異丙酚對學(xué)習(xí)記憶功能影響的實(shí)驗(yàn)研究

徐曉東 張良成

異丙酚對學(xué)習(xí)記憶功能影響的實(shí)驗(yàn)研究

徐曉東 張良成

隨著對全麻原理的深入認(rèn)識，全身麻醉藥物對學(xué)習(xí)記憶功能的影響日益受到重視。異丙酚作為目前最常用的靜脈全麻藥，除了具有鎮(zhèn)靜、催眠的作用外，還具有遺忘作用，這可能是導(dǎo)致術(shù)后認(rèn)知功能障礙的重要原因之一。本文綜述近年來異丙酚對學(xué)習(xí)記憶功能影響的研究成果及可能的相關(guān)機(jī)制，以期獲得詳細(xì)全面的認(rèn)識。

異丙酚；麻醉藥；學(xué)習(xí)；記憶

1 異丙酚對學(xué)習(xí)記憶功能的影響

杏仁復(fù)合體是邊緣系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)之一，是參與學(xué)習(xí)記憶活動的重要腦區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)，毀損基側(cè)杏仁復(fù)合體組應(yīng)用異丙酚后其記憶能力與單純毀損大鼠差異無顯著意義，假手術(shù)組大鼠應(yīng)用異丙酚后記憶能力受損，這說明基側(cè)杏仁復(fù)合體可能是異丙酚產(chǎn)生遺忘作用的靶位[1]。Pain等[2]發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前15 min應(yīng)用9 mg/kg異丙酚給大鼠腹腔注射，其記憶能力仍受到損傷，說明小劑量的異丙酚就可以影響新的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)固記憶的過程。Ishitobi等[3]也發(fā)現(xiàn)小劑量異丙酚就能夠損傷大鼠對有害性和非有害性經(jīng)驗(yàn)的記憶功能，抑制大鼠對有害性味覺調(diào)節(jié)刺激的記憶和鞏固能力。

然而臨床上的一些研究表明患者僅在異丙酚麻醉后的最初24 h內(nèi)存在記憶障礙[4]。Lee等[5]應(yīng)用平均輸注速度0.6±0.1 mg/(kg·min)的異丙酚對18月齡老年大鼠行全靜脈麻醉2 h，并觀察此后14 d內(nèi)老年大鼠的空間記憶能力時也發(fā)現(xiàn)，異丙酚靜脈麻醉組和脂肪乳劑輸注對照組大鼠的空間記憶能力沒有顯著性差異，認(rèn)為異丙酚不會損害老年大鼠的空間記憶能力。

2 異丙酚對神經(jīng)遞質(zhì)及受體的影響

2.1異丙酚與腦內(nèi)受體的關(guān)系 中樞抑制性氨基酸受體主要分兩種：γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)受體和甘氨酸受體(GlyR)，研究證實(shí)，異丙酚的中樞作用主要是通過促進(jìn)或者直接激活突觸后膜的GABAA型受體，使Cl-內(nèi)流，產(chǎn)生超極化，興奮性突觸活動降低，甘氨酸受體(GlyR)在其中起到協(xié)同和調(diào)節(jié)作用。異丙酚對GABAA受體的影響主要有三種：低濃度(2～100μmol/L)異丙酚增強(qiáng)GABA誘發(fā)的全細(xì)胞電流；中間濃度(100～2000μmol/L)能夠直接激活GABAA受體；極高濃度(>2000μmol/L)對GABAA受體起非競爭性抑制作用。甘氨酸受體介導(dǎo)的抑制性神經(jīng)傳遞在哺乳動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)反射活動、隨意運(yùn)動調(diào)節(jié)和感覺信號的處理中具有重要作用。

N-甲基-D-天冬氨酸((N-methyl-D-aspartic acid, NMDA)受體是中樞興奮性谷氨酸受體，有研究表明[6]，異丙酚可呈劑量依賴性地抑制谷氨酸受體，但所用異丙酚劑量較大(500 μmol/L)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了臨床濃度范圍(約35μmol/L)，在臨床濃度范圍內(nèi)(如20μmol/L)僅輕度抑制了NMDA受體。

2.2異丙酚與中樞神經(jīng)遞質(zhì)的關(guān)系 谷氨酸、γ-氨基丁酸、兒茶酚胺、乙酰膽堿等是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)重要的神經(jīng)遞質(zhì)，參與了意識活動、學(xué)習(xí)記憶等大腦高級功能，這些神經(jīng)遞質(zhì)在中樞的傳遞亦是異丙酚重要作用靶位之一。異丙酚抑制興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的釋放, 主要通過抑制Na+內(nèi)流從而抑制突觸前膜去極化引發(fā)的谷氨酸(Glu)釋放[7]；對于去甲腎上腺素(NA)，異丙酚非競爭性抑制K+引起的Ca2+內(nèi)流, 抑制K+誘發(fā)的NA釋放；異丙酚還可通過抑制中樞乙酰膽堿的釋放而降低膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)的活性。對于抑制性神經(jīng)遞質(zhì), 異丙酚濃度依賴性增強(qiáng)K+引起的γ-氨基丁酸(GABA) 的釋放, 也能增強(qiáng)甘氨酸(Gly)的釋放。

此外，異丙酚對于學(xué)習(xí)記憶的損害還可能通過其對5-羥色胺(5-HT)的影響而發(fā)揮作用。利用微透析技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，異丙酚能促進(jìn)5-HT的釋放，在對大鼠進(jìn)行逃避反射訓(xùn)練后應(yīng)用異丙酚，其24 h后進(jìn)入暗箱的潛伏期較對照組明顯縮短，而在進(jìn)行訓(xùn)練前應(yīng)用5-HTlA受體阻斷藥螺沙群可以完全拮抗異丙酚的這一作用[8]。

3 異丙酚與突觸可塑性

突觸可塑性主要指突觸連接在形態(tài)上和功能上的修飾，是突觸在內(nèi)外環(huán)境因素的影響下，傳遞效能發(fā)生適應(yīng)性變化的能力，其中長時程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)和長時程抑制(long-term depression，LTD)最為重要，而LTP更是學(xué)習(xí)記憶形成、神經(jīng)細(xì)胞及其相關(guān)結(jié)構(gòu)生長發(fā)育的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)[9]。

3.1異丙酚與LTP 異丙酚麻醉的中樞機(jī)制主要是抑制GABAA受體，研究發(fā)現(xiàn), 異丙酚對海馬CA1區(qū)的LTP的抑制也是通過GABAA受體實(shí)現(xiàn)的，這可能是導(dǎo)致異丙酚麻醉相關(guān)的記憶缺失的機(jī)制之一[10]。 異丙酚對海馬LTP的抑制作用還呈現(xiàn)劑量依賴性，馮春生等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，濃度為1～5μmol/L的異丙酚對大鼠海馬腦片CA1區(qū)錐體神經(jīng)元正常的突觸傳遞活動和海馬腦片LTP的形成都沒有影響；濃度為10μmol/L的異丙酚對海馬腦片的正常突觸傳遞活動沒有影響，但能抑制海馬腦片LTP的形成；濃度為30～100μmol/L的異丙酚不僅對海馬腦片的正常突觸傳遞活動有明顯的抑制作用，還能顯著抑制海馬腦片LTP的形成。這些結(jié)果可能是異丙酚影響記憶認(rèn)知功能的作用機(jī)制之一。

3.2異丙酚與LTD LTD是持久的、活動依賴性的突觸傳遞效能的降低，是記憶貯存機(jī)制LTP的補(bǔ)充，是學(xué)習(xí)與記憶的理論基礎(chǔ)之一。Wei等[12]研究發(fā)現(xiàn)異丙酚能夠破壞突觸傳遞的協(xié)調(diào)性，在易化海馬LTD表達(dá)的同時，也損害LTP的維持，這可能是其產(chǎn)生遺忘作用的神經(jīng)生理基礎(chǔ)。Nagashima 等[13]研究也報(bào)道，異丙酚(濃度為30μmol/L)能抑制大鼠海馬腦片LTP的形成，但不能抑制LTD的形成。此外，LTD在海馬的誘發(fā)具有年齡依賴性，尤其對年輕小鼠的研究更為可靠，Sun等[14]研究也發(fā)現(xiàn)，異丙酚對7 d齡鼠和21 d齡鼠的LTD都具有促進(jìn)作用，且21 d齡鼠的所需濃度更低。這表明LTD誘發(fā)的閾值隨年齡增大而下降，主要是由于GABA受體中的GABAA受體抑制作用的增加所致，這也解釋了臨床上年輕人較年長者需要更大異丙酚劑量的原因所在。

4 異丙酚對細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的影響

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)介導(dǎo)的細(xì)胞信號傳導(dǎo)系統(tǒng)可調(diào)控突觸可塑性和記憶。MAPKS共有ERK、JNK、p38三條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，其中最具突觸可塑性和記憶特征的是ERK途徑。

4.1異丙酚與ERK磷酸化 細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK) 是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，包括ERK1 和ERK2，腦組織內(nèi)ERKl/2蛋白激酶磷酸化參與調(diào)節(jié)突觸可塑性、長時程增強(qiáng)進(jìn)而影響記憶的形成。在異丙酚對NMDA受體介導(dǎo)的ERK磷酸化影響的研究中，Kozinn等[15]研究發(fā)現(xiàn)異丙酚可以調(diào)控NMDA受體依賴的ERK磷酸化，臨床濃度的異丙酚可減少NMDA介導(dǎo)的ERK磷酸化，進(jìn)而降低NMDA受體NR1亞基的磷酸化和NMDA受體介導(dǎo)的鈣離子內(nèi)流，從而對NMDA受體產(chǎn)生抑制。同時，國內(nèi)高海鷹等[16]也研究發(fā)現(xiàn)，異丙酚能顯著地抑制小鼠海馬腦片細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶ERKl/2磷酸化水平，并具有明顯的時效性和量效性，即隨著異丙酚作用時間的延長或作用濃度的升高，抑制程度增加，這與全身麻醉藥對學(xué)習(xí)與記憶功能影響的量效關(guān)系一致。

4.2異丙酚與核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子激活及下游基因表達(dá) 在LTP的誘導(dǎo)過程中，NMDA受體被激活后可激活ERK1/ERK2信號通路，使其下游的轉(zhuǎn)錄因子Ets樣蛋白1(Elk-1)、環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)被激活，易化其下游的轉(zhuǎn)錄翻譯，誘導(dǎo)c-fos、Egr-1等與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系密切的即早基因表達(dá)，促進(jìn)長時記憶的形成和維持?？梢? ERK1/ ERK2磷酸化水平升高后可易化其下游的轉(zhuǎn)錄翻譯，調(diào)節(jié)突觸蛋白的分布和功能，在突觸可塑性及記憶形成中發(fā)揮重要作用[17]。

Fibuch等[18]的研究證實(shí)異丙酚通過對ERK途經(jīng)的抑制，阻斷了NMDA受體依賴的兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Elk-1和CREB的激活，并抑制了c-fos基因的表達(dá)，而應(yīng)用MEK(ERK激酶)阻滯劑則能夠?qū)巩惐拥倪@種抑制作用，這成為異丙酚導(dǎo)致失憶的一個可能的轉(zhuǎn)錄依賴性機(jī)制。此外，Kidambi等[19]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用臨床相關(guān)濃度16.8 μmol/L的異丙酚處理大鼠海馬腦片1 h，c-fos轉(zhuǎn)錄增加110%，Egr-1轉(zhuǎn)錄降低90%；而將異丙酚的濃度上調(diào)至112μmol/L時則不能增加c-fos表達(dá)，同時能夠徹底抑制Egr-1轉(zhuǎn)錄。同時，他們還發(fā)現(xiàn)異丙酚的這種作用能夠被RAS、RAF、MEK及ERK的抑制劑所阻斷。此研究表明異丙酚能夠通過MAPK/ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路影響即早基因c-fos和Egr-1的表達(dá)，而且這種表達(dá)呈明顯的劑量相關(guān)性。

5 異丙酚對腦發(fā)育高峰期及學(xué)習(xí)記憶的影響

嬰幼兒階段是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的敏感期和高峰時期，鑒于臨床研究的復(fù)雜性,雖然目前還沒有關(guān)于全身麻醉藥物對嬰幼兒學(xué)習(xí)記憶能力和認(rèn)知功能發(fā)育變化影響的研究報(bào)道，但在動物實(shí)驗(yàn)中已發(fā)現(xiàn)，部分全身麻醉藥物可以促使部分中樞神經(jīng)元凋亡，對動物成年后的學(xué)習(xí)記憶功能產(chǎn)生損害[20]。

5.1異丙酚與神經(jīng)元凋亡 實(shí)驗(yàn)證實(shí)異丙酚能夠減少培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞中的GABA能神經(jīng)元，長期使用還會促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞死亡，提示該藥對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育具有不利的影響[21]。Fredriksson等[22]通過對幼齡小鼠神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和神經(jīng)認(rèn)知功能的測試發(fā)現(xiàn)，在P10(10 d新生小鼠)皮下注射低劑量異丙酚10 mg/kg未見有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的凋亡反應(yīng)，而高劑量異丙酚60 mg/kg麻醉或10 mg/kg異丙酚與25 mg/kg氯胺酮合用麻醉時則觸發(fā)了廣泛的凋亡反應(yīng)和成年后的行為學(xué)障礙，證實(shí)了異丙酚能夠劑量依賴性地增加神經(jīng)元的凋亡并導(dǎo)致遠(yuǎn)期學(xué)習(xí)記憶功能的損害。

5.2異丙酚與樹棘突發(fā)育 Vutskits等[23]在對新生鼠成神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)以觀察不同劑量的異丙酚對γ-氨基丁酸能中間神經(jīng)元樹突發(fā)育影響的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，50 μg/ml或更高濃度的異丙酚能夠誘發(fā)神經(jīng)元的凋亡，而低至1μg/ml濃度的異丙酚仍可干擾樹突的發(fā)育，若持續(xù)暴露4 h，樹突發(fā)育受到明顯抑制，從而損害神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Briner等[24]給5日或10日齡新生鼠腹腔注射異丙酚發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)側(cè)前額葉皮層V層錐體神經(jīng)元樹突棘密度顯著減少，并持續(xù)至成年。Bjornstrom等[25]認(rèn)為，異丙酚使肌動蛋白酪氨酸磷酸化，是導(dǎo)致神經(jīng)元肌動蛋白細(xì)胞骨架快速重構(gòu)的可能原因。因此，異丙酚對樹突發(fā)育的影響可能與發(fā)育中的神經(jīng)元肌動蛋白細(xì)胞骨架重構(gòu)有關(guān)。

綜上所述，異丙酚作為目前應(yīng)用最廣泛的靜脈全麻藥，主要通過易化和激活GABAA受體，繼而抑制LTP產(chǎn)生、易化LTD形成，以及對ERK1/2 酶磷酸化的抑制，抑制海馬區(qū)突觸可塑性的形成，從而影響學(xué)習(xí)記憶功能。此外，異丙酚還能通過細(xì)胞凋亡途徑引起大腦敏感期的神經(jīng)元凋亡，進(jìn)一步影響學(xué)習(xí)記憶能力。

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Experimentalresearchofpropofolonlearningandmemoryfunction

XUXiao-dong,ZHANGLiang-cheng.

DepartmentofAnesthesiology,AffiliatedUnionHospitalofFujianMedicalUniversity,Fuzhou350001,China

With in-depth understanding of the mechanism of general anesthesia，the effects of general anesthetics on learning and memory are taken seriously increasingly. As the most widely used intravenous anesthetic, propofol has sedative and hypnotic function, and its forgotten role may be the one of the important causes of postoperative cognitive dysfunction(POCD). This paper reviews the recent research of propofol on learning and memory function and related possible mechanism, in order to obtain detailed knowledge.

Propofol; Anesthetic; Learning; Memory

350001 福州，福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院麻醉科