内侧前额叶皮层不同类型神经元在全身麻醉机制中的研究进展

转载来源：麻醉科

本文原载于《中华麻醉学杂志》 2022年第4期

全身麻醉是指麻醉药通过呼吸道吸入、静脉或肌肉注射进入体内，产生中枢神经系统的暂时抑制，临床主要表现为意识消失、无痛、遗忘和肌肉松弛等。其中全身麻醉药导致意识消失的机制一直是研究的难点，也是全球亟待解决的科学问题之一，但其具体作用机制至今仍未阐明[1]。意识的产生依赖于皮层网络的存在。Lee等[2]研究表明，丙泊酚、氯胺酮和七氟烷3种以不同受体为作用靶点的全身麻醉药，应用于外科手术患者致意识消失后，均能选择性地抑制额叶到顶叶的功能连接，而不影响顶叶到额叶的功能连接，认为破坏额叶到顶叶的功能连接可能是麻醉致意识消失的一个共同通路。可见，额叶皮层(prefrontal cortex，PFC)环路在全身麻醉药致意识消失过程中扮演着重要的角色。而有研究者利用功能性近红外光谱技术监测PFC脱氧血红蛋白含量的变化发现，在麻醉诱导和苏醒过程中伴随其功能的改变，进而对PFC进行更深入分析发现只有内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex，mPFC)存在显著差异[3]。本课题组前期研究进一步证实：改变mPFC γ-氨基丁酸A型(gamma aminobutyric acid type A，GABAA)受体的活性，能够影响全身麻醉药丙泊酚致大鼠翻正反射消失和恢复的时间[4]。因此mPFC可能是全身麻醉药致意识改变的重要靶点。本综述将阐述mPFC的解剖基础以及不同类型神经元在全身麻醉药致意识改变过程中的最新研究，期望能有利于深入认识mPFC在全身麻醉药致意识改变中发挥的重要作用，为全身麻醉机制研究提供新的研究思路。

一、mPFC的解剖基础及功能

(一)mPFC的神经元类型

mPFC神经网络主要由80%~90%兴奋性谷氨酸能神经元和10%~20%抑制性GABA能中间神经元组成。谷氨酸能神经元主要分布于L2-L6，其胞体大小、树突形态和放电特性在各层之间存在差异，通常与远距离通信有关[5]。与谷氨酸能神经元不同，GABA能神经元起着协调皮层网络动态的作用，根据其生理和分子特性，GABA能神经元可分为几个亚类，其中表达小清蛋白(parvalbumin，PV)阳性神经元约占GABA能神经元的40%、生长激素抑制素(somatostatin，SST)阳性神经元约占30%及5-羟色胺3a受体(serotonin receptor 3a，5-HT3aR)阳性神经元约占30%，5-HT3aR+神经元中至少有40%是血管活性肠态(vasoactive intestinal polypeptide，VIP)阳性神经元[6]。目前PV+、SST+以及VIP+三类GABA能亚型神经元在全身麻醉机制中研究较为广泛，但最新研究表明在mPFC内PV+神经元较少，SST+神经元较多，这可能会导致局部网络相互通信差异[7]。mPFC的这几类神经元可通过长程投射以及局部微环路调节维持大脑兴奋/抑制平衡，以实现mPFC的正常功能。这些神经元与麻醉/睡眠-觉醒密切相关[8,9]。

(二)mPFC的层状结构

根据细胞构筑的差异，啮齿动物mPFC沿腹轴背侧分为不同的神经解剖学亚区：前扣带回皮层(anterior cingulate cortex，ACC)、边缘前区皮层(prelimbic cortex，PrL)和边缘下区皮层(infralimbic cortex，IL)[5]，其中，ACC和PrL背侧区也被定义为背侧成分(DmPFC)，腹侧PrL、IL和背侧脚皮质(dorsal peduncular cortex ，DPC)属于腹侧部(VmPFC)，这些区域与人类Brodmann区在连接和功能上具有同源性[10]。mPFC依据其组织特点被划分为6层。尽管啮齿类动物与灵长类动物相比，缺乏颗粒层L4，但啮齿动物的mPFC也表现出层状组织L1-L6[7]。

(三)mPFC的投射及功能

mPFC可处理来自皮层及皮层下区域远程信息的输入，这些信息经过mPFC不同层次的处理后投射到几乎所有感觉皮层、运动皮层以及皮层下区域，通过自上而下的形式参与控制大脑活动[7,11](见图1)。mPFC在意识、认知过程、情绪调节、动机和社交中都发挥着重要作用[12,13,14]。

图1与mPFC通信的关键脑区

注：mPFC为内侧前额叶皮层，cortex为皮层，THAL为丘脑，CLA为屏状核，vHPC为腹侧海马，PAG为中脑导水管周围灰质，VTA为腹侧被盖区，BLA为基底前脑，STR为纹状体

在皮层，PFC扮演着重要的角色，调控着大脑皮层的其他区域。如前所述，Lee等[2]发现PFC所属的额叶与其他皮层区域颞叶、顶叶存在相互投射，但只有额叶参与全身麻醉致意识消失的过程。

Liu等[15]在15名志愿者中也发现：

丙泊酚导致意识消失时，可降低额叶内侧的自发低频波动分振幅，其中自发低频波动分振幅反映的是功能磁共振脑血氧水平信号。可见，与其他高级皮层区域相比，额叶在全身麻醉致意识消失中的作用不容忽视。而PFC是额叶的重要脑区，与大脑皮层其他区域如岛叶等的连接中断也会导致意识显著下降[12]。除此之外，有研究报道听觉皮层与皮层高级区域PFC存在连接[16]。而患者听觉皮层在全身麻醉致意识消失时，神经元的放电和局部场电位仍可存在，但听觉皮层相关的高级皮层的颅内脑电明显减弱[17]。然而全身麻醉药是否通过作用于PFC而影响其与听觉皮层间的连接产生意识消失作用，有待进一步研究。而mPFC是额叶的重要组成部分，也参与了意识的调控。最近已有临床研究报告，脑损伤致意识障碍的严重程度与mPFC有关，且电刺激mPFC与其他皮层区域的联系有助于意识的恢复[18,19]。由此可见，在意识调控方面，mPFC占有重要地位。

在皮层下区域：

mPFC可通过调控丘脑参与认知功能和意识的形成，包括工作记忆、学习、注意力和睡眠-觉醒等[12,20,21,22]；除此之外，mPFC可通过作用于海马、基底前脑编码情绪和记忆等功能[23,24]；而屏状核与mPFC的联系可能与意识有关[25]。更重要的是，目前这些皮层下区域：丘脑[26,27]、基底前脑[28]、腹侧被盖区[29]、中缝核[30]和屏状核[31]等也都与全身麻醉对意识的调控有关。但mPFC是否可通过作用于这些皮层下核团调控意识，目前未见相关研究，未来对这方面的研究将有助于阐释全身麻醉机制。

mPFC无论是对皮层还是对皮层下核团中不同区域都有一定的调控作用。因此，相信进一步对mPFC投射及其功能在全身麻醉机制中的作用进行研究，对阐明全身麻醉致意识消失机制有一定意义。

二、mPFC不同类型神经元在麻醉中的研究

胆碱能、单胺类神经元在睡眠-觉醒状态方面起着重要作用，但随着先进技术的引入，越来越多证据表明：与皮层相互关联的谷氨酸能和GABA能神经元可能才是效应神经元，胆碱能和单胺类神经元不是必须的，谷氨酸能和GABA能神经元参与了皮层活动以及睡眠-觉醒行为的调节[8,9]。麻醉与睡眠对意识的调控有着相似之处，且存在部分共享机制[32,33]，由此可见，全身麻醉药可能通过作用于大脑中的谷氨酸和GABA能神经元发挥麻醉效应。因此，探讨与全身麻醉关系密切的mPFC谷氨酸能和GABA能神经元在全身麻醉机制研究中扮演的重要角色具有重要意义。

(一)谷氨酸能神经元

在mPFC中，谷氨酸能神经元较多，其主要通过释放谷氨酸神经递质作用于突触后膜受体而发挥作用。研究表明，在皮层及皮层下区域的谷氨酸能神经元，在麻醉中均发生了改变，且影响麻醉效果。在皮层区域，本实验室前期研究利用离体脑片膜片钳全细胞模式记录发现：静脉麻醉药依托咪酯可抑制初级感觉皮层突触前谷氨酸递质的释放进而减弱谷氨酸能神经元的传递[34]；利用光遗传调控小鼠皮层L5谷氨酸能神经元树突末梢，与清醒相比，麻醉能显著让L5谷氨酸能神经元树突信号传递到胞体的过程脱偶联[35]；另外，有研究者利用体内双光子成像和基因编码的神经递质感应器发现，在吸入麻醉药异氟烷致意识消失过程中，小鼠初级视觉皮层中谷氨酸能神经元谷氨酸递质减少[36]。在皮层下区域，Satomoto等[37]通过观察七氟烷对新生幼年小鼠在恐惧实验中不同区域c-fos标记的神经元活性的影响，发现七氟烷能够抑制杏仁基底外侧核27%的谷氨酸能神经元；解剖上与mPFC密切联系的基底前脑，含有约55%谷氨酸能神经元。利用光遗传结合体内电生理技术发现，调节基底前脑中的谷氨酸能神经元可以逆转丙泊酚诱导的意识消失且改变mPFC的局部场电位[38]；含有大量谷氨酸能神经元的外侧缰核，被认为是睡眠-觉醒和丙泊酚镇静的热点，调控外侧缰核谷氨酸能神经元活性可改变异氟烷致小鼠意识消失和恢复的时间[39]。而外侧缰核与mPFC在解剖和功能上也存在相互联系[40]。以上研究说明，在皮层或皮层下区域，全身麻醉药可作用于谷氨酸能神经元、神经递质或受体发挥相应的麻醉效应。最新研究中，通过膜片钳技术发现丙泊酚可改变mPFC神经元自发性兴奋性突触后电流和微型兴奋性突触后电流的频率和幅度[41]。但丙泊酚具体作用于哪一类神经元，且是否与全麻意识消失效应有关，却不清楚，有待后续进一步研究。在mPFC中，谷氨酸能神经元主要与皮层下区域远距离通信有关，且数量占有绝大部分。因此在全身麻醉药致意识改变过程中，研究mPFC谷氨酸能神经元活性、相应神经递质或受体发生改变的具体机制，以及mPFC与皮层及皮层下核团之间的联系，对阐明全身麻醉机制有一定意义。

(二)GABA能神经元

GABA能神经元是脑内主要的抑制性神经元，占mPFC的10%~20%，通过释放GABA神经递质作用于突触后膜的受体发挥作用。GABA能神经元受体可分为GABAA、GABAB、GABAC受体3类，其中GABAA受体是目前临床上常用的大多数麻醉药的靶点[42]，麻醉药可通过增强或直接激活GABAA受体上的抑制性突触后电流(inhibitory postsynaptic currents，IPSCs)起作用。而GABA能神经元又根据其特性分为不同亚型神经元，利用狂犬病病毒示踪剂方法得出了小鼠mPFC内GABA能神经元与谷氨酸能神经元和GABA能神经元3种亚型间的相互抑制和去抑制作用[14]，这些抑制性中间神经元在mPFC中介导皮层局部微环路内的突触抑制，有助于大脑皮层快速通过前馈抑制、反馈抑制和去抑制等多种环路执行复杂的能力[43]。 在全身麻醉致意识改变过程中，GABA能神经元系统扮演着重要角色，目前已有较多相关全身麻醉机制方面的研究。研究显示，丙泊酚可通过激活GABAA受体增强IPSCs，从而产生催眠镇静作用[44,45]；

本实验室前期也利用离体脑片膜片钳发现麻醉药依托咪酯能够延长丘脑皮层网络自发性GABA能神经元IPSCs的衰减时间[34]。除此之外，也有研究报告，丙泊酚在脑电(EEG)中引起特异的额叶Alpha(8~13 Hz)节律，这种Alpha节律在空间上与闭眼时出现的经典枕叶Alpha节律不同，与丙泊酚诱导的意识消失密切相关，且可能与GABAA受体介导的IPSCs增强有关[46,47]；对此，几项基于EEG的研究表明，丘脑皮层环路在丙泊酚诱导的Alpha节律中发挥关键作用，其中丘脑在维持Alpha节律中必不可少[48,49]，但大脑皮层局部是否能诱导Alpha节律却并不清楚。为此有研究者进一步利用多细胞膜片钳技术同时记录多个有直接联系的神经元发现，在大鼠岛叶皮层局部环路中，丙泊酚可通过增强突触前PV+神经元的抑制性输出，诱导相关联谷氨酸能神经元同步化达到Alpha节律范围内，从而发挥麻醉的镇静催眠作用[50]。相关临床研究显示吸入性烷类麻醉药致意识消失时也可诱导出此类节律[51]。

由以上研究可见：麻醉药可通过增强GABAA受体介导的抑制性突触后电流，在临床上表现出特有的额部Alpha节律。在GABA能神经元其他方面，相关研究者通过体内双光子成像和基因编码的神经递质传感器技术在小鼠初级视觉皮层发现，异氟烷致意识消失过程中伴随着GABA递质传递显著降低[36]。在局部皮层网络中，抑制性中间神经元是GABA传递的主要来源，其中VIP+神经元和PV/SST+神经元分别对谷氨酸能神经元具有去抑制及抑制性调控作用。研究者进一步结合荧光钙成像技术发现，在异氟烷致意识消失期间，PV+神经元活动显著减少，而SST+和PV+神经元呈现出较高的同步化，但VIP+神经元活动增高。由此可见，异氟烷致意识消失过程中皮层内部抑制性中间神经元的活动具有细胞特异性，其产生的抑制性网络功能对于意识的维持必不可少。在皮层下区域：与皮层联系较为密切的丘脑，其丘脑网状核是调节觉醒、睡眠节律产生和睡眠稳定性的关键，富含GABA能神经元。

有研究显示，利用光遗传和化学遗传技术激活丘脑网状核GABA能神经元能缩短丙泊酚致小鼠意识消失恢复的时间[52]；而另一个与PFC相互联系密切的屏状核。有研究显示，在异氟烷麻醉过程中，电刺激屏状核可引起一过性麻醉加深[31]。后有研究显示屏状核主要由谷氨酸能和GABA能神经元组成[53]。另外，腹外侧视前核(ventrolateral preoptic nucleus，VLPO)在睡眠产生中起关键作用，GABA是VLPO中促进睡眠的神经元释放的主要抑制性神经递质，在诱导和维持睡眠方面起着关键作用。有研究显示，VLPO内微量注射GABAA受体激动剂或拮抗剂可改变大鼠翻正反射消失时间和翻正反射恢复时间[54]。Chou等[55]给予VLPO逆行示踪病毒，发现可投射至PFC脑区中的下边缘皮层区域。

由以上可见，与mPFC相互联系的皮层下某些睡眠-觉醒核团，目前在全身麻醉机制方面都起着重要作用，而在全身麻醉致意识改变过程中mPFC对这些核团是否有着自上而下的调控作用，目前尚不明确。 不同的麻醉药致意识改变过程中，可通过改变皮层(及皮层下)GABA能神经元活性、突触后电流及神经递质传递以及相互通信等影响麻醉效果。而mPFC整合来自多个输入结构信息，通过与其他皮层及皮层下区域的连接将更新的信息汇聚到输出结构中，是多种意识调控理论的核心环节[12,56]。根据mPFC中谷氨酸能神经元和GABA能神经元的占比及网络连接特性，在全身麻醉致意识改变过程中，是否mPFC局部抑制性中间神经元发生了改变从而使谷氨酸能神经元达到同步化抑制，从而自上而下控制意识的形成，目前仍然未见明显研究。因此，以mPFC为研究靶点，探讨与全身麻醉致意识消失相关谷氨酸能神经元和GABA能神经元在全身麻醉机制中扮演的角色，是亟待研究的问题。

三、总结与展望

目前越来越多的研究侧重于明确皮层内不同类型神经元间的联系在外界因素改变时究竟发生了怎样的变化，从而影响整个皮层和皮层下区域。比如，胡海岚教授团队利用行为学、光纤钙信号、光遗传学等技术[57]，研究小鼠mPFC内不同类型GABA能神经元局部微环路在社交情境下如何精细地协作调控mPFC谷氨酸能神经元的活动，从而影响小鼠在面对社会竞争时的行为学表现。mPFC在意识形成过程中发挥着至关重要的作用，在与大脑皮层以及皮层下核团有着广泛联系的同时，其内部的多种神经元之间也存在着复杂的微环路和长程投射结构，各种类型的神经元相互作用，共同调控意识的形成。意识消失是全身麻醉的重要作用，但具体机制至今未明。目前对其宏观的研究已经有了一定的进展，但当前的研究热点皮层机制却不清楚。可见，阐明mPFC的不同类型神经元在麻醉致意识改变中所扮演的角色，以及它们相互之间的调控机制，不仅对理解意识形成基础和相关功能障碍发生机制有着重要的意义，并且有助于研究大脑皮层神经微环路的作用及机制。

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编辑：MiLu.米鹭

校对：Michel.米萱