第三节 谷氨酸系统
哺乳动物大脑神经元突触40%以上是以谷氨酸为神经递质的兴奋性突触，因此，谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统中最重要的神经递质。以谷氨酸为神经递质的兴奋性突触分布广泛，以大脑皮质、小脑、纹状体及边缘系统的含量最高。谷氨酸自突触前神经末梢释放后，可以与两类突触后受体相结合： 促离子型受体（ionotropic receptor，iGluR）和促代谢型受体（mGluR）。前者可以再分为NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）受体、AMPA（α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异嗯唑-丙酸）受体和KA（海人藻酸）受体三种类型。其中的NMDA受体同时具有受体和离子通道的功能，与谷氨酸结合后，引起突触后膜电压敏感型离子通道的开放，介导Ca2+、Na+、K+等正离子的通过，后者参与一系列的细胞生理和病理活动的调控，例如，对学习、记忆、神经元可塑性和长时程增强发挥重要的调节作用，当然还参与介导酒精的急性和慢性作用、成瘾以及戒断反应等。
一、酒精摄入对谷氨酸神经系统的影响
在离体实验中，酒精对NMDA受体的功能产生抑制作用，并且这种作用是剂量依赖性的（5～100mmol），从电生理学角度可以观察到由NMDA受体激活的通道开放及其介导的 兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）均可被酒精所抑制，酒精的上述作用与NMDA受体拮抗剂地佐环平（MK-801）的电生理作用非常相似。已知甘氨酸可以与NMDA受体结合。研究发现，酒精可以通过与甘氨酸竞争结合部位而调节NMDA受体的功能。酒精还可以通过直接作用于NMDA受体立体调节部位的疏水袋孔区而发挥调节作用。在动物刺激辨别选择实验（一项行为学实验）中，NMDA受体拮抗剂能够产生与高剂量酒精的作用相似的效果。而且临床研究亦证明，NMDA受体拮抗剂也可以在人体产生类似酒精的作用效果，竞争性NMDA受体拮抗剂 氯胺酮（ketamine）和苯环利定（phencyclidine）能够在健康人身上引发类似酒精所致的醉酒状态。
众多实验证明，长期嗜酒后体内谷氨酸系统产生一种补偿性地上调，以平衡酒精的抑制作用。在慢性酒精摄入后的离体和在体实验均发现了谷氨酸水平的增加。动物研究证明，嗜酒动物在体内代谢酒精期间，其脑内NAc中谷氨酸的水平明显增加。例如，利用高酒精消耗鼠模型（scheduled high alcohol consumption murine model，SHAC）的实验证明，腹腔注射1.5～2.0g/kg的酒精后，再给予5%的酒精6次，小鼠中枢谷氨酸释放增加。对13名顽固酒精依赖的年轻患者的磁共振成像（MRI）研究发现，其中枢前部扣带回中谷氨酸与肌氨酸的比例增加。天生嗜酒的大鼠在“狂饮酒”（binge-drinking）状态后出现特定脑区的损伤，而天生非嗜酒的大鼠种系却没有这种表现。众所周知，谷氨酸的过度释放是导致中枢神经元死亡的主要原因。因此，上述发现提示，遗传因素是“狂饮酒”个体出现脑损伤的可能原因。但是，一些特殊的天生嗜酒的大鼠种系，如Lewis大鼠和低酒精敏感性大鼠，给予它们1g/kg或2g/kg的酒精后，其NAc中谷氨酸释放增加的幅度明显小于其他选育的嗜酒模型鼠。提示，嗜酒大鼠脑内谷氨酸的变化因其种系不同而有所差异。还有一些研究证明，慢性酒精摄入以及谷氨酸释放增加对NMDA受体产生影响。长期饮酒大鼠的脑组织中谷氨酸的结合水平增加，而且NMDA受体mRNA和受体蛋白亚基的数量也明显增加，受体亲和性上调。同样，在酒精成瘾患者死后的脑标本中也发现了NMDA受体数量的增加。一些动物实验发现，慢性酒精中毒期间多个脑区中谷氨酸的基础浓度并无变化，尽管其血液中的酒精浓度高达2g/L；但是酒精戒断开始后的3～5h，中枢NAc、海马和纹状体内谷氨酸释放显著增加（与NMDA受体敏感性的改变密切相关），NMDA受体1（NMDAR1）和NMDA受体2B（NMDAR2B）多肽数量增加，而在慢性酒精饱和阶段，两者的敏感性下降。
长期嗜酒后谷氨酸系统代偿性上调，突然撤退酒精后，受体表现出超敏感性，这种受体的超敏感性可以引发神经元的过度兴奋，从而导致个体各种过度兴奋表现的出现，即临床患者表现出外在行为的混乱，如自主神经系统功能不稳定、焦虑、失眠、情绪不稳等，这些表现促使他们继续饮酒以解除痛苦。另外，NMDA受体的过度反应还可以引起Ca2+离子的大量内流，从而产生神经元兴奋性毒性，引发一系列后续反应和表现。早期在体动物实验研究发现，在对照组动物身上不能引发抽搐的NMDA的量，在酒精戒断动物身上则可引发抽搐，并且这种抽搐可以被NMDA受体的拮抗剂所减轻。多胺中的亚精胺和精胺是NMDA受体的调节剂，在酒精戒断期间，两者的合成和释放均增加，这有助于NMDA受体活性的增加。这样的适应性改变在酒精依赖和酒精戒断过程中发挥了重要的作用。以上结果提示，酒精撤退后NMDA受体的增加介导了酒精戒断性癫痫等临床表现的发生。另外，慢性酒精摄入介导的NMDA受体功能或敏感性的增强是有差异的。实验发现，电刺激长期饮酒小鼠的海马和皮质切片，能够诱发主要由NMDA介导的突触电位，而先天嗜酒的动物脑切片中的突触电位则是由AMPA介导的。另有以定向选育动物为研究对象的实验发现，与对酒精镇静作用敏感性较高的LS小鼠相比，对酒精镇静作用耐受性较高的SS小鼠表现出更高的酒精所致的运动性激越，而且其中枢NMDA受体与受体拮抗剂地佐环平（MK-801）的结合增加，对受体拮抗剂反应的敏感性降低。
Hu和Ticku应用慢性、间断给予酒精［普通膳食间歇运动（CIE），12h酒精：12h撤退］的方式（50mM）处理中枢皮质神经元，为研究人体CIE引发的兴奋样现象背后潜在的机制提供了一个体外可行的神经元模型，而且，这对于研究长期、间断性饮酒的酒精依赖患者对酒精的依赖和撤退症状具有十分重要的意义。在这样的体外模型上观察到，再加入酒精或者给予NMDA受体拮抗剂可以使神经细胞的丢失减少，而给予GABA受体激动剂muscimol却不会产生这样的效果。这样的结果提示，NMDA受体在酒精依赖和酒精撤退引起的神经毒性的体外实验中发挥了重要的作用。除NMDA受体的适应、钙离子通道等因素外，NMDA受体是体内酒精撤退实验中增加谷氨酸释放的主要原因。酒精依赖大鼠停止摄入酒精后，脑内细胞外谷氨酸浓度表现出短暂的、由NMDA受体引发的提升，这种改变与酒精戒断后的外在行为表现具有锁时关系，而且促使酒精戒断后个体中枢系统向兴奋性占优势的局面转变。另外，NMDA受体的上调能够加强去甲肾上腺素能系统的活性，后者是导致酒精戒断和震颤性谵妄中植物神经系统不稳定的可能原因。可见，NMDA介导的神经传递的增强是酒精戒断后个体外在行为异常和情感障碍的可能原因。NMDA受体是一个异二聚体，由一个必须的NR1亚单位和多种NR2亚单位（又分为2A、2B、2C和2D四种不同的亚型）或NR3（又分为3A和3B两种亚型）亚单位构成的复合体。其中NR1是基本构架单位，与离子通道相关，而NR2亚单位起到调节作用。由不同亚单位构成的NMDA受体的功能特性不同，在中枢神经系统内的分布不同，对酒精的敏感程度亦不同。根据最新的研究结果，慢性酒精摄入引发的NMDA受体功能的增强主要是因为NMDA受体不同亚单位、不同程度的功能上调所致。其中，NR1/NR2A和NR1/MR2B组合型受体对酒精的抑制作用较为敏感。目前，酒精介导NMDA受体不同亚单位表达的改变情况尚未完全清楚，但是总结此方向前人的研究结果发现：由NR2B亚单位构成的NMDA受体的灭活时间长于那些由NR2A亚单位构成的NMDA受体；由含有N1盒子（N1 cassette）的NR1亚单位构成的NMDA受体的灭活时间是不含有N1盒子者的4倍；由含有C1和/或C2盒子的NR1亚单位结合变异体构成的NMDA受体可以构建功能活性更强的离子通道。以上发现提示，长期摄入酒精引起的亚单位的改变是NMDA受体功能增强的基础，也是酒精处理的皮质神经元在酒精撤退后对于兴奋性毒性损伤的敏感性增强的基础。看来，NMDA受体功能在酒精依赖的发展和酒精戒断过程中一定脑区神经元的丢失现象中发挥了重要作用。
二、谷氨酸神经系统的变化对酒精摄入行为的影响
治疗酒精依赖通常分为两个阶段：解毒阶段和重适应阶段。开始的解毒阶段主要针对急性酒精撤退的相关症状，此阶段中药物治疗发挥主要作用，能够巩固临床患者的戒断效果，并且阻止其复发。20世纪90年代研究者提出假设，认为NMDA受体拮抗剂的抑制作用能够阻止酒精戒断综合（alcohol withdrawal syndrome，AWS）以及其他一些毒性表现。从那时起，广泛的动物实验研究和初步的临床观察研究均证实，NMDA受体拮抗剂是治疗AWS的出色备选药物，因为它们不仅可以减轻AWS的躯体症状，而且能够改善AWS的情感和动机。抑制NMDA受体的方法很多，到目前为止，研究者证实了经典的竞争性和离子通道阻断性的NMDA受体拮抗剂在酒精依赖动物模型和离体实验中的有效性。但是，这些药物大部分是镇静剂，能够引起严重的中枢神经系统副作用，例如，神经退行性系统改变、肌肉松弛、学习能力损伤等，因此，这些化合物不适合作为临床上治疗酒精依赖的药物。采用其他方法的研究结果更让人欣慰一些，例如，采用低亲和力的通道阻断剂（如美金刚）或作用于甘氨酸结合位点的NMDA受体拮抗剂产生的副作用是人们可以接受的。近年来，一种新型的NMDA受体拮抗剂，选择性NR2B亚单位拮抗剂（NR2B SSNAs），受到了学术界相当高的重视。这种类型的化合物在治疗神经退行性疾病、帕金森病和痛觉过敏等疾病模型中表现出了很好的效能。同时，这类化合物也不会产生经典NMDA受体拮抗剂的严重的副作用。虽然像其他非竞争性NMDA受体拮抗剂一样，这类拮抗剂也可能对学习和记忆产生一些不利的影响，但是已有研究证明，这类药物治疗癫痫和卒中模型的有效剂量与破坏学习和记忆功能的剂量之间的差距较大，这就保证了此类药物可以在不破坏学习记忆功能的剂量下有效抑制AWS。对于NR2B SSNAs的研究发现，这些药物被接纳的程度较高，并且在镇痛剂量下可以在较大程度上避免不利的中枢神经系统反应（如拟精神病性作用、共济失调和镇静等副作用）。另有一些学者研究了经过酒精处理的体外培养的大鼠脑皮质神经元上应用NR2B SSNAs的效果。实验测试的所有NR2B SSNAs均能有效地降低撤酒诱发的乳酸脱氢酶（LDH）的释放，并且这种降低效果是剂量依赖性的。其中，RGH-1103（NR2B选择性拮抗剂，吲哚-2-氨甲酰衍生物）的作用效果与最强有力的经典非单位选择性NMDA受体拮抗剂地佐环平（MK-801）的作用效果相仿。NR2B SSNAs对于撤酒诱发的毒性的抑制作用与其对于NMDA诱导的细胞质中钙离子浓度升高的抑制作用之间呈现出良好的线性相关性。
目前，美国 食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的治疗酒精依赖的药物主要有二乙酰高牛磺酸钙、双硫仑和纳曲酮。大量研究早已证明，二乙酰高牛磺酸钙对酒精滥用和酒精成瘾患者具有明显的治疗效果，其主要的药理学作用机制与中枢谷氨酸能神经系统有关。该药是一个类似谷氨酸结构的化合物，它具有NMDA受体拮抗剂样的作用，能减少电压依赖性Ca2+内流，并且在实验动物的酒精戒断反应中降低了中枢神经元兴奋所致的即刻早期基因（immediate early gene，IEG）的表达，能够减少嗜酒动物的自饮酒行为，也能够抑制酒精戒断过程中细胞外谷氨酸水平的升高和过度运动行为。研究者认为，二乙酰高牛磺酸钙产生治疗效果的生物机制之一是其对NMDA受体的多胺（精胺、亚精胺）结合位点的影响。另一种药物双硫仑，能够抑制肝细胞乙醛脱氢酶（acetaldehyde dehydrogenase，ADH），使酒精代谢停留在乙醛阶段，其活性代谢产物DETC-MeSO，不仅抑制ADH，而且具有部分阻断NMDA受体的作用。研究还发现，双硫仑具有明显增强二乙酰高牛磺酸钙的抗酒精渴求的作用。事实上，现实中只有约20%的酒依赖患者得到了正规的药物治疗。到目前为止，药物治疗仍未得到应有的重视，只被作为治疗的辅助手段。