文献精读 | 全麻药引发锥体神经元树突-胞体解耦联作用

背景

在全麻研究中，我们当前最为困惑的问题是，虽然全麻药物能够令意识完全丧失，但鲜少直接影响神经元的基本放电特性。前期的研究发现全麻状态与皮质丧失有效反馈能力有关。由于皮质锥体神经元的顶端树突位于第一层（L1），接受了大量来自皮质的反馈连接，所以皮质锥体神经元被认为在各个脑区间反馈信号的传递中起关键作用。据此出现了几种假说：1.麻醉可能下调胞体位于第五层（L5）的锥体神经元顶端树突的功能；2.麻醉可能通过改变胞体与其树突之间的耦联影响信号反馈。为了探索全麻药对皮质锥体神经元反馈连接的影响和作用机制，本文利用光遗传学等方法，从以下几个方面进行了研究。

01

全麻使L5锥体神经元树突-胞体解耦联

使用光遗传学技术激活L5锥体神经元位于L1的顶端树突，监测信号传递至胞体的过程，得到以下结果：

麻醉状态不改变顶端树突对光刺激的反应。

麻醉显著改变位于L5的胞体反应，进一步分析发现，麻醉状态下高频和低频电活动均几近消失。这意味着麻醉状态下L5锥体细胞胞体和顶端树突活动解偶联。

不同分子机制的全麻药物（七氟醚，氯胺酮和氨基甲酸乙酯）的影响一致，意味着锥体神经元近远端解耦联可能是麻醉药物的共同靶点。

L2/3层锥体神经元并没有表现出类似的解耦联现象。

02

清醒状态下，胞体快速应答部分的基础是胞体的动作电位

单细胞近细胞记录技术（optopatcher）用于记录表达ChR2的L5单个锥体神经元细胞和多细胞单元的电活动。结果显示，麻醉状态下，光刺激顶端树突后，胞体动作电位出现明显延迟并且幅度降低。

由于向L5注射钠离子通道阻断剂TTX后，胞体的快速应答成分也被消除，故而可以认为胞体快速应答成分的基础是胞体的动作电位。

03

排除轴突逆向动作电位的影响  

由于光刺激远端树突可能会激活L5锥体细胞轴突上的逆向动作电位，因此作者用光刺激同一神经元位于对侧脑区胼胝体的轴索进行逆向轴突输入，以明确轴突逆向动作电位的影响。结果显示，逆向动作电位引起了L5处胞体的延迟反应，但比树突去极化引起的反应弱得多，并且逆向动作电位在麻醉或清醒状态下引起的胞体反应相似。

由于L5b锥体束细胞主要投射到皮层下，鲜有轴突位于L1和L2。因此作者使用标记了L5b椎体束神经元的Sim1-Cre转基因鼠重复实验，同样观察到了麻醉状态改变了胞体与顶端树突的耦联。这些结果表明，无论在清醒还是麻醉状态下，逆向动作电位都只会在L5引起一个很小的总体延迟信号，因此，逆向动作电位对整体信号的贡献并不大，也没有快速、固定时间等动作电位的特征。

至此，作者定义“耦联”为树突去极化对诱发胞体动作电位的影响。由于已知树突处的固定的高频脉冲式的去极化可触发胞体动作电位，作者认为，麻醉是通过阻断树突去极化触发的胞体动作电位，从而阻断有效的反馈输入到达远端树突。故本文重点研究快速应答成分，但需注意的是，胞体的快速应答成分总是与慢速应答成分紧密相关。

04

探究麻醉状态下树突-胞体间信号传递解偶联的原因

以50um为间隔，分层记录电位。

清醒状态下树突的动作电位可以快速稳定地扩散到胞体，而在麻醉状态下，这种扩散表现为延迟，减弱甚至消失。

均化每层记录到的电位，结果显示，直到约400–450 um 深度，信号传导与意识状态才开始出现相关性。这意味着麻醉引起的解耦联现象并不是药物直接作用于顶端树突，而是作用于信号向胞体传导的过程中。

阻断L-型Ca2+通道和NMDA受体可以显著抑制树突去极化，但是对胞体快速反应成分没有影响。意味着树突与胞体耦联与顶端树突上的L-型Ca2+通道和NMDA受体无关。

过往的体外研究显示，顶端树突的去极化状态决定了胞体与树突之间的耦联程度，因此清醒状态下的去极化状态可能是这种耦联增加的原因。两种状态（up and down）之间的缓慢交替是麻醉的特征之一。由于在up状态下，细胞也能显著去极化，故之前猜想Up state就是清醒状态。然而，作者发现与麻醉相关的解偶联现象在up和down两种状态下均存在，且均与清醒状态下明显不同，由此可以解释为何up状态并不能带来意识恢复。

两种不同的清醒状态下（活动vs静息）树突-胞体耦联无差异。

补充：up and down states 指神经元的两个首选阈下膜电位，都是能产生动作电位的阈下电位。

down state（向下状态）：超极化，神经元膜电位在-61至-94mV；

up state（向上状态）：轻度去极化，神经元膜电位在-71至-40mV。

对于同一神经元来说，以一定的时间间隔在两种状态间摆动。

05

由于单纯的去极化并不能解释这种耦联现象，作者转而研究多种神经调节因子

乙酰胆碱(ACh)和去甲肾上腺素(NA)阻断剂均可以显著降低树突去极化的幅度，但是只有Ach阻断剂显著抑制了觉醒增强的胞体反应。进一步研究显示，是M型而非N型Ach受体拮抗剂显著抑制了胞体的快反应组份。以上提示M型Ach受体在树突-胞体耦联增强现象中起作用。

06

麻醉作用机制

关于麻醉作用机制，一直以来有两个假设：“丘脑和皮质反馈被打断”以及“皮质之间反馈被打断”。顶端树突的下三分之一信号失传导看似是皮质层的内在活动，然而该部分也接受来自丘脑核团的大量投射，这些丘脑核团因能激活I型代谢型谷氨酸受体（mGluRs）而具有神经调节作用。丘脑核团中，后内侧核（POm）大量投射到初级躯体感觉皮层的L5a和L1，并决定大脑皮层状态。作者发现 ，局部注射mGluR阻滞剂可以显著削弱耦联，消除胞体对于树突去极化的反应，与此同时注射点周边的背景电活动不受影响。与麻醉状态相比，清醒状态下POm活动增强，使用GABAA受体激动剂抑制POm的活性可以显著削弱耦联现象。

丘脑核团与意识、注意力以及突触可塑性有关。为了探究麻醉是否普遍性的抑制丘脑核团的活动，本文研究了另一个与视觉相关的丘脑核团——枕核，并以腹侧POm（VPM，与躯体感觉相关）做对比。与POm类似，异氟醚下调了枕核的电活动，而VPM依然活跃并对体感刺激反应强烈，这与前人的研究结果一致。

麻醉的机制通常被认为是抑制作用，因为大部分麻醉药物上调了GABAA受体。尤其是靶向抑制树突、生长抑素阳性（SOM+）的中间神经元与mGluRs有关。然而，无论是灭活SOM+的中间神经元还是使用GABAA受体拮抗剂或AMPA受体拮抗剂，都不能增强锥体神经元树突—胞体耦联。综上，麻醉期间树突和胞体的解耦联现象并不依赖于中间神经元。

总结

清醒状态下，L5锥体神经元的远端树突与胞体之间存在高度耦联，具体表现为树突去极化对形成胞体动作电位的影响，并排除了轴突逆向动作电位的影响。

麻醉状态不改变顶端树突对反馈信号的反应，而是阻断树突与胞体间的耦联。

mGluR阻滞剂和M型Ach受体阻滞剂也可有效地阻断这种耦联效应。

全麻药还可以抑制丘脑核团的活动，通过抑制丘脑对皮质的信号输入，远程控制皮质锥体神经元对远端顶端树突反馈信号的敏感性，减少输入信号对深层锥体神经元的影响。

锥体神经元间信号的解耦将导致皮质输出的减少，引起整个大脑皮层反馈的广泛解耦。

这篇文章将“丘脑和皮质反馈被打断”以及“皮质之间反馈被打断”这两种相互矛盾的解释联系起来，对全麻药的机制提出了新理论。锥体神经元近远端失耦联可能是麻醉的共同靶点。

原始文献：

Suzuki M, Larkum ME: General Anesthesia Decouples Cortical Pyramidal Neurons. Cell 2020, 180(4):666-676 e613.

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