學習與記憶（二）：鈣/鈣調蛋白依賴激酶 II -CaMKII

一、記憶與Hebb規則

神經生理學家Cajal在1894年提出，記憶的形成可能是通過強化兩個神經元之間已存在的連接來提高它們溝通的有效性的。1949年，Donald Hebb在《行為的組織》中提出設想：當細胞A的軸突離細胞B很近，足以激活它，並重複或持續地激發它時，它們中的一個或兩個細胞就發生了某種生長過程或代謝變化；以這種方式，在所有能激活B的細胞中，A的效率被提高了。也就是說，一起放電的神經元會聯結在一起。

Neurons that fire together wire together.

這就是Hebb規則。

後來，神經科學家發現，長時程增強效應（Long-term potentiation，LTP）或許可以被視作記憶儲存的Hebb機制。它滿足了以下五點要求：

1. 快速誘導性（rapid induction）。LTP能被突觸前細胞的一個或多個強直刺激（tetantic stimuli，指的是一串高頻率的單個神經電信號）快速誘導出來。
2. 穩定性（stability）。LTP能穩定存在幾個小時。
3. 輸入特異性（input specificity）。一旦被誘導出來，LTP會穩定存在於一個突觸以內，而不會傳遞到另一個突觸內。
4. 結合性（associativity）。結合性指的是，單一通路的弱刺激不足以誘導LTP時，若同時另一條通路有強刺激，那麼就會在兩條通路都產生LTP。
5. 協同性（cooperativity）。LTP要麼能被單一通道的強烈強直性刺激誘發，要麼能被多個弱刺激協同誘發。

第四點和第五點在學習與記憶中尤為重要。

二、LTP/LTD：學習的細胞模型

上述的這種突觸可塑性在海馬CA1區很容易就能觀測到。研究者們利用的是一種叫做「場電位記錄（field potential recording）」的方法。它能測量一組神經元或一小塊區域的興奮性突觸後電位，用pEPSP或fEPSP來表示。在CA3區通向CA1區的謝氏側支（Schaffer collateral，SC）插入刺激電極，然後在CA1區插入記錄電極，就能記錄到結果。

上圖中，最先出現的是刺激偽跡（stimulus artifact），表示的是外加刺激。接下來出現的是突觸前纖維群峰（presynaptic fiber volley），表明突觸小球開始釋放神經遞質。隨後出現的大波峰就是fEPSP了。如果使用高頻刺激，則波幅變大，出現LTP；若使用低頻刺激，則出現LTD，也就是長時程抑制作用（long term depression）。由於大腦將持續的低頻刺激視作隨機的背景刺激噪音，或是已被認定為無關的刺激，所以它對低頻刺激的反應性減弱。

?

三、聯想學習的簡化模型

生活中，我們經常會有這種體驗：聞到某種氣味時，腦海里突然就浮現出一些往事的畫面。這種聯想記憶是如何形成的呢？簡單來說，學習誘發了突觸有效性的改變。

CA1區記憶神經元往往有著豐富的樹突，其樹突刺（dendrite spine）有成千上萬的突觸連接，不過這些突觸的連接強度並不相同，而是有的強，有的弱。現在，我們假設一個神經元同時含有關於「玫瑰花」的視覺信息輸入突觸A和嗅覺信息輸入突觸B，但前者很強，後者很弱。也就是說，當我們看到一朵玫瑰花時，突觸A對該神經元的刺激足以產生一個動作電位，而突觸B的刺激只能產生弱突觸興奮性後電位，不足以產生動作電位。

但如果此時，突觸A和突觸B同時刺激該神經元，那麼不僅神經元能產生動作電位，並且突觸B內也發生了一些變化，增強了其刺激有效性。這種協同刺激反覆若干次後，就算只有突觸B的刺激，也能使神經元產生動作電位。

突觸B內發生的那些變化中，有一種酶（CaMKII）和一種受體（NMDAr）極為重要。

四、CaMKII對突觸作用的影響

1. CaMKII的結構

CaMKII在LTP的形成中起到非常關鍵的作用。突觸後緻密帶（postsynaptic density，PSD）中存在著高濃度的CaMKII。一般情況下， 它與谷氨酸NMDA受體（NMDAr）結合在一起，能夠很快吸收通過NMDAr進來的Ca++，並受到Ca++的調節。

CaMKII包括四個結構域：酶催化結構域（catalytic domain），抑制結構域（inhibitory domain），Ca++/CaM（Camodulin，鈣調蛋白）結合域（CaM binding domain）和聯合域（association domain）。催化域上有ATP結合位點和其他基底錨蛋白。抑制結構域和CaM結合域並稱調節域（regulatory domain）。當Ca++與鈣結合域上的T305位結合後，抑制域的T286位點發生自我磷酸化（autophosphorylation），變為T286P，此時CaMKII的活性不再依賴於Ca++或CaM。也就是說，當鈣離子脫離後，CaMKII仍然保留了40～60%的活性，並且能夠磷酸化鄰近的CaMKII。

2. CaMKII增強突觸後電位

讓我們來梳理一下CaMKII是如何增強突觸後電位的。首先要提到NMDAr。

突觸後膜上存在兩種穀氨酸受體，AMPAr和NMDAr。它們都能吸收Na+，排出K+。不同之處在於，AMPAr在谷氨酸與其結合後立刻打開通道，吸鈉排鉀，產生突觸後電位。但是NMDAr上除谷氨酸結合位點外還有Mg++門控開關，並且對Ca++也有高通透性；只有當谷氨酸與其NMDAr結合，膜上又有足夠強的電位變化時，Mg++就會被排出，從而打開通道。

NMDAr打開通道後，Na+和Ca++都進入了膜內。電位不僅升高，而且激活了CaMKII。這時，就算NMDAr通道關閉，也仍然能在突觸後膜內發生鈣級聯反應，其中包括促進AMPAr基因表達，激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、酪氨酸激酶（tyrosine kinase）和NO合成酶。PKC直接作用於釋放機制，促使遞質囊泡移動至末梢活動帶的可釋放遞質庫，易化遞質釋放，同時也能使突觸前末梢L-型鈣通道開放，使末梢釋放谷氨酸增加。NO則是通過擴散作用擴散到前膜來增加突觸釋放的。突觸釋放增加反過來又能繼續使後膜離子通道開放，因而形成。

另外，CaMKII還在AMPAr從胞體移動到特定突觸後膜上的過程中起標記（synaptic tagging）和捕獲作用（synaptic capture）。

CaMKII有多種異構體，包括alpha-和beta-CaMKII。自1992年始，對alpha-CaMKII的研究延續了26年。

3. 缺乏CaMKII會改變後電位幅度。

後膜內同時存在LTD磷酸化（phosphatases）和LTP激酶（kinases），它們同時作用。低頻/低強度（小於10Hz）的刺激更多激活了LTD磷酸化酶，若刺激增大，則LTP激酶的激活逐漸佔主導地位。

4. CaMKII T305/6位點的磷酸化

當Ca++從鈣結合位點上脫離後，T305/6位點也能被磷酸化，且其磷酸化之後導致鈣依賴性的活動被急劇減弱。這種T305/6位點的磷酸化被稱為抑制性磷酸化（inhibitory autophosphorylation）。

T305/6磷酸化究竟起到什麼作用？它控制著什麼過程？如何影響突觸可塑性，如何影響行為？與人類腦疾病是否有關？為了回答這些問題，研究者們製造了三種攜帶alpha-CaMKII變異基因的小鼠。

• αCaMKII TT305/6VA。該變異小鼠的αCaMKII的T305/6位點被無法磷酸化的氨基酸替代，因此這種小鼠的αCaMKII無法發生抑制性磷酸化。
• αCaMKII T305D。T305位點被帶負電的Asp（天冬氨酸）取代。Asp能干擾Ca+/CaM的結合，使T305長時間被磷酸化。
• αCaMKIIΔ。對照組。αCaMKII的外顯子2被敲除，從而導致αCaMKII無法被表達。

結果：

• TT305/6VA中，T286的磷酸化沒有受到影響；T305D中，因Ca+/CaM無法很好地與T305D結合，T286的自我磷酸化過程被嚴重阻礙。
• 儘管TT305/6VA變異使αCaMKII表達水平減半，但其在PSD中的濃度與未進行任何基因改變的野生小鼠相同。這說明TT305/6VA變異使其與PSD結合更好。另外，PSD中beta-CaMKII的濃度也升高至野生型的3倍。T305D小鼠PSD中的CaMKII總量為野生型的1/4，αCaMKIIΔ的則為野生型73%。結論：T305/6位點的抑制性磷酸化過程影響了CaMKII在PSD的錨定。
• 實驗中，100Hz的電刺激在野生型小鼠上誘發了明顯的LTP，而在T305D小鼠上沒有觀察到LTP，αCaMKIIΔ的LTP程度也大幅降低了。但是TT305/6VA小鼠的LTP與野生型相比，沒有明顯差異。若使用10Hz的強直電刺激，野生型小鼠不能產生LTP，但是TT305/6VA可以產生明顯的LTP。結論：抑制性磷酸化過程不會影響100Hz下的LTP，但它會影響LTP誘發閾限，使LTP和LTD平衡點被改變了。

5. 啟動效應（priming）對可塑性的影響

思考一個問題：當突觸受到強刺激（比如100Hz的電刺激）時，會產生LTP；但如果在給予強刺激前先給予一段時間非常弱的弱刺激（比如1Hz），那麼突觸強度還和原先一樣嗎？如果不一樣，是比原先更強，還是更弱？

答案是LTP減弱。為什麼？

?回憶一下，當受到強刺激時，後膜的CaMKII會被激活，發生T286的自我磷酸化。但是當受到弱刺激時，後膜內發生的是T305/6位點上的抑制性磷酸化。該過程使得其後再接受強刺激時，T286位點上的磷酸化程度減弱，因此突觸強度下降。

六、總結

1. LTP的誘發必須有αCaMKII參與
2. αCaMKII抑制狀態決定了LTP/LTD的誘發閾限

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