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麻醉时仍在忙碌:中脑的一群睡眠相关细胞

Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · 2023-03-24

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Advanced Science · 研究前沿

麻醉时仍在忙碌:中脑的一群睡眠相关细胞

七氟烷并没有让所有神经元一起安静。小鼠研究发现,中脑一群睡眠相关细胞反而变得活跃,GHSR受体为理解这份兴奋与麻醉的联系提供了线索。

原论文图3b局部:EWcp细胞标记与GHSR信号叠加荧光图

提到全身麻醉,人们很容易想到大脑逐渐安静下来的画面。但在这片安静之中,有些细胞可能正在加班。2023年3月24日发表于 Advanced Science 的研究,把目光投向小鼠中脑Edinger–Westphal核的中央投射区EWcp。这里的一群细胞在七氟烷麻醉时活动升高,在自然睡眠中也更活跃。顺着这条线索,研究者找到与生长激素促分泌素受体GHSR有关的兴奋反应,并将它与麻醉进入和恢复的变化联系起来。麻醉如何发生,由此多了一个可以具体追问的细胞与受体节点。

关键发现

七氟烷相关活跃细胞主要带有UCN1和CART标记,并富集GHSR。削弱这一细胞群或阻断局部GHSR后,小鼠进入麻醉较慢、恢复较快,提示促睡眠相关的兴奋过程参与了七氟烷的作用。

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大脑进入麻醉,这群细胞却忙了起来

在麻醉相关的全脑活动图谱中,EWcp出现了一簇明显活跃的细胞。进一步记录显示,七氟烷开始作用后,相关细胞的钙信号逐渐升高;停止给药、动物恢复时,信号又回落。电活动记录也显示,这一区域同时存在兴奋、抑制和变化不明显的细胞,局部反应并不整齐划一。

研究共记录77个神经元,约43%在七氟烷麻醉时放电增加,另有约31%下降。这个发现让麻醉的图景更立体:不同群体可以朝相反方向变化,而被兴奋的一群,也可能参与推动整体状态转变。

原论文图 1麻醉与睡眠中的EWcp活动
麻醉与睡眠中的EWcp活动
图1显示麻醉相关活动升高,以及同一类相关活跃细胞在睡眠和清醒中的放电差别;区域内仍有其他响应类型。
来源:Yi T et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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它们也会在自然睡眠中更活跃

研究继续追踪其中19个麻醉相关活跃细胞,发现它们在NREM与REM睡眠中的平均放电都高于清醒。进入NREM之前,活动已经逐渐上升;NREM与REM转换时则未见显著变化。这个时间关系把它们与睡眠状态联系起来,却没有把两种睡眠阶段混为一谈。

睡眠与麻醉都伴随脑状态变化,共享部分细胞基础也就有了解释上的吸引力。不过,睡眠能够在适当刺激下被唤醒,麻醉还受到外源药物持续作用,涉及更多分子靶点。找到共同活跃的细胞,是打开两者联系的一扇窗;要理解完整状态,还要看这些细胞怎样接入更广的网络。

让这群细胞安静一些,麻醉进出也随之改变

当麻醉相关活跃细胞受到抑制,小鼠达到脑电所界定麻醉状态的时间延长,停止七氟烷后的恢复则加快。另一组减少相关细胞的比较,也出现了相同方向的变化;翻正反射的丧失与恢复进一步提供了行为层面的呼应。

脑电变化与翻正行为描述的是不同层面,合在一起,支持这些细胞参与麻醉过程。动物仍然能够进入麻醉,因此这个节点的作用更接近调整进入与恢复的进程;大脑中的其他麻醉靶点也仍在发挥作用。

原论文图 2细胞群变化与麻醉进程
细胞群变化与麻醉进程
图2展示相关细胞受到抑制或减少后,麻醉诱导延迟、恢复加快;脑电与翻正行为的结果方向相呼应。
来源:Yi T et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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两种肽类标记,指向一个富集的受体

这些活跃细胞大多带有UCN1与CART两种肽类标记,而GHSR信号也集中出现在这一群体中。周围虽有多种其他细胞,麻醉相关活跃群体的标记组合却有所区别。细胞位置、活动与分子身份由此接上了线,受体层面的追问也有了方向。

GHSR常与胃饥饿素信号一起出现。一个与进食和身体状态有关的受体,为何会出现在睡眠与麻醉的故事中?这项研究把问题带到了具体细胞上。标记共存本身还没有回答它们最终释放哪种神经肽,后续功能证据因此格外关键。

原论文图 3UCN1、CART与GHSR的分布
UCN1、CART与GHSR的分布
图3展示细胞标记与GHSR信号的共存情况。标记表达为群体识别提供依据,不等同于已经确定其下游递质机制。
来源:Yi T et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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同一个受体,也牵动清醒与NREM的分配

胃饥饿素能够使相关细胞产生兴奋性电反应,GHSR阻断后,这份响应受到抑制。在整体动物的夜间测试中,局部胃饥饿素增加了NREM睡眠;白天开展的另一组局部GHSR阻断比较,则看到清醒增加、NREM减少。细胞反应与状态分配由此形成相互呼应的线索。

这些变化具有条件性:较弱作用条件下,睡眠时间未见显著变化,REM时间也没有随NREM一起显著改变。受体参与的是特定状态与条件中的调节,不能由此把自然睡眠简单概括为一个统一开关。

原论文图 4GHSR相关细胞响应与睡眠分配
GHSR相关细胞响应与睡眠分配
图4将细胞兴奋反应与清醒、NREM、REM时间分开比较;主要睡眠变化体现在NREM,较弱条件和REM相关比较未见显著变化。
来源:Yi T et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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七氟烷的兴奋作用,怎样接上GHSR

七氟烷也能在相关细胞中诱发兴奋性电流;GHSR受到阻断后,电流明显减弱,在相应条件下接近消失。局部阻断这一受体,还使小鼠进入麻醉较慢、恢复较快。受体、电活动和整体状态三条线索,因此在同一研究中汇合。

计算模拟提出七氟烷可能与GHSR接触的口袋,但实际结合方式仍待结构和进一步功能证据确认。这项以小鼠为基础的研究,提供了睡眠相关细胞参与麻醉的新线索;它尚未证明在人类中调节该受体能够改善麻醉安全性或恢复质量。

原论文图 5受体阻断与七氟烷作用
受体阻断与七氟烷作用
图5显示GHSR相关电流变化及局部阻断后的诱导、恢复差别;分子对接图属于计算预测。
来源:Yi T et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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论文信息

Yi T, Wang N, Huang J, Wang Y, Ren S, Hu Y, Xia J, Liao Y, Li X, Luo F, Ouyang Q, Li Y, Zheng Z, Xiao Q, Ren R, Yao Z, Tang X, Wang Y, Chen X, He C, Li H, Hu Z.
A Sleep-Specific Midbrain Target for Sevoflurane Anesthesia
Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · 2023-03-24
DOI: 10.1002/advs.202300189