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从基底前脑到VTA,小鼠麻醉苏醒的兴奋性联系

The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience · 2025-07-30

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The Journal of Neuroscience · 研究前沿

从基底前脑到VTA,小鼠麻醉苏醒的兴奋性联系

雌雄小鼠研究发现,光激活基底前脑谷氨酸细胞或VTA末梢可加快异氟烷后的翻正恢复;脑电、瞳孔、呼吸与下游钙信号也随之改变。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

麻醉药停止输入后,大脑怎样重新转向能够行动的状态?苏醒不仅与药物离开有关,也涉及脑内唤醒网络的重新参与。发表于The Journal of Neuroscience的研究,关注基底前脑(BF)中的谷氨酸细胞,以及它们投向腹侧被盖区(VTA)的输出。在异氟烷麻醉小鼠中,光激活这群细胞或相关末梢,使翻正反射恢复更快,并让皮层、瞳孔和呼吸呈现相应变化。

关键发现

BF细胞与VTA末梢光激活加快翻正恢复,诱导时间未显著改变;化学遗传激活改变脑电,却未显著缩短恢复时间。末梢激活同时增强VTA谷氨酸群体钙信号。

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麻醉期间降低,恢复期间回升

研究首先同步记录BF谷氨酸细胞的群体钙信号与脑电、肌电。异氟烷开始输入后,钙信号迅速下降;麻醉状态持续时保持较低,停止药物输入后逐渐回升。

把信号对齐到脑电与肌电指示的状态转换,下降在失去响应前已出现,回升也在恢复转换前开始。细胞活动随着过程连续变化,使BF成为值得主动检验的唤醒相关群体。

原论文图 1BF群体的钙信号变化
BF群体的钙信号变化
原文图1:异氟烷输入、停止及脑电肌电状态转换前后的BF谷氨酸群体钙信号。
来源:Gong XT et al. · The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience · CC BY
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光激活让翻正恢复更快

光激活BF谷氨酸细胞后,异氟烷停止输入到翻正反射恢复的时间明显缩短,而诱导期间失去翻正反射的时间未显著改变。进入麻醉与退出麻醉,因而对这一干预呈现不同反应。

逐渐改变麻醉浓度时,激活组需要更高浓度才失去翻正,并可在较高浓度时恢复翻正。持续麻醉中的刺激还引出肢体运动、翻正或爬行,使行为唤醒评分提高。神经激活能在这一条件下推动动物朝恢复方向变化。

原论文图 2BF光激活后的行为恢复
BF光激活后的行为恢复
原文图2:诱导与恢复时间、异氟烷浓度反应及行为唤醒评分。恢复加快,诱导时间未见显著改变。
来源:Gong XT et al. · The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience · CC BY
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脑电由慢波转向更快活动

在较浅麻醉条件下,BF光激活让脑电低频δ功率下降、β功率增加。波形由较大幅度的慢活动,转向较低幅度、更快的活动。这些变化与行为唤醒一起,描述皮层状态受到调节。

在更深条件下,脑电原本在活动爆发与低活动间交替。光激活减少爆发抑制比例,停止刺激后这一比例又逐渐回升。光激活的作用有明确的时间窗口,皮层状态会随刺激开始和结束而变化。

原论文图 3皮层频谱与爆发抑制
皮层频谱与爆发抑制
原文图3:BF光激活的脑电频谱变化及深麻醉下爆发抑制比例下降。
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脑电改变,未必同时缩短恢复时间

研究用化学遗传方式激活同一类细胞。脑电δ功率降低,θ功率增加,较深麻醉时爆发抑制比例也下降;但诱导和翻正恢复时间均未显著改变。改变群体活动的方式不同,行为效果也有所不同。

化学遗传抑制未显著改变诱导或恢复时间;光抑制也未显著改变所测脑电频谱和爆发抑制比例。激活后能够推动的变化,在抑制时未必产生相反结果。BF群体的作用,因而呈现干预和指标相关的特点。

原论文图 4化学遗传激活的脑电与行为
化学遗传激活的脑电与行为
原文图4:BF化学遗传激活改变脑电频谱及爆发抑制,诱导与恢复时间未见显著变化。
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瞳孔和呼吸,伴随光激活变化

脑内变化之外,BF光激活还让麻醉小鼠瞳孔扩大、呼吸频率增加。停止刺激后,两项指标逐渐回到原有水平。皮层活动、行为和身体指标,从不同侧面反映这一群体对状态的影响。

瞳孔和呼吸各有自己的变化时间,不能由单一动作代表整个状态。同步观察这些指标,让研究看见一次神经干预同时触及多种反应,也为进一步追踪BF输出到哪些脑区提供依据。

原论文图 5瞳孔与呼吸的动态
瞳孔与呼吸的动态
原文图5:BF光激活期间瞳孔扩大、呼吸频率增加,刺激停止后逐渐回落。
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激活VTA末梢,也能加快行为恢复

BF谷氨酸细胞有多个下游去向,VTA是其中一个。研究将光刺激移到VTA,激活来自BF的末梢。翻正恢复时间同样缩短,诱导时间仍未见显著变化;浓度反应与行为评分也朝更易唤醒的方向改变。

持续麻醉中的末梢刺激引出翻正的动物并非全部,部分表现为肢体运动或爬行。选择输出末梢后,仍能观察到行为调节,但动物反应的程度存在差异。

原论文图 6VTA末梢光激活的行为结果
VTA末梢光激活的行为结果
原文图6:BF来源VTA末梢激活后的恢复时间、浓度反应与行为评分,诱导时间未见显著变化。
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末梢刺激重现皮层与身体响应

VTA末梢刺激也减少脑电δ功率、增加较快频段活动,并降低深麻醉下的爆发抑制比例。瞳孔扩大、呼吸加快,随后逐渐回落。这些结果与BF细胞体激活的变化相呼应。

原论文图 7末梢刺激后的脑电、瞳孔与呼吸
末梢刺激后的脑电、瞳孔与呼吸
原文图7:BF–VTA末梢刺激引出的脑电变化、爆发抑制下降、瞳孔扩大和呼吸频率增加。
来源:Gong XT et al. · The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience · CC BY
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BF与VTA谷氨酸群体,有同步变化的线索

双通道记录发现,BF与VTA谷氨酸群体的钙信号,在麻醉输入、停止和状态转换附近一起变化。光激活BF来源VTA末梢时,VTA谷氨酸群体钙信号增加,脑电也转向较快活动。

这项雌雄小鼠研究,将异氟烷后的行为恢复联系到一个可被招募的兴奋性输出。进入麻醉与退出麻醉对干预的响应并不对称,脑电改变与翻正恢复也不总是同步。苏醒网络的细胞与输出,由此呈现出更具体的功能分工。

原论文图 8同步记录与末梢刺激后的VTA响应
同步记录与末梢刺激后的VTA响应
原文图8:BF与VTA谷氨酸群体同步钙记录,以及BF来源末梢刺激时VTA群体钙信号增加。
来源:Gong XT et al. · The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience · CC BY
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论文信息

Gong XT, Li ZS, Chen ZL, Wu XC, Shangguan LY, Xu ZP, Chen L, Yu C, Cai P.
Basal Forebrain to Ventral Tegmental Area Glutamatergic Pathway Promotes Emergence from Isoflurane Anesthesia in Mice
The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience · 2025-07-30
DOI: 10.1523/jneurosci.0007-25.2025