学习记忆的分子药理学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,科学家致力于发现和开发认知功能改善药已经历了漫长岁月，至今热情不减，原因有二：,其一，尽管人类的智能已越来越成熟，人类认识世界改造世界的本领已超过了他们得之自然的物质实体，超出了生物所固有的限制，但就人类的每一分子来说，一般只能利用大脑潜力的十分之一；,就生理研究现状来说，人类对自己智能的科学了解还很不够，揭开“记忆之谜”，充分发掘和利用大脑功能，找出增进学习与记忆的方法和药物，成为各国科学家孜孜以求的共同欲望。,其二，各类神经系统疾病无一例外地都出现认知功能障碍，老年人都为记忆减退所苦。在我国60岁以上的老人已超过一亿人，这是一个多么大的数字？但目前临床上治疗认知障碍的药物为数极少，或效果不佳，或毒副作用较大。近年来科学家证明患有轻度认知障碍（MCI）的病人比未出现MCI的病人死亡率高，发展为疾病的比例大；如能控制MCI，则发展为疾病的风险及死亡率大大降低。,以上情况证明研制出有效安全的认知功能改善药物至为必要和紧迫。,学习至少可以分为四种形式：知觉学习、刺激-反应学习、运动性学习和关系性学习。,知觉学习,是对世间万物以及千变万化的客观环境进行鉴别和归类；,刺激-反应学习,是对特有的刺激进行特定的反应的能力，它既可以是一个简单的自卫反应，也可以是我们习得的一连串复杂的活动。科学家们对两种主要的刺激-反应学习形式-经典性条件反射和工具性条件反射进行了深入地研究；,运动性学习,是刺激-反应学习的一个组成部分，是中枢的运动系统发生了改变；,关系性学习,是习得不同刺激间关联的过程，包括空间学习，情景学习，观察学习。,总之，学习可以改变我们的知觉、行为以及思考的方式，让我们获得知识、信息，取得经验，感知和认识世界。,记忆是学习训练的结果，通过学习而引起的行为变化被保留下来，并在需要时被提取出来，这就是记忆。,有些记忆仅保留几秒钟（称为感觉记忆）；有些记忆可保留几分钟，几小时，几天，几月乃至终生不忘。这类记忆又分为两种，一种是比较不巩固的，易忘的，不易回忆的，记忆的痕迹较弱，只能维持几分种至几小时，被称为近期记忆；另一种是比较巩固的，甚至保留终生的，在脑内有较强的记忆痕迹，使储存的信息能随时被提取出来，如自己的姓名，日常用语等。,记忆有各种分类方法，按记忆的对象和回忆的方式可分为陈述性记忆和非陈述性记忆。,陈述性记忆,是使人们记住事实和事件的过程，例如记住某人地址，想起你遇到过的某人的姓名，回忆起今天上午在哪里停车等，这一类型的学习也可称为有意识的记忆或能用语言表达的记忆，与之相反；,非陈述性记忆,被广泛应用于各种学习过程，名括程序性技巧（打字、玩球等）条件反射（情绪反应，运动反应等）先导（潜意识记忆，能影响以后的行为）和习惯的形成（操作性条件反射-动物为获得奖励或滥用药物而学会某一操作等），这类学习具有自主或反射的性质，不能用语言表达出来。,综上所述，学习和记忆的意义在于：人类所处的周围环境和社会十分复杂，千变万化，有了学习、记忆功能才能生存和正常生活，进行人员之间的沟通和了解。学习记忆带给人类的最大恩惠是适应环境，认识世界进而改造世界，同时也改造人类自身。,除学习记忆外，其它心理因素对认知功能也十分重要。例如觉醒和注意是学习记忆的前题条件，一个学生在课堂上昏昏欲睡，他能听到学到什么？注意力不集中，或注意力分散，他的学习效率明显低下。多动症儿童学习成绩差，盖因他患有注意缺陷。,再如，一个信息到达大脑，在作出反应前要对信息进行加工，想象、判断、期待、推理等心理过程在信息加工过程中起重要作用。大脑首先要对到来的信息进行评估，同时回忆类似事件的早期经验，从已经贮存了有关这方面的知识，想象可能出现的后果，或没有预先贮存，但可依据已有的其他知识，以某种方式进行推想。这样，便可对是否要作出反应进行重新评价，如果估计是好的，情绪变得活跃，欢乐，决定作出反应，接近目标，反之，情绪变得畏惧或表现出愤怒，决定不予反应或与之战斗或逃走,（详见图1）。,图1 从知觉到决定和行为,又如，语言、文字和符号是人类所特有和最重要的学习和思维方式。语言能促使人们使用概念进行思维，而不用具体的东西进行思维，这就大大简化和促进了认知过程，人类的语言也有助于建立新的暂时联系，即使没有物质的刺激人们也能根据第二信号系统形成很多的暂时联系。文字进一步促进了了解的过程，使面对面的接触变得并非是不可少的，使人类能把长期积累起来的知识和精神财富贮存起来，从一个人传给另一个人，从这一代传给下一代。,二、认知功能的评价系统,目前学者们主张采用行为学和电生理学方法来评价药物对认知功能的作用，这两种方法结合起来使用比较合理、客观和符合心理生理学原则，下面介绍采用这两种方法的根据、原理和优缺点。,学习记忆是一种心理过程，不可能直接测量，只有根据观察到的刺激反应来推测脑内发生的过程。对脑内记忆过程的研究只能从人类或动物学习某项任务后间隔一定时间，测量他们的操作成绩和反应时间来衡量这些过程的编码形式、贮存量和他们依赖的条件等等。,行为学方法：,研究学习记忆的行为学方法不下百余种，有惩罚性效应，有奖励性效应，不管是哪种类型的学习记忆方法，其基础都是条件反射，即内在和外界刺激作用于感受器，转换为神经冲动，沿着传入神经到达中枢后，经加工又沿着传出神经到达效应器（肌肉和腺体等）引起反应。,以回避性条件反射为例，小鼠从安全平台跳下来会受到电刺激，电刺激引起的痛觉沿传入神经到达中枢，经中枢识别这是一种伤害性刺激，于是沿着传出神经下达回避反应的指令，小鼠跳回安平台，以逃避再次电刺激。聪明的小鼠能记住平台下的铜栅有电，待在平台上才安全。反复接受电刺激（称为错误）说明学习成绩差，或屡遭电击而不逃回平台进行回避，说明有记忆障碍。,行为学测定操作简单，可以定量测定潜伏期和错误次数，实验时间短，短时间内可完成百余只动物试验，故广为应用。其缺点是影响行为学结果的因素多，动物个体间的差异大，对测定的时间和环境因素要求严格，重复性差。,脑神经元犹如其他细胞一样，具有生物电。虽然这些电信号非常微弱，但经放大后，输入阴极射线示波器，便可被观察或记录下来。本实验主要是利用电生理技术测定突触长时程增强（long term potentiation,LTP）。LTP是指在一定强度和频率的刺激下，突触传递会增强，并维持较长的时间。LTP分为诱导，表达和维持三个时相。细胞外记录LTP表现为场电位增大，峰电位（PS）幅度增大，潜伏期缩短。,电生理实验：,越来越多的资料显示，海马结构中的LTP现象与多种形式的学习记忆活动密切相关。现普遍认为LTP是在突触和细胞水平上的一种学习形式，是学习记忆的神经生物学基础。因此，它用于认知功能的评价是相当合理的。这一技术所需设备不多，操作不复杂，更为重要的是结果稳定，重复性好，脑内给药只需很少量样品。促智药在临床应用多为时间长和采用口服给药，为符合临床给药情况，可采用清醒动物或自由活动大鼠进行口服给药和LTP测量，这样，既符合临床给药情况又可排除麻醉药（麻醉鼠实验）对LTP的影响。,认知功能评价的一些特殊考虑：,1、各种神经系统疾病引起的记忆障碍的原因是不同的，有的病因比较单一，有的病因是综合性的，在病程和发病机制上也有所不同。如果要研究发现一种针对某个疾病的认知功能改善药，须作特殊考虑，也即在病理模型上要基本符合该病的病因和发病机制，用一般常规记忆障碍模型是不可取的。,例如老年痴呆，其主要临床表现是进行性记忆和其他认知功能障碍，除了中枢胆碱系统的功能，结构的缺陷，还有A、早老素、载脂蛋白E4，神经纤维缠结和细胞内钙超载，自由基生成增多，兴奋性毒性参与记忆障碍的形成。无论是应用东莨菪碱，缺血、缺氧、氧应激或损毁中枢胆碱神经的模型都不能反映老年痴呆认知障碍的特点。,目前评价老年痴呆认知改善药，最好采用APP转基因鼠或老年鼠。前者可观察到A沉积，神经元凋亡，脑内乙酰胆碱及其受体密度下调和胞内钙超载、自由基、兴奋性毒性等表现，这种鼠的记忆障碍随年龄增长而加重；后者在生物、形态等方面与老年痴呆近似，有时也有A沉积，其认知障碍也随年龄增大而加重。要观察药物对符合该病的病因其他疾病认知障碍的影响，制做的模型也尽可能符合该疾病的病因和发病机制，在此不赘。,2、全球科学家为发展认知功能改善药进行了积极的探索和艰苦的努力，研究方向大致分为两类：一类是研究开发认知障碍改善药，用于疾病的治疗，一类是研究寻找认知功能促进药，后一类又称为促智药（nootropics），这个词是从希腊noos（脑）和tropein（指向）组合而成，可释作促智药或向智药。,从事和器重这类药的科学家认为，促智药应能促进学习记忆或对损伤的学习或脑损伤起保护作用。可见，促智药既能增进正常人的智力，又能预防认知障碍的光临。,应该指出的是，这类药的研究必须采用正常动物包括成年鼠和幼年鼠，在观察指标上也有特殊要求：（1）是否促进了神经发育（2）是否提高了神经可塑性如突触可塑性，海马神经发生（3）是否启动了神经保护机制或神经保护信号转导途径，前者如神经营养因子的生成和表达，后者如cAMP-PKA-CREB磷酸化一转录和表达有神经保护作用的基因产物。,三、,学习、记忆的神经生理生化和分子生物学机制,3.1.学习、记忆的基本概念及神经生理生化机制,（一）学习,学习是指新行为（经验）的获得和发展。可分为以下的类型：,1 惯性（habituation）,2联合学习（associative learning）,（1）经典性条件反射（classical conditioning）,（2）操作性条件反射（operant conditioning）,（3）碰试或尝试错误（trial&error）,3潜伏学习（latent learning）,4顿悟学习（insight learning）,（1）期待（expectency）,（2）完性知觉（Gestalt perception）,（3）学习系列（learning sets）,5语言学习或第二信号系统的学习,6模仿（imitation）,7玩耍（play）,8铭记（imprinting）,在上述学习类型中，“惯化”是普遍存在于动物和人类的一种学习现象。有人认为“尝试错误”是动物或人学习的一种基本规律，可是，也有人用实验证明，动物并不总是靠盲目地尝试错误解决问题，有时它可以突然抓到问题的关键，因而把这种学习叫做“顿悟”，还有像巴甫洛夫这样的科学家根据条件反射实验研究，认为学习的过程就是建立条件反射的过程。,（二）记忆,记忆是指习得的行为的保持和再现，记忆的过程可分为识记或获得（registration或acquisition）、贮存和巩固（store和consolidation）以及再现或再认（retrieval或recognition）三个阶段。根据记忆的内容，可分为形象记忆（表象记忆）和运动记忆（动作记忆）。根据记忆中信息贮存持续时间的长短，又可分为感觉记忆、短时记忆（又叫第一级记忆）和长时记忆（又分第二级记忆和第三级记忆）等类。关于人类各记忆类型的特征，可参看表1。,表1 人类各记忆类型的特征2,感觉性记忆,短时记忆,第一级记忆,长时记忆,第二级记忆,第三级记忆,容量,信息传至感受器极其有限,小,很大,很大,保持,少于1秒,几秒钟,几分钟至几年,永久,储存,在感知中自动存入,通过语言表达按先后到达顺序存入,需经复习,按语义和信息重要性加以储存,反复实践,再现,限定于读出速度,迅速,慢,迅速,信息类型,感觉,语言,所有类型,所有类型,遗忘类型,渐弱和消失,新信息代替旧信息,顺行性和逆行性干扰,可能无遗忘,（三）学习、记忆的神经生理生化机制,1神经元机制,神经回路学说认为，学习过程是有许多神经元群参加的，神经元往往是以一定时空模式相互联结起来以形成回路。在中枢神经系统特别是大脑皮层中存在大量闭合回路，它是实现学习记忆的最简单的神经回路。当这种回路中有神经冲动反复运行时，便向四周传递兴奋信息，从而形成反响回路（reverberating circuit）。该回路的形成，对学习记忆起着决定性作用。反响回路的活动可因无关信息的干扰，新信号的出现或其它原因终止回路的活动，故其持续时间是有限的。但如果反复运行的神经冲动，带来了有关突触的结构改变，这时不稳定的记忆痕迹便巩固成为结构痕迹。激活相应的突触即可再现记忆的内容。神经冲动反复运行的概念与人们的这一主观体验是一致的；我们为了学习某件事，必须多次复习，也即让它不断地通过我们,的意识，以求最终保持下来。,再一种理论认为，在学习过程中，突触的效能发生了变化，或说产生了突触传递的易化作用。已有许多实验证明，在长短不同的一串强直刺激作为“条件”刺激作用于突触后，同样刺激引起的反应要比对照的大，此称之为强直后强化（PTP）。PTP这一现象在神经系统中较为常见。由于海马被认为与人类记忆有较大关系，所以对海马PTP的研究就格外引人注目。,Bliss等证明，每隔半小时左右给一串强直刺激后，从海马颗粒层细胞外记录中观察到，最初几串强直刺激并不引起明显的PTP，但随着所给强直刺激的增多，PTP的幅度既高，持续时间也更长。其可能的机制是：突触前轴突膜由于受到反复的刺激，导致动作电位幅度变大和突触前钙离子浓度升高，二者均使神经递质释放增多，突触传递功能因而得到改善。Dolphin观察到强直刺激引起的长期强化（LTP）伴有突触前纤维谷氨酸释放的持续增加，认为这一兴奋性递质的释放至少是LTP的一个机制。,另外，突触的易化反映突触部位的结构发生了改变。这一看法得到以下两组实验的支持：其一，小鼠于出生后立即被移去双眼或饲养在黑暗环境里，由于视觉皮层废用的结果，在组织学和功能上均见退行性改变；其二，Rosenzweig等观察到，在丰富环境中生活30至160天的大鼠，其大脑皮层的重量及厚度较之枯燥环境和一般标准饲养组有明显增加。幼鼠从断乳开始在丰富的环境中生活仅4天，就可引起脑和皮层重量的明显增加。其他作者得到相似的结果。并证明丰富环境中生活的大鼠皮层在微观结构方面的变化表现为神经元的树突的长度和分支均增加以及胶质细胞增多等。由这些微结构的变化，使人可以推测神经元之间的相互联系增加，反映某些新的联系的建立，而胶质细胞数量的增加可以对活跃的神经元起到更好的支持作用。,2生化机制,学习记忆的生化学说主要用来解释长记忆的形成。该学说认为，通过学习而获得的经验与行为，是由神经元内部的RNA分子的结构承担贮存任务，也即通过细胞核特殊RNA结构变化的密码使新的经验长久保存下来。Hyden在不同种动物中进行不同要求的学习训练时，发现在训练所要求的脑的相应机能部位中RNA增加，其增加的程度与训练时间成正比。另有实验证明，在某类学习过程中RNA的四种核苷酸组不能排除这种改变纯系非特异性的。,为了寻找RNA与学习、记忆的特异性关系，有人进行了所谓“记忆迁移”的实验，即从受过某种训练而具有某种经验的动物脑中提取RNA而后将这种RNA注射到未经训练的动物身上，看其能否较容易地获得那种经验，虽有的实验结果是阳性的，但重复性很低。关于记忆物质的另外一种假定，即认为存在着某种特殊的蛋白质承担记忆贮存任务。人的大脑可以产生100109个不同的蛋白质。通过学习产生的新蛋白质在几分钟内即可构成记忆系统。反之，用蛋白质合成抑制剂如嘌呤霉素，环己酰亚胺、茴香霉素等观察到，脑内蛋白质合成受到明显抑制时，记忆过程也遭到破坏。,但持反对意见的也甚多：（1）蛋白质,合成受抑制及其引起记忆障碍的程度之间往往无平行关系；（2）蛋白质合成抑制剂在引起记忆障碍的同时，机体正常组织也蒙受损害，不能排除非特异性因素影响；（3）一些化学药品可拮抗蛋白质合成抑制剂引起的记忆缺失，但这些药品并不影响蛋白质的合成。尽管如此，一般仍认为新蛋白质的合成的学习中有重要意义。,3神经递质、激素和肽类物质的作用,胆碱能系统与记忆过程密切相关，胆碱能突触（主要是M型）可能是记忆贮存的内存系统之一。儿茶酚胺类系统（主要是-肾上腺能激活系统和多巴胺能神经激活系统）可能不包含记忆的径路，但具有外在调节作用，这类作用很可能与动机、情绪和觉醒有关。相反，5-HT和GABA可能阻抑学习和记忆。,已知可影响学习、记忆的神经肽包括：血管加压素，催产素，ACTH，MSH，赖氨酸垂体激素，促甲状腺激素释放激素，促黄体素释放激素和脑啡肽类等。目前以ACTH、加压素和鸦片肽类研究最多。在肽类研究中，有几点进展：（1）它们对学习记忆的作用与其经典的生理活性无关。（2）ACTH和MSH的活性片断均为ACTH410。,（3）上述许多肽类物质已人工合成成功并合成了大量类似物和衍生物。构效关系的研究为找出活性基团和指导新药寻找起到很大作用。例如ACTH49，其8位精氨酸由赖氨酸取代，9位色氨酸由苯丙氨酸取代和甲硫氨酸残基的-SCH3氧化成为SO或变成SO2，其行为活性增加1,000倍。又如血管加压素，已弄清N-末端的环结构主要影响记忆的巩固，而C-末端氨基酸与记忆再现有关。（4）关于下丘脑肽如ACTH、MSH和血管加压素等促进学习记忆的机制，据认为与脑内新蛋白质合成有关。但也有人认为加压素主要是通过去甲肾上腺素能系统而发挥作用。鸦片样肽对学习记忆的作用可能是影响情绪、动机和引起欣快等的结果。,3.2 药物作用与神经可塑性,神经可塑性是神经系统的基本特征之一，是现代神经生物学的热点之一。神经可塑性是指中枢神经系统在形态结构和功能活动上的可修饰性，它体现在神经细胞新生、突起再生、突触可塑、神经网络重组和功能脑区转移等，其生化改变涉及神经递质、调质及其受体、神经营养因子、基因、蛋白等等。它的这一特点使它具有延缓,衰老、延缓疾病发展过程或加快疾病康复等作用。,神经可塑性的主要表现是突触可塑性，突触可塑性分为突触结构可塑性和突触功能可塑性。前者指突触形态的改变、新的突触连接形成和突触功能的建立，是一持续时间较长的可塑性，后者是指突触的反复活动引致突触传递效率的增加或降低，包括长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD），这二者被认为是学习记忆的神经生物学基础。神经可塑性研究的一项重要发现是成年哺乳动物的齿状回中仍保有一群具有自我分裂、增殖和分化成神经元的前体细胞，增生后分化成神经元移入颗粒层伸出轴突到苔藓纤维通路组成突触连接，在生理条件下这些细胞的再生能力很低，但特殊的环境和某些病理条件以及某些生成因子作用下增殖水平急剧升高产生大,量新生神经元，这是最有意义、最完美的神经可塑性。,认知功能障碍的治疗：,认知是大脑对外界事物的全面感知，包括感觉、知觉、思维、注意、学习、推理、判断、想象、概念和语言等心理过程，是脑的高级功能，中枢神经系统疾病无一例外地都出现认知功能障碍。,治疗认知功能障碍的基础是提高神经可塑性，包括提高突触效能和结构可塑性，启用闲置神经通路或促进新的有效神经通路的形成，合成和释放乙酰胆碱等易化学习记忆的物质，刺激神经干细胞增殖和分化成新的神经元等等。,抑郁症的治疗：,抑郁症是人类常见的情感性障碍疾病。过去认为主要病因是单胺类神经递质失调，现代研究已探明抑郁症的产生的主要发病机制是兴奋性氨基酸和肾上腺皮质酮释放和BDNF表达降低，导致能量耗竭，神经发生受抑制加速海马神经元萎缩以及神经细胞凋亡，抗抑郁药治疗可上调BDNF表达，抑制兴奋性氨基酸和肾上腺皮质酮的释放，从而抑制细胞凋亡，增加神经发生。,脑卒中和脑外伤的康复治疗,脑卒中和脑外伤的治疗原则是基于下述理论：,神经系统的发育是遗传因素和环境因素共同作用的结果，丰富环境对脑发育和脑损伤修复有显著的促进作用，也即丰富环境可刺激和引起神经可塑性的变化。,丰富环境是复杂的无生命物与社会刺激的复合体，例如动物的饲养空间增大，内置物体丰富而新奇，成员较多，不仅提供了多感官刺激和运动的机会，而且赋予了相互间社交行为的可能，众多的研究证实，丰富环境可引起神经系统形态结构的变化如脑质量增加、体积增大、皮质增厚，脑血管生成也有增加，重要的形态学改变包括神经元树突变长，树突状分支增加，树突棘数目增多，轴突增多，新突触连接形成增多，丰富环境还可引起神经生长因子、离子型谷氨酸受体和即早基因的变化。因而丰富的康复训练是治疗脑卒中脑外伤后遗症，加速康复的基本原则。此外，值得提出的是一些中药及有效或分能模拟丰富环境引起的有利于中枢神经系统的作用。,3.3 认知功能与神经发生,认知功能障碍的根本原因是脑组织受损、神经细胞丢失，成年脑的海马组织保留一群神经干细胞，它具有自我分裂的能力并能分化成神经细胞和胶质细胞。有学者研究认为,每天由神经干细胞产生的神经元有数千之多,，它的增加对保持认知功能有关，调节神经发生的因素有以下几种：,1年龄和性别,啮齿动物神经发生随年龄增大而减少，如DG大鼠21月龄时的颗粒层的神经前体细胞数减少到6月龄的10%，在雌性鼠雌激素能刺激神经发生，月经前雌激素水平最高，新产生的神经元增多，此外，怀孕和哺乳期的神经发生也增多。,2环境因素,学习和丰富环境刺激神经发生，相反，枯燥环境和应激减少神经发生，不过环境因素对神经发生的影响因动物品种而异，如应激素引起大鼠DG神经发生减少，却引起小鼠DG神经发生增加。,3饮食,如饥饿使神经发生增加，饮酒过多使海马神经发生减少。,4生长因子,bFGF可使SVZ前体细胞增殖，增加神经发生的其它生长因子包括BDNF，VEGF（血管内皮生长因子）IGF-1（胰岛素样生长因子-1）。,5脑中病理条件,中枢神经系统疾患和损伤均能影响神经发生、蒙古沙鼠全脑缺血10分钟12周后齿状回的细胞增殖增加了12倍，脑损伤也增加神经发生，最近有研究证明，脑损伤后SVZ的神经元和胶质细胞的增殖能持续至少一年，癫痫也增加鼠齿状回神经发生。,神经退行性疾病为AD，HD抑制神经发生，但也有相反的报道。,人类干细胞的临床应用前景,有关干细胞的生物医学研究才刚刚开始，但该领域的进展十分迅猛。经过多年的基础研究之后，现在，科学家们已开始将干细胞作为一种疾病治疗的工具和基础进行探讨。首先，干细胞可以替代在疾病中损伤的细胞。关于这一点，最常被讨论的是干细胞在移植治疗方面的潜在应用价值，换句话说，就是干细胞可以用来替代那些因疾病和外伤而受到损伤的组织。第二，在胚胎发育学领域，胚胎干细胞无疑是一个非常重要的研究工具。通过对胚胎干细胞的深入探讨，我们有可能能够搞清，在胚胎发育过程中一些基因和生长因子等分子所起的作用。第三，干细胞可以充当基因载体，将基因或一些神经营养因子带入到特定的脑区。最后，筛选可能的治疗性药物，发现有毒物质和发展基因操作的新方法等方面的研究，也要依赖于干细胞相关工作。下面，我们将重点介绍人类干细胞的应用前景。,1肿瘤研究,干细胞治疗是肿瘤研究的一个重要领域。人类多能干细胞对肿瘤研究和降低肿瘤负担是十分重要的。主要原因有以下两点。第一，多能干细胞可以被用于对抗癌症治疗中细胞毒药物引起的毒副作用。目前，骨髓和外周血多能干细胞已被用于高剂量化疗后病人造血和免疫系统的重建。但实际上，多能干细胞对于骨髓移植患者免疫反应性的完全重建，可能有着更大的潜在价值，这就意味着，它们可能有助于肿瘤的免疫或疫苗研究的发展。此外，癌症化疗对其他组织器官造成的损害，也可以通过补充相应的干细胞得到缓解，例如，给患者的心肌注射多能干细胞可能能够达到永久性地逆转某些化疗药物引起的心肌毒作用，而向病人脑内注射由多能干细胞分化产生的神经细胞也同样可以重建由于肿瘤治疗而损伤的脑功能。第二，由于肿瘤细胞具备某些干细胞特性，特别是自我更新能力，因此，对干细胞的分子生物学特性的深入研究，将有助于科学家们理解，在强烈化疗之后为什么肿瘤细胞依然能够存活，进而找到能够解决该问题的肿瘤治疗方法。,2神经功能紊乱、衰老、中风和脊髓损伤,临床医学方面，干细胞研究在神经系统疾病的治疗中的潜在意义远远大于其他领域。一个很明显的原因就在于，诸如帕金森病，阿尔茨海默病，脊髓损伤，中风，脑外伤和多发性硬化等多种神经系统疾病的病理表现无一例外都涉及到了神经细胞的丢失。在这种情况下，由人类多能干细胞分化来的的类型的神经细胞移植，不仅可以替代那些丢失的细胞，而且能够引起功能的恢复。,3帕金森病,在帕金林病治疗方面，以干细胞为基础的治疗方式，给各种以重建中枢神经系统功能为目的的研究提供了一很好的范例。与其他紊乱相类似，细胞移植和营养因子导入两方面的工作都在进展之中，而且初步结果显示，两种策略都有成功的希望，特别是胎脑相应组织的移植工作，结果十分令人鼓舞。体内数据表明，植入的神经元有活性，而且在其轴突所到之处，多巴胺合成和释放得以恢复至接近正常的水平；相应地，在啮齿类动物和猴子的疾病模型上，动物的行为缺陷也有明显的改善。很显然，功能的改善依赖于植入细胞与宿主纹状体之间特定的相互关联的建立，以及植入细胞的长期存活。,4亨廷顿病,亨廷顿病是先天遗传性疾病，是一种由于对缺陷的亨廷顿蛋白异常处理而导致的进行性神经退行性病变，受累部位主要在纹状体和皮层两处。该病的许多症状都是由于缺乏从纹状体发往其他诸如苍白球等处的抑制性神经连接造成的，因而细胞替代治疗的目标就是希望能够重建这些抑制性联系。由于丢失的神经元位于结构复杂的皮层-纹状体-苍白球环路之中，因此植入神经元发挥正常功能不仅有赖于与合适的突触后靶点形成联系，而且还要依靠接受正确的传入信号。研究表明，来自发育中的胚胎前脑纹状体原基的前体细胞植入后，可以在植入部位形成一个类似纹状体的结构，该结构中的某些细胞可进一步分化为成熟的纹状体投影神经元，该种神经元接受来自皮层、丘脑和黑质等处的突触传入信号，并向去神经支配的苍白球发出GABA能的神经突触。这种在神经传导环路水平的重建，足以逆转疾病造成的动作和认知等方面的损伤，这一点在大鼠模型和纹状体结构更为复杂的猴子模型上均已看到。事实上，在大鼠的HD模型中，植入细胞甚至能够重建动物形成和维持某些动作习惯的能力，而该能力无论在动物还是人类都被认为是一种依赖于纹状体的程序性的学习过程。该现象提示我们，植入的纹状体原基能够重建动物的习惯形成系统，而且该系统还能够整合并连接于宿主动物的皮层-纹状体神经环路之中。,5中风,脑局部发生缺血性损伤之后，细胞移植能否重建被破坏的神经环路，并最终引发功能的恢复呢？在全脑缺血模型中，以上设想至少在某种程度上是实现了。该研究将来自胚胎海马组织的细胞植入了受损大鼠海马的CA1区，如果移植细胞来自同种属大鼠的CA1区域，并且能够建立移植物-宿主之间的相互连接的话，动物的功能恢复是十分显著的。在局部缺血动物模型中，将胚胎皮层细胞移植入梗死的皮层之后，移入细胞能够接受到来自皮层、丘脑和皮层下神经核的传入信号，但由它向宿主脑内发出的传出信号却极少。在该实验中，只有当接受移植的动物被喂养于丰富环境之中时，方可表现出功能的改善，具体的机制目前还未明确。,6脊髓损伤,近来，有一些研究者开始尝试着用干细胞替代受损丢失的髓鞘形成细胞，例如，在啮齿类动物体内，他们已观察到干细胞的确有助于髓鞘的再生。在实验中，他们用化学方法制造了大鼠的脱髓鞘模型，然后在受损局部植入了小鼠的胚胎干细胞，结果发现，与对照组相比，植入干细胞组动物后肢又重获了一定的活动能力，但他们却无法确定，这种功能的有限恢复，到底是由于髓鞘再生还是由该治疗所造成的其他未确定的营养效应所致。,7精神和行为紊乱,大量证据表明，精神分裂症、孤独症、躁狂-抑郁症以及一些记忆障碍等精神行为紊乱性疾患的病因都是脑内神经通路或化学递质的永久性破坏造成的。科学家们正在谋略搞清这些脑功能的破坏究竟发生于何处，又骒怎样发生的。例如，有人利用非人类的灵长类动物模型探讨了这样一个假说的可能性，即造成精神分裂的原因，是在人类发育的某阶段成熟的脑细胞受到了损害。如果这一假说受到了支持，多能干细胞的研究便提供了一个窗口，从这一窗口，我们不但能够看到在精神分裂病人的脑中，究竟是什么发生了异常改变，而且可以寻找那些能够纠正这一致命性疾病的措施。相似地，对于像孤独症等发育紊乱性疾病的治疗，干细胞研究也同样提供了一线希望。,综上所述，在神经系统疾病的治疗中，干细胞研究的前景是十分乐观的，但同时，我们也面临着许多重大的障碍。例如控制着干细胞存活和分化的精确的因素以及如何把细胞导入人篱中某些合适的部位，等等。而要想解决这些问题，我们就必须深入了解神经系统干细胞的基本生物学特性，并尽快把我们所得到的知识运用于疾病治疗当中去。,干细胞研究中尚未解决的问题：,尽管我们对干细胞的了解越来越全面深入，该领域仍存在许多亟待解决的问题。,（1）成体干细胞到底有多种，它们存在于哪些组织上？体内成体干细胞的来源何在？它们是胚胎干细胞的残留，还是产生于其他方式？处在已分化细胞的乌黑之中，它们是如何保持未分化状态的？,（2）控制人类胚胎干细胞在体外进行无分化增殖的机制是什么？抑制干细胞分化的细胞内存调控机制如何？,（3）调节干细胞分化向某一特定方向进行的内存因素是什么？这些细胞内存的调节子是怎样受微环境或位置影响的？正常情况下，干细胞位于何处？,（4）可否通过对成体干细胞进行某种操作，使得它们在培养条件下的增殖能力得以提高，从而使成体干细胞能够为各种移植提供充足的可选择细胞？,（5）成体干细胞的可塑性在正常机体内可以发生吗？该性质是否只是体外培养造成的一种假象？如果正常机体内的成体干细胞也具有可塑性，那么，它是否成体干细胞的一种基本特性？调控有可塑性的干细胞增殖和分化的信号是什么？,（6）决定干细胞向着损伤或病变组织迁移的所谓“归巢”现象的因素有哪些？,（7）干细胞处于分化的哪一级阶段时最有利于移植操作？该分化阶段是否适用于所有的移植应用，或者不同的应用要求不同的干细胞分化状态？,（8）人类ES细胞的遗传印记状态对保持该细胞的增殖，诱导其分化，确定它是否适于移植等方面有无重要作用？,（9）存在通用的干细胞吗？或者说，存在一种能够产生任何器官和组织细胞的干细胞吗？,干细胞生物学目前还只是处于初期阶段，因此我们无法预言干细胞应用的将来。迄今为止的研究结果也使我们无法断言，对细胞进行怎样的操作是能够满足基础研究和临床应用？这些工作中最合适的细胞来源到底是来自胚胎，胎儿还是成体的干细胞？对这些问题的回答将有赖于更多研究结果的出现。,学习记忆的信号转导途径：,重点,学者们对非脊椎动物海兔和蜜蜂直到脊椎动物的学习记忆机制和信号转导途径进行了广泛而深入地研究，以下为常见的几种学习记忆信号转导途径。,1CAMP-PKA-CREB磷酸化,2PLC-PKC-CREB磷酸化,3NO-CGMP-PKA-CREB磷酸化,在学习记忆信号转导途径中，钙/钙调蛋白和G蛋白是启动因子，CAMP和CGMP在激活蛋白激酶中起重要作用，CREB磷酸化在引起基因表达、生物活性蛋白合成进而形成长时记忆过程中起关键作用。,四、脑内信使及信号转导途径,脑功能的阐明是自然科学领域里一个永恒的主题。人们渴望了解意识、记忆和衰老的发生及其本质，了解兴奋与抑制、耐受与成瘾、觉醒与睡眠的机制。人脑内神经元总数约有1010-1012个、胶质细胞比神经元多出10-50倍。各类神经递质、调质、激素、细胞因子及其受体何止成千上万？它们在中枢的功能是如何分工和互相协调的？作用于中枢神经系统的药物是如何与靶点结合并启动一系列生理生化反应、最终产生治疗作用的？过去，科学家难以详细和精确的回答上述问题，现在已可窥见一、二或略有端倪。,下面以脑内信号转导，从第一至第四信使为主线，向大家提供有关信号领域及其与神经元和脑功能的关系作一综述。目前已掌握的科学技术特别是分子生物学技术已可用来选择性地敲除、减少或增加信号途径中的某些特异性成分即基因编码的关键性蛋白，并对不同信号级联反应之间的对话（crosstalk）有进一步了解，为我们提供了从基因方面去阐明脑功能的长时间改变。,4.1.1.脑内,第一至第四,信使,Sutherland,Rall和Wosilait于六十年代年首先研究发现cAMP是一细胞内信使。此后，研究证明从酵母到人的许多类型细胞及组织存在多种多样的信号转导途径。首先是细胞外信号作用于细胞表面受体，启动信号转导途径、引发信号级联反应，最终作用于细胞核或效应器，产生生物学效应。在信号转导的级联反应中先后有第一、第二、第三、第四信使参与。,第一信使：,第一信使即作用于细胞表面受体的细胞外信使。能够启动信号级联反应的细胞外信使包括神经递质、神经调质或作用于细胞表面受体的激素。神经冲动也可作为细胞外信号。细胞表面受体可分为两类：一类受体是离子通道的一部分，由细胞外信号激动后，引起离子通道开放，钙等离子内流增加；另一类受体与G-蛋白耦联。通过腺苷环化酶、磷脂酶（PLC）、一氧化氮（NO）合成酶或磷脂酶A2作用于离子通道或其他第二信使系统。神经调质如多肽和小分子物质腺苷可作为第一信使在脑内发挥作用。激素类如黄体激素、肾上腺类固醇作用于浆膜受体发挥作用（肾上腺皮质激素也可作为第三信使作用于细胞核受体，见后）。神经冲动也归类于第一信使，它通过膜的去极化引起电压依赖性钙通道开放，使第二信使Ca2+流入细胞内。,第二信使：,第二信使可分为二类：第一类包括cAMP，cGMP，DAG（diacylglycerol）,IP3(inositol triphosphate)和AA（arachidonic acid）等。它们与第一信使的联系是：第一信使激动一种受体，受体通过G-蛋白刺激第二信使。G-蛋白（Gs，Gi，Go，Gi,o，Gq）由，r-亚单位的不同组合构成一个复杂的大家族。激活Gs亚族能增加腺苷环化酶（AC）活性，抑制钠通道，开放钙能道；Gi亚族被激活则有相反的作用，并能激活cGMP磷酸酯酶；Go蛋白激活后，关闭钙通道；Gi,o蛋白能抑制腺苷环化酶和兴奋亚型PLC；Gq蛋白激活后能增加PLC活性，导致IP3和DAG的增加。DAG能激活蛋白激酶C（PKC）和增加cGMP和NO。AA能调节谷氨酸盐、甘氨酸、r-氨基丁酸（GABA）和多巴胺的神经运载体功能。,第二类的第二信使是Ca,2+,，它的来源除通过受体耦联的钙通道增加钙离子外，也可通过NMDA受体激活而增加钙内流。已如上述，神经冲动引起的膜去极化，可打开电压依赖性钙通道使钙流入细胞内。NMDA受体的另一功能是通过Ca,2+,/CaM激活NOS从而产生第二信使NO。,第三信使：,第三信使一般都是转录因子。由各种第二信使激活的蛋白激酶，使转录因子磷酸化。例如第二信使Ca2+刺激Ca2+/CaM依赖性激酶（CaMK），或，继之，由这些激酶磷酸化第三使信如像CREB，血清反应因子（SRF），sis-可诱导因子（SIF）。这些第三信使分别与cAMP反应元件（CRE），SRF反应元件（SRE）和SIF反应元件（SIE）结合。又如由第二信使cAMP激活的蛋白激酶A（PKA），磷酸化CREB，SRF或转化重复元件（IRE）结合蛋白（ERBP）。由连接磷脂信号系统的受体激活后产生的DAG能激活PKC。内源性PKC在细胞核内用于影响许多转录因子的磷酸化状态和活性。被激活后的PKC能刺激RAS（小的G-蛋白）途径，引导从RaS和RaF（一种细胞质丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）到MAPK的结合。最后，类固醇受体家庭中的许多成员即黄体激素或VitD或孤儿受体鸡卵蛋白上游促进子（COUP-TF）均可看作是第三信使，因为这些受体可被PKA磷酸化，随后作为配基调节转录因子移位到核发挥作用。,第四信使：,第三信使CREB（本身即一转录因子）引起编码转录因子的IEGs（即早基因）的表达，进而引起基因蛋白的表达，包括Fos，前强啡肽，Jun B，zif/268，Fos B（可能来自PKA的刺激，但尚不清楚其第三信使），Fos B（PKC刺激其表达，但其第三信使尚未搞清），Jun等，即作为第四信使行使功能。CREB也与前脑啡肽的促进子CRF结合，在抑制多巴胺过反应的自家负反馈系统中起重要作用。SRF和SIF通过c-fos基因调节Fos的表达，而Jun B促进子带有一个作用于IRBP的IRE，zif/268基因的促进子携带一个作用于SRF的SRE，但激活Fos B，Fos及fos相关抗原（Fras）和Jun的第三信使尚待证实。这些转录因子像是PKA激活的结果，因为它们的反应与Fos