食欲素(Orexin)是兴奋性的下丘脑神经肽，有Orexin A和B两种亚型，也称为Hypocretin 1和2(Hcrt1和2)，在1998年由两个实验室独立发现^{[1, 2]}。Orexin神经元仅有数千个，发出兴奋性投射至除小脑之外的整个中枢神经系统，激活两种G蛋白偶联细胞表面受体Orexin 1受体(OX1R)和Orexin 2受体(OX2R)。OX1R特异性地和G蛋白Gq偶联，而OX2R和Gi/o与Gq偶联，激活不同的G蛋白相关信号通路。尽管早期的研究将Orexin系统的作用放在摄食和能量平衡上，后续对睡眠-觉醒调节、学习与记忆方面的研究较多。

近年来研究发现，Orexin-A通过调节乙酰胆碱能、谷氨酸能、γ-氨基丁酸(GABA)能和肾上腺素能系统诱导海马突触可塑性形成，影响海马的学习记忆^{[3, 4]}。细胞内信号转导研究进一步表明，Orexin-A发挥生物作用主要通过其受体介导的Gq蛋白/磷脂酶C/蛋白激酶C(Gq/PLC/PKC)、Gs蛋白/cAMP/蛋白激酶A(Gs/cAMP/PKA)以及Ca²⁺等多信号转导途径来完成。其中，Gq/PLC/PKC是Orexin-A的关键信号通路，可通过调控细胞外信号调节激酶1/2(extracellular regulated protein kinases1/2, ERK1/2) 的激活促进细胞增殖^[5]。因此，Orexin-A参与海马依赖性学习记忆的关键分子与细胞机制可能是Orexin受体(OXR)介导的Gq/PLC/PKC/ERK1/2信号通路诱导了齿状回颗粒细胞的发生与正常迁移，促进空间学习记忆。

1 Orexin与学习记忆

文献资料指出Orexin能通过海马和连接结构功能改变影响空间学习记忆^[6-8]。

首先，Orexin通过Gq蛋白偶联突触后OX1R和OX2R，直接增强海马不同区域神经元的激活作用，参与多个亚区的突触传递及可塑性过程。海马齿状回内注射OX1R拮抗剂SB-334867-A，损害长时程增强(long-term potentiation, LTP)的诱导^[7]。行为学证据则进一步表明，Orexin活动与学习记忆行为有密切关联。海马内注射OX1R拮抗剂可损害回避反射、空间学习等多种记忆过程^[8]。上述研究提示，内源性Orexin-A可能通过海马在大鼠的空间学习记忆中起重要作用。

其次，Orexin通过增强内侧隔核神经元活性，增加海马乙酰胆碱、GABA和谷氨酸释放^{[6, 9]}。Orexin皂草素是损害含有OX2R神经元的一种毒素，注射该毒素到大鼠内侧隔核，低浓度Orexin皂草素主要破坏GABA能神经元，而高浓度皂草素既破坏GABA能神经元又破坏胆碱能神经元。两种浓度24 h后均显示空间参考记忆损害，其中高浓度还显示空间工作记忆损害^[9]。这些结果表明Orexin可间接调节隔区海马通路，通过作用于GABA能和胆碱能隔海马神经元，影响海马依赖的学习记忆过程。

Hcrt神经元可能通过海马突触可塑性和cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein, CREB)磷酸化增强发挥作用。Yang等^[10]发现成年AT小鼠在Hcrt神经元退化到3个月时，显示长期社会记忆减退。外源性鼻腔给予Hcrt-1则在一定程度上恢复社会记忆。取自AT小鼠的海马脑片尽管在CA1区显示正常的基础突触传递，但表现出双脉冲易化程度下降和LTP幅度降低；AT海马磷酸化CREB(p-CREB)表达减少等。

2 Gq/PLC/PKC信号通路与学习记忆 2.1 Gq/PLC/PKC信号通路

Orexin与OXR结合后一方面激活与G蛋白偶联的钙离子通道, 引起Ca²⁺内流^[11]；另一方面激活与G蛋白偶联的PLC，PLC水解磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸(PIP2)，产生两种重要的第二信使：二酯酰甘油(DAG)和三磷酸肌醇(IP3)，其中IP3与内质网和肌浆网上的IP3受体结合，促使细胞内钙库Ca²⁺释放，使Ca²⁺浓度升高。当DAG在质膜中出现时，胞质溶胶中的PKC被结合到质膜上，在Ca²⁺的作用下被激活。PKC能催化质膜的钙离子通道磷酸化，促进胞外Ca²⁺内流，胞浆Ca²⁺浓度升高。活化的PKC在许多信号转导通路中发挥重要作用，与正常细胞和异常细胞的增殖、分化和凋亡等多种生物学效应有关。

2.2 PLC与学习记忆

PLC是磷脂酰肌醇(PI)信号通路的关键酶，在机体内分布极为广泛。许多细胞外信息分子, 如激素、免疫球蛋白、神经递质和生长因子等都可以激活PI特异性PLC。通过DAG和IP3，将细胞外信息传递给下游效应分子，调节细胞的生命活动。PLC有多种同工酶，它们的结构同中有异，活化机制也不尽相同。分为PLCβ(1-4)、PLCδ(1-2)、PLCδ(1-4) 和PLCE(1) 四类。PLCβ的激活依赖G蛋白的GAq(Aq、A11、A14和A16) 家族，是G蛋白的直接效应器，分为PLCβ1、PLCβ2、PLCβ3和PLCβ4四型，其中PLCβ1是主要的PLC同种型。PLCβ1从出生后开始在不同的脑区表达活跃，主要表达在大脑皮质、海马、嗅球、杏仁核、尾状核和外侧隔核，在丘脑表达量少。PLCβ1参与一半以上的大脑活动，其中在海马神经元中的作用尤为显著。

研究发现PLCβ1与学习记忆密切相关。PLCβ1基因敲除(PLCβ1^-/-)小鼠，表现出海马依赖性恐惧记忆任务的的获取障碍^[12]。有研究表明，海马依赖性认知功能与Gq/PLCβ1信号介导的齿状回颗粒细胞正常发生与迁移密切相关，但齿状回颗粒细胞的异常发生与迁移表现出特定的海马依赖性位置识别障碍^[13]。海马齿状回PLCβ1^-/-小鼠成年新生颗粒细胞数量和密度3倍增加，这些新生颗粒细胞表达成熟神经元标志——神经元核抗原NeuN，是成熟的颗粒神经元。它们在齿状回颗粒细胞层之间异常迁移，其中以颗粒细胞层的中外侧增多为著。过量的成年新生颗粒神经元干扰齿状回正常的编码功能，直接与成熟颗粒神经元竞争外周传入信号，破坏局部的海马回路，导致海马依赖性学习记忆损害^[13]。

2.3 PKC与学习记忆 2.3.1 PKC与学习记忆

PKC是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，参与记忆储存、突触重塑和神经修复等许多重要通路，PKC的激活贯穿在整个学习记忆过程，如在记忆的获取、巩固和重现中都是必不可少的。PKC至少存在10个亚型，分为三个类别：传统亚型由α、β1、β2和γ组成，由Ca²⁺和DAG激活；新亚型由δ、ε、η和θ组成，由DAG激活但对Ca²⁺不敏感；不典型亚型由ξ、λ和τ组成，不依赖Ca²⁺和DAG。PKC通常以无活性的形式存在于细胞中，激活后可使一些酶及蛋白质磷酸化，从而引起相应的细胞效应。

近年来研究证明，PKC与突触可塑性及LTP的形成密切相关，PKC的激活是产生和维持LTP的重要条件。PKC一方面可被Ca²⁺激活，诱导LTP的生成；另一方面还可自身磷酸化，维持LTP的作用。现有理论认为，诱导LTP的高频刺激促使突触前膜谷氨酸递质大量释放，使突触后膜去极化叠加而达到一定程度，从而逐出堵塞突触后膜N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体通道的Mg²⁺。当递质与NMDA受体结合后，通道开放，Ca²⁺内流，细胞内Ca²⁺浓度升高，触发一系列生化反应。Ca²⁺主要调节PKC和钙离子/钙调蛋白-依赖性蛋白激酶(Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase)信号传递系统，引起神经细胞膜性质改变，促使LTP形成^[14]。

研究发现抑郁大鼠模型存在空间学习记忆功能下降和PKC表达水平降低。应用帕罗西汀治疗后受损大鼠的空间学习记忆功能恢复，而PKC表达水平也随之升高^[15]。应用PKC激活剂苔藓抑素-1，能中断大鼠脑缺血/缺氧引发的病理生理性分子级联反应和细胞凋亡，增加细胞存活；并在背侧海马的CA1区诱导突触发生以及增加脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor, BDNF)活性。进一步研究显示PKC介导的突触重塑和修复过程一致，后者赋予脑缺血/缺氧事件前后持久的空间学习和记忆保留^[16]。上述研究进一步证明了PKC和空间学习记忆的关系。

2.3.2 PKC亚型与学习记忆

PKMζ是PKC的一种亚型，是一个第二信使的独立蛋白激酶，有独立的催化结构域，并持续激活支撑LTP维持。PKMζ分布于多个脑区，包括岛叶皮质、海马和杏仁核等。研究发现^[17]LTP能诱导PKMζ合成，PKMζ水平升高后通过GluR2亚基介导，加速α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体向胞膜转运，使突触后AMPA受体数量成倍增加，从而增强突触传递。对离体海马脑片强直刺激几小时后或在体海马强直刺激1 d后应用PKMζ抑制剂可以逆转已建立的LTP，推测PKMζ是在LTP的晚期阶段介导突触增强。另外PKMζ还能通过与维持LTP相同的机制维持长期记忆^[18]。通过主动位置回避或放射迷宫的空间调节，诱导背侧海马PKMζ持续增加，持续时间从1 d到1月，与记忆保留的程度和持续时间符合。海马区注射PKMζ反义寡核苷酸能抑制PKMζ增加，阻止长期记忆形成^[18]。

3 ERK与学习记忆

ERK是一组属于丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)家族的蛋白激酶。主要包括ERK1和ERK2，位于神经元细胞体的树突和突触，能在多种神经递质和生长因子的调节下磷酸化激活。MAPK/ERK信号转导通路是细胞外多种刺激传向细胞内的交汇点，细胞内多条途径都能引起ERK信号转导通路激活。ERK最初被认为和细胞的生长、发育以及分化有关, 1997年首次发现ERK和LTP效应的关系，从而确定了ERK与学习记忆的关系。

Su等^[19]在研究中发现，72 h睡眠剥夺(sleep deprivation, SD)引起大鼠海马p-CREB、磷酸化ERK(p-ERK)和ERK激酶(ERK kinase, MEK)降低，空间学习记忆受损，而口服甜梦口服液治疗后，上述指标表达增加，空间学习记忆也随之改善。Yi等^[20]发现传统中药方剂当归芍药散(DJ)，能在海马的谢弗侧支(schaffer collateral)通路以浓度依赖方式增强LTP。其机制依赖于ERK1/2和CREB激活及BDNF增加，MEK抑制剂PD198306能阻断DJ诱导的ERK1/2/CREB/BDNF级联激活和LTP增强。从上述研究可以看出，在长期记忆形成过程中ERK1/2的功能发挥依赖于转录因子P-CREB激活，海马ERK降低可以导致空间记忆减退，进一步证明了ERK与空间学习记忆的关系。

近年有实验室从Orexin-A与ERK相关信号通路研究ERK与学习记忆的关系。Zhao等^{[5, 21]}证实癫痫大鼠的学习记忆功能减退，脑脊液中Orexin-A水平明显降低，外源性补充Orexin-A可提高癫痫大鼠的学习记忆能力。当侧脑室注射ERK1/2抑制剂U0126能加重癫痫大鼠的学习记忆损害，显著减少癫痫大鼠海马区BrdU阳性细胞数，而当给予Orexin-A时BrdU阳性细胞数明显增多。该研究提示Orexin-A可通过激活ERK1/2，促进海马齿状回颗粒细胞发生，从而改善癫痫大鼠的空间学习记忆功能。

4 Orexin与睡眠剥夺和记忆损害

Orexin神经元对SD高度敏感，SD能增加Orexin的合成、释放和受体表达^[22]。然而，快速眼动期睡眠剥夺(rapid eyes movement sleep deprivation, REM SD)诱导的Orexin-A过度表达可导致大鼠双侧海马神经元损害，给予OX1R或OX2R拮抗剂能减轻SD的不利影响^[23]。临床研究^{[24, 25]}也发现原发性失眠患者血浆中Orexin-A水平升高，伴有记忆减退患者Orexin-A水平明显高于不伴有记忆减退患者。Aou等^[26]发现脑室注射1 nM和10 nM Orexin-A时，大鼠显示空间学习记忆能力减退。海马切片的谢弗侧枝-CA1电生理结果显示，1.0~30 nM Orexin-A脑室灌注产生剂量依赖性和时间依赖性LTP抑制。从上述研究可以看出，SD可以引起脑内Orexin-A水平升高；而过度提高脑内Orexin-A水平，可引起海马神经细胞损害，导致学习记忆功能减退。

5 展望

Orexin-A主要通过OX1R/OX2R介导的Gq/PLC/PKC/ERK1/2信号通路参与海马依赖性学习记忆，而SD诱导内源性Orexin-A高表达，过度激活和强化海马神经元上OX1R/OX2R介导的关键信号通路Gq/ PLCβ1/PKC/ERK1/2，引起海马神经元损伤、齿状回颗粒细胞异常发生与迁移，造成正常海马功能损害，这将成为SD影响学习记忆的主要分子与细胞机制。通过特异性阻断和调控这一信号通路上的某一靶点，既能改善睡眠，又能逆转SD所致的学习记忆损害。因此进一步探讨海马与学习记忆相关的分子与细胞机制和特异性靶点，对开发有效药物治疗SD伴随的学习记忆功能损害具有重要的临床意义。