Cell | 全麻如何选择性影响皮层椎体神经元？
全身麻醉(全麻)的一个谜团之一在于，为什么全麻可通过紊乱大脑反馈信号而特异性地抑制意识产生，而前馈信号及基本神经功能均不受影响【1】。已有研究表明，全麻能引起皮层的反馈信号降低(图1)，而在这个过程中发挥关键作用的是皮层椎体神经元，这是因为皮层椎体神经元在L1层具有远端顶树突结构(distalcompartment)，能接受大量皮层反馈信号【2】。因此，一个显而易见的假说是，全麻可能通过下调L5层椎体神经元的远端顶树突结构来发挥作用，这一作用可能是通过调节近胞体结构(perisomaticcompartment)和远端顶树突结构之间的耦连而产生的(图1)。
为回答这个问题，近日，来自德国柏林洪堡大学的研究人员(本文仅两位作者Mototaka Suzuki和Matthew Larkum)在Cell杂志在线发表了题为General Anesthesia Decouples Cortical Pyramidal Neurons 的研究论文，通过光遗传学手段模拟输入至L1皮层的反馈信号，从而研究全麻对皮层网络的影响。该研究不仅提供了全麻如何选择性阻断反馈信号的新解释，还提示了清醒意识是如何依赖于皮层间及皮层-丘脑环路而产生。
首先，研究人员通过光遗传学手段引起L5层椎体神经元远端顶树突结构去极化，模拟输入至L1层皮层的反馈信号。这一方法可持续产生对树突结构的影响，从而研究全麻状态下细胞及网络水平的效应。研究人员使用皮层L1特异性的投光装置µPeriscope，使得蓝光只可照射L1层皮层，随后进行L5层椎体神经元胞体的电信号记录。此外，通过异氟烷气体麻醉的开/关，研究人员可以操控实验动物的清醒/麻醉状态，并保持给光及记录的实验条件不变(图1)。
图1. 皮层椎体神经元介导大脑反馈信号
研究人员并未观察到光遗传刺激引起远端树突在清醒状态和麻醉状态之间反应的改变。然而，L5层皮层胞体的反应显著依赖于大脑状态(图2左)。胞体的反应分为高频和低频两部分，在麻醉状态下均完全缺失(图2右)。给光于远端树突结构后引起的胞体首次反应的潜伏期非常短(约5.9毫秒)，提示清醒状态下，远端树突和胞体之间具有非常好的耦连。研究人员发现的这些效应不依赖于麻醉剂的品种，包括使用异氟烷、氯丙酮/甲苯噻嗪、乌拉坦等，这些麻醉剂均有不同分子作用靶点，说明椎体神经元的远端和近端结构之间的耦连可能是麻醉的一个广泛靶标。有意思的是，这种大脑状态依赖的耦连变化也可以在其他皮层区域看到，而皮层的L2/3层椎体神经元并不表现出这种依赖方式。有兴趣的读者可以查阅原文的Fig.S2.
图2. 光遗传激发的树突及胞体的不同反应，取决于小鼠所处状态(清醒或麻醉)
随后研究人员要回答的问题是，胞体产生的动作电位是否参与清醒状态下的高频反应。研究人员采取两种策略，近胞体的单神经元细胞内记录及胞体外的多通道细胞外记录(图3)。两种策略均证明清醒状态下的这种高频反应均来自L5层椎体神经元的胞体细胞动作电位。
图3. 近胞体的细胞内及胞体外的细胞外记录
随后，研究人员发现，麻醉能阻止树突去极化引起的胞体动作电位，从而终止到达远端树突的有效反馈输入。至此，可以将树突和胞体间的耦连定义为树突去极化对胞体动作电位产生的效应。那么，远端顶树突结构产生的信号去耦连的机制是什么呢？研究人员使用更为精细的电极记录方式(50微米记录间隔)检测了在清醒和麻醉状态下，树突反应和信号沿顶端树突传播的特征，发现清醒状态下树突信号可有效传播至胞体引起高频反应，而在麻醉状态下这种传播显著降低(图4)。
图4. 树突-胞体信号的传播在远端区域显著受阻
另一个需要回答的问题是，多种影响神经元活动性的神经递质、调质系统如何通过影响神经元特性来改变大脑状态呢？该问题可通过向远端树突注射工具药来研究(图5)。研究人员通过给药导管，向远端树突注射L-型钙通道阻滞剂、NMDA受体阻滞剂、乙酰胆碱能阻滞剂(离子型及代谢型)及肾上腺素能拮抗剂等，均能显著降低树突反应，而只有乙酰胆碱阻断剂能显著降低清醒状态下树突引起的胞体反应。也就是说，阻断代谢型乙酰胆碱受体能去除皮层L5层椎体神经元在清醒状态下树突和胞体间的耦连。
图5. 本文的工具药研究：向顶端树突注射工具药来研究胞体反应
最后一个重要问题是，麻醉如何影响皮层-丘脑环路的去耦连？因为本文主要研究的是躯体感觉皮层，对应该皮层的丘脑高级核团为丘脑后中核(POm)，该核团有较多向L5层及L1层皮层的投射，并且已有研究表明该丘脑投射能调控皮层状态【3】。研究人员使用代谢型谷氨酸受体拮抗剂局部注射，发现能显著影响注射区域的神经元活动性，并损害这种耦连(图6)。
图6. 皮层-丘脑环路在树突-胞体耦连中的作用
本文的数据表明，清醒状态能激活顶端树突，从而产生胞体动作电位，表现在增强的树突-胞体耦连。图7总结了本文的主要结论——本文技术上的优势在于，采用给光范围局限的µPeriscope技术，能达到选择性激活远端树突，绕开控制反馈连接的技术难题。清醒或麻醉状态下，光遗传激活远端树突导致去极化的特征非常相似，而在L5层的胞体上反应差异显著，同样，在响应的丘脑核团记录到的反应也具有很大不同。此外，使用代谢型谷氨酸受体阻断剂可最大程度阻断这种耦连。因此，本文发现的现象不仅较好解释为什么麻醉剂能选择性阻断这种远端树突的信号，还从细胞水平将意识产生的两个主要理论联系在了一起。
图7. 本文提示的全身麻醉的新理论
参考文献
1. Mashour (2014). Top-down mechanisms ofanesthetic-induced unconsciousnessr. Front. Syst. Neurosci.8, 115.
2. Larkum. (2013). A cellular mechanism for corticalassociations: an organizing principle for the cerebral cortex. Trends Neurosci. 36, 141-151.
3. Llinas and Ribary (2001). Consciousness and the brain.The thalamocortical dialogue in health and disease. Ann. N Y Acad. Sci.929, 166-175.