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相邻的抑制性细胞,麻醉恢复时为何分工不同?

iScience · 2022-12-30

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iScience · 研究前沿

相邻的抑制性细胞,麻醉恢复时为何分工不同?

下丘脑两个相邻区域,都有GABA能细胞,却在七氟烷麻醉中呈现不同结果。雄性小鼠研究把脑电、翻正恢复和细胞活动联系起来,追踪背内侧下丘脑的促醒作用。

原论文图2B局部:DMH中GABA相关细胞的合并荧光视野

同样带有抑制性递质标记,位于相邻脑区的细胞,能否在麻醉中承担相同角色?2022年12月30日发表于 iScience 的研究,比较了下丘脑背内侧核DMH与腹内侧核VMH的GABA能群体。结果发现,增强DMH相关细胞活动,可以延后翻正反射丧失、加快恢复,也能在维持期改变脑电和体动;VMH群体激活则主要呈现脑电变化,所测行为转变未显著改变。一个看似笼统的“下丘脑抑制性细胞”问题,由此变成了有位置、有状态差别的细胞分工。

关键发现

DMH的GABA能群体在七氟烷麻醉进出中具有双向功能证据:激活延后诱导、加快恢复,抑制则使诱导更快、恢复更慢。VMH激活的诱导、恢复和深状态爆发抑制比例均未显著改变,较浅状态下仍有谱功率变化。

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内侧下丘脑的细胞活动,牵动麻醉进出

DMH与VMH都与身体状态调节有关。既往研究将DMH联系到昼夜节律与睡眠觉醒调节,也发现VMH活动与睡眠状态有关。这样的背景使两处区域成为理解麻醉的候选节点,而细胞在麻醉中的实际作用,仍需要各自的功能证据。

研究先在包含DMH与VMH的内侧下丘脑范围内增强GABA相关群体活动。小鼠丧失翻正反射所需时间延长,停止麻醉后的恢复时间缩短。维持期的爆发抑制比例降低,较浅条件下低频δ功率占比下降、γ占比升高,体动持续时间也增加。

这一较大范围的结果提示,局部抑制性细胞可以支持整体唤醒。但其中包含相邻而不同的核团,究竟哪一部分承担了行为效应,还需要进一步拆开。脑区位置因此成为后续比较的核心线索。

原论文图 1内侧下丘脑群体激活与麻醉状态
内侧下丘脑群体激活与麻醉状态
图1展示较大范围群体激活后的翻正、脑电与体动变化。
来源:Wang Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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DMH激活后,行为与脑电一起变化

将活动增强集中到DMH,研究再次看到诱导延迟和恢复加快。在出现明显爆发抑制的较深状态中,激活使抑制比例下降,停止后回返;在较浅状态中,则出现更明显体动,δ功率占比降低,β与γ占比升高。

翻正反射、肢体活动和脑电各自提供不同侧面的状态信息。它们在这组比较中相互呼应,支持DMH群体参与麻醉转变;这些指标仍然没有直接覆盖主观意识的全部内容。

原论文图 2DMH激活后的翻正与维持期响应
DMH激活后的翻正与维持期响应
图2显示DMH相关群体的诱导、恢复、深状态脑电及较浅状态行为变化。
来源:Wang Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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VMH的脑电改变,没有伴随同样的行为变化

激活相邻VMH的GABA相关细胞,诱导与恢复时间都未显著改变,较深状态中的爆发抑制比例也未显著变化。较浅麻醉下,δ占比下降、β与γ占比升高仍然出现,但行为唤醒评分没有显著增加。

这一组结果保留了一个重要层次:谱功率变化可以与明显体动分开出现。VMH并非没有影响脑活动,只是它在所测条件下,没有呈现DMH那样的行为结果。较大区域的整体效应,因此不能均匀分配给每一个相邻核团。

原论文图 3VMH激活中的脑电与行为差别
VMH激活中的脑电与行为差别
图3显示VMH激活后的诱导、恢复、深状态抑制比例及行为评分均未显著改变,较浅状态谱功率仍有变化。
来源:Wang Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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进入麻醉时下降,恢复时重新抬升

自然进出麻醉时,DMH的GABA相关群体也有相应变化。七氟烷开始作用后,钙信号逐渐降低;停止后,信号回升。在快速恢复附近,还能观察到较短时段的明显活动增加,同时脑电爆发抑制消失,低频与高频功率占比发生转移。

这些时序让细胞活动与恢复联系得更紧,但记录到的共同变化并没有单独证明谁先驱动谁。恢复期的运动或躁动,也可能参与钙信号变化,功能操纵的结果因此提供了必要补充。

原论文图 4麻醉进出中的群体钙信号
麻醉进出中的群体钙信号
图4展示诱导下降、停止麻醉后回升及快速恢复附近的钙信号与脑电变化。
来源:Wang Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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抑制DMH群体,麻醉进入更快、恢复更慢

降低DMH的GABA相关群体活动后,翻正反射更快丧失,停止七氟烷后恢复则延迟。两种麻醉条件下,爆发抑制比例都升高;在其中没有出现爆发抑制的较早时间窗里,δ功率占比升高、γ占比降低。

激活与抑制的结果形成相互补充的证据,支持这群细胞在所测麻醉状态中帮助维持唤醒倾向。不同时间窗观察到的脑电指标各有含义,抑制比例与谱功率并不是同一个量,也并非在完全相同状态下取得。

原论文图 5DMH抑制后的进出与脑电
DMH抑制后的进出与脑电
图5显示诱导更快、恢复更慢和更高爆发抑制比例;谱功率比较来自单独的早期时间窗。
来源:Wang Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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细胞标记相同,作用仍取决于所在网络

另一组DMH活动增强比较,也观察到诱导延迟与恢复加快。这项雄性小鼠研究将区域、细胞身份和麻醉阶段放在一起,呈现出相邻核团的功能差别。DMH究竟通过哪些输出、哪些GABA细胞亚型发挥作用,仍未直接检验;局部抑制通向下游去抑制的解释,也有待获得更具体的连接证据。

短时激活条件下,研究没有发现显著体温改变,但心肺状态、较长时程及其他麻醉药仍有待进一步比较。结果提供了理解麻醉网络的新线索,尚未建立通过调节这群细胞改善人类麻醉恢复的临床效果。

论文信息

Wang Y, Song Y, Tong L, Wang L, Cao J, Qin G, Liu X, Mi W, Wang E, Guo Y.
GABAergic neurons in the dorsomedial hypothalamus regulate states of consciousness in sevoflurane anesthesia
iScience · 2022-12-30
DOI: 10.1016/j.isci.2022.105913