作者:宋学军 胡江建 来源:《神经科学趋势》 发布时间:2024/3/23 9:47:33
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综述:麻醉和意识复苏的神经生物学原理

 

2024年3月14日,神经科学著名期刊《神经科学趋势》(Trends in Neurosciences)以 “Neurobiological basis of emergence of consciousness from Anesthesia” 为题发表南方科技大学宋学军团队的主编特约论文【1】。该综述文章系统地总结了迄今为止学界对麻醉和麻醉意识复苏的神经生物学机制的认识和理解。文章阐述了麻醉导致意识消失和麻醉意识复苏的神经生物学基础的研究成果,解析、归纳了有关科学研究的成果及其所能说明问题的边界,介绍了麻醉意识主动复苏的最新突破性进展,并提出进一步研究的方向和拟解决的关键问题。

关于意识的起源、消失和复苏一直是哲学家、心理学家、医生和科学家最为关心和困惑的问题。尽管现代医学和科学提供了很多机会让我们可以观察意识的存在、消失和恢复,包括麻醉病人和植物人等;但是,我们对意识生物学本质的认识依然非常有限。自1840s年代全身麻醉药应用于临床外科手术麻醉以来,全麻药诱导产生的可逆性的意识消失和恢复成为研究意识的理想生物学模型。全麻药是如何导致意识消失的?麻醉意识是如何恢复的?我们依然知之甚少。

关于麻醉机制,即全麻药是如何导致意识消失的,有三种理论假说,包括脂质学说(The lipid theory)、特异性蛋白质靶点学说(The specific protein targets theory)和神经网路学说(The neural circuit theory)。总体而言,不同类型的全身麻醉药具有不同的作用机制,虽然导致意识消失的具体机制尚不明确,但是麻醉药导致意识消失均遵循一个基本原理,即药物分子通过与特异性蛋白靶点或膜介导的靶点相结合,干扰正常的神经元活动,破坏负责信号传导和意识感知/主观体验的神经环路的完整性和功能,从而诱导麻醉【1】。这三个学说从不同的角度和层面对麻醉机制进行解释和阐述,推动了全麻原理的研究进程,具有重要的学术价值和实际意义。但是,这三个假说还不能形成一个能够清楚完整阐明全麻原理的理论体系,更没有从本质上解释麻醉诱导意识消失现象的生物学基础。因此,麻醉是如何导致意识消失的分子神经机制依然不清楚,需要继续深入研究。

麻醉意识消失后大脑如何重新获得意识,相较于对麻醉药如何产生麻醉作用的研究和理解,对麻醉意识复苏的认识更加不清楚。学界长期公认的观点是意识的“被动恢复理论”(Purely passive recovery), 即麻醉后意识恢复是一个基于麻醉药在脑内/体内代谢降解的过程,当麻醉药浓度在体内降低到一定水平之后,意识也就自然而然的恢复了。这种假说认为麻醉意识恢复是麻醉药作用的逆向过程,所以,如果麻醉机制清楚了,麻醉意识恢复的机制也就清楚了。事实上,从麻醉状态中的觉醒是一个与麻醉药从体内或脑内的清除紧密相关的过程,但并不意味着意识会随着脑组织内麻醉药浓度的降低而自然而然地复苏并完全恢复正常。近十几年来,研究发现麻醉深度和意识水平是可操控的,即麻醉条件下意识的深度是可以通过外界干预(如电刺激、光遗传、化学遗传等方法)脑内特定核团、神经元活动和神经环路及其所关联的神经递质系统如谷氨酸、GABA、多巴胺、去甲肾上腺素、食欲素等递质系统而调控的,从而促进或者抑制麻醉、延迟或者加速麻醉意识恢复。图1和图2总结归纳了有关麻醉意识水平可操控性的研究结果。详见原文【1】。

图1:麻醉意识恢复相关的神经环路和神经递质系统【1】。

图2:麻醉意识恢复相关的神经核团【1】

麻醉意识的“被动恢复理论”着眼于麻醉药的药理作用,认为麻醉恢复等于麻醉诱导的逆向过程;麻醉意识的“可控性”则着眼于外力对大脑核团和神经环路的控制而改变麻醉意识状态。这两种情况都是外部力量对于大脑的作用和干预,而麻醉意识恢复的主体¾大脑的内在驱动力与麻醉意识恢复的关系则被忽略了。然而,在这个矛盾体中,大脑是矛盾的主体,在意识复苏过程中可能发挥非常重要甚至是决定性的作用。宋学军团队首次揭示了麻醉意识复苏的大脑内在驱动机制(图3)【1,2】。

图3: 麻醉意识主动复苏的丘脑KCC2泛素化降解机制(图来自[1])。

麻醉药导致意识消失状态下丘脑VPM核团KCC2的快速下调导致GABA A受体介导的神经元去抑制效应,因此显著提高了局部神经网络的活性并启动神经环路的重建,驱动大脑走出意识消失的凶险境地。促进这一意识复苏过程的分子神经机制完全不同于麻醉停止后可以直观观察到的行为学水平的恢复,分子水平驱动意识复苏的努力在大脑被迫进入MRS期(远早于可以观察到的行为恢复阶段)就已经开始并且一直持续。该研究指出意识复苏是一个独立于麻醉诱导的意识消失过程、受大脑内在驱动力控制的主动复苏过程;这个主动复苏过程不依赖于具体全麻药的药理学作用靶点,其本质不是麻醉诱导作用过程的逆向过程,而是遵循了完全不同的规律和分子机制(详见原文)【1,2】。

大脑如何从麻醉中重获意识并进一步完全恢复认知功能(Emergence of consciousness and full recovery of cognitive function from anesthesia)是极富有挑战的重大科学问题。阐明麻醉意识复苏和认知功能恢复的机制,将帮助我们理解大脑运作的基本原理和揭示意识及其神经基础的本质规律。

该论文作者是宋学军教授和胡江建博士后。(本文图文由论文作者实验室提供)(来源:科学网)

参考文献:

[1] Song XJ, Hu JJ. Neurobiological basis of emergence of consciousness from Anesthesia. Trends in Neurosciences Online, March 14, 2024. https://doi.org/10.1016/.tins.2024.02.006;https://authors.elsevier.com/a/1ilsEbotq3zBX

[2] Hu JJ, Liu YX, Yao HY, Cao BX, Liao HB, Yang RD, Chen P, Song XJ. Emergence of consciousness from anesthesia through ubiquitin degradation of KCC2 in the ventral posteromedial nucleus of the thalamus. Nature Neuroscience 2023 May;26(5):751-764. https://www.nature.com/articles/s41593-023-01290-y

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.tins.2024.02.006

 
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