七氟烷對學習記憶影響的研究進展

錢少杰 王文元 金孝岠 胡雙飛

七氟烷屬于吸入麻醉藥，具有對呼吸道刺激小、血氣分配系數(shù)低、誘導迅速、血流動力學穩(wěn)定、蘇醒快等諸多優(yōu)點，已被廣泛應用于臨床近30年。七氟烷具有全身麻醉和輕度鎮(zhèn)痛作用，可消除患者對手術(shù)的恐懼和減少術(shù)中疼痛刺激，使患者安全渡過手術(shù)。目前，越來越多學者關(guān)注七氟烷是否會對患者術(shù)后的學習記憶功能產(chǎn)生損害作用。已有大量研究表明，七氟烷可對學習記憶產(chǎn)生一定影響，但這些影響隨著年齡階段(包括孕期胎兒)的變化而不同。筆者就七氟烷對不同年齡階段學習記憶的影響及其可能機制進行以下綜述。

一、七氟烷對不同年齡階段學習記憶能力的影響

1.七氟烷對孕期胎兒及出生后學習記憶能力的影響

在美國，每年約有75 000名孕婦接受麻醉手術(shù)，麻醉藥物對胎兒的影響，尤其是出生后學習記憶功能的影響，受到人們普遍關(guān)注。目前，七氟烷對孕期胎兒后續(xù)學習記憶能力影響的研究主要為鼠類動物實驗。鼠類動物的孕期一般為20 d，研究的時間窗主要在孕中晚期(孕14～18 d)，此階段胎鼠已基本成型。既往的研究表明，孕鼠在孕期暴露于七氟烷，出生后的子代鼠有學習記憶能力的改變[1]。Zheng等[2]用孕鼠吸入濃度為2.5%的七氟烷2 h，待胎鼠出生1個月后行水迷宮實驗(測空間學習記憶)，發(fā)現(xiàn)子代鼠有空間記憶能力的下降。然而，Suehara等[3]發(fā)現(xiàn)，孕鼠吸入1.5%七氟烷6 h，出生后的子代鼠無空間記憶能力下降。近期研究也表明，孕鼠單次吸入3%七氟烷2 h，出生后的子代鼠同樣無空間記憶能力下降的改變[4]。針對相同的問題，研究者的結(jié)果產(chǎn)生了分歧。故有研究者推測子代鼠空間記憶能力的改變可能與孕期暴露于七氟烷的濃度有關(guān)。有研究顯示，將孕鼠分為2.0%和3.5%七氟烷2組，均吸入七氟烷2 h后，低劑量2.0%七氟烷組子代鼠無空間記憶能力的下降，而高劑量3.5%七氟烷組子代鼠有空間記憶的能力下降[5]。因此，孕期暴露于七氟烷對出生后子代學習記憶能力產(chǎn)生的影響，與孕期吸入七氟烷的濃度有關(guān)。孕期暴露于七氟烷時間的長短對子代學習記憶能力也可能產(chǎn)生影響，但尚無直接證據(jù)。所以，目前學者們認為七氟烷對孕期胎兒出生后學習記憶能力的影響與孕期吸入七氟烷的濃度有關(guān)，孕期暴露于低劑量七氟烷對子代出生后學習記憶能力影響不大，但是高劑量七氟烷可對子代產(chǎn)生一定的損害作用。孕期暴露七氟烷持續(xù)時間的長短對子代學習記憶能力的影響，尚待進一步研究。七氟烷分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在體內(nèi)極少被代謝，屬于脂溶性藥物。因此，七氟烷可通過母體胎盤屏障直接作用于胎兒。胎兒期大腦處于快速發(fā)育的階段，代謝旺盛，七氟烷因其高脂溶性的特點，可直接作用于神經(jīng)細胞，介導發(fā)育期神經(jīng)細胞的生理過程。雖然目前臨床實驗證據(jù)不足，未能證明七氟烷可對出生后胎兒學習記憶能力產(chǎn)生影響，但在孕期行手術(shù)時應慎用七氟烷。

2.七氟烷對嬰幼兒及兒童學習記憶能力的影響

隨著我國二胎政策的實行，嬰幼兒及兒童需接受麻醉手術(shù)治療的數(shù)量越來越多。麻醉藥物對處于發(fā)育期的幼兒及兒童學習記憶能力的影響，以及是否有麻醉藥物能夠安全有效地應用于該人群，同樣是學者們十分關(guān)注的問題。Stratmann等[6]發(fā)現(xiàn)，28名年齡6～11歲于1歲之前接受過全身麻醉的兒童接受空間和顏色識別的記憶測試，與未接受過麻醉的兒童相比，有記憶能力下降的現(xiàn)象。但受試者應用全身麻醉藥物的種類不同，不能直接說明記憶能力的下降與七氟烷的因果關(guān)系。因此，該團隊同時進行了動物實驗，用出生后7 d的幼鼠，吸入最小肺泡濃度(MAC)為1的七氟烷4 h，待幼鼠10個月成熟后，進行相同的記憶測試得到了同樣的結(jié)果。該研究還顯示七氟烷對兒童的智力和行為學功能無產(chǎn)生損害作用。雖然有動物實驗證明了七氟烷可對記憶功能產(chǎn)生影響，但是動物實驗的證據(jù)不能直接反映七氟烷對人體大腦學習記憶的影響。另一項臨床研究彌補了這項空缺，驗證了七氟烷對兒童無學習記憶功能損害的作用，研究者納入了60例7～13歲需接受手術(shù)的患兒，將其隨機分為丙泊酚組和七氟烷組，應用Wechsler記憶法分別于術(shù)前、術(shù)后第7日、術(shù)后3個月測試瞬時記憶、短期記憶和長期記憶能力，發(fā)現(xiàn)七氟烷并無對兒童的記憶功能產(chǎn)生損害作用，然而丙泊酚對兒童的短期記憶功能產(chǎn)生了損害作用，但是于術(shù)后3個月恢復正常[7]。另有臨床研究表明，3歲之前接受過七氟烷麻醉的兒童，在5～16歲兒童期無發(fā)現(xiàn)認知功能的損害[8]。

根據(jù)目前的研究可知，七氟烷可相對安全地應用于嬰幼兒及兒童的手術(shù)麻醉。但是在動物實驗中，大量的實驗證據(jù)均表明，七氟烷對發(fā)育期大腦有神經(jīng)毒性作用，可產(chǎn)生遠期學習記憶的損害。最新一項有關(guān)靈長類動物恒河猴的實驗顯示，幼年期吸入七氟烷可導致其情緒記憶的改變，研究者讓恒河猴在出生后6～10 d吸入七氟烷4 h，間隔14 d和28 d后重復吸2次,在出生后6個月時發(fā)現(xiàn)恒河猴有情緒記憶的改變，可持續(xù)至1～2歲[9]。本課題組前期結(jié)果也顯示，出生后7 d的幼鼠吸入3%七氟烷6 h，于出生4周幼鼠成熟后行水迷宮測試，發(fā)現(xiàn)其有空間記憶功能的損害[10]。也有學者提出了相反的觀點，認為發(fā)育期大腦暴露于七氟烷，不會產(chǎn)生后續(xù)學習記憶功能的損害作用。Zhou等[11]讓出生后6 d的雄性食蟹猴吸入3%七氟烷5 h，待成長到3～7個月時對其進行學習記憶能力測試，發(fā)現(xiàn)七氟烷無損害食蟹猴的學習記憶功能?？傊?，雖然動物實驗顯示七氟烷影響發(fā)育期大腦后續(xù)的學習記憶功能，但臨床實驗證據(jù)顯示七氟烷影響并不大。目前，七氟烷以其對呼吸道刺激小、誘導迅速、蘇醒快等優(yōu)點仍在臨床上被視為小兒麻醉相對安全的藥物。

3.七氟烷對成年期學習記憶能力的影響

成年期的大腦神經(jīng)發(fā)育已基本成熟，能夠較好抵御外界刺激。多項研究均提示七氟烷對成年期大腦的影響不大。有研究表明，讓2個月大的成年小鼠單次吸入3.3%七氟烷4 h或者連續(xù)5 d每日吸入3.3%七氟烷2 h，24 h后進行水迷宮測試，單次或者多次吸入七氟烷均未造成成年鼠空間記憶的損害[12]。有學者發(fā)現(xiàn)，七氟烷能增強成年鼠學習記憶能力，研究者對2個月大的小鼠進行實驗，讓其吸入2.5%七氟烷，分為1～4 h的時間梯度進行觀察，發(fā)現(xiàn)吸入1～3 h有增強學習記憶能力的作用，但是吸入4 h無學習記憶能力增強作用[13]。但有研究者提出相反觀點，認為反復吸入七氟烷可導致學習記憶功能損害，讓大鼠出生后第7日和第60日分別吸入2%七氟烷1 h，之后進行水迷宮測試，發(fā)現(xiàn)其有空間學習記憶能力的下降[14]。目前，反復吸入七氟烷對成年小鼠學習記憶能力產(chǎn)生影響存在爭論，原因可能與反復吸入七氟烷的頻率、濃度及持續(xù)時間有關(guān)。由既往研究可知，單次吸入七氟烷對成年鼠學習記憶能力影響不大，多次吸入七氟烷的影響可能與藥物的劑量、使用頻率和吸入時間有關(guān)。

4.七氟烷對老年期學習記憶的影響

隨著年齡的增長，老年人大腦伴有神經(jīng)細胞數(shù)量減少以及神經(jīng)退行性疾病。因此老年人的腦功能極為脆弱，是術(shù)后認知功能障礙(POCD)的高發(fā)人群。POCD發(fā)生機制復雜，包含了學習記憶功能障礙。目前，大量臨床和動物研究均表明，七氟烷對老年期POCD的發(fā)生有促進作用。最新一項前瞻性隨機雙盲臨床實驗，研究者比較了丙泊酚、異氟烷和七氟烷對老年人POCD發(fā)生率的影響，發(fā)現(xiàn)七氟烷可導致POCD的發(fā)生，并且七氟烷組POCD的發(fā)生率較丙泊酚組高[15]。另外最新動物實驗也表明，單次或者多次吸入2.5%七氟烷均可導致POCD的發(fā)生[16]。老年人因其年齡的增長，大腦功能的衰退，易受麻醉藥物的影響，因此，在老年人接受手術(shù)麻醉時，應盡量避免使用七氟烷麻醉。

二、七氟烷對學習記憶功能影響的可能機制

1.細胞凋亡

無論是在體實驗還是體外細胞實驗，大量證據(jù)均表明七氟烷可以導致神經(jīng)細胞凋亡，進而導致學習記憶能力的下降，尤其是對發(fā)育期神經(jīng)細胞的促凋亡作用[17]。細胞凋亡發(fā)生的經(jīng)典途徑有：線粒體途徑、死亡受體途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑以及非含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)依賴性途徑。本課題組前期研究結(jié)果提示七氟烷介導學習記憶功能損害機制與Caspase-3上調(diào)通過線粒體途徑參與細胞凋亡有關(guān)[10]。FASL-FAS信號是死亡受體途徑介導細胞凋亡的重要調(diào)節(jié)物，研究者在七氟烷導致的學習記憶功能損害模型中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ASL-FAS信號被激活，F(xiàn)ASL及FAS基因敲除的小鼠，能夠減輕七氟烷的神經(jīng)細胞凋亡作用[18]。蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑細胞凋亡的標志物，研究表明七氟烷能夠促進PERK的磷酸化進而激活一系列下游信號分子，導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑依賴的神經(jīng)細胞凋亡[19]。然而七氟烷是否通過非Caspase依賴性途徑(如程序性壞死)介導神經(jīng)細胞死亡導致學習記憶功能損害，尚有待繼續(xù)研究。

2.突觸可塑性

神經(jīng)細胞突觸可塑性可分為長時程增強(LTP)和長時程抑制(LTD)。LTP和LTD是2種電生理現(xiàn)象，被認為是學習和記憶的細胞水平機制，LTP能夠增強學習和記憶的能力，LTD則與學習后的遺忘相關(guān)[20]。已有多項研究顯示七氟烷與LTP的形成相關(guān)[21]。近期研究表明，出生后7 d的幼鼠暴露于3%七氟烷6 h，待1個月幼鼠成熟后作腦片電生理檢查發(fā)現(xiàn)LTP被抑制，提示七氟烷導致發(fā)育期大腦學習記憶功能障礙與LTP被抑制有關(guān)[22]。但是，LTP形成機制目前仍未知，七氟烷如何抑制LTP形成，尚待進一步研究。

3.中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)受體

七氟烷可激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)γ-氨基丁酸(GABA)受體和阻斷N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體而發(fā)揮麻醉效能[23]。近期研究表明，發(fā)育期幼鼠連續(xù)3 d吸入3%七氟烷2 h，2個月后水迷宮檢測結(jié)果顯示其空間記憶功能下降，皮質(zhì)醇顯著升高，驗證了七氟烷導致記憶功能損害可能與GABA受體過度去極化有關(guān)[24]。本課題組前期研究結(jié)果顯示，發(fā)育期幼鼠接受七氟烷麻醉后，可選擇性降低NMDA受體亞單位2A(NR2A)的表達、增加NR2B的表達，從而改變NMDA受體亞基的組成結(jié)構(gòu)，這一過程參與了七氟烷對發(fā)育期幼鼠學習記憶功能的損害過程[25]。

4.學習記憶相關(guān)重要蛋白

β-淀粉樣蛋白是阿爾茨海默病(AD)重要的相關(guān)蛋白，七氟烷可導致β-淀粉樣蛋白的增加，促進AD的發(fā)生[26]。Tau蛋白是可溶的微管相關(guān)蛋白，主要存在于神經(jīng)細胞中，其主要功能是維持神經(jīng)元軸突的穩(wěn)定性，過度磷酸化的Tau蛋白可聚集糾纏成絲狀，參與AD的發(fā)生。有研究表明發(fā)育期大腦暴露于3%七氟烷6 h可增加Tau蛋白的mRNA表達，并且增加Tau蛋白磷酸化水平[27]。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)是重要的神經(jīng)營養(yǎng)因子，以往研究表明，七氟烷可減少BDNF的表達，損害學習記憶功能。最新研究顯示了相反結(jié)果，出生后7 d幼鼠暴露于2.3%七氟烷6 h，七氟烷可導致神經(jīng)細胞凋亡，但并無改變其血清和腦內(nèi)BDNF水平[28]。其原因可能是個體間各腦區(qū)BDNF表達有差異，但是全腦BDNF表達無明顯差異。

5.其他可能機制

自噬是一些長壽蛋白或細胞器被膜包裹運送至溶酶體而發(fā)生降解的過程，使細胞能夠在應激環(huán)境中繼續(xù)利用營養(yǎng)物質(zhì)而生存下去。近年來，多種證據(jù)表明，自噬參與了七氟烷導致細胞凋亡的過程[29]。自噬參與七氟烷導致神經(jīng)細胞凋亡的機制尚待進一步研究。調(diào)控非編碼RNA是指基因轉(zhuǎn)錄成RNA，但并未進一步翻譯成蛋白質(zhì)，而是發(fā)揮調(diào)節(jié)基因表達和蛋白功能的作用?？煞譃槎替湻蔷幋aRNA和長鏈非編碼RNA兩大類。非編碼RNA可參與細胞信號的轉(zhuǎn)導，并調(diào)節(jié)細胞的各個生理過程[30]。近期研究均表明， 長鏈非編碼RNA、微小RNA均參與了調(diào)節(jié)七氟烷導致神經(jīng)細胞凋亡和學習記憶損害的過程[31-32]。

三、 結(jié)束語

人類大腦學習記憶的發(fā)生機制復雜，目前尚未清楚。根據(jù)不同的定義，記憶的分類很多，但是記憶的過程基本相同，分為記憶的編碼和形成、記憶的存儲和鞏固、記憶的提取等。學習過程與記憶過程同時發(fā)生，學習和記憶的關(guān)系相輔相成。七氟烷對學習和記憶功能產(chǎn)生的影響，目前仍未明確。少數(shù)研究者探討了七氟烷對記憶鞏固的作用，在訓練(學習階段)后給予七氟烷麻醉，觀察其對記憶鞏固的作用[33]。但少有研究涉及七氟烷對記憶的形成和提取的影響。其次，以往實驗主要以海馬為學習記憶的代表區(qū)域，但海馬主要與近期記憶的形成和穩(wěn)定有關(guān)，而與遙遠陳舊記憶關(guān)系不大[34]。遙遠陳舊記憶主要存儲于大腦皮層，七氟烷對大腦皮層此類記憶的研究目前較少。人腦機制非常復雜，為探討七氟烷對人類學習記憶功能的影響需要先進的科學技術(shù)支持，如通過光遺傳學技術(shù)可研究七氟烷對記憶相關(guān)神經(jīng)環(huán)路的影響；通過單細胞測序技術(shù)可研究七氟烷在單細胞層面產(chǎn)生的基因和蛋白水平的變化，有助于揭開七氟烷對學習記憶細胞內(nèi)水平影響之謎，從而找到治療干預靶點。