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中脑抑制性细胞,助小鼠更快从麻醉中恢复

iScience · 2023-08-14

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iScience · 研究前沿

中脑抑制性细胞,助小鼠更快从麻醉中恢复

腹外侧导水管周围灰质的一组GABA能细胞,在七氟烷麻醉中活动下降。增强其活动可加快恢复,并改变脑电;皮层输入与通向腹侧被盖区的输出也参与这一调节。

AI概念图:平滑鼠脑侧视示意中的中脑细胞活动;非精确解剖定位或实验图

进入麻醉与从中恢复,看似相反,却未必依靠同一套变化倒放。2023年8月14日发表于 iScience 的小鼠研究发现,增强腹外侧导水管周围灰质(vlPAG)的GABA能细胞活动,可以让动物更快恢复翻正反射,却没有显著改变失去翻正反射的时间。研究沿着皮层输入和中脑输出展开,揭示抑制性神经元也能在特定回路中促进麻醉恢复。

关键发现

vlPAG GABA能细胞的激活与抑制,分别加快和延后七氟烷麻醉恢复;诱导时间未显著改变。激活mPFC至vlPAG输入或vlPAG至VTA末梢也能促进恢复,而VTA局部GABA信号提供了连接上下游的动态线索。

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麻醉时信号降低,恢复时逐渐回升

vlPAG环绕中脑导水管,参与睡眠、防御和疼痛等功能。研究者先观察其中GABA能细胞群的钙信号:七氟烷吸入开始后,信号逐步降低;停止吸入后,又逐渐升高。它们的群体活动与麻醉状态转换相伴。

在持续麻醉期间,钙信号有时也会出现升高。相伴的脑电中,慢波δ成分减少,β、γ成分增加。这些自然出现的共同变化提出了问题:这组细胞只是跟随状态变化,还是能够推动恢复?

原论文图 1vlPAG群体钙信号与脑电
vlPAG群体钙信号与脑电
图1展示麻醉开始、停止及维持期间vlPAG GABA能群体钙信号的变化,并比较信号升高前后的脑电。
来源:Guo Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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恢复加快,诱导时间却未显著改变

直接增强这组细胞活动后,停止七氟烷的小鼠更早恢复翻正反射。开始吸入时采用相应激活,失去翻正反射的时间却没有显著变化。两种时间读出出现不同结果,显示这组细胞对恢复阶段的影响更为突出。

在较深的麻醉维持状态,激活还减少了脑电爆发抑制比例,即长段低活动间隔所占的时间。在较浅的维持条件下,脑电慢波成分下降,较快频段增强,动物的体动评分也提高。脑电和行为两类指标共同显示促觉醒方向的变化。

爆发抑制是活动爆发与低活动时段交替出现的脑电模式。这里不仅观察停止吸入麻醉药后的恢复,也在麻醉药仍存在时考察网络能否被推动。维持期脑电改变和停药后翻正反射提前,分别描绘了网络状态与行为恢复的变化。

原论文图 2激活后的恢复、脑电与体动
激活后的恢复、脑电与体动
图2比较激活vlPAG GABA能细胞后的翻正反射时间、爆发抑制比例、脑电频谱和体动评分。
来源:Guo Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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抑制这组细胞,恢复需要更久

另一种持续性较强的激活方式也得到类似结果:翻正反射恢复更快,脑电爆发抑制减少,诱导时间未显著变化。不同干预方式的结果相互支持,说明现象并不限于一次短暂光刺激。

反过来抑制这组细胞,恢复翻正反射所需时间延长,麻醉维持期间的爆发抑制增加,诱导时间仍未显著改变。激活与抑制形成方向相反的行为结果,把这组细胞与恢复过程的调节联系起来。

原论文图 3持续调节细胞活动的双向结果
持续调节细胞活动的双向结果
图3比较化学遗传激活与抑制时的诱导、恢复及脑电变化。
来源:Guo Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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通向VTA的末梢也能促进恢复

vlPAG的GABA能细胞并不只向一个位置输出。示踪在腹侧被盖区(VTA)、外侧视前区和未定带都发现纤维,但本研究中,激活后两个区域的末梢未见显著麻醉效应,VTA末梢则能够缩短恢复时间。

与细胞群整体激活类似,VTA末梢激活没有显著改变诱导时间,却降低维持期爆发抑制;在较浅条件下,慢波减少、快速频段和体动评分增加。这些结果把促恢复作用进一步指向vlPAG至VTA的输出。

VTA包含多类神经元,既有多巴胺细胞,也有GABA能和谷氨酸能细胞。一束抑制性输入对网络的影响,会随接收者而不同。作者提出,若vlPAG输入压低VTA中的抑制性细胞,便可能解除其他输出所受的约束;这是解释促恢复现象的模型,接收细胞的具体功能仍待进一步解析。

原论文图 4vlPAG至VTA输出与恢复
vlPAG至VTA输出与恢复
图4展示vlPAG GABA能输出分布,以及VTA末梢激活后的恢复、脑电和体动结果。
来源:Guo Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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前额叶也能从上游推动变化

上游追踪则找到内侧前额叶皮层(mPFC)。增强来自mPFC兴奋性细胞、位于vlPAG的投射末梢活动,也让小鼠更早恢复翻正反射,而诱导时间未显著变化。中脑的促恢复作用由此与皮层输出联系起来。

相应脑电表现同样包括爆发抑制减少,以及较浅麻醉下δ成分下降、β和γ成分增加。这支持皮层向中脑传递的信号能够调节麻醉状态,恢复并非只由脑干信号自下而上推动。

原论文图 5mPFC至vlPAG输入的促恢复作用
mPFC至vlPAG输入的促恢复作用
图5展示mPFC上游联系及其vlPAG末梢激活后的翻正反射、脑电和体动结果。
来源:Guo Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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VTA局部GABA信号,把观察再连近一步

当mPFC至vlPAG输入受到激活,VTA中的GABA传感信号随之升高。它记录的是局部细胞外GABA相关荧光变化。七氟烷吸入后信号下降,停止吸入后回升,也与麻醉状态下的脑电变化相伴。

这些发现支持一个包含皮层输入、vlPAG调节和VTA输出的工作模型。局部传感信号还不能单独确定每一份GABA来自哪里,VTA中承担关键作用的接收细胞也有待细分。来自成年雄鼠的结果说明,抑制性递质的行为意义取决于它所在的网络;在这里,GABA能细胞可以推动麻醉恢复。

原论文图 6VTA的局部GABA传感信号
VTA的局部GABA传感信号
图6展示激活上游输入时的VTA GABA传感响应,以及麻醉开始、停止和维持期间的信号与脑电变化。
来源:Guo Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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论文信息

Guo Y, Song Y, Cao F, Li A, Hao X, Shi W, Zhou Z, Cao J, Liu Y, Mi W, Tong L.
Ventrolateral periaqueductal gray GABAergic neurons promote arousal of sevoflurane anesthesia through cortico-midbrain circuit
iScience · 2023-08-14
DOI: 10.1016/j.isci.2023.107486