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下丘脑的一条输出,怎样牵动麻醉的进入与恢复?

Neuroscience bulletin · 2021-04-13

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Neuroscience bulletin · 研究前沿

下丘脑的一条输出,怎样牵动麻醉的进入与恢复?

LHA谷氨酸能细胞及其通向缰核的投射,参与小鼠异氟烷麻醉中的状态调节。翻身反射与脑电呈现相关却不完全对称的变化,效应还依赖麻醉所处阶段。

原论文Figure 2C局部:LHA标记细胞的红色荧光视野,保留完整解剖标记

同样处于麻醉中,大脑对一条输入的反应也可能不同。2021年4月13日发表于 Neuroscience Bulletin 的小鼠研究,从外侧下丘脑区(LHA)的谷氨酸能细胞出发,观察它们如何影响异氟烷麻醉的进入、维持与恢复。团队进一步追向外侧缰核(LHb),发现这条输出既能改变翻身反射的时间,也能改变脑电模式。结果同时提醒人们,增强活动与压低活动未必总是镜像关系,尤其当网络已经处于较深麻醉状态时。

关键发现

增强LHA谷氨酸能细胞或其LHb末梢,延迟翻身反射丧失、加快恢复,并降低较深麻醉中的爆发抑制;抑制可反向改变反射时间,但较深麻醉的爆发抑制比例未显著变化。

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减少这群细胞,麻醉更快进入、恢复更慢

LHA包含多类参与清醒、睡眠和动机的细胞,谷氨酸能细胞是其中一大群。研究先减少这群细胞,随后看到小鼠更早失去翻身反射,停止麻醉后则需要更久重新获得反射。两个方向共同指向它们对抵抗麻醉状态、促进恢复的贡献。

细胞数量下降后,异氟烷仍然能够产生麻醉,改变的是状态转换的时间。这让研究聚焦调节过程,而不是把某一群细胞当作麻醉能否发生的唯一开关。翻身反射也提供一个具体行为终点,便于与后面的脑电结果联系。

原论文图 1减少这群细胞,麻醉更快进入、恢复更慢
减少这群细胞,麻醉更快进入、恢复更慢
Figure 1:LHA谷氨酸能细胞数量减少后的诱导和恢复时间。翻身反射丧失更早,恢复更晚。
来源:Zhao S et al. · Neuroscience bulletin · CC BY
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短时改变活动,复现相反方向的时间变化

进一步增强LHA谷氨酸能群体活动,诱导时间延长、恢复时间缩短;压低活动,则更早失去翻身反射、更晚恢复。与细胞数量减少的实验相比,活动调节把结果从长期群体变化推进到对当时细胞活动的功能检验。

这一群体仍具有内部多样性。LHA谷氨酸能细胞与部分食欲素细胞可能重叠,也连接多个远端区域;当前群体结果并没有把效应全部归到某一种更细的细胞亚型。原文讨论还对比了既往食欲素研究:相关操作曾影响恢复,却未显著影响诱导。当前谷氨酸能群体覆盖更广,结果把问题推进到LHA内部不同细胞的分工。

原论文图 2短时改变活动,复现相反方向的时间变化
短时改变活动,复现相反方向的时间变化
Figure 2:增强或抑制LHA谷氨酸能群体,对诱导与恢复时间产生相反影响。细胞活动检验与行为结果并列。
来源:Zhao S et al. · Neuroscience bulletin · CC BY
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增强活动,脑电中的静默比例下降

在较深的麻醉维持状态,脑电呈现爆发与抑制交替。增强LHA谷氨酸能细胞,抑制片段所占比例明显下降。这个爆发抑制比例(BSR)反映的是电活动组织,并不直接等同于小鼠已经恢复全部清醒行为。

较浅麻醉下,原本就没有同样明显的爆发抑制。此时激活使δ频段相对功率下降,α、β和γ频段相对功率增加。研究因此用适合各状态的指标,捕捉到同一群体影响脑电的不同侧面。

原论文图 3增强活动,脑电中的静默比例下降
增强活动,脑电中的静默比例下降
Figure 3:激活LHA谷氨酸能细胞后的脑电。较深麻醉时BSR下降,较浅麻醉时频段相对功率重新分配。
来源:Zhao S et al. · Neuroscience bulletin · CC BY
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继续压低活动,却没有镜像的脑电变化

抑制这群细胞时,较深麻醉下BSR没有显著改变。到了较浅状态,也主要表现为β频段相对功率小幅降低,而不是所有频段都出现与激活相反的变化。方向相反的干预,给出了不完全对称的答案。

作者提出,较深麻醉可能已使这群细胞活动较低,进一步抑制留给脑电变化的空间较小。这仍是解释性模型,研究并未同步测出这一阶段的谷氨酸释放变化。

原论文图 4继续压低活动,却没有镜像的脑电变化
继续压低活动,却没有镜像的脑电变化
Figure 4:抑制LHA谷氨酸能细胞后,较深麻醉BSR未显著变化;较浅麻醉主要见β相对功率降低。
来源:Zhao S et al. · Neuroscience bulletin · CC BY
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把激活位置移到缰核,部分效应仍出现

LHA细胞投向多个区域,LHb是其中一条受到关注的出口。增强LHA谷氨酸能细胞在LHb的末梢,同样延长诱导、缩短恢复,并在较深麻醉下降低BSR。输入末梢与胞体实验,从两个位置支持了这段联系的调节作用。

较浅麻醉下,末梢激活使δ相对功率下降、β和γ相对功率上升。这是一组具体的频谱变化,而非证明LHb所有细胞都具有同一种促觉醒功能;实际接收LHA输入的细胞类型尚未细分。

原论文图 5把激活位置移到缰核,部分效应仍出现
把激活位置移到缰核,部分效应仍出现
Figure 5:LHA在LHb的末梢激活影响翻身反射时间、BSR与较浅麻醉频谱。图中行为与脑电分别描述不同终点。
来源:Zhao S et al. · Neuroscience bulletin · CC BY
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末梢抑制,也取决于观察哪个阶段

抑制这一路末梢,小鼠更早失去翻身反射,恢复更晚。但在较深麻醉维持期,BSR仍未显著改变;较浅麻醉时则出现δ相对功率增加、β和γ相对功率降低。状态转换时间与维持期脑电,呈现相互关联却各有侧重的结果。

原论文图 6末梢抑制,也取决于观察哪个阶段
末梢抑制,也取决于观察哪个阶段
Figure 6:LHA至LHb末梢抑制的行为和脑电结果。诱导加快、恢复延迟,较深麻醉BSR未显著改变。
来源:Zhao S et al. · Neuroscience bulletin · CC BY
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促觉醒作用,来自具体细胞与连接的组合

这项小鼠研究将LHA谷氨酸能系统的作用从恢复延伸到诱导与维持,但LHb只是部分出口。其他远端投射、局部食欲素相关联系以及共同释放信号,都可能参与整体效应。末梢刺激也可能沿轴突影响其他分支,因此这条联系的证据与整个系统的功能范围需要保持区分。

最值得继续追问的,是哪些LHb接收细胞在不同麻醉状态下产生不同后果。研究给出的不是一张固定的“唤醒按钮”地图,而是一段随状态改变、值得进一步拆解的网络联系。

论文信息

Zhao S, Li R, Li H, Wang S, Zhang X, Wang D, Guo J, Li H, Li A, Tong T, Zhong H, Yang Q, Dong H.
Lateral Hypothalamic Area Glutamatergic Neurons and Their Projections to the Lateral Habenula Modulate the Anesthetic Potency of Isoflurane in Mice
Neuroscience bulletin · 2021-04-13
DOI: 10.1007/s12264-021-00674-z