全身麻醉藥調(diào)控學習記憶功能機制的研究進展

丁媛媛，趙帥，陳向東

(華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院麻醉科，武漢 430022)

全身麻醉藥已經(jīng)廣泛應用數(shù)百年，具有致遺忘、催眠、制動和無意識等作用[1]，然而其產(chǎn)生麻醉作用的具體機制至今仍未闡明。目前被大多數(shù)學者廣為接受的蛋白質(zhì)學說認為，麻醉藥可以通過與靶蛋白結(jié)合發(fā)揮麻醉效應[2]，這些具體的分子靶點主要是膜受體和離子通道蛋白，包括γ-氨基丁酸A型(gamma-aminobutyric acid type A，GABAA)受體、谷氨酸受體，電壓門控或ATP敏感性鉀離子通道，以及超極化激活的環(huán)核苷酸門控陽離子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel，HCN)等[3]。近年來，全身麻醉機制方面的研究取得了較大進展，但是大部分集中于全身麻醉藥導致意識消失、鎮(zhèn)靜和制動等方面，關于其致遺忘機制研究仍較少[4]。

抑制術中記憶是全身麻醉的重要目標之一[5]。若術中麻醉藥抑制記憶功能不完全，患者可能會發(fā)生術中知曉，這將會對患者的身心造成極大創(chuàng)傷，甚至發(fā)展為創(chuàng)傷后應激障礙[6]。此外，研究發(fā)現(xiàn)麻醉藥除了可以抑制短期記憶外，也可能造成術后持續(xù)記憶功能減退或障礙，甚至出現(xiàn)圍手術期神經(jīng)認知功能障礙[7]。鑒于全身麻醉藥具有抑制記憶和致遺忘作用，故常用于研究學習和記憶功能。研究全身麻醉藥調(diào)控學習、記憶功能的機制將有助于闡明全身麻醉機制，具有重大的科學價值。現(xiàn)就全身麻醉藥調(diào)控學習記憶功能機制的研究進展予以綜述。

1 學習和記憶的概述

學習指獲得新知識、新技能，記憶則是指保持和恢復印象的能力。記憶有多種分類方式，按照記憶內(nèi)容分為外顯記憶和內(nèi)隱記憶。外顯記憶是指人物、地點和事件等信息，這些信息被有意識地感知和保留，且隨后可以回憶。相反，內(nèi)隱記憶是指知覺和運動技能的信息，被無意識地感知和保留，且隨后無法回憶[8]。術中的外顯記憶及內(nèi)隱記憶與全身麻醉密切相關，術后即時及延遲(>1個月)外顯記憶或內(nèi)隱記憶是否出現(xiàn)可以反映術中認知狀態(tài)，即麻醉深度是否達到無意識要求[9]。全身麻醉手術期間應絕對避免外顯記憶和(或)內(nèi)隱記憶的發(fā)生。

2 學習和記憶的神經(jīng)生理學基礎

近年，關于學習和記憶領域的探索主要集中在不同腦區(qū)的神經(jīng)調(diào)控、突觸可塑性、神經(jīng)元再生及介導這些作用的重要分子通路的變化等。

2.1腦區(qū)與學習記憶 大腦中的顳中葉對于建立長期外顯記憶十分重要，尤其是海馬和與之相毗鄰的皮質(zhì)在學習之后記憶的形成、重組和鞏固中必不可少。研究證實，海馬與前額葉皮質(zhì)之間通過振蕩同步的方式相互聯(lián)系，從而參與調(diào)控情景性記憶[10]。小腦、紋狀體、杏仁核、丘腦和中腦是支持內(nèi)隱記憶形成的腦區(qū)。研究表明，條件反射中來源于丘腦和新皮質(zhì)的條件刺激與非條件刺激在基底外側(cè)杏仁核處匯聚并形成聯(lián)系；同時形成的條件反射主要由杏仁核的中央核輸出[11]。另外，Deverett等[12]研究發(fā)現(xiàn)，借助光遺傳學技術操縱小鼠小腦浦肯野細胞會減弱小鼠有效保持先前工作記憶信息的能力，從而影響其決策。由此可知，大腦中的多個腦區(qū)參與學習記憶過程，每個腦區(qū)處理的信息不同，并在不同的記憶中發(fā)揮不同的作用。

2.2突觸可塑性與學習記憶 目前廣泛認為突觸可塑性是學習記憶的重要機制，包括長時程增強和長時程抑制等，其是短期記憶轉(zhuǎn)為中長期記憶的基礎之一[13]。有研究者對實驗動物同時進行足底電擊與靶向外側(cè)杏仁核的聽覺輸入，隨后通過光遺傳學將長時程抑制調(diào)節(jié)作用傳遞至聽覺輸入，發(fā)現(xiàn)電擊記憶失活；反之，長時程增強調(diào)節(jié)作用會重新激活電擊記憶[14]，提示突觸可塑性與記憶之間可能存在一種因果聯(lián)系，可以用長時程增強/長時程抑制設計記憶的失活和激活，但是關于細胞網(wǎng)絡中的突觸可塑性參與調(diào)控信息存儲和回憶的機制目前仍不明確。

2.3腦內(nèi)相關分子與學習記憶 人們對學習記憶的分子機制進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)短期記憶與突觸聯(lián)系的加強和蛋白質(zhì)的共價修飾有關[15]，而長期記憶則依賴于建立新的突觸聯(lián)系和生成新的蛋白質(zhì)分子。當與中樞神經(jīng)系統(tǒng)中學習記憶密切相關的cAMP反應元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)被蛋白激酶A、促分裂原活化的蛋白激酶或Ca2+-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶磷酸化后，活化的CREB促進啟動子中含有cAMP反應元件序列的基因轉(zhuǎn)錄，從而參與與記憶相關的突觸可塑性變化。研究表明，CREB信號通路的表達或功能降低會使學習和記憶功能受損[16]。

3 全身麻醉藥與學習記憶

全身麻醉的主要目的之一是盡量減少醫(yī)療操作給患者帶來的不良身體及情感經(jīng)歷，防止形成術后創(chuàng)傷記憶等后遺癥，但全身麻醉藥對記憶的影響錯綜復雜，它通過多種機制、在不同水平調(diào)控學習記憶。

3.1全身麻醉藥對學習記憶的影響 吸入麻醉藥和靜脈麻醉藥均能可逆性地抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，從而引起意識、感覺和反射消失以及骨骼肌松弛?？赡嫘缘匾种菩g中記憶，使患者術后無法回憶術中發(fā)生的事件，也是全身麻醉的主要目標之一。Alkire等[17]發(fā)現(xiàn)，七氟烷在亞麻醉濃度(0.25%)下即可阻礙人類情緒記憶的形成，并以劑量依賴性方式產(chǎn)生抑制作用。故抑制記憶所需全身麻醉藥濃度低于抑制意識時。一項隨機對照臨床試驗發(fā)現(xiàn)，與七氟烷全身麻醉相比，丙泊酚全身麻醉能降低老年癌癥手術患者1周后包括學習記憶在內(nèi)的神經(jīng)認知延遲恢復事件的發(fā)生率[18]。因此，全身麻醉藥對學習記憶的影響是復雜的，其種類、濃度、年齡等因素均與全身麻醉藥對記憶影響的差異密切相關。

3.2全身麻醉藥調(diào)控學習記憶的機制

3.2.1特定腦區(qū)以及靶蛋白的參與 海馬是學習記憶的解剖學基礎，在人類記憶特定事件(情境性記憶)能力方面至關重要[19]。研究表明，全身麻醉藥可通過抑制和解偶聯(lián)大腦皮質(zhì)和海馬之間的雙向連接產(chǎn)生遺忘作用[20]。功能性磁共振成像是定位并量化分析大腦活動的一種研究工具。Vogt等[21]進行了一項受試者內(nèi)交叉研究，使健康成年人在聽到某些詞匯時其手指受到電擊，制造一種周期性疼痛記憶，進而比較氯胺酮和咪達唑侖麻醉后人們的回憶能力，并分析給予兩種麻醉藥時大腦各功能區(qū)連接性的改變。結(jié)果表明，與氯胺酮相比，接受咪達唑侖麻醉的志愿者對疼痛的回憶能力明顯降低；借助功能性磁共振成像技術發(fā)現(xiàn)，兩種麻醉藥物引起的大腦連接性及活躍度有所不同，但它們均抑制了與任務相關的大腦神經(jīng)元活動，尤其是與記憶編碼(海馬)和恐懼學習(杏仁核)相關的腦區(qū)。由此推測，全身麻醉藥可以通過抑制特定腦區(qū)神經(jīng)元活動來改變大腦功能網(wǎng)絡的連接，進而抑制記憶，產(chǎn)生致遺忘作用。

全身麻醉藥主要通過離子型神經(jīng)遞質(zhì)受體引起神經(jīng)元興奮性的改變。其中，離子型GABAA受體(GABAAreceptors，GABAARs)被認為是全身麻醉藥的重要作用靶點。研究證明，學習記憶與大腦中GABAARs的各亞基，尤其是在海馬、皮質(zhì)深層表達最密集的α5 GABAARs抑制有關[22]。研究發(fā)現(xiàn)，空間記憶任務的訓練會增加海馬中α5 GABAARs的表達[23]。另外，Zhao等[24]利用α5 GABAARs的反向激動劑L-655,708對低濃度(1.3%)異氟烷麻醉的青年或老年Wistar大鼠進行預處理和后處理，發(fā)現(xiàn)麻醉前后皮下注射L-655,708均可逆轉(zhuǎn)低劑量異氟烷對青年大鼠造成的空間參考記憶能力的損害；而在老年大鼠中，只有L-655,708預處理才能產(chǎn)生類似的作用。此結(jié)果進一步說明，海馬α5 GABAARs活性或密度的改變是吸入麻醉藥發(fā)揮遺忘效應的部分原因，且吸入麻醉藥對青年和老年大鼠海馬中α5 GABAARs的影響不同。α5 GABAARs由于其獨特的生理、藥理學性質(zhì)，可能成為研發(fā)新藥治療神經(jīng)發(fā)育障礙、抑郁、精神分裂癥和輕度認知障礙等疾病的重要分子靶點[25]。另有研究證明，HCN1離子通道參與全身麻醉藥致遺忘作用。如Zhou等[26]應用恐懼增強驚嚇實驗研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷、七氟烷的致遺忘作用在前腦HCN1選擇性敲除小鼠和全腦HCN1敲除小鼠中均明顯減弱，提示前腦的HCN1是吸入麻醉藥致遺忘作用的重要靶點之一。眾多研究結(jié)果表明，全身麻醉藥可能通過調(diào)控與學習記憶相關腦區(qū)的多種離子通道和受體靶點，影響特定腦區(qū)神經(jīng)元活動和突觸可塑性，進而介導全身麻醉藥抑制記憶，產(chǎn)生致遺忘作用。

神經(jīng)遞質(zhì)或激素與受體結(jié)合后激活大量的細胞內(nèi)級聯(lián)信號，調(diào)節(jié)離子通道開放和基因表達，在多個時間尺度上改變神經(jīng)元活動。CREB通路參與學習、記憶、突觸可塑性和神經(jīng)保護。大腦中的神經(jīng)元活動可以使Ca2+濃度增加，濃度升高的Ca2+和cAMP活化相應的激酶，進而使CREB磷酸化，最后啟動下游cAMP反應元件調(diào)控的基因表達，如Egr-1、c-Fos、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等，這些表達產(chǎn)物對于記憶形成、短期記憶轉(zhuǎn)換成長期記憶以及長期記憶鞏固十分重要。Xiong等[27]將老年SD大鼠在1.3%七氟烷+50%一氧化二氮/50%氧氣環(huán)境中暴露4 h，48 h后通過Morris水迷宮連續(xù)訓練6 d，檢測它們的空間記憶能力，并分析Morris水迷宮訓練前后海馬磷酸化CREB和cAMP水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與暴露于50%氧氣的老年大鼠相比，暴露于七氟烷+一氧化二氮的老年大鼠空間學習和記憶保持能力明顯受損；且麻醉暴露的老年大鼠背側(cè)海馬中cAMP和磷酸化CREB水平下降，提示七氟烷+一氧化二氮全身麻醉可能通過下調(diào)cAMP/CREB信號通路導致學習記憶功能削弱等認知功能障礙。上述研究結(jié)果提示，神經(jīng)遞質(zhì)或激素、受體參與的細胞內(nèi)級聯(lián)信號和(或)關鍵信號通路參與全身麻醉藥抑制記憶，產(chǎn)生致遺忘作用。而在眾多靶點中，全身麻醉藥主要作用于何種分子靶點、神經(jīng)環(huán)路或腦區(qū)，未來還需進一步研究。

3.2.2突觸可塑性的參與 突觸可塑性的分子機制實質(zhì)是神經(jīng)遞質(zhì)，包括改變釋放到突觸中的神經(jīng)遞質(zhì)數(shù)量和改變突觸后神經(jīng)元對神經(jīng)遞質(zhì)的反應。全身麻醉藥也可以借助神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)影響神經(jīng)元興奮性，繼而改變突觸可塑性，包括谷氨酸能、γ-氨基丁酸能、膽堿能、5-羥色胺能[1]。Tokuda等[28]獲取30～32日齡雄性SD大鼠的海馬切片后，借助免疫組織化學、膜片鉗電生理技術記錄群峰電位、興奮性突觸后電位等發(fā)現(xiàn)，咪達唑侖以增加海馬CA1區(qū)錐體神經(jīng)元神經(jīng)甾體濃度的方式抑制長時程增強和學習功能，其中神經(jīng)甾體通過與GABAARs結(jié)合快速調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性，這可能是麻醉藥咪達唑侖在術中產(chǎn)生遺忘作用的主要原因之一。

3.2.3神經(jīng)元凋亡與退化的參與 研究表明，暴露于一定量的麻醉藥會增加神經(jīng)細胞死亡，進而導致術后認知缺陷，包括學習記憶能力的下降，這種影響作用的強弱與麻醉藥的劑量和暴露時間有關[29]。

N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptors，NMDARs)和GABAARs介導的信號通路在大腦發(fā)育和驅(qū)動神經(jīng)元分化、增殖中發(fā)揮關鍵作用[30]。全身麻醉藥可能通過作用于NMDARs和GABAARs介導神經(jīng)元凋亡與退化，進而誘導學習記憶能力下降。Xie等[31]將7日齡SD新生幼鼠分為對照組(A組)、假麻醉組(B組)、七氟烷麻醉組(C組)，比較三組小鼠處理6 h后不同腦區(qū)的多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1[poly (ADP-ribose) polymerase-1，PARP-1](DNA修復酶)表達水平和三組小鼠在處理6 h、24 h、72 h后海馬區(qū)GABAARα1/GABAARα2的比值以及PARP-1表達。結(jié)果顯示，A、B兩組小鼠4個腦區(qū)(丘腦、海馬、顳葉皮質(zhì)、額葉皮質(zhì))6 h后PARP-1的表達比較差異有統(tǒng)計學意義；與A、B組相比，C組小鼠海馬、顳葉皮質(zhì)、額葉皮質(zhì)區(qū)的PARP-1表達增加，其中海馬改變最明顯，且C組小鼠海馬內(nèi)GABAARα1/GABAARα2比值隨著時間的推移逐漸升高，提示在發(fā)育早期暴露于七氟烷可能通過引起海馬區(qū)GABAARα2向GABAARα1轉(zhuǎn)變而發(fā)生神經(jīng)元凋亡。此外，七氟烷多次吸入后作用于NMDARs導致神經(jīng)元凋亡的具體機制可能由于NMDARs過度興奮使Ca2+內(nèi)流增加，出現(xiàn)鈣超載，繼發(fā)線粒體功能障礙，或激活多種鈣依賴性降解酶，或促進氧自由基生成，造成細胞膜及細胞器質(zhì)膜受損[32]。

研究表明，Wnt/β聯(lián)蛋白信號通路也參與了全身麻醉藥誘導的神經(jīng)元損傷和認知障礙[33]。Zhang等[34]研究發(fā)現(xiàn)，人體接受4.1%七氟烷全身麻醉后，Wnt信號通路中的兩個關鍵分子(糖原合成酶激酶-3β和β聯(lián)蛋白)發(fā)生改變——海馬糖原合成酶激酶-3β水平升高、磷酸化受抑制，β聯(lián)蛋白水平降低，從而抑制神經(jīng)元增殖分化，促進其退化、凋亡。相反，較低濃度(2 vol%)的七氟烷對神經(jīng)元增殖或之后的學習記憶方面無明顯影響[33]，說明全身麻醉藥對大腦的不利作用具有濃度依賴性。全身麻醉藥誘導大腦，尤其是海馬神經(jīng)元凋亡、退化的方式還涉及其他信號通路及相關調(diào)控蛋白，如磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白、cAMP/蛋白激酶A/CREB等[35-37]。這些信號分子與個體的正常生長發(fā)育密切相關，當其受到的有害刺激超出了自身調(diào)控范圍時，這些分子就不能再處理細胞的生長與正常死亡，導致細胞非正常凋亡。因此，了解這些分子的結(jié)構與功能，將會為臨床處理與手術麻醉后學習記憶功能障礙相關的病理狀態(tài)提供理論依據(jù)、治療方向與靶點參考。

4 小 結(jié)

全身麻醉藥對學習記憶產(chǎn)生的作用是多樣的，表現(xiàn)為不同種類或濃度的全身麻醉藥對不同記憶類型的影響不同。全身麻醉藥影響學習記憶功能的機制也具有復雜性，其包括可能作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)受體GABAARs等改變神經(jīng)元興奮性，或抑制神經(jīng)元之間的突觸可塑性形成，也有可能通過多種途徑或信號通路誘導神經(jīng)元凋亡等。未來需要大量研究進一步探索，以了解這些途徑共同調(diào)節(jié)記憶的機制，以及麻醉藥物對這些途徑的影響。全身麻醉機制目前仍是全球亟待解決的重大科學問題之一，研究麻醉藥物對學習記憶功能的影響機制將為進一步完善全身麻醉機制提供理論基礎。此外，該領域的研究也將會為臨床精準麻醉管理提供理論依據(jù)，并有望為學習記憶受損的麻醉治療學研究提供線索，具有深遠的臨床意義及科學價值。