中縫背核5-羥色胺能神經(jīng)元在全身麻醉中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

朱 珊，楊笑萱綜述，羅 艷，金 華審校

0 引 言

全身麻醉是指麻醉藥經(jīng)呼吸道吸入、靜脈注射或肌肉注射，產(chǎn)生中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可逆抑制，表現(xiàn)為意識(shí)消失、遺忘、鎮(zhèn)痛和制動(dòng)[1]。自1842年應(yīng)用乙醚進(jìn)行無痛手術(shù)開始，每年全球有超過兩億的患者因外科手術(shù)而接受全身麻醉，但對(duì)于其如何導(dǎo)致可逆性意識(shí)消失一直是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的未解之謎[2]。

全身麻醉狀態(tài)與自然睡眠狀態(tài)在生理特點(diǎn)方面存在許多相似之處，比如意識(shí)消失、感知能力下降以及對(duì)外界刺激反應(yīng)下降[3]。此外，全身麻醉與睡眠的腦電特征也十分相似，全身麻醉時(shí)腦電會(huì)呈現(xiàn)出類似于非快速眼動(dòng)睡眠(non-rapid eye movements sleep, NREM)的低頻慢波[4]。通過靜息功能磁共振成像發(fā)現(xiàn)，覺醒-睡眠與覺醒-麻醉之間的腦功能網(wǎng)絡(luò)改變十分接近[5]。研究發(fā)現(xiàn)全麻藥可以通過抑制促進(jìn)覺醒的核團(tuán)發(fā)揮麻醉作用[9]，這些核團(tuán)包括藍(lán)斑(去甲腎上腺素能神經(jīng)元)、橋腦網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(促醒GABA能神經(jīng)元)、橋腳和背側(cè)被蓋(膽堿能神經(jīng)元)、腹側(cè)被蓋區(qū)(多巴胺能神經(jīng)元)、穹隆周圍區(qū)(食欲素能神經(jīng)元)、結(jié)節(jié)乳頭核(組胺能神經(jīng)元)和基底前腦(促醒膽堿能神經(jīng)元)。

神經(jīng)調(diào)質(zhì)5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)是一種生物胺，又名血清素 (serotonin)。在哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，大多數(shù)5-HT能神經(jīng)元集中分布于中縫背核(dorsal raphe nucleus, DRN)，DRN的5-HT能神經(jīng)元投射到多個(gè)腦區(qū)，在調(diào)控睡眠-覺醒、大腦發(fā)育、食欲、運(yùn)動(dòng)功能、情緒、神經(jīng)內(nèi)分泌功能、晝夜節(jié)律和抑郁等生理病理過程中起著重要的作用[10-11]。近期研究發(fā)現(xiàn)，DRN的5-HT能神經(jīng)元不僅參與調(diào)節(jié)睡眠-覺醒，而且與全身麻醉過程密切相關(guān)，為我們研究全身麻醉作用的神經(jīng)機(jī)制提供了新思路。

1 DRN的神經(jīng)解剖和功能

DRN是一種異質(zhì)性的腦干核團(tuán)，位于哺乳動(dòng)物中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)的外側(cè)和腹側(cè)(包括中線)部分[12]。DRN是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)遞質(zhì)的主要來源，是5-HT能神經(jīng)核中最大的一個(gè)，含有大約三分之一的5-HT能神經(jīng)元[13]。DRN中的神經(jīng)元具有神經(jīng)化學(xué)和解剖學(xué)上的多樣性——只有30%～50%為5-HT能神經(jīng)元，許多神經(jīng)元釋放其他神經(jīng)遞質(zhì)，包括GABA、谷氨酸、多巴胺、一氧化氮和各種肽[14]。根據(jù)其5-HT能神經(jīng)元的分布可分為5個(gè)亞區(qū)，即吻部、背部中央、腹部中央、尾部以及側(cè)翼[15]。

DRN與許多腦區(qū)有著緊密的纖維連接。DRN通過3條上行和4條下行路徑投射到幾乎所有腦區(qū)，上行投射到紋狀體、丘腦、下丘腦、韁核、杏仁核、大腦皮層等，下行投射到藍(lán)斑、小腦等[12]。此外，它還接受下丘腦外側(cè)區(qū)、腹側(cè)被蓋區(qū)、外側(cè)臂旁核和結(jié)節(jié)乳頭核等的纖維輸入。如此復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使DRN與多種功能和大腦狀態(tài)密切相關(guān)，包括情緒、焦慮、感覺和運(yùn)動(dòng)功能、睡眠-覺醒等[16]。

2 DRN的5-HT能神經(jīng)元在睡眠-覺醒中的作用

DRN的5-HT能神經(jīng)元是上行網(wǎng)狀激活系統(tǒng)的一部分，早在20世紀(jì)50年代初期，就有研究者提出DRN的5-HT能神經(jīng)元在睡眠覺醒過程中發(fā)揮重要作用，然而，對(duì)DRN的5-HT能神經(jīng)元在睡眠覺醒中的作用至今仍未達(dá)成共識(shí)。

早期研究發(fā)現(xiàn)損毀貓的中縫核可以降低大腦5-HT水平，進(jìn)而導(dǎo)致睡眠缺失，睡眠缺失程度與損毀范圍成正比[17]。腹腔注射氯苯丙氨酸(色氨酸羥化酶抑制劑)阻斷5-HT合成，會(huì)減少睡眠[18]。這些結(jié)果提示：DRN的5-HT起著重要的促睡眠作用。然而，越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)不支持這一假設(shè)。損毀大鼠的中縫核不像損毀貓的中縫核一樣導(dǎo)致睡眠減少[19]。此外，通過在體電生理技術(shù)發(fā)現(xiàn)斑馬魚的DRN的 5-HT 能神經(jīng)元在清醒狀態(tài)下活動(dòng)水平最高，NREM睡眠時(shí)神經(jīng)元放電減少，而在快速動(dòng)眼睡眠(rapid eye movement sleep, REM)時(shí)神經(jīng)元放電進(jìn)一步降低[20]?；蚯贸赡晷∈竽X橋/中腦中縫核團(tuán)的Tph2基因(編碼色氨酸羥化酶的基因)可導(dǎo)致小鼠活動(dòng)增加，晝夜節(jié)律紊亂并消除午睡[21]。利用ePet-cre品系敲除中腦/橋腦和延髓中的大多數(shù)5-HT能神經(jīng)元導(dǎo)致REM睡眠減少，同時(shí)減弱對(duì)外界刺激的反應(yīng)[22]。這些研究都提示DRN的 5-HT 能神經(jīng)元是腦內(nèi)的重要覺醒通路?；谝陨涎芯浚珼RN被認(rèn)為是上行激活系統(tǒng)的一部分，可以促進(jìn)覺醒。

但是，關(guān)于DRN的5-HT能神經(jīng)元與睡眠覺醒關(guān)系的爭(zhēng)議仍未結(jié)束。最新證據(jù)表明，DRN的5-HT能神經(jīng)元對(duì)睡眠的啟動(dòng)和維持至關(guān)重要。在斑馬魚中，基因消融或藥物抑制5-HT合成會(huì)減少睡眠，損害對(duì)睡眠剝奪的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)；類似地，消融小鼠的DRN會(huì)導(dǎo)致增加覺醒，睡眠剝奪的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)受損；有趣的是，以3 Hz的光脈沖激活DRN的5-HT能神經(jīng)元會(huì)積累睡眠壓力，促進(jìn)NREM睡眠，而25 Hz的光脈沖會(huì)促進(jìn)覺醒[20]。此外，下丘腦神經(jīng)肽VF能神經(jīng)元通過DRN的5-HT能神經(jīng)元促進(jìn)睡眠[23]。

上述關(guān)于DRN的5-HT能神經(jīng)元與睡眠覺醒關(guān)系的數(shù)據(jù)存在很多矛盾之處。這些結(jié)果提示DRN的5-HT能神經(jīng)元可能并不是單一地促覺醒或促睡眠，而是在睡眠-覺醒通路中發(fā)揮雙向調(diào)節(jié)作用。此外，這些研究都將DRN的5-HT能神經(jīng)元作為一個(gè)單一群體來調(diào)控，實(shí)際上，盡管同為5-HT能神經(jīng)元，在分子、解剖和生理特性上也是異質(zhì)的。研究發(fā)現(xiàn)，DRN包含根據(jù)電生理特征、形態(tài)學(xué)和亞區(qū)分布確定的多種5-HT能神經(jīng)元亞型[15,24]。不同亞型的5-HT能神經(jīng)元可能接受不同的輸入，在各種生理功能的調(diào)節(jié)中發(fā)揮不同的作用。Sakai等[24]根據(jù)睡眠覺醒周期中不同的電生理特征，將小鼠DRN的5-HT能神經(jīng)元分為4種亞型。其中Ⅰ型和Ⅱ型在覺醒狀態(tài)放電較活躍，Ⅰ型主要位于DRN的吻部及尾部，Ⅱ型散在分布于整個(gè)DRN；而Ⅲ型和Ⅳ型是睡眠活躍的神經(jīng)元，它們主要位于吻部、中部及側(cè)翼。這種放電模式的不同可能與DRN的不同亞區(qū)接收到的不同神經(jīng)支配有關(guān)。這些結(jié)果提示DRN的5-HT能神經(jīng)元存在解剖和功能不同的神經(jīng)元亞型，在睡眠覺醒調(diào)控中可能發(fā)揮著不同甚至相反的作用。為了充分闡明DRN的5-HT能神經(jīng)元與睡眠覺醒的關(guān)系，需要更高分辨率的方法來檢測(cè)5-HT能神經(jīng)元在睡眠覺醒時(shí)的放電模式，比如進(jìn)行單細(xì)胞的鈣活動(dòng)測(cè)定。

3 DRN的5-HT能神經(jīng)元在全身麻醉中的作用

由于睡眠與全身麻醉的相似性，近些年來，DRN的5-HT能神經(jīng)元在全身麻醉中的作用研究也不斷深入。通過體內(nèi)微透析技術(shù)，Adell等[25]發(fā)現(xiàn)，與清醒狀態(tài)相比，戊巴比妥或水合氯醛麻醉時(shí)，大鼠DRN胞外5-HT含量減少60%；Mukaida等[26]發(fā)現(xiàn)與慢波睡眠時(shí)類似，異氟醚麻醉大鼠額葉皮質(zhì)5-HT的含量顯著減少；選擇性5-HT再攝取抑制劑氟西汀可部分拮抗異氟醚的麻醉效能。利用體外電生理技術(shù)，McCardle等[27]證明不同類型的麻醉藥會(huì)不同程度地影響DRN的5-HT能神經(jīng)元的功能，其中戊巴比妥鈉通過激活GABAA受體顯著抑制5-HT能神經(jīng)元的活動(dòng)；Johansen等[28]進(jìn)一步驗(yàn)證吸入性麻醉藥如異氟醚可以明顯抑制尾側(cè)DRN的5-HT能神經(jīng)元放電，這種抑制作用呈劑量依賴性。這些結(jié)果表明，各種全身麻醉藥對(duì)DRN的5-HT能神經(jīng)元功能有很大影響，提示DRN的5-HT能神經(jīng)元在全身麻醉作用機(jī)制中起到重要作用。

早在1978年，Roizen等[29]就發(fā)現(xiàn)損毀大鼠的DRN會(huì)使下丘腦的5-HT含量降低40%，皮質(zhì)的5-HT含量降低80%，且可顯著降低氟烷和環(huán)丙烷麻醉的最低肺泡有效濃度值(minimal alveolar concentration，MAC)。5-HT2A受體拮抗劑酮色林可降低異氟醚的MAC[30]；阻斷5-HT2A或5-HT2C受體可顯著降低七氟醚的MAC[31]；側(cè)腦室注射 5-HT 能促進(jìn)異氟烷麻醉大鼠的覺醒，其作用可能是通過5-HT1A和5-HT2C受體實(shí)現(xiàn)的[32]。此外，臨床上最常用的兩種全身麻醉藥丙泊酚和異氟醚均與5-HT2B受體存在顯著的相互作用，這表明5-HT受體是潛在的麻醉靶點(diǎn)[33]。另一項(xiàng)研究顯示，于中縫背核局部給予GABAA受體激動(dòng)劑蠅蕈醇可使丙泊酚麻醉大鼠蘇醒時(shí)間延長、GABAA受體拮抗劑荷苞牡丹堿可使大鼠麻醉時(shí)間縮短[34]。Yang等[35]發(fā)現(xiàn)在異氟醚麻醉下，微量注射食欲素-A到中縫背核可引起腦電圖覺醒，并降低爆發(fā)抑制率，即食欲素在異氟醚麻醉中的促醒作用部分是由于激活DRN的5-HT能神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)的。這些直接損毀或藥物調(diào)節(jié)5-HT能神經(jīng)元的實(shí)驗(yàn)都間接提示DRN的5-HT能神經(jīng)元在全身麻醉中有重要的促進(jìn)覺醒的作用。

近年來，隨著神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，特別是光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)，我們能夠精確、可控地操縱特定的神經(jīng)元，并研究其生理功能。利用光遺傳學(xué)技術(shù)在丙泊酚麻醉狀態(tài)下特異性激活小鼠DRN的5-HT能神經(jīng)元，能加速小鼠翻正反射恢復(fù)時(shí)間，并可使前扣帶回(anterior cingulate cortex, ACC)的 c-Fos 表達(dá)增加；隨后，他們發(fā)現(xiàn)DRN5-HT-ACC通路在丙泊酚全身麻醉中發(fā)揮促覺醒作用，初步探究了全身麻醉致意識(shí)改變的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制[36]。Li等[37]發(fā)現(xiàn)，異氟醚麻醉期間DRN的 5-HT能神經(jīng)元c-Fos表達(dá)和鈣活性均顯著降低；通過光遺傳學(xué)或化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)激活DRN的5-HT能神經(jīng)元可降低麻醉深度，促進(jìn)麻醉蘇醒；反之，抑制則加深麻醉，延長蘇醒時(shí)間。這些研究直接提示DRN的5-HT能神經(jīng)元在全麻狀態(tài)的恢復(fù)中起重要作用。

鑒于目前的研究已經(jīng)表明DRN的5-HT能神經(jīng)元存在很大的異質(zhì)性，不同的5-HT能神經(jīng)元亞群可能在全身麻醉中發(fā)揮著不同的功能，這個(gè)問題仍有待我們進(jìn)行進(jìn)一步研究和探討。

4 結(jié) 語

全麻機(jī)制是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的重要問題之一，其主要難點(diǎn)在于：①全身麻醉藥廣泛作用于整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)；②中樞神經(jīng)系統(tǒng)是一個(gè)擁有廣泛連接的復(fù)雜系統(tǒng)。全身麻醉與自然睡眠之間存在諸多相似之處，DRN的5-HT能神經(jīng)元不僅參與了睡眠覺醒的調(diào)節(jié)，還與全身麻醉的蘇醒過程存在密切關(guān)系，但仍未闡明DRN的各個(gè)5-HT能神經(jīng)元亞群在全身麻醉中的作用。藍(lán)斑、橋腦網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、橋腳和背側(cè)被蓋、腹側(cè)被蓋區(qū)、穹隆周圍區(qū)、結(jié)節(jié)乳頭核和基底前腦等多個(gè)腦區(qū)已被證明在全身麻醉過程中發(fā)揮重要作用，但仍不清楚各功能核團(tuán)之間的環(huán)路機(jī)制。未來需要我們建立起全身麻醉作用的神經(jīng)機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，充分闡明全麻藥導(dǎo)致意識(shí)消失的神經(jīng)機(jī)制，為開發(fā)新型麻醉藥及防治全身麻醉副作用提供理論基礎(chǔ)。