下丘脑外侧区谷氨酸能神经元及其向外侧缰核的投射参与调节麻醉意识转换

原创 赵萌萌 山中麻署

前言

INTRODUCTION

下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area,LHA）在调节意识转换中起着重要作用，涉及四种类型神经元：促食欲素能神经元、GABA能神经元、黑色素浓集激素神经元和谷氨酸能神经元。目前在前人的研究中，前三类神经元均被发现参与了睡眠或麻醉的意识转换过程，但对于在LHA中大量存在的谷氨酸能神经元在意识调节中尤其在麻醉过程的作用尚未被探索研究。

据报道，LHA中的谷氨酸水平在清醒和REM睡眠期间会迅速增加，但在NREM睡眠状态下并无改变。将谷氨酸通过微量注射到LHA区域显著延长大鼠清醒的时间，同时减少REM和NREM时间。LHA谷氨酸神经元还向外侧缰核 (LHb) 发送密集投射，而后者被证明参与了丙泊酚麻醉的作用机制。因此本研究欧哲通过化学遗传技术和光遗传学，以探索异氟醚麻醉中LHA谷氨酸神经元的功能及其向LHb的投射功能。

结 果

RESULTS

选择性消融LHA谷氨酸能神经元促进异氟醚麻醉效果

为探索LHA谷氨酸能神经元在麻醉-觉醒过渡调节中的作用，研究者将表达caspase3的cre依赖性AAV注射到Vglut2-cre小鼠的双侧LHA中，以选择性损毁谷氨酸能神经元。免疫荧光结果显示LHA谷氨酸能神经元数量大幅下降（203.8±21.0 vs 40.0±8.3）。在使用翻正反射评估异氟烷麻醉效果时发现，实验组小鼠麻醉诱导时间缩短，（346.8±20.4s vs 273.8±26.9s），苏醒时间延长（368.7±55.4s vs 484.8±30.4s）（图1）。

▲ 图 1

化学遗传法操控LHA谷氨酸能神经元影响麻醉诱导和苏醒

为调控LHA谷氨酸能神经元的活性，研究者通过化学遗传法将含有hM3Dq（激活）或hM4Di（抑制）的化学遗传病毒注射到Vglut2 Cre小鼠的LHA中。化学遗传激活LHA谷氨酸能神经元显著延长了从清醒到翻正反射消失的时间（308.3±20.2s vs 348.8±16.1s）并加速了麻醉后苏醒（348.8±33.3s vs 226.7±23.9s）。相反，hM4Di对LHA谷氨酸能神经元的抑制使诱导时间缩短（311.2±11.1s vs 251.2±23.0s）和苏醒时间延长(372.7±49.1s vs 575.8±71.2s)（图2）。

▲ 图 2

光遗传激活LHA谷氨酸能神经元降低异氟醚麻醉深度

为研究LHA谷氨酸能神经元对麻醉深度的调节作用，作者使用光遗传学技术瞬时调节LHA谷氨酸能神经元放电，并记录麻醉维持期间的脉冲抑制模式和频带功率百分比。通过将带有光敏蛋白ChR2（兴奋性）的病毒或带有光敏蛋白NpHR（抑制性）的病毒注射到Vglut2小鼠LHA中，并将光纤埋植于小鼠脑区并操纵光的强度与频率来调控特定神经环路的兴奋。光遗传激活LHA谷氨酸能神经元显著改变了ChR2组深（1.0%）和浅（0.8%）麻醉的EEG模式，但对照组无变化。在稳定维持异氟烷1.0%的麻醉期间，EEG频谱图中规律显示爆发抑制模式（burst suppression pattern,BSR），光刺激1分钟后导致BSR显著降低（5% vs 14.6%±4.1%）。在0.8%浓度诱导的浅度麻醉期间，未观察到明显的爆发抑制。LHA谷氨酸神经元的光遗传激活使δ波的总功率百分比降低（45.5%±4.6% vs 28.8%±9.1%），但增加了α波（8.0%±1.0% vs 0.1%± 1.1%）、β波（11.0%±2.3% vs 18.2%±4.8%）和γ波（12.0%±2.8% vs 19.5%±7.0%）的功率百分比。

然而，光遗传抑制LHA谷氨酸能神经元的并没有引起NpHR组的1.0%异氟醚麻醉的爆发抑制振荡的任何显著变化。在0.8%异氟醚引起的浅度麻醉期间，光遗传抑制轻微降低了β波的功率百分比（11.9%±1.5% vs 11.0±1.3%）。

▲ 图 3

▲ 图 4

光遗传激活LHb中LHA谷氨酸能神经末端促进异氟醚麻醉后苏醒

研究者将带有ChR2的病毒单侧注射到LHA中，并将光纤植入Vglut2-Cre小鼠的LHb以特异性激活LHb中的LHA谷氨酸能末梢，在麻醉诱导期和苏醒期给予持续刺激。在激活LHb中LHA谷氨酸能末梢后，诱导时间略有延长（292.8±16.1s vs 331.2±28.0s）同时显著缩短了苏醒时间（366.2±22.2 s vs 224.6±66.0s）。

在1.0%异氟醚麻醉维持期间，激活LHA-LHb谷氨酸能投射与对照组相比脑电图中的爆发抑制模式显著减少（66.7%±5.8% vs 28.0%±5.6%）。此外，在0.8%异氟醚浅度麻醉维持期间，光遗传激活LHb中LHA谷氨酸能末梢改变了多个频带功率，但对照组不受影响。其中δ波功率百分比下降（4.0%±2.7% vs 30.5%±5.4%）,而β波（11.1%±1.6% vs 20.7%±3.2%）和γ波（8.3%±2.1% vs 13.3%±3.0%）的功率百分比增加。

▲ 图 5

光遗传抑制LHA-LHb谷氨酸神经元投射延迟异氟醚麻醉苏醒

为了特异性地抑制LHb中的LHA谷氨酸能末梢，将抑制性光遗传病毒（NpHR）注射到LHA中，光纤植入Vglut2-Cre小鼠的LHb中。光遗传抑制LHb中LHA谷氨酸能末梢使诱导时间缩短（289.6±16.6s vs 227.4±27.5s）和苏醒时间延长（375.2±23.9s vs 564.6±70.2s）。

与局部抑制LHA谷氨酸能细胞体结果一致，抑制LHA到LHb的谷氨酸投射并不影响在深度麻醉（1.0%）过程的BSR。在0.8%异氟醚诱导的浅度麻醉下，抑制LHA谷氨酸能到LHb的投射，使δ波的功率百分比增加（34.1%±1.5% vs 37.8%±2.8%），同时降低β波（14.0%±1.1% vs 12.7%±1.3%）和γ波（12.1%±1.3% vs 10.8%±1.0%）的功率百分比。

▲ 图 6

总 结

CONCLUSION

本研究结果表明LHA谷氨酸能神经元参与了麻醉的调节，且该调节作用可能部分是通过麻醉过程中对LHb的投射介导的。选择性激活LHb中LHA谷氨酸能末梢促使苏醒时间缩短，EEG模式向觉醒转变。本研究的局限性在于，尽管LHb神经元主要是谷氨酸能，但有一小部分表达认为是GABA标记物的谷氨酸脱羧酶-2。另外，激活LHA谷氨酸能神经元，LHb中的神经元反应不同。因此，LHb中由LHA谷氨酸投射支配的特定神经元类型仍有待研究。

原始文献：

Zhao, Shiyi et al. “Lateral Hypothalamic Area Glutamatergic Neurons and Their Projections to the Lateral Habenula Modulate the Anesthetic Potency of Isoflurane in Mice.” Neuroscience bulletin vol. 37,7 (2021): 934-946.

编 译：赵萌萌

排 版：赵萌萌

校 审：仓 静 方 芳

原标题：《文献精读 | 下丘脑外侧区谷氨酸能神经元及其向外侧缰核的投射参与调节麻醉意识转换》

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