中脑腹侧被盖区多巴胺能神经元调控觉醒机制研究进展

张思敏1 包畅1 李健楠2 董海龙2

1陕西中医药大学第二临床医学院，咸阳 712046；2空军军医大学西京医院麻醉与围术期医学科，西安710032

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(7):766-770.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210908‑00598

 基金项目 

国家自然科学基金重点项目（82030038）

REVIEW ARTICLES

【综述】

中脑是脑内多巴胺能神经元最富集的部位，包括腹侧被盖区（ventral tegmental area, VTA）和黑质两个区域。其中VTA是中脑多巴胺能神经系统向边缘系统和皮质投射的起始点，主要向伏隔核（nucleus accumbens, NAc）和前额叶皮质（medial prefrontal cortex, mPFC）等区域发出投射，广泛参与奖赏反馈、动机、成瘾以及睡眠‑觉醒节律的调控，是中脑区域内参与意识状态调控的关键神经元群落。然而早期研究发现，VTA多巴胺能神经元的平均放电频率在睡眠‑觉醒状态转换中并无明显变化，因此被认为不主要参与睡眠‑觉醒的调控。新近的研究证实，VTA多巴胺能神经元的放电模式在睡眠‑觉醒状态转换中发生了改变，且毁损VTA多巴胺能神经元能够造成机体行为觉醒缺失。因此，不同于黑质主要参与运动协调控制，VTA多巴胺能神经元被认为在促进和维持觉醒中发挥更为重要的作用。本文主要针对VTA多巴胺能神经元在睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒机制中的调节觉醒作用进行综述。

1 VTA多巴胺能神经元在睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒调控中的作用      

多巴胺能神经系统是上行激活系统的重要组成部分，对于正常睡眠‑觉醒节律的形成具有不可或缺的作用。生理性睡眠是自发可逆的意识消失与恢复的动态转换过程，其不同时相在皮质脑电图（electroencephalogram, EEG）监测表现上也呈现不同特征变化。睡眠期间大脑仍高度活跃，出现以δ波（0.4~4.0 Hz）、睡眠纺锤波、慢波振荡为主的非快速眼动（non rapid eye movement, NREM）睡眠和以θ波（4.0~8.0 Hz）为主的快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠两种活动状态[1]。在美味摄食和REM睡眠中，小鼠VTA多巴胺能神经元被激活，并表现出明显的簇状放电，而在平静状态和NREM睡眠中，这些神经元表现出放电频率较低、放电间隔较为一致的tonic模式[2]。光遗传学技术激活VTA多巴胺能神经元可以增加小鼠的觉醒时间并减少睡眠时间，化学遗传学技术抑制VTA多巴胺能神经元则能够减少觉醒，增加REM睡眠和NREM睡眠，并且与NREM睡眠相比，在REM睡眠和觉醒期间，VTA多巴胺能神经元钙信号强度升高[3]。此外，在NREM睡眠期间以及在睡眠剥夺4 h后光遗传学技术激活VTA多巴胺能神经元，能够诱导小鼠从睡眠状态直接转变为觉醒状态[3]。临床中常用的促觉醒药物（如莫达非尼及安非他命等）主要通过抑制多巴胺（dopamine, DA）再摄取、增强多巴胺能神经元活性或刺激DA递质释放增加觉醒，从而治疗自发性嗜睡症和发作性睡眠症[4]。多巴胺转运体（dopamine transporter, DAT）的主要作用是负责突触间隙DA递质的再摄取，参与了许多与觉醒相关的过程，包括对运动、学习、动机等的调节，DAT水平及DA神经递质随着觉醒及睡眠状态波动。睡眠期间表现为较高的DA摄取率以及DAT磷酸化程度增高，觉醒期反之[5]。缺失DAT基因的小鼠，表现为NREM睡眠时间减少，觉醒时间显著增加[6]。DA递质通过作用于突触后的DA受体产生相应的神经生物效应。在睡眠调节中起主要作用的是多巴胺D2受体（dopamine D2 receptor, D2R）和D3受体（dopamine D3 receptor, D3R）。研究发现，敲除D2R后小鼠表现出觉醒时间显著降低，NREM睡眠和REM睡眠显著增加的特征[7]。腹腔注射D2R激动剂阿朴吗啡或溴隐亭可引起双相效应，即低剂量降低觉醒，增加慢波睡眠和REM睡眠，而大剂量则增加觉醒，减少慢波睡眠和REM睡眠[8]。腹腔注射D2R和D3R拮抗剂雷氯普利，可消除化学遗传学技术激活VTA区引起的促觉醒作用[9]。

与此同时，近年来的研究证实VTA多巴胺能神经元参与全麻‑觉醒的调控。脑深部电刺激VTA可诱导大鼠从异氟醚和丙泊酚麻醉中觉醒，而刺激黑质致密部则无效[10]，表明促进觉醒的多巴胺能神经元主要来自VTA，而不是黑质致密部。光遗传学技术激活VTA多巴胺能神经元可以使异氟醚诱导浅麻醉状态的小鼠直接转变为觉醒状态，提前腹腔注射多巴胺D1受体（dopamine D1 receptor, D1R）/D5受体（dopamine D5 receptor, D5R）拮抗剂SCH‑23390则能抑制翻正反射的恢复并且极大地减弱了唤醒反应，这表明激活VTA多巴胺能神经元诱导的觉醒反应主要由D1R/D5R的下游机制介导[11]。使用6‑羟基DA消融大鼠的双侧VTA多巴胺能神经元，能够延长丙泊酚麻醉后的觉醒时间[12]。静脉注射哌醋甲酯能抑制DA递质再摄取，从而缩短丙泊酚麻醉后苏醒的时间，并且能够诱导大鼠从丙泊酚麻醉和异氟醚麻醉中苏醒[13‑14]。静脉注射D1R激动剂能缩短异氟醚麻醉后的觉醒时间，并能引起麻醉中出现觉醒行为[15]。安非他命能加速恢复右美托咪定麻醉后意识，而这种逆转作用可被D1R/D5R拮抗剂SCH‑23390抑制，提示这种唤醒作用是通过D1R和（或）D5R介导的[16]。VTA多巴胺能神经元对全麻‑觉醒的影响，还表现在对麻醉深度的影响。研究证实，在VTA多巴胺能神经元被抑制后，右美托咪定的镇静深度加深，激活VTA多巴胺能神经元能减弱右美托咪定的镇静深度[17]。

这些研究表明，VTA多巴胺能神经元通过释放DA递质，作用于突触后神经元的DA受体，从而参与睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒调控。

2 VTA多巴胺能神经元通过调控下游核团参与睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒调控      

VTA多巴胺能神经元广泛投射至中缝背核、蓝斑、mPFC和NAc等参与睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒的重要核团[18]。NAc和mPFC的细胞外DA递质浓度在觉醒状态和REM睡眠期间升高，在慢波睡眠期间降低[19]，提示VTA多巴胺能神经元通过递质释放调控其下游核团参与睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒的调控，而NAc和mPFC可能是其中的重要靶点。

2.1　NAc

NAc是腹侧纹状体的主要结构，参与调控高度依赖于觉醒的行为，如动机、奖赏和成瘾[20‑23]。NAc主要由表达D1R和D2R的中等多棘神经元组成，并接受来自VTA的大量多巴胺能神经投射[24]。光遗传学技术兴奋NAc中的VTA多巴胺能神经终末，能缩短NREM睡眠到觉醒的过渡期，并增加睡眠‑觉醒周期中的觉醒总时间[3]。清醒状态下NAc的细胞外DA递质含量明显高于NERM睡眠[19]。并且，NAc中表达D1R神经元的Ca2+信号活动在觉醒期间显著增加，光遗传学技术激活D1R神经元可以诱导从NREM到清醒的即刻转变，化学激活NAc中的D1R神经元则能显著延长觉醒的总时间[25]。选择性损毁大鼠的NAc能增加觉醒所需时间[26]，并且损毁NAc的核心部分可阻断由DA系统介导的莫达非尼的唤醒效应[27‑28]。

与全麻‑觉醒相关的研究证实，NAc的DA递质水平在七氟醚麻醉的诱导过程中降低，觉醒过程增高，通过光遗传学技术和化学遗传学技术激活VTA DA‑NAc通路延长了七氟醚麻醉诱导时间，促进了觉醒，抑制该通路则产生相反的作用。这些数据表明，VTA多巴胺能神经元通过投射调控NAc从而影响七氟醚麻醉‑觉醒进程[29]。NAc中D1R神经元的Ca2+信号活动随着七氟醚诱导意识丧失而减少，在意识恢复后逐渐恢复正常，在七氟醚麻醉中光遗传学技术兴奋该类神经元还能够引起皮质激活[30]。在七氟醚麻醉中化学遗传学技术兴奋NAc中的D1R神经元能够延长麻醉诱导过程并加速觉醒进程[30]。在NAc双侧微注射D1R激动剂能够显著缩短小鼠从异氟醚麻醉中觉醒的时间，而微量注射D1R拮抗剂则显著延长觉醒时间[31]。在老龄小鼠中，由于D1R表达水平降低，在NAc中微注射D1R激动剂或拮抗剂则对异氟醚麻醉觉醒时间无明显影响[31]。NAc内微量注射D1R选择性激动剂chloro‑APB可明显缩短大鼠丙泊酚麻醉的苏醒时间，EEG显示δ频段功率降低，β频段功率增加，这些效应可被D1R拮抗剂SCH‑23390预先阻断[32]。

这些结果表明D1R对NAc的调节对于全身麻醉意识恢复过程是至关重要的。因此，NAc是VTA多巴胺能神经元调控睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒下游环路中的重要核团。

2.2　mPFC

mPFC是大脑主要的功能执行中枢，同时是VTA多巴胺能神经元重要的投射靶区。光遗传学技术兴奋mPFC中的VTA多巴胺能神经元末梢，能够缩短REM睡眠到觉醒的过渡期，但对NREM的持续时间无明显影响[3]。通过脑内微透析结合电生理技术，发现大鼠在睡眠‑觉醒周期中清醒和NREM时mPFC的DA递质水平升高，而慢波睡眠中降低[19]。

同时，mPFC也参与了VTA多巴胺能神经元对全麻‑觉醒进程的调控。研究证实，在丙泊酚麻醉诱导意识消失的进程中，mPFC的DA递质水平逐渐降低[33]。在乌拉坦麻醉中，大鼠mPFC的局部场电位中主要是<1 Hz的慢波活动，电刺激VTA可以快速而持续地诱发向低幅‑快的活动模式的转变，而该转变可被D1R拮抗剂SCH23390所阻断[34]。七氟醚麻醉中，在mPFC微注射D1R拮抗剂SCH23390后，诱导时间显著缩短，且麻醉后觉醒时间显著延长[35]。而在mPFC微注射D1R激动剂Chloro‑APB后七氟醚麻醉诱导时间显著延长，麻醉后觉醒时间显著缩短[35]。特异性激活投射向mPFC的VTA多巴胺能神经元后，七氟醚麻醉诱导时间显著延长而麻醉觉醒时间显著缩短[35]。

上述研究表明，mPFC同样介导VTA多巴胺能神经元调控睡眠‑觉醒和全麻‑觉醒的作用。

2.3　其他下游核团

除了NAc和mPFC，其他VTA多巴胺能神经元下游核团也不同程度地介导其觉醒的调控（图1）。最近的一项研究表明，光遗传学技术兴奋中央杏仁核和背外侧纹状体中的VTA多巴胺能神经终末，能显著缩短NREM睡眠到觉醒的潜伏期[3]。光遗传学技术兴奋背外侧纹状体中的多巴胺能神经终末虽然对REM无明显影响，但光遗传学技术兴奋中央杏仁核的VTA多巴胺能神经终末则缩短了REM睡眠到觉醒的潜伏期[3]。最近的研究发现，嗅结节（olfactory tubercle, OT）在异氟醚麻醉觉醒期活性增强，在OT内微量注射D1R激动剂Chloro‑APB和D2R激动剂喹吡罗以及光遗传学技术激活OT中的VTA多巴胺能神经终末均可促进异氟醚麻醉后的行为觉醒和皮质觉醒，而D1R拮抗剂SCH‑23390和D2R拮抗剂雷氯必利可延长觉醒时间[36]。除此之外，目前VTA多巴胺能神经元作用于其他下游区域从而调控觉醒的研究较少，仍需进一步探索。

3 小结和展望      

综上所述，深入研究其受体和相关神经环路机制不仅能进一步阐明全麻药物和睡眠‑觉醒的机制，同时也对与DA神经系统相关的神经精神疾病的相关机制研究有借鉴意义。全麻与睡眠之间存在许多相似之处，通过对睡眠‑觉醒及全麻‑觉醒机制的研究可能为我们进一步研究觉醒提供新思路。值得指出的是，VTA作为多巴胺能神经元的主要分布区域，在与大脑其他促觉醒核团广泛联系的同时，其与VTA中其他神经元（如谷氨酸能神经元、γ氨基丁酸能神经元）存在复杂的微环路结构，通过与这些神经元的相互作用，共同调控促进觉醒的发生，但其细节还几无所知。另外，VTA多巴胺能神经元投射调控其下游核团的机制目前还未完全阐明。因而，未来通过特异性地对多巴胺能神经元及其下游核团用光遗传学技术和化学遗传学技术进行调控并借助EEG的特征性变化将有助于进一步揭示VTA多巴胺能神经元促进觉醒的机制[37]。