Adv Sci丨看起来很像的麻醉和睡眠，是一回事吗？华山医院王英伟教授和神经所徐敏教授聚焦促睡眠的明星核团，发现了不同的作用机制

撰稿 | 法斗

排版 | AiBrain 编辑团队

想象你正准备开始一场大手术，那么通常第一步就是全身麻醉（General anethesia）。当麻醉药进入体内，大脑便会产生暂时的抑制，你开始失去意识、痛觉消失，听不到医生的声音，对整个手术过程也不再有记忆。而当药物代谢结束或从体内排出时，你的意识和各种神经反射便开始逐渐恢复…这种反应和我们每天都要经历的睡眠很像，因此民间对全身麻醉也流行着“打一针，睡一觉”的描述。事实上，全身麻醉和睡眠确实有很多相似之处，不仅在于体征，二者在脑电中也表现出了类似的特征：脑电的幅度较高，频率较慢，即慢波振荡；离体脑薄片的实验也发现睡眠相关的脑区对麻醉药有响应。

因此，长期以来，全身麻醉也被认为是通过睡眠核心环路发挥作用的，例如促进睡眠的明星核团腹外侧视前区（Ventrolateral preoptic nucleus, vLPO）、蓝斑、基底前脑、结节乳头核等区域。但是，目前没有实验直接对比麻醉和睡眠下神经元活动的差异，以及作用机制不同的麻醉剂是否会同样激活睡眠的神经环路。

近日，华山医院麻醉科王英伟教授团队与中科院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏教授团队合作在Advanced Science发表题为“Divergent Neural Activity in the VLPO during Anesthesia and Sleep”的研究论文。

研究团队使用光纤记录、显微内窥镜成像、化学遗传学等技术，聚焦腹外侧视前区（VLPO），长期跟踪研究四种常用的全身麻醉药和镇静药对vLPO的睡眠期活跃神经元和觉醒期活跃神经元，发现全身麻醉和睡眠过程中vLPO神经元活动存在异质性，并为理解睡眠和麻醉是否存在共享的神经机制提供了新的线索。

在群体水平，全身麻醉

对vLPO神经元起抑制作用

临床上常用的全麻或镇静药，例如异氟烷和异丙酚，通过作用于GABA受体，增强抑制性神经传递并降低神经活动；麻醉剂氯胺酮，主要是通过作用于NMDA受体产生神经网络解离而起作用；镇定剂右美托咪定传统上认为是α2-肾上腺素受体激动剂，通过抑制交感神经实现镇定作用。本研究便利用这四种麻醉剂或镇定剂实现全身麻醉，并在单细胞水平上考察了与睡眠的差别。

先前大量研究表明主要是vLPO中GABA能神经元起促睡眠作用，即在睡眠期间活跃。因此该团队首先通过向Vgat-IRES-Cre小鼠的VLPO注射GCaMP6s，随后使用光纤记录（Fiber photometry）测量同一只小鼠在多天、多种实验条件下同一组神经元的活动。结果发现，与预期不同的时，每当注入麻醉剂或镇定剂后，vLPO的GABA神经元的群体活动都会受到强烈的抑制。

此外，通过分析小鼠的脑电（EEG）和肌电（EMG），四种麻醉剂都会降低脑电的频率（δ和θ功率比增加），以及肌电的功率。在行为层面，为了确保光纤记录钙活动时小鼠确实处于意识丧失状态，该团队通过Davies-Bouldin指数分析了麻醉前后的行为差异，这个方法相比于常规手动测量的翻正反射测试（Loss-of righting reflex, LORR），对小鼠的机械刺激最少。结果发现深度麻醉后小鼠的运动（包括面部）确实减少（意识丧失），并且此时的麻醉主要与vLPO的GABA能神经元群体活动被抑制有关（图1）。

图1 全身麻醉对vLPO神经元起抑制作用

在单细胞水平，

麻醉药对vLPO^GABA神经元

的调制作用存在异质性

更进一步地，通过在vLPO植入GRIN Lens，该团队细致地分析了长时间内同一组vLPO神经元对四种麻醉剂和镇定剂的响应。结果发现，与光纤群体神经元活动记录不同的是，单细胞水平下，大多数神经元都会受到抑制，但仍有部分神经元受到兴奋或无反应。

横向比较

麻醉药对同一神经元的调制作用

那么，作用机制不同的四种麻醉药，对同一神经元是否会产生同样的调制？通过分析作用机制相同的异氟烷和异丙酚、机制不同的氯胺酮和右美托咪定，以及综合四种麻醉剂对vLPO^GABA神经元的影响，结果发现，这四种麻醉剂和镇定剂以58.9%的比例招募了一群类似的神经元。

对麻醉剂响应的神经元，在睡眠-觉醒周期中行使什么角色呢？于是该团队通过记录觉醒-睡眠周期中接受四种麻醉药后神经元的反应。有意思的是，对于在觉醒期活跃的神经元，异丙酚的抑制作用最为显著（78.9%），异氟烷的抑制作用最小（55.8%）；而对于睡眠期活跃的神经元，氯胺酮的抑制作用最明显（69.4%），异氟烷的抑制作用最小（46.6%）。进一步通过相关性分析和主成分分析，发现四种麻醉剂和睡眠-觉醒周期对神经元的调节作用没有相关性（主要是抑制作用）且聚类结果显示为独立集群，因此表明vLPO^GABA神经元对麻醉剂的响应与睡眠-觉醒周期无关（图2）。

图2 vLPO^GABA神经元对麻醉剂的响应与睡眠-觉醒周期无关

以上都是对vLPO^GABA能神经元的调节，随后该团队也用同样的方法，考察四种麻醉剂vLPO谷氨酸能神经元和vLPO中在睡眠状态下活跃的甘丙肽神经元（galanin）的影响。

结果发现，vLPO^Glut能神经元对也呈现出类似的调节作用：大部分神经元被抑制，对不同麻醉剂和镇定剂的响应不同，对麻醉和镇定剂的响应与睡眠-觉醒周期的反应没有相关性；但是对于相对同质的Galanin神经元，在群体水平都表现出了抑制作用。因此，通过对不同神经元在麻醉和睡眠-觉醒期间响应进行对比，该研究发现全身麻醉和睡眠确实可能共享不同的神经机制。

在环路水平，

vLPO神经元参与麻醉

和参与睡眠-觉醒的机制不同

尽管以上的结果发现麻醉和睡眠在vLPO的细胞水平具有不同的影响，但是是否在环路水平有相似的效果？

于是，该团队进一步使用TRAP2结合化学遗传学的方法——向TRAP2小鼠vLPO注射Cre依赖的hM₃Dq，一星期后对该小鼠进行睡眠剥夺6小时（增加睡眠激活的VLPO神经元的兴奋程度），在恢复睡眠前注射4-OHT，从而立刻捕获睡眠期活跃神经元；另一组实验时在小鼠觉醒时注射4-OHT，捕获觉醒期活跃神经元；随后相应的神经元便开始表达hM₃Dq。一星期后，腹腔注射CNO，分别考察激活睡眠期活跃神经元和激活觉醒期活跃神经元后对麻醉效果的影响（以异氟烷为例）。

分析脑电结果后发现，无论是激活睡眠期活跃神经元还是激活清醒期活跃神经元后，小鼠从麻醉状态醒来的时间都会明显增加，因此表明无论vLPO神经元在睡眠-觉醒期间的角色如何，vLPO神经元的活动都会影响麻醉效果。这表明vLPO神经元参与麻醉和参与睡眠-觉醒的机制不同（图3）。

图3 vLPO神经元参与麻醉的机制与在睡眠-觉醒期间不同

综上，该研究通过横向对比不同麻醉剂和镇定剂对促进睡眠核团vLPO的影响、纵向对比同一麻醉剂对vLPO神经元在麻醉和睡眠觉醒周期的响应，以及在群体神经元水平、单细胞水平和环路水路都发现麻醉和睡眠不共享同样的神经机制，并为理解睡眠和麻醉的神经机制提供新的线索。

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