丘腦室旁核谷氨酸能神經元參與艾司氯胺酮麻醉覺醒作用機制研究

本研究通過鈣信號光纖記錄、在體光遺傳及化學遺傳技術探究丘腦室旁核(PVT)核團谷氨酸能神經元在艾司氯胺酮麻醉覺醒中的作用,為艾司氯胺酮麻醉的神經環路機制提供理論依據。


張蕓蕓 劉畑畑 張欣欣 李傲 楊謙梓 董海龍

空軍軍醫大學西京醫院麻醉與圍術期醫學科,西安 710032

國際麻醉學與復蘇雜誌,2021,42(10):1018-1023.

DOI:10.3760/cma.j.cn321761-20210720-00385

 基金項目 

國家自然科學基金(81620108012,82071554);

國家重點研發計劃(2017YFC1308402)

ORIGINAL ARTICLES

【論著】

本研究通過鈣信號光纖記錄、在體光遺傳及化學遺傳技術探究丘腦室旁核(PVT)核團谷氨酸能神經元在艾司氯胺酮麻醉覺醒中的作用,為艾司氯胺酮麻醉的神經環路機制提供理論依據。

 

1 材料與方法


     

研究全部選擇8~10周齡雄性Vglut2‑cre轉基因小鼠。取3隻小鼠在PVT區立體定位注射鈣信號病毒rAAV‑ EF1α‑DIO‑GCaMp6s‑WPRE‑hGH pA,3周後採用鈣信號光纖記錄技術觀察艾司氯胺酮麻醉前後PVT谷氨酸能神經元的活性變化。取10隻小鼠採用隨機數字表法分為光遺傳激活組(ChR2組)和光遺傳對照病毒組(mCherry1組),每組5隻,分別在PVT區立體定位注射興奮性光遺傳學病毒rAAV‑EF1α‑DIO‑hChR2(H134R)‑mCherry‑WPRE‑hGH pA或對照病毒rAAV‑EF1a‑ mCherry‑WPRE‑hGH pA,並埋置刺鐳射纖,3周後採用光遺傳學技術激活PVT谷氨酸能神經元,觀察麻醉維持期mCherry1組和ChR2組腦電頻譜及各頻段百分比總功率變化。取16隻小鼠採用隨機數字表法分為化學遺傳抑制組(hM4Di組)和化學遺傳對照病毒組(mCherry2組),每組8隻,分別在PVT區立體定位注射抑制性化學遺傳病毒rAAV‑EF1α‑DIO‑hM4D(Gi)‑mCherry‑ WPREs pA或對照病毒,3周後採用化學遺傳學技術抑制PVT谷氨酸能神經元,觀察mCherry2組和hM4Di組誘導時間和覺醒時間的變化。

 

2 結 果


     

2.1 PVT谷氨酸能神經元鈣信號變化

與清醒基線(−0.002 7±0.022 3)比較:PVT谷氨酸能神經元鈣信號在麻醉誘導期(0.154 8±0.075 0)明顯增加(P<0.05),持續300~500 s;在麻醉期,鈣信號(−0.168 6±0.061 8)明顯下降(P<0.05)。小鼠RORR後鈣信號(−0.134 9±0.065 2),與麻醉期比較差異無統計學意義(P>0.05),但其低於清醒基線水準(P<0.05)。見圖1

 
 

2.2 光遺傳激活PVT谷氨酸能神經元對氯胺酮麻醉皮質腦電的影響

與刺激前比較,ChR2組刺激中δ頻段百分比總功率明顯下降〔(44.7±5.4)%比(29.6±6.7)%〕(P<0.05),α頻段百分比總功率明顯增加〔(7.0±1.0)%比(10.5±1.5%)〕(P<0.05),其他頻段的百分比總功率有上升趨勢,但差異無統計學意義(P>0.05)。見圖3。

 

2.3 化學遺傳抑制PVT區谷氨酸能神經元對艾司氯胺酮麻醉誘導時間和覺醒時間的影響

熒光驗證結果顯示病毒表達良好且注射位點準確。與mCherry2組比較,hM4Di組覺醒時間延長〔(2 364±272) s比(2 875±396) s〕(P<0.01),但hM4Di組和mCherry2組麻醉誘導時間比較差異無統計學意義〔(78±17) s比(73±23) s〕(P>0.05)。見圖4。

 
 

3 討 論


     

本研究首先通過鈣信號光纖記錄技術發現,腹腔注射麻醉劑量(100 mg/kg)艾司氯胺酮後PVT谷氨酸能神經元活性變化表現為先升高、再下降,與異氟醚、丙泊酚麻醉下PVT神經元活性逐漸下降不完全一致,該現象可能與艾司氯胺酮獨特的分子作用機制有關。

本研究通過光遺傳興奮PVT谷氨酸神經元及化學遺傳抑制PVT谷氨酸神經元證實了該神經元在艾司氯胺酮麻醉誘導、維持和覺醒中的作用。光遺傳激活PVT谷氨酸能神經元可以顯著降低δ頻段的百分比總功率,增加α頻段的百分比總功率,腦電發生覺醒樣改變;而化學遺傳抑制該神經元則顯著延長艾司氯胺酮麻醉維持時間、推遲覺醒時間。關於本研究中調控PVT谷氨酸能神經元並未改變艾司氯胺酮麻醉誘導時間,可能是由於艾司氯胺酮起效快、誘導迅速,而本實驗採用翻正反射評價誘導時間的敏感性過低導致的。這也提示我們,如何評價如艾司氯胺酮等具有快速誘導作用的靜脈麻醉藥誘導效應的差異,還需要探索更加敏感的行為學評估方法。

艾司氯胺酮作為一種分離麻醉藥,麻醉效應及作用機制獨特。本研究通過鈣信號光纖記錄、光遺傳學及化學遺傳學調控等多種方法初步驗證了PVT核團谷氨酸能神經元在艾司氯胺酮麻醉過程中的活性變化及調控作用,為艾司氯胺酮麻醉神經環路機制提供了證據。進一步研究其他睡眠覺醒相關或麻醉相關神經網路在艾司氯胺酮麻醉中的作用,有助於深入理解全身麻醉引起意識消失的神經機制,為新型麻醉藥開發及臨床精準用藥提供指導。


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