他们分别改变纤维外和纤维内的钠离子浓度,得到较精确的定量数据,证明动作电位符合钠离子的Nernst方程。他们可以区分钠离子和钾离子通透性的变化,有足够资料可以估算钠电流(INa)、钠电导(gNa)、钾电流(IK)和和钾电导(gK),证明动作电位初期是细胞膜对钠离子通透性增加,钠离子按其浓度梯度由细胞膜外向内流,上升到顶点后钠离子内流减少导致动作电位开始下降,而细胞膜对钾离子的通透性增加慢,同样因按其浓度梯度而由内向外流,导致动作电位进一步下降。钠钾离子的内流、外流并非主动,而是细胞膜通透性变化后被动按浓度梯度流动,可通过改变钠、钾离子浓度而得到证明。钠离子和钾离子的流动相互独立。第三篇文章(Hodgkin and Huxley,1952b)证明复极化时,钠离子内流呈指数型衰减。复极化时膜电位越高,钠电导衰减速度越快。钾电导在去极化时增加,复极化时降低。第四篇文章(Hodgkin and Huxley,1952c)报道去极化逐渐灭活钠电导。第五篇文章(Hodgkin and Huxley,1952d)推出膜电位的数学模型,并验证其与实验数据的吻合性,总体结论是电刺激引起神经纤维的反应是由于膜电位变化导致钠离子和钾离子通透性的可逆变化。他们模型的预计与自己的实验结果吻合,而且与同位素检测的结果吻合(Rothenberg,1950;Keynes RD and Lewis PR,1951a,b)。

因为Hodgkin和Huxley发现钠离子和钾离子通透性相互独立,从而推测有特异的钠离子和钾离子通道。更多的研究表明它们是跨膜的蛋白质。德国神经生理学家Bert Sakmann(1942-)和Erwin Neher(1944-)发明膜片钳,得以推进到单分子水平研究离子通道的电生理特征(Neher and Sakmann,1976)。日本生物化学家沼正作(Shosaku Numa,1929-1992)在1979年从脂肪代谢的酶转而学习分子生物学的基因克隆技术,开始克隆神经系统相关的基因(离子通道、神经肽、神经递质受体等),包括钠离子通道的基因(Noda et al., 1984),旧金山加州大学叶公杼和詹裕农克隆了钾离子通道的基因(Papazian et al., 1987),推进了离子通道的研究。美国神经生物学家Roderick MacKinnon(1956-)自1998年解析离子通道的蛋白质结构,理解选择性的离子通透(Doyle et al., 1998)。

 

神经元和突触

神经系统含神经细胞和神经胶质细胞。神经细胞也称为神经元(neuron)(Waldeyer,1891),其形态特征是有突起,包括树突(dendrites)(His,1889)和轴突(axon)(Kölliker,1896)。

 

曾有争议:神经细胞是独立的细胞,还是细胞质相互贯串的网状结构(Bennett,1999;De Carlos and Borrell,2007)。1871年,德国解剖学家Josef von Gerlach(1820-1896)提出“网状理论”(reticular theory),认为中枢神经系统的突起的细胞浆相通形成神经纤维网络(Nervenfasernetz)(Gerlach,1871;DeFelipe,2010)。意大利的Camillo Golgi(1843-1926)等支持这一看法。Golgi染色法,是当时神经细胞最好的染色方法,百年后的今天还有用,但他却长期反对神经元学说、支持网状理论(Golgi,1886a,1886b,1873;De Carlos and Borrell,2007)。

 

德国生理学家Wilhelm Kühne(1837-1900)研究了运动神经末梢如何与肌肉细胞膜相邻(Kühne,1862,1871),他称这一结构为“神经肌肉接头”(the neuromuscular junction)。瑞士的Wilhelm His(1831-1904)指出运动神经末梢与其支配的肌肉不相通(His,1886)。1887年,挪威探险家兼科学家Fridtjof Nansen(1861-1930)用Golgi染色法得到结果也否定网状理论(Nasen,1887)。瑞士精神病学家Auguste-Henri Forel(1848-1931)发现,一组神经节细胞蜕变后,不影响与之相邻的细胞,也以此否定网状理论(Forel,1887)。

 

西班牙科学家Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) 于1888年证明无论在胚胎还是成年的神经系统,无论脊髓、小脑、大脑皮层、纹状体、嗅球、自主神经系统、还是视网膜,神经纤维终端都是游离的,每一个神经细胞都是独立的,终端可以围绕下一细胞但不融入下一细胞(Cajal,1888a,1888b,1909)。小脑Purkinje细胞消失后,原与其相连的蓝细胞和星状细胞继续存在(Cajal,1909)。1892年,Cajal提出神经元的极性:信息从树突传到胞体,从胞体传到轴突,轴突作为神经纤维用电信号传导至下一个神经细胞(Cajal,1892;López-Muñoz and Alamo,2009;DeFelipe,2010)。

1897年,英国生理学家Charles Sherrington(1857-1952)在写教科书时提出突触(synapse)的概念:一个神经细胞与另一神经细胞特殊的连接(Sherrington,1897)。有了电子显微镜后的1950年代,才能清晰地观察到突触的结构(Robertson,1953;Palade and Palay,1954;De Robertis and Bennett,1955;Palay and Palade,1958)。

 

如果神经元是独立的,其间有突触,那么:信号是如何跨突触而传递的?

 

外周神经系统

神经系统分为中枢和外周部分。

 

中枢神经系统包括大脑、小脑、脑干、脊髓。

 

外周神经系统包括外周感觉神经、外周运动神经,自主神经系统。外周感觉神经的细胞体在脊髓背侧外的神经节(称为背根神经节),其末梢终结于外周,接受感觉刺激,传入脊髓背角。外周运动神经的细胞体位于脊髓腹角(运动神经元),其神经纤维传向肌肉,将中枢的指令传到肌肉,控制肌肉收缩。

 

自主神经系统曾称为非自主系统(Gaskell,1916)。剑桥大学的生理学家John Langley(1852-1925)改为自主神经系统(Langley,1898,1921)。自主神经系统主要是交感神经和副交感神经,它们起相反的作用:交感神经兴奋导致心跳加快、血压上升、呼吸加快、肠蠕动减少、腺体分泌减少、瞳孔扩大,副交感兴奋导致心跳减慢、血压下降、呼吸减慢、肠蠕动增加、腺体分泌增加、瞳孔缩小。

 

自主神经系统的神经元胞体在脊髓旁的神经节(交感神经节和副交感神经节)。交感神经节接受的投射来自胸和腰节段的神经纤维,副交感神经节接受来自脑内和骶节段的神经纤维。交感和副交感神经节的神经纤维投射到平滑肌、心肌、肠道平滑肌和外分泌腺体等。

 

自主神经系统还有一部分:肠道的神经系统。

 

长期的研究逐渐阐明神经元与神经元或其他靶细胞之间传递信息的化学分子—神经递质。最早确定的两个神经递质是乙酰胆碱和去甲肾上腺素。它们分别是副交感神经和交感神经的神经递质,皆在长时间研究过程中被逐渐认识。

 

神经化学分子之一:乙酰胆碱

南美土著人用筒箭毒射杀靶物,被英国的Walter Raleigh(1552-1618)引进欧洲。1780年,意大利的Felice Fontana(1730-1805)认为筒箭毒作用于肌肉而非神经或心脏。1832年,德国的Alexander von Humboldt(1769-1859)将筒箭毒的制作方法引入西方。英国的Benjamin Collins Brodie(1783-1862)用筒箭毒做实验,证明其致死的原因是呼吸停止。1857年,法国生理学家Claude Bernard(1813-1878)在书中描述其用蛙研究筒箭毒的作用机理(Bernard,1857)。他发现,用筒箭毒处理过的蛙,如果电刺激其肌肉,肌肉仍然收缩,所以其作用位点不应该是肌肉。而如果刺激支配肌肉的运动神经,肌肉不再收缩。进一步制备蛙的神经和肌肉,将之分离到体外进行实验后发现:如果支配肌肉的神经干置于含箭毒溶液培养皿中,而肌肉在培养皿之外,这时电刺激神经干会引起肌肉收缩;如果将肌肉置于含箭毒溶液的培养皿中,而神经干在培养皿外,这时电刺激神经不能引起肌肉收缩。Bernard当时的结论是箭毒导致的运动神经系统功能丧失是由周围到中央而不是由中央到周围,具体而言箭毒作用是从神经根到神经干,而不是从神经干到神经根(Bernard,1857)。这一实验设计和结都果很好,但Bernard的理解不够准确,几十年后Langley提供了更好的解释:筒箭毒阻断神经信息传递到肌肉(Langley,1906)。

1828年,德国化学家Wilhelm Heinrich Posselt(1806-1877)和Karl Ludwig Reimann(1804-1872)从烟中分离出尼古丁(nicotine)(Posselt and Reimann,1828)。1893年,柏林大学的犹太化学家Adolf Pinner(1842-1909)确定尼古丁的正确分子式(Pinner and Wolffenstein,1891; Pinner, 1893a, 1893b)。1857年, Bernard已经研究了尼古丁对动物的作用。他发现尼古丁加快呼吸、加快心跳、升高血压的作用是通过其对神经系统的作用,切断迷走神经后,尼古丁不能起这些作用(Bernard,1857)。Langley和同事发现,尼古丁可以作用于交感神经节的细胞,通过刺激交感神经节的细胞而收缩血管、放大瞳孔(Langley and Dickinson,1889)。肌肉分为横纹肌(骨骼肌、心肌)和平滑肌(如血管的平滑肌)等。Langley发现,尼古丁直接可以刺激骨骼肌收缩,这一作用可以被筒箭毒所阻断(Langley,1905)。

1869年,德国药理学鼻祖Oswald Schmiedeberg(1838-1921)从有毒的蘑菇Amanita muscaria分离得到化学分子毒蕈碱(muscarine),并发现它减慢心跳,作用类似与电刺激迷走神经对心脏的作用,两者都可被阿托品(atrophine)所拮抗(Schmiedeberg and Koppe,1869;Koch-weser and Schechter,1978;López-Muñoz and Alamo;2009)。阿托品来自曼陀罗草(Mandragora),古人发现其作用,包括埃及的Cleopatra用于扩大瞳孔、传说显得更迷人。德国药学家Heinrich Mein(1799-1864)于1831年分离其中的阿托品(Mein,1831),德国化学家Richard Willstätter(1872-1942)于1901年化学合成阿托品(Willstätter,1901)。Schmiedeberg将毒蕈碱和阿托品的作用联系在一起,成为药理学称为激动剂-拮抗剂的第一对(Schmiedeberg and Koppe,1869)。同时,隐含了毒蕈碱作用类似于迷走神经的作用。

 

1862年,德国的Adolph Strecker(1822-1871)发现胆碱(choline)(Strecker,1862)。1865年,德国的Oscar Liebreich(1839-1908)发现神经碱(neurine)(Liebreich,1865),其后被证明就是胆碱。1867年,德国化学家Adolf von Baeyer(1835-1917)合成了乙酰胆碱(Acetylcholine,ACh)(Baeyer,1867)。1899年,英国科学家发现动物(狗、猫、兔)的脑脊液含降低血压的物质,确定为胆碱,其降压作用可被阿托品所阻断(Mott and Halliburton,1899)。1900年美国华盛顿的Reid Hunt在肾上腺找降压物质,认为也是Mott和Halliburton发现的胆碱(Hunt,1900)。但他认为肾上腺(和脑)中还有不被阿托品阻断的其他分子可以降压。Hunt带助手Reńe Taveau发表文章,检测了胆碱相关的19种化合物,乙酰胆碱有更强的降血压作用,为胆碱的十万倍(Hunt and Taveau,1906)。

 

英国的Henry Dale(1875-1968)加入Wellcome药厂的生理研究实验室,在药厂创始人Henry Wellcome(1853-1936)建议下研究麦角(ergot of rye):感染小麦的真菌。Dale由此做出了一系列发现,包括发现鱆胺(tyramine)、组织胺(histamine)等(Barger and Dale,1910)。Dale第一次接触乙酰胆碱,也是麦角制备物。1913年,药厂送来麦角请Dale检验,他发现其降压作用,一开始降得太快,他以为实验做坏了,动物要死了,但刚刚挂起工作服的时候瞟了一眼记录,动物血压开始恢复了,多次重复实验发现那次麦角制备中含降压的物质。他让助手Arthur Ewins(1882-1958)继续分离纯化,在纯化过程中,Dale想起Reid Hunt的工作,提醒Ewins可能是乙酰胆碱(Dale,1958)。Ewins很快证明确实是乙酰胆碱(Ewins,1914)。这是Dale检测麦角制备的十年当中很少几次含乙酰胆碱的意外情况(Feldberg,1970)。Dale检测了包括胆碱衍生物在内的分子对在体和离体动物制备的作用,包括血压、心率、消化道收缩、瞳孔、腺体分泌、骨骼肌收缩等,发现乙酰胆碱有两类作用:一类是毒蕈碱样,作用类似刺激副交感神经(降低血压、减少心率、收缩消化道、收缩瞳孔),可以被阿托品所阻断,不受尼古丁影响;另一类为尼古丁样,直接刺激骨骼肌收缩,作用于交感神经节和副交感神经节,不能被阿托品阻断,可以被大剂量的尼古丁所阻断(Dale,1914)。

Dale指出乙酰胆碱适合作为副交感神经系统分泌的分子,不过当时无法证明动物体内合成乙酰胆碱(Dale,1914)。

 

神经化学分子之二:肾上腺素

1855年,伦敦Guy’s医院的Thomas Addison医生(1793-1860)发现损毁肾上腺的疾病,后称为Addison病,人们从而感兴趣肾上腺的内涵。很快就有科学家用动物做实验,试图看切除动物的肾上腺对动物的影响,常常发现动物死亡(Schäfer,1908)。英国医生George Oliver(1841-1915)感兴趣研究,在家设计实验仪器(例如血压计),甚至用儿子做实验模型,例如给儿子吃肾上腺的提取物(Barcroft and Talbot, 1968)。1893年,Oliver找到 伦敦大学学院著名生理学教授Edward Albert Schäfer(1850-1935),提出合作研究肾上腺提取物的作用(Davenport, 1991)。Oliver和 Schäfer于1894年发表两篇会议摘要、1895年发表文章,发现肾上腺提取物的作用,包括收缩血管、升高血压、加快心跳。

1895年,Schäfer让自己的两位同事研究了肾上腺提取物的化学特性(Moore,1895;Nabarro,1895)。1897年,德国科学家Sigmund Fränkel(1868-1939)提取了肾上腺的物质,他取名为spygmogenin(Fränkel,1897)。1897年,美国霍普金斯大学药理学系John Abel(1857-1938)从肾上腺提取到一个分子(Abel and Crawford, 1897; Abel, 1898,1899),他命名为epinephrin,分子式为C17H15NO4(Abel, 1898)。1900年,在德国斯特拉斯堡大学工作的奥地利犹太科学家Otto von Fürth(1867-1938)认为epinephrin无生物学活性,Fürth把自己从肾上腺提取的分子命名为suprarenin,分子式为C5H9NO2(von Fürth,1900)。1901年,Abel专文回复Fürth的质疑,辩解自己分离的分子有活性,但它不是天然分子(native principle)而是衍生物,可能多了一个苯甲酰(benzoyl)(Abel,1901)。

 

1900年,旅美日本科学家高峰让吉 (Jōkichi Takamine,1854-1922)与其助手上中啟三获得了生物活性很强、结晶纯的分子,分子式为C10H15NO3,命名为adrenaline。高峰让吉于1901年1月在纽约举行的化工学会作报告,并于1901年在《美国药学杂志》发表其结果(Takamine,1901)。1901年12月高峰让吉在英国生理学会作报告,并于1902年发表于英国《生理学杂志》(Takamine,1902)。Parke-Davis药厂科学实验室生物部的Thomas Aldrich于1900年夏也分离了肾上腺素,1901年发表了论文。Aldrich通过实验比较了自己的样本和高峰让吉的样本,推出两种样本的正确分子式都是:C9H13NO3(Aldrich,1901)。这一正确的分子式也最接近高峰此前推出的分子式,而与Abel和Fürth的分子式相差甚远。

1903年,德国伯恩大学的化学家Hermann Pauly(1870-1950)确定了肾上腺素的结构式(Pauly,1903,1904)。1904年,德国化学家Friedrich Stolz(1860-1936)合成了肾上腺素(Stolz,1904)。1905年,英国的Dakin(1880-1952)也合成了肾上腺素(Dakin,1905)。

 

Langley验证了肾上腺提取物的作用,包括直接收缩血管、抑制胃肠道收缩、抑制膀胱、扩大瞳孔、子宫收缩、唾液腺和泪腺分泌、胆汁分泌、等等。他总结出:肾上腺提取物的作用几乎完全对应于刺激交感神经的作用 (Langley,1901b)。

 

1904年,Langley的研究生Thomas Elliot(1877-1961)在英国生理学会提出:交感神经纤维作用于外周可能通过释放肾上腺素或其前体。肾上腺素的作用不在神经,而在外周。即使神经蜕变了三天到十个月之后,肾上腺素仍然可作用于瞳孔的平滑肌(Elliot,1904)。其后他发表更详细的结果,并总结来自多种动物、多种组织的结果后提出:肾上腺素对平滑肌的作用类似于交感神经(Elliot,1905)。曾有研究者认为,神经蜕变后,血管平滑肌对肾上腺素还有反应的原因是蜕变不彻底(Brodie and Dixon,1904)。对此,Elliot认为十个月的蜕变足够让神经和肌肉的每个原子都不一样了(Elliot,1905)。Elliot还用了另方法支持肾上腺素可能是交感神经的递质:去神经敏化。他推测,在去除神经支配后,原被神经支配的靶细胞对神经释放的化学信号的反应应该增强。而他发现在去除交感神经后,平滑肌对肾上腺素的反应确实增加,从而进一步支持肾上腺素是交感神经释放的分子(Elliot,1905)。

在发现尼古丁引起鸡的腓肠肌收缩、筒箭毒抑制尼古丁这一作用后,Langley提出:神经冲动不能通过电刺激肌肉,而应该是通过du Bois Reymond 首先提出的神经末梢分泌的特殊物质,再作用于尼古丁和筒箭毒结合的肌肉上的基团(Langley,1906)。

 

Elliot指出交感神经与平滑肌的突触,在生物化学上不同于运动神经纤维与骨骼肌的突触、也不同于神经节前细胞(无论交感还是副交感神经节)与神经节细胞形成的突触。骨骼肌和神经节的突触在生物化学上可能同类,都可以被尼古丁先兴奋后抑制(Elliot,1905)。用后来的理解就是,交感神经与靶细胞的神经递质是肾上腺素(或去甲肾上腺素),而所有神经节的递质都是乙酰胆碱、运动神经的递质也是乙酰胆碱。

 

神经的化学传递

德国的du Bois-Reymond首先提出神经细胞之间的传递要么是电、要么是化学分子:我认为,只有两种模式值得讨论。要么是某种如氨或乳酸等刺激分泌物质、或其他强大的刺激性物质,要么是电(du Bois Reymond,1877;Bacq,1975)。

 

在肾上腺素和乙酰胆碱的研究过程中,都曾提出过神经纤维通过释放化学分子作用于靶细胞的想法(Langley,1901;Elliot,1904,1905;Dale,1914)。明确建立神经的化学传递机制,公认为奥地利的犹太科学家Otto Loewi(1873-1961)。

 

Loewi于1902年访问Starling实验室的时候开始与Dale几十年的友谊。对神经传递的问题和研究,他自然也熟悉,所以他在1921年做梦设计实验,并非空穴来风(Loewi,1953):1921年复活节周六晚,我醒过来了,开了灯,在小纸条上写了几句,然后睡了。早上六点想起昨晚写了很重要的东西,但怎么也看不懂写的内容。那个星期天是我科学生涯最急切的一天。第二个晚上,我在三点钟又醒了,我记得是什么。这次不冒险了,我立即去实验室,用蛙心做实验。5点钟,神经化学传递被证明了。

 

Loewi在体外用生理盐水分别维持分离自两个蛙的心脏。电刺激支配一个心脏的副交感神经(迷走神经)后,其跳动减慢。收取灌流这一心脏的生理溶液,用于灌流另一心脏,第二个心脏的跳动也减慢,虽然没有刺激它的迷走神经。这一实验说明电刺激迷走神经后,可能释放了一种化学物质,减慢心跳。他还检测了心跳的力量,也减小了。Loewi称这一物质为迷走物质(Vagus-stoff)(Loewi,1921)。

这一实验被改进。一方面是不仅可以刺激迷走神经,而且可以刺激支配心脏的交感神经,导致心跳加快,这一作用也能通过体液传递,Loewi称之为加速物质(accelerans-stoff)。另一方面,为了更稳定地得到结果,不通过人工转移液体,而改进仪器。1926年,德国科学家用同一套灌流液维持两个心脏(Kahn,1926)。1932年,英国爱丁堡大学科学家设计了很漂亮、灵敏且稳定的方法(Bain,1932)。

这一方法不仅很好地验证神经释放影响心跳的化学物质可通过液体传送影响另一心脏,而且证明:神经释放减慢心跳的物质也增加胃肠道的收缩(Bain,1932)。相当于用实验证明Elliot于1905年提出的(分别支配心脏和支配肠道的)副交感神经纤维末梢的生物化学的类似性(Elliot,1905)。

 

神经递质:乙酰胆碱和去甲肾上腺素

建立了神经的化学传递概念之后,什么是神经递质就成为焦点。

 

德国科学家发现血液可以灭活迷走物质(Plattner,1926)。Loewi及其合作者发现依色林(physostigmine,亦称eserine/依色林,毒扁豆碱)抑制血液对迷走物质的灭活作用(Loewi and Navratil,1926a,1926b;Engelhart and Loewi,1930)。因依色林可以抑制脂酶,这些结果提示迷走物质有可能是胆碱的脂。但当时没在动物体内找到过乙酰胆碱,Loewi等没提乙酰胆碱。

 

1929年,英国国家医学研究所的Dale和同事在寻找体内组织胺的时候,在牛和马体内找到的乙酰胆碱(Dale and Dudley,1929)。

 

如何证明乙酰胆碱是副交感神经的递质?

 

非洲尼日利亚的部落用一种有毒的豆检验人是否犯罪(Proudfoot,2006)。1855年爱丁堡的Robert Christison(1797-1882)以身试法验证其毒性,并发现其活性成分为依色林(Christison,1855)。1863年,发现其作用于运动神经末梢(Harley,1863)。1872年,爱丁堡大学的Thomas Fraser(1841-1920)提出依色林的作用与阿托品相拮抗(Fraser,1872)。1935年美国化学家合成了依色林(Julian and Pikl,1935)。

 

1917年,德国的Hermann Fühner (1871-1944)发现:虽然水蛭的背肌对乙酰胆碱不敏感,但加了依色林后,它对乙酰胆碱的反应增加百万倍。Fühner以此作为检测微量依色林的方法(Fühner,1917,1918;Feldberg,1976)。犹太科学家Wilhelm Feldberg (1900-1993)还在德国时意识到可以用它检测乙酰胆碱。他建议一位德国科学家做了实验,发现确实能够用于检测乙酰胆碱(Minz,1932a,1932b;Feldberg,1976)。Feldberg再与当时在柏林大学工作的Otto Krayer(1899-1982)合作,用水蛭背肌的方法发现刺激含支配血管副交感神经的舌神经时,可检测到乙酰胆碱样物质,刺激支配狗或猫心脏的迷走神经后,可检测到冠状静脉血含乙酰胆碱样物质(Feldberg and Krayer,1933;Feldberg,1976)。

I and III: no vagus stimulation;

II and IV: vagus stimulation;

III and IV: physostigmin/eserine. (Feldberg and Krayer,1933)

 

Feldberg被迫离开德国后,应邀加入国家医学研究所Dale课题组,从1933年至1936年,他与Dale、John Gaddum(1900-1965)等在《生理学杂志》发表了24篇论文,用依色林化的水蛭背肌为主要方法,检测体内的乙酰胆碱。他们用多种方法支持交感神经节如猫的颈上神经节(superior cervical ganglion,SCG)释放的是乙酰胆碱(Feldberg and Gaddum,1934;Brown and Feldberg,1936)。他们观察到,刺激SCG后获得的灌流液,与乙酰胆碱一样:收缩依色林化的水蛭背肌;收缩依色林化的蛙的腹直肌;降低猫的血压,这一作用可被阿托品所阻断;减少兔耳脉搏,可被阿托品阻断;减慢蛙的心率,也可被阿托品所阻断(Feldberg and Gaddum,1934)。他们还发现刺激支配骨骼肌的运动神经时,可检测到乙酰胆碱,而去神经支配后,直接刺激肌肉不能检测到乙酰胆碱,从而证明是运动神经而非肌肉释放乙酰胆碱(Dale,Feldberg,Vogt,1936)。至此,他们全部证明了Elliot提出的运动神经末梢与自主神经节的生物化学性质类似(Elliot,1905):皆乙酰胆碱。

 

中枢是否也有乙酰胆碱?脑内乙酰胆碱也被检测到(Quastel, Tennenbaum and Wheatley,1936;Stedman and Stedman,1937;MacIntosh and Oborin,1953)。不过中枢还有其他递质,乙酰胆碱作用的相对重要性在中枢不如在外周那么大。

 

Dale提出,可按所含神经递质分类神经纤维:自主神经系统的神经节前纤维都是“胆碱能”(cholinergic),副交感神经节后纤维和运动神经纤维也是胆碱能,而交感神经节后纤维一般是肾上腺素能(adrenergic)(例外:支配汗腺的交感神经是胆碱能)(Dale,1933)。

 

交感神经的递质是肾上腺素吗?Langley(1901)和Elliot(1904,1905)都指出肾上腺素的作用类似刺激交感神经的作用,Elliot明确提出交感神经可能是释放肾上腺素而作用于其靶细胞(1904,1905)。1910年,Dale和同事发现了去甲肾上腺素,其作用最类似刺激交感神经(Barger and Dale,1910a)。经过几十年的研究,包括美国的Walter Cannon和Bacq(Cannon and Rosenblueth,1933;Bacq,1975),特别是瑞典药理学家Ulf von Euler(1905-1983)的工作,在1940年代证明交感神经释放的递质为去甲肾上腺素(von Euler, 1946,1948,1956)。而肾上腺素主要只在肾上腺,由去甲肾上腺素进一步甲基化形成肾上腺素,在应激时分泌如血液,起激素的作用。

 

神经递质合成、储存、释放、再摄取和突触后作用

去甲肾上腺素和肾上腺素的合成代谢经较长一段时间,在1950年代完全阐明(Holtz, Heise and Luedtke, 1938;Blaschko,1939,1957;Gurin and Delluva,1947;Udenfriend and Wyngarden,1956;Goodall and Kirshner, 1957, 1958)。 

图 肾上腺素的合成(Blaschko,1957)

 

去甲肾上腺素和肾上腺素的降解代谢,初期在英国工作的科学家发现单胺氧化酶(monoamine oxidase,MAO)(Hare,1928;Blaschko, Richter,Schlossmann,1937),后期美国犹太科学家Julius Axelrod(1912-2004)发现儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT)(Axelrod,1957;Axelrod and Tomchick,1958)。

 

神经递质的释放受钙离子影响,首先由北平协和医学院的冯德培提出,他研究神经肌接头时发现钙离子影响乙酰胆碱的释放量(Feng,1936a,1936b,1937)。为伦敦大学学院的科学家所证实(Del Castillo and Stark,1952)。

 

神经递质并非游离存在于神经末梢的细胞浆中,而是储存在特异的亚细胞结构:突触囊泡(synaptic vesicles,SVs)。这一发现首先因英国犹太生理学家Bernard Katz(1911-2003)发现“量子释放”(quantal release)。用Ling和Gerard新发明的细胞内记录方法(Ling and Gerard,1949),Paul Fatt和Katz记录蛙的神经肌接头电位时发现,无神经刺激时,还有肌肉的电活动,虽微弱,但大小有规律,他们称之为“微终板电位”(miniature end-plate potential,MEPP)(Fatt and Katz,1950,1952)。他们认为神经在未受刺激时自发释放乙酰胆碱释放导致MEPP,用依色林可以增强,用筒箭毒可以阻断。神经冲突增加MEPP时,其大小遵循MEPP的整数倍。钙离子不影响MEPP的大小,而影响其频率。由此延伸提出:自发的单个MEPP是神经递质释放的最小单位,神经递质呈一定的最基本量释放(量子释放),电冲动到达神经末梢导致更多的量子单位得以释放(Del Castillo and Katz,1954)。电子显微镜形态观察发现突触前有突触囊泡(Palade and Palay,1954;De Robertis and Bennet,1954,1955)。电生理分析发现的量子释放,应该对应形态的SVs(Del Castillo and Katz,1956)。

 

Axelrod发现,神经末梢可以摄取去甲肾上腺素,从而提出递质释放后可以再摄取(reuptake)(Axelrod, Weil-Malherbe and Tomchick,1959;Hertting and Axelrod, 1961;Wolfe et al., 1962)。这一规律也适用于其他小分子神经递质。

 

澳大利亚的John Eccles(1903-1997)发现:递质弥散通过突触间隙(synaptic cleft)之后,到达突触后膜,其作用在电生理上分为兴奋性(excitatory post-synaptic potential,EPSP)和抑制性突触后电位(inhibitory post-synaptic potential,IPSP)(Brock, Coombs and Eccles,1952)。

 

小结:乙酰胆碱和去甲肾上腺素及其他

乙酰胆碱的代谢:线粒体产生的乙酰辅酶A进入神经末梢,在胆碱乙酰转移酶(Choline acetyltransferase,ChAT)催化下产生乙酰胆碱和辅酶A。乙酰胆碱通过转运蛋白进入突触囊泡。

 

在神经冲动到达神经末梢时,触发细胞外钙离子内流,通过调节囊泡蛋白质与突触前膜蛋白质的结合而导致囊泡膜与细胞膜融合,释放的乙酰胆碱经弥散通过突触间隙,到达突触后膜,作用于下一级细胞膜上的受体,触发下一级细胞的反应。

 

下一级细胞膜上含胆碱脂酶(acetylcholinesterase,AChE)可以降解ACh,产生胆碱和醋酸。突触前膜的转运蛋白可再摄取胆碱,回收到突触前神经末梢重新用于合成乙酰胆碱。依色林抑制AChE的作用,提高突触间隙乙酰胆碱的浓度,筒箭毒不可逆地阻断n型受体,阿托品可逆性阻断m型受体,低剂量尼古丁刺激n型受体、高剂量尼古丁阻断n型受体。

 

去甲肾上腺素的代谢:突触前神经细胞的酪氨酸(tyrosine)在芳香族氨基酸羟化酶(AAAH)的作用下形成多巴,在芳香族氨基酸脱羧酶(AADC)作用下形成多巴胺,在多巴胺β羟化酶(DβH)作用下形成去甲肾上腺素。在肾上腺,苯乙醇胺N-甲基转移酶(PNMT)催化去甲肾上腺素产生肾上腺素。去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺的降解酶包括:MAO和COMT。释放到突触间隙的去甲肾上腺素,可被突触前膜通过转运蛋白再摄取。

一般确定神经递质的标准:1)突触前合成并存在,2)神经冲动到达末梢时刺激突触前释放递质,3)递质对突触后膜有作用,4)有方法(药理拮抗剂或遗传学)阻断递质对突触后的作用,5)有灭活递质的机制(酶降解或突触前再摄取)。

 

除了神经递质之外,还有神经调质(neuromodulators),调节突触的信号传递。

 

突触前释放的神经递质,按其对突触后膜的作用分为兴奋性递质和抑制性递质。已知小分子的神经递质或调质如:哺乳类脑中的主要兴奋性递质谷氨酸(Robbins,1958;Curtis and Watkins,1959,1960,1963),主要抑制性递质γ氨基丁酸(GABA)(Roberts and Frankel,1950;Udenfriend,1950;Florey, 1954; Florey and McLennan,1955;Curtis and Watkins,1960)。氨基酸类还有如甘氨酸(Aprison and Werman,1965)。单胺类如组织胺(Barger and Dale,1910b;Dale and Laidlaw,1910;Kwiastkowski,1943)、五羟色胺(Erspamer,1937, 1940;Rapport,Green and Page,1948a,1948b;Rapport,1949;Erspamer and Asero,1952;Feldberg and Toh,1953;Twarog and Page,1952)、与去甲肾上腺素同属儿茶酚胺类的多巴胺(dopamine)(Montagu,1957;Carlson et al.,1958;Carlson,1959)。气体如一氧化氮(NO),脂肪类如内源性大麻样物质(endocannabinoids),核苷酸如腺苷酸(adenosine)。

 

数量最多的是肽类:已知哺乳类的神经肽超过五十种。第一个是1931年von Euler和Gaddum发现的P物质(Euler and Gaddum,1931;Chang and Leeman,1970,1971)。也包括在外周和中枢起不同作用的催产素(oxytocin,OXT)和抗利尿激素(arginine vasopressin,AVP)(在中枢神经系统内,九肽OXT和AVP对社会行为与认知很重要),血管活性肠肽(VIP),神经肽Y(NPY)等。鸦片的化学活性成分为吗啡(Sertürner,1806),它既有镇痛作用、也有成瘾作用。它在脑内作用于特异的受体(Tsou and Jang, 1962;Goldstein,Lowney and Pal,1971;Pert and Snyder,1973;Simon,Hiller and Edelman,1973;Terenius,1973),而这些受体不是专为吗啡所准备的,而是为内源性吗啡样物质(如脑啡肽、内啡肽、强啡肽)(Hughes,1975; Hughes et al.,1975;Li et al.,1976;Goldstein et al., 1979)。

 

神经肽直接由基因编码,合成的肽装入致密囊泡(dense core vesicles),与小分子递质的囊泡有所区分。一种神经元可以含一种还是多种递质(Dale, 1934;Eccles, Fatt, Koketsu, 1954),小分子递质与肽类递质是否可以在同一个神经元(Lundberg, 1996),取决于具体神经元(Deng et al., 2019)。

 

受体

神经递质作用于突触后膜的受体。受体分为代谢型(metabotrophic)和离子通道型(ionotropic)。递质作用于离子通道型受体后,直接调节突触后膜离子通透性,影响突触后电位变化。递质作用于代谢型受体,影响突触后细胞内第二信使浓度的变化,再触发突触后反应,包括调节离子通透性。

 

受体的概念有两个不同的来源:1878年,德国细菌学家和免疫学家Paul Ehrlich(1854-1915)和英国剑桥大学的生理学家John Langley分别提出(Ehrlich,1878;Langley,1878;Prüll, 2003)。

 

Ehrlich在1878年的博士论文中提出染料与细胞结合需要“细胞特定的化学特征”,1885年提出细胞的原生质通过侧链(side-chains)结合氧,1897年提出细胞的侧链结合毒素,结合之后侧链不能起正常功能从而细胞补偿性地产生更多侧链,进入血液成为抗血清/抗血清(Ehrlich,1878,1885,1897;Ehrlich and Morgenroth,1900;Prüll et al., 2009)。1894年,德国化学家Emil Fischer(1852-1919)提出酶和底物的关系为钥匙和锁的关系(Fischer,1894)。Ehrlich认为毒素和抗毒素也是类似关系(Ehrlich,1897)。1900年,Ehrlich提出“受体”,也是起侧链的作用(Ehrlich,1900;Prüll et al., 2009)。

 

Ehrlich(1900)提出“侧链学说”:认为毒素有两部分,一部分是haptophore,是结合部分,可以与抗毒素结合,或与细胞的侧链结合,另一部分是toxophore,起毒性作用。毒素通过其haptophore基团与细胞原生质的侧链结合,促进更多新的侧链产生,不断再生的侧链太多后,分泌入血液,成为抗毒素。

Ehrlich称细胞原生质结合毒素的分子为受体(receptor)(Ehrlich and Morgenroth,1900;López-Muñoz and Alamo,2009)。称抗毒素为 “Antikörper”(antibody,抗体)(Ehrlich,1900)。最初他认为毒素与其他分子不同(Ehrlich,1913),后认为其他化学分子作用于细胞也有类似的受体,他称为化学受体(chemo-receptor)(Ehrlich,1907b)。

 

1878年,Langley研究阿托品和匹罗卡品(pilocarpin)对猫唾液分泌的相反作用后提出,阿托品和匹罗卡品与神经末梢或腺细胞中的分子结合而起作用。如果物质a和b都与y相结合,那么ay和by的量取决于a和b的量、以及它们分别与y的亲和力(affinity)(Langley,1878)。我们现在知道,Langley的推测相当准确,匹罗卡品是m型胆碱能受体的激动剂、阿托品是m型胆碱能受体的拮抗剂,匹罗卡品因此刺激唾液分泌,阿托品阻断唾液分泌。

 

Langley和Dickinson提出尼古丁可作用于交感神经节(Langley and Dickinson,1889)。切除节前神经纤维后,尼古丁仍可作用于交感神经节的细胞,说明尼古丁并非作用于节前神经或其末梢,而是作用于节后的神经细胞胞体(Langley,1901a)。柏林生理研究所的Max Lewandowsky(1876-1918)证明,即使交感神经节(如颈上神经节)被切除,节后神经蜕变,原被其支配的眼平滑肌仍可被肾上腺提取物所刺激而产生收缩,说明肾上腺素直接作用于肌肉,而非神经(Lewandowsky,1899)。Langley重复了Lewandowsky的实验,且在自己研究的猫唾液腺,也切除交感神经节,验证肾上腺提取物能直接刺激唾液分泌(Langley,1901b)。

 

1905年,Langley用骨骼肌(鸡的腓肠肌)做实验后提出:尼古丁和筒箭毒阻断刺激神经引起的肌肉收缩,而不阻断直接电刺激肌肉引起的收缩,说明它们并非作用于肌肉中的收缩物质(contractile substance),而是作用于附属物质(accessory substance),称之为肌肉的受体性物质(receptive substance)。他提出:细胞内至少有两种组分,一种是起细胞主要功能的主要物质(chief substance),如收缩、分泌、形成特殊代谢产物。一种是受体性物质,容易改变,让主要物质发挥作用。尼古丁、筒箭毒、阿托品、匹罗卡品、士的宁和其他碱类和内分泌的有效物质都是与受体性物质结合而起作用,而不作用于神经末梢、也不直接作用于主要物质(Langley,1905)。化学或神经刺激引起细胞的变化都取决于细胞的不同受体性物质。因尼古丁不刺激鸟类所有肌肉,且不刺激哺乳类的任何肌肉,而筒箭毒使哺乳类所有运动神经都瘫痪,但不致龙虾瘫痪,说明不同肌肉有不同的受体性物质(Langley,1905)。

 

当时在皇家内外科医师学院实验室的Thomas Brodie(1866-1916)和Walter Dixon(1871-1931)认为肾上腺素作用于神经末梢,而非神经支配的靶组织,他们认为Lewandowsky和Langley的神经切除的时间不够长、蜕变不完全,肾上腺提取物通过残存的交感神经发挥作用(Brodie and Dixon,1904)。1905年,Elliot用实验回复这一批评。他将猫左侧的睫状神经节和颈上神经节切除后,等了十个月再注射肾上腺素:其扩大瞳孔的还更快。他认为不可能还有神经残留,肾上腺素不会是作用于交感神经而影响瞳孔。Elliot提出,既不是神经末梢,也不是肌肉,而是神经与肌肉之间的结构“肌神经结合”(myoneural junction),它来源于肌肉,由肌肉维持(Elliot,1905)。

 

1906年,Langley进一步证明,神经切断后无论是6、8、27、38、还是40天之后,尼古丁还能收缩鸡的腓肠肌,且可作用更强,筒箭毒也仍可阻断尼古丁的作用。他进一步说明:尼古丁和筒箭毒作用于肌肉同一基团(radicle),尼古丁-肌肉复合物和筒箭毒-肌肉复合物的形成取决于毒物的质量及其与肌肉基团的化学亲和力。这种特殊基团可和多种化学物质结合,形成复合物(compound),复合物的本质决定其引起的作用。因为筒箭毒和尼古丁都不影响直接刺激肌肉引起的收缩,所以他们结合的肌肉物质不是收缩物质,这种特殊的可兴奋组分,已称为受体性物质。它接受刺激,传递刺激,导致收缩(Langley,1906)。在这里他还提出,神经冲动导致神经末梢分泌特殊物质,作用于受体性物质(Langley,1906)。

 

Langley用蛙做了实验,例如切断坐骨神经36天或100天之后,原被其支配的缝匠肌仍对尼古丁有收缩反应(Langley,1908)。Langley指出,蛙腿上的肌肉(包括缝匠肌),在其神经和肌肉交接处,可以清晰地分清神经和肌肉,不存在神经和肌肉之外的结构,所以尼古丁作用的只能是肌肉。而尼古丁对蛙和鸡的作用相同也支持两种情况下,尼古丁的作用位点相同。Langley提出,与Erhlich观点类似,尼古丁作用结合于受体性或侧链基团,引起肌肉收缩(Langley,1908)。受体的概念(chemoreceptor,chemoreceptive substance)逐渐得以接受(Dixon and Hamil,1909)。

 

受体与药物作用

神经递质及其受体的研究,不仅加深我们对于神经系统的理解,而且推动了药物研究,特别是作用于细胞膜受体的药物,并不限于神经系统。神经递质与受体的作用,和药物与细胞膜受体的作用,两种研究想通、交互促进,既推进原理研究,也有助于设计新药。

 

1909年,当时在剑桥大学的Archbald Hill(1886-1977)对药物作用于受体开始了简单的数学分析 (Hill,1909),其后当时在伦敦大学学院药理系的Alfred Joseph Clark(1885-1941)进一步发展了药物作用的定量分析(Clark,1926)。Clark在爱丁堡大学任职后,发表了药物与受体作用的定量分析(Clark,1933)。Clark用蛙的心室肌和腹直肌分别制备条带,观察不同浓度的乙酰胆碱对其作用,发现都有定量关系(Clark,1926a)。

符合Kx=y/(100-y),其中K为常数,x为药物的浓度,y为按最大作用百分比表示的作用(Clark,1926a)。Clark认为这一关系提示药物与细胞某种物质有单分子的可逆作用。而同时用阿托品时,这一关系成为:K ACh浓度/Atropine浓度=y/(100-y) (Clark,1926b)。当时在伦敦大学的John Gaddum进一步提出:K1C1=(1+K2C2)y/(100-y),其中K1C1分别是激动剂的常数和浓度,K2C2为拮抗剂的常数和浓度(Gaddum,1937)。

 

通过化学结构变化可以衍生出不同药物,它们与细胞膜表面受体作用不同,既可以是结合的亲和力不同,也可以是结合后引起的效果不同。

 

受体的分型最早是胆碱能受体。Dale发现乙酰胆碱对不同组织的作用可以分为胆碱毒蕈碱样(作用类似刺激副交感神经,被阿托品所阻断),和尼古丁样(骨骼肌收缩,不被阿托品阻断)(Dale,1914),也就是说这些靶细胞上分别存在m型和n型胆碱能受体(mAChR、nAChR)。

 

1940年代,美国的Raymond Ahlquist(1914-1983)到Georgia大学药理系任教不久,开始对麻黄素感兴趣,继而从1943年至1947年研究了几个拟交感药物对血压的作用,然后系统地比较六个药物(其中两个是旋光异构体)对心脏、不同区域血管、小肠、子宫、输尿管、瞳孔和瞬膜的影响  (Ahlquist,1948)。他按六个药物对不同靶组织的作用强度排序(rank order),发现有两种强弱顺序,如果以它们对部分靶组织的作用,排序为“1、2、3、4、5、6”,而以另外靶组织作用排序,则为“2、4、6、5、3、1”。Ahlquist提出,这可能是因为有两种受体,对六种药物的敏感性不同,从而出现两种作用强度的排序。其中α受体介导肾上腺素能激动剂收缩血管、收缩子宫和输尿管、收缩瞬膜、舒张肠道、扩大瞳孔,而β受体介导肾上腺素能激动剂增加心跳、舒张血管、舒张子宫。

 

从理念上,肾上腺素能受体的分型逐渐被接受。而实践上,有很大意义,特别是β对心血管的作用及其对其他组织的作用相对少于α。抑制β受体的分子(β受体阻断剂或拮抗剂,antagonists or blockers)可能是疗效较好、副作用较少的心血管药物。Powell和Slater(1958)发现双氯异丙肾上腺素(dichloroisoprenaline,DCI)可选择性抑制肾上腺素和异丙肾上腺素的舒张血管、子宫和气管的作用(Powell et al., 1958)。Moran和Perkins(1958)也发现DCI是肾上腺素能β受体阻断剂。

 

英国的James Black(1924-2010)当时在ICI药厂工作。他请药物化学家John Stephenson合成了DCI,研究发现DCI不是简单的拮抗剂,而是部分激动剂,其激动的作用小于肾上腺素等完全激动剂,所以与后者同时作用的时候显出抑制完全激动剂,但本身单独作用时显出激动剂的作用。Black等以DCI为基础,获得衍生化合物,从中找到新的化合物(nethalide or pronethalol)可以抑制β受体(Black and Stephenson,1962)。它可以减慢心跳,缓解心绞痛。但它引起老鼠胸腺癌,不能临床应用。Black继续和同事筛选更多的衍生物,找到了心得安(propranolol)(Black et al.,1964,1965),可以治疗心绞痛、心律失常、高血压,甚至有人用于控制上台焦虑问题,很快成为一段时期销量最大的药物,今天全世界每年仍有数千万人使用β受体拮抗剂。研究神经递质的第一个最大用处在心血管疾病,既在意料之外,也在情理之中,肾上腺素最早被发现的作用就是影响心血管(Oliver和 Schäfer,1895)。

类似的研究提示β受体可以细分为β1和β2(Lands et al., 1967a,1967b)。在解释为什么可以观察到肾上腺素激动剂可以抑制突触前去甲肾上腺素释放时,阿根廷药理学家Salomón Langer提出α受体分为α1和α2,其中α2分布于突触前膜负反馈调节去甲肾上腺素的释放(Langer, 1974)。我们现在知道,人类有22种胆碱能受体(5种mAChR和17种nAChR),9种肾上腺素能受体(3种α1、3种α2、β1、β2、β3),5种多巴胺受体,14种五羟色胺能受体。神经递质刺激这些受体后触发细胞内不同的反应,在不同靶器官、靶组织、靶细胞引起不同后果。其中一些与疾病相关,包括神经系统的疾病(如多巴胺与帕金森病的关系、抑郁症与五羟色胺的关系等等),也包括神经系统外的部分疾病。

 

神经的传递是神经系统运行的核心概念之一。科学家好奇的基础研究发现规律,而研究过程交织着科学家对药物的兴趣,最后不仅发现了基本原理,而且发明对人类顽疾有治疗作用、广为应用的药物,其作用不限于神经系统,而涉及相关的系统:被神经调节的系统和与神经系统原理相似的系统。

 

2019年,在以往人们逐个研究神经递质及其受体的基础上,在人们希望了解脑和神经系统连接的时代,饶毅实验室提出了“化学连接组”(chemoconnectome,CCT)的概念,一改过去仅注重单个递质及其受体的方式,将一种动物全部已知的神经递质、神经调质、神经肽及其所有受体作为有生物学重要性的整体,由此同时提出“化学连接组学”(chemoconnectomics)的研究途径,通过全面系统地研究CCT作为研究神经环路的切入点,并制作了用于化学连接组学的遗传和分子工具,以推动发现化学上确定的、在实验动物可以操纵的神经环路。神经化学传递的研究,并非过去时,也是现在时、还是将来时。

 

注1:生物电被发现后,曾成为时髦。Galvani的侄子Giovanni Aldini(1762-1834)周游列国表演用电引起死人腿收缩。诗人雪莱(Percy Shelley,1792-1822)的夫人(Mary Shelley,1797-1851)有感而发:“可能尸体都会被电复活啊”。她于1818年出版了Frankenstein or Modern Prometheus一书,描述了白天是天使、晚上是魔鬼的科学家。

注2:有些离子通道不是分布于所有神经,而特异性分布于部分神经。一个有趣的例子是人类传输痛觉的神经纤维都用一种特异的钠离子通道Nav(1.7)。有一种病称为“红斑肢痛症”:患者会自发或者受到轻微的刺激就出现肢体剧烈疼痛、皮肤红、灼热。荷兰遗传学家与美国阿拉巴马州的医生合作分析含多个病人的家系,发现其为2号染色体有约50个基因的特定段落出现突变。北京大学第一医院的杨勇发现一家三代有“红斑肢痛症””。他进一步分析了这50个基因,提出其中编码钠离子通道的基因SCN9A是最可能的致病基因(Yang et al., 2004)。2006年,英国遗传学家进一步专门研究极为罕见的三个先天缺乏疼痛的家系,发现他们都是因为发生SCN9A的功能缺失型突变而失去痛觉感知能力,他们都有正常的触觉、压觉、温度感觉、本体感觉。SCN9A基因编码Nav1.7蛋白质。

注3:Schmiedeberg的一系列药理学发现和他培养德国药理学家,为药理学之父,也是直到二战之前德国药物工业繁荣的重要因素(Koch-weser and Schechter,1978)。

注4:Schäfer在科学上提出“内分泌”概念。另外,为纪念自己的导师William Sharpey(1802-1880),Schäfer命名长子为John Sharpey Schäfer。儿子去世后,为了纪念老师和儿子,他改自己姓为Sharpey-Schäfer。

注5: Henry Dale(1875-1968)有较好且较广的训练。他于1894年至1900年在剑桥大学三一学院,受John Langley和Walter Gaskell(1847-1914)的影响。其后到伦敦的St Bartholomew医院两年,再到伦敦大学学院(1902-1904),在Ernest Starling和William Bayliss的生理系随Starling开展研究。他还遇到来访的Otto Loewi开始了他们一生的友谊。1903年10月至1904年2月,他到德国科学家Paul Ehrlich(1854-1915)的研究所工作了四个月。1904年,他被Henry Wellcome邀请加入伦敦郊区的“Wellcome生理研究实验室”。Wellcome于1880年与其美国同胞Silas Burroughs建立了卖药片的公司,1894年建立Wellcome Physiological Research Laboratories,但所成有限。1904年,他为加强研究找到青年俊杰Dale,后者的老师都劝其不要为五斗米折腰(selling his medical and scientific birthright for a mess of pottage)(Feldberg,1970)。29岁的Dale在接受51岁的Wellcome邀请前询问工作的稳定性,Wellcome说已立遗嘱死后继续支持研究。Dale当然知道遗嘱可立也可改,但他接受了职位并一做十年,其中前18个月为药理学家,后8年多为实验室主任。Wellcome不仅给了Dale高工资,而且说你做基础研究就可以。Dale当时并不知道做什么好,Wellcome提出麦角(ergot of rye)好像挺有意思,Dale确实做了,而且硕果累累(Tansey,2006)。Dale在Wellcome实验室的研究奠定他获1936年诺贝尔生理或医学奖,Wellcome说话算数, Wellcome的财产成为Wellcome Trust,今天英国最大的慈善基金、世界第二大慈善基金,每年利息支持英国的医学研究。

注6:肾上腺素的另一英文名称epinephrine。现在一般欧洲和日本用adrenaline、美国多用epinephrine。实际adrenaline和epinephrine都在美国发现,而最早发现epinephrine的科学家John Abel得到的是苯酰基化的、失活的adrenaline。旅美日裔科学家Jōkichi Takamine发现的是adrenaline。正确的命名应该是adrenaline(Rao,2019)。

注7:在柏林与犹太科学家Feldberg合作研究乙酰胆碱的德国科学家Otto Krayer是世界历史上较为罕见的为了原则不惜失去工作和生活条件、为他人不惜损害自己利益的科学家。他在1933年获得德国一所大学的教授职位,他不仅口头拒绝,且书面声明不接受的原因是认为该大学撤销前任犹太人工作不公平,所以他不仅不能继任,而自己不能对犹太教授遭遇不公还保持沉默。Krayer因此被禁止在德国大学任职、不能用公共图书馆。他于1933年底被迫离开德国,经英国、黎巴嫩,1937到美国哈佛医学院,1939年起任药理系主任至1966年。

注8:Ulf S. von Euler出生于科学世家,其五代曾祖为数学家欧拉(Loenard Euler,1707-1783),其外公Per Teodor Cleve(1840-1905)发现过两个化学元素、还对另两个化学元素的发现有贡献,父亲Hans von Euler-Chelpin(1873-1964)为1929年诺贝尔化学奖得主,母亲Astrid Cleve(1875-1968)为瑞典第一位女科学博士。1931年他与英国药理学家合作发现第一个神经肽(P物质)(Euler and Gaddum,1931),1935年他和英国的Goldblatt分别独立发现前列腺素(Euler,1935,1936;Goldblatt,1935),1946年他证明去甲肾上腺素是交感神经的神经递质(Euler,1946)。

 

本文为饶毅《生物学概念与途径》之第九章

 

转自:赛先生

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