谷氨酸的发现之旅

20世纪40年代，有新证据表明乙酰胆碱是运动神经元释放的神经递质，在脊椎动物身体中可引起肌肉收缩。但大多数人忽视了谷氨酸是神经递质的可能性，因为人们只知道谷氨酸是一种氨基酸，是蛋白质的基础组件。人们还知道，谷氨酸参与了多种新陈代谢途径，并在三羧酸循环中发挥着关键作用，这一循环使细胞线粒体产生ATP。作为一种参与蛋白质构建和能量代谢的氨基酸，它怎么可能同时也是一种神经递质呢？

当第二次世界大战席卷欧洲和太平洋地区时，东京庆应义塾大学的林高史教授通过实验首次证明了谷氨酸可以使神经元兴奋（Takagaki 1996）。林教授将谷氨酸钠注射到一只狗的大脑中，观察到这只狗出现了癫痫发作。考虑到日本帝国主义当时的社会环境，林教授一定有相当大的驱动力和毅力来坚持这样的实验。他还是一位诗人，也许他的诗歌创作和动物实验使他能够从战争的动荡中抽离出来。

在林教授发表他的实验结果时，杰弗里·沃特金斯还是一个读高中的澳大利亚男孩。沃特金斯对化学有着浓厚的兴趣，在澳大利亚上完大学后，他又获得了英国剑桥大学的博士学位。沃特金斯和生理学家戴维·柯蒂斯发现，谷氨酸可造成神经元的去极化和激发。他们发明了记录轻度麻醉的猫脊髓中大型运动神经元和小型中间神经元的电活动的方法，即把记录电极放置在中间神经元旁边或运动神经元内部，并发现谷氨酸可使这两种神经元兴奋（Curtis,Phillis, and Watkins 1960）。在其他实验中，他们使用了从一种原产于澳大利亚的蟾蜍身上切除的脊髓。脊髓被切成几段，以增加谷氨酸进入神经元的机会。一个记录电极被放置在“腹根”上，这是一大束运动神经元轴突；另一个记录电极——“接地”电极——被放置在浸泡脊髓的盐溶液中。他们发现谷氨酸增强了运动神经元的激发（Curtis, Phillis, and Watkins 1960）。根据沃特金斯的说法，他之所以决定研究谷氨酸是否对神经元有影响，只是因为实验室里正好有一瓶谷氨酸。

尽管沃特金斯确实发现谷氨酸可以使神经元去极化，但他依然对它是不是神经递质将信将疑。他当时的结论是，谷氨酸对不同类型的神经元具有“非特异性”兴奋作用。

在早年，L–谷氨酸的递质功能确实看起来不太可能存在。假想中的“受体”必须对许多与谷氨酸有某种相似性的氨基酸（L–或D–，“天然”或“非天然”）做出反应。此外，一系列谷氨酸酶抑制剂都无法影响作用的持续时间。而且，它通常需要高浓度才能起作用，例如，在乙酰胆碱或去甲肾上腺素的外周神经效应位点，浓度需要比预期高1 000倍。同样，我们预计中枢神经组织中实际存在的递质浓度也很低。相反，L–谷氨酸是大脑中含量最丰富的小分子成分之一。但对L–谷氨酸可能是递质的最严肃的反对意见是，L–谷氨酸诱导的运动神经元去极化的逆转电位显然不同于兴奋性突触反应的逆转电位。虽然这种差异可以有多种解释，但这一结果显然与我们的假说相悖，多年之后，谷氨酸的递质功能才得以确立。（Watkins and Jane 2006, S102）

沃特金斯对未来几乎一无所知，而未来的研究将证实，谷氨酸在控制着我们所有行为的整个大脑和脊髓的突触中发挥着非常特殊的作用。

一种化学物质要被确定为神经递质，必须满足几个条件。第一，它必须在突触处从神经元的突触前末梢释放出来。第二，它必须影响突触后神经元的兴奋性。第三，必须有一种机制将神经递质化学物质从突触中清除。第四，必须能证明选择性阻断该化学物质的作用会对神经元网络活动产生影响，导致一种或多种行为的改变。

墨西哥的医生和神经科学家里卡多·米勒迪在了解电化学神经传递的基本特征方面做出了重大贡献。1955年，他参加了美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物学实验室的一个暑期研究项目，在那里他了解到乌贼喷射推进系统中的某一个巨大轴突的功能。该轴突直径约有2毫米，这为研究者用当时相对粗糙的电极记录其活动提供了机会。结束在伍兹霍尔的研究后，米勒迪获得了英国伦敦大学学院的职位，与伯纳德·卡茨共事。卡茨此前发现乙酰胆碱是运动神经元轴突末梢释放到蛙腿肌肉上的神经递质，而且乙酰胆碱是以离散的“量子”形式释放的。这一发现让卡茨获得了1970年的诺贝尔生理学或医学奖。在与米勒迪合作的其他实验中，卡茨提供的证据表明，乙酰胆碱的释放需要Ca2+流入突触前末梢（Katz and Miledi 1965）。

米勒迪的早期实验利用了卡茨实验室原有的蛙神经肌肉制备和电生理方法。然而，乌贼星状神经节中巨大的轴突突触为我们提供了解答通过蛙类或大鼠无法解答的问题的可能性。刺激和记录电极可以分别放置在突触前末梢和突触后星状神经节细胞内，而不用放在脊椎动物的神经肌肉突触内。当米勒迪刺激突触前神经元时，突触后细胞会做出反应，激发动作电位。但是他注意到，在巨大轴突没有受到刺激的情况下，突触后神经节细胞往往会出现非常小的离散的去极化现象。这些“微型突触后电位”后来被证明是突触前末梢的单个囊泡自发释放“量子”神经递质的结果。根据卡茨的研究成果，米勒迪首先研究了乙酰胆碱是不是乌贼巨大轴突中的神经递质，但在他向突触后细胞施加乙酰胆碱之后，却没能引起反应。

米勒迪知道，电生理学家以前记录过谷氨酸会导致几种类型的可兴奋细胞去极化，包括小龙虾肌肉细胞（Robbins 1958）、哺乳动物大脑皮质神经元（Purpura et al. 1958）和脊髓神经元（Curtis, Phillis, and Watkins 1960）。米勒迪发现谷氨酸会导致乌贼星状神经节细胞去极化，并提供了证据证实，谷氨酸以定量方式从突触前末梢释放（Miledi 1967）。

20世纪70年代初，约翰斯·霍普金斯大学的所罗门·斯奈德和他的学生发现，谷氨酸集中在大脑皮质的突触前末梢（Wofsey,Kuhar, and Snyder 1971）。研究要求将大鼠的大脑皮质组织磨碎，然后放入蔗糖浓度呈梯度分布的离心管中。当蔗糖达到一定浓度时，突触前末梢就会出现一条被称为“突触小体”的掐断带。研究者将突触小体取出，用两种不同的氨基酸加以培养，一种氨基酸标记有放射性氢，另一种标记有放射性碳，然后清洗突触小体，测定其中的放射物含量。在所研究的17种不同的氨基酸中，只有谷氨酸和天冬氨酸在突触前末梢聚集。这一结果表明，突触前末梢有一种主动吸收谷氨酸的方法，我们现在知道，这一过程需要突触前末梢膜上的一种特定的谷氨酸转运蛋白参与。

但要了解谷氨酸在大脑中作为神经递质的作用，找出能够选择性阻断假想中的谷氨酸受体的化学物质就变得非常重要。研究谷氨酸的科学家们再次参考了之前对乙酰胆碱的研究。原来，某些动物和植物已经进化出了产生可以阻断或拮抗特定类型的神经递质受体的化学物质的能力。

数千年来，中美洲和南美洲的原住民一直使用毒箭打猎。这种毒药被称为“箭毒”，是一种或多种植物的提取物。19世纪中期，法国生理学家克劳德·贝尔纳开展的实验表明，箭毒会干扰神经冲动从运动神经元传导到骨骼肌的过程。随后在20世纪初，英国生理学家亨利·戴尔最终确定乙酰胆碱是神经肌肉突触的一种神经递质。后来的研究表明，神经肌肉接头处的乙酰胆碱受体——烟碱受体——与大脑中胆碱能突触处的受体相同。有些动物也会产生能使其他动物瘫痪的有毒物质。例如，银环蛇的毒液中含有一种名为“α–银环蛇毒素”的化学物质，它会结合并阻断烟碱型乙酰胆碱受体，且此过程不可逆。这种毒素现在被用作分子探针，使神经科学家能够观察到动物体内的胆碱能突触。

直到20世纪70年代末，研究者还没有找到一种能够阻断神经元对谷氨酸的反应的化学物质。然而，一些研究小组发现，天然存在的化学物质能以类似谷氨酸的方式使神经元兴奋，而且比谷氨酸更有效。事实上，正如我将在第6章介绍的，藻类产生的两种此类化学物质——红藻氨酸和软骨藻酸——能使神经元兴奋至死。沃特金斯、波夫尔·克罗斯高–拉森等人致力于合成谷氨酸类似物——能模拟谷氨酸的分子，并确定它们是否能选择性地激活假想中的谷氨酸受体（Krogsgaard-Larsen et al. 1980）。其中两种类似物——NMDA和α–氨基–3–羟基–5–甲基–4–异恶唑丙酸（AMPA）——具有特别强的兴奋作用。

就在沃特金斯与英国的蒂姆·比斯科合作确定谷氨酸受体拮抗剂（Biscoe et al. 1977）的同时，澳大利亚堪培拉的休·麦克伦南（Hugh McLennan 1974）也在研究相同的课题。他们最终合成了具有高度特异性的化学物质，既是NMDA受体，也是AMPA受体拮抗剂。这一重大突破促使更多相关实验人员加入，他们确定了谷氨酸在大脑发育、学习和记忆，以及各种神经系统疾病中的基本作用。

20世纪70年代，德国海德堡大学出现了另一项重大的技术进步，埃尔温·内尔和伯特·萨克曼开发出一种记录离子穿过单个细胞的细胞膜的运动的方法（Neher and Sakmann 1976）。他们把这种技术称为“膜片钳”。这是神经科学领域一项极为重要的进步，内尔和萨克曼因此获得了1991年的诺贝尔生理学或医学奖。世界各地的神经科学家利用膜片钳方法证明，神经元细胞膜上有许多不同类型的离子通道。一些离子通道在膜去极化时打开，而其他一些离子通道，包括几种谷氨酸受体通道，则在神经递质与受体结合时打开。膜片钳法为研究这些不同离子通道的打开和关闭提供了一种方法。

膜片钳电极可以记录Na+、Ca2+、K+和Cl–穿过神经元细胞外膜时产生的电流。谷氨酸会令Na+和Ca2+进入神经元。谷氨酸受体蛋白位于细胞膜上，它们会在细胞膜上形成通道，让Na+或Ca2+通过。没有谷氨酸时，通道是关闭的。当谷氨酸与某些类型的受体，如AMPA或红藻氨酸受体结合时，通道就会打开，Na+就会通过通道进入神经元。而当另一种谷氨酸受体，NMDA受体被激活时，Ca2+会通过通道进入神经元。Na+和Ca2+会通过谷氨酸受体通道进入细胞，是因为这些离子在细胞外的浓度远远高于它们在细胞内的浓度。这些离子可溶于水，但不能溶于脂质，而细胞膜是由脂质构成的，这就形成了阻止离子移动的屏障。离子要从细胞外向细胞内移动，必须通过嵌入细胞膜的离子通道蛋白的孔隙。膜两侧的离子浓度差是膜上的离子泵蛋白活动的结果，它们将离子从细胞内挪到细胞外。离子泵需要能量，在非常活跃的神经元中，细胞的能量有多达50%用于泵的运转。这就是为什么大脑要消耗这么多能量。

下一个重要进展是确定了编码不同谷氨酸受体蛋白的基因。1990年，德国分子生物学家彼得·西伯格及其同事发现了编码AMPA谷氨酸受体蛋白亚基的4个基因（Keinanen et al. 1990）；同年，美国索尔克生物研究所的斯蒂芬·海涅曼称克隆出了编码红藻氨酸受体的基因（Boulter et al. 1990）；一年后，日本京都大学的中西重忠称克隆出了NMDA受体（Moriyoshi et al. 1991）。以上科学家为研究这些不同谷氨酸受体的离子传导特性，将受体基因编码的核糖核酸（RNA）注入蛙卵，然后使用膜片钳法确定谷氨酸如何影响离子穿过卵细胞膜。你可能会问：为什么他们使用的是蛙卵而不是神经元？原因有3个。首先，蛙卵表达的基因很少，且通常不会对谷氨酸产生反应。其次，蛙卵非常大，因此把电极放进去相对容易。最后，可以将RNA注入蛙卵，然后蛙卵中的蛋白质合成系统会产生大量由注入的RNA编码的蛋白质。当给卵细胞注入编码红藻氨酸或AMPA受体的RNA时，它们会对谷氨酸产生反应，因此Na+能经过通道流入。相应地，NMDA受体会使Ca2+流入。

人类至少有16个基因编码谷氨酸受体蛋白。单个受体由多个谷氨酸受体亚基组成。一些谷氨酸受体亚基能组装成红藻氨酸受体，另一些能组装成AMPA受体，还有一些能组装成NMDA受体。Na+通过AMPA和红藻氨酸受体的通道，而Ca2+则通过NMDA受体通道（图1–5）。

除了AMPA、红藻氨酸和NMDA受体，还有另一种非离子通道的谷氨酸受体：代谢型谷氨酸受体。它的结构与多巴胺、血清素和去甲肾上腺素受体相似。代谢型谷氨酸受体蛋白在神经元膜上穿过7次——它有7个这样的“跨膜结构域”，将受体固定在细胞膜上。受体的一端位于神经元的膜外侧，另一端位于膜内侧。谷氨酸与代谢型受体的外侧结合，会导致细胞内那部分受体的形状发生变化。这种变化使“GTP结合蛋白质”（简称G蛋白）与膜内表面的代谢受体相互作用。这种相互作用又会激活一连串的酶，从而影响细胞中许多蛋白质的功能，以这种方式被影响的蛋白质就包括Ca2+或K+的膜离子通道。通过这种方式，代谢型谷氨酸受体可以微调神经元的兴奋性。