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全身麻醉对脑功能的影响

来源:本站 发布时间:2009-08-20 查看次数:9203
全身麻醉过程是对中枢神经系统功能强烈干预的过程。随着基因组学和蛋白质组学技术的成熟,正电子发射断层扫描(PET)和功能核磁成像(fMRI)等技术快速发展,人们发现围术期的麻醉处理会对脑的蛋白表达和功能产生一定影响,而且相关的影响会整合到人格行为、学习、记忆、认知功能当中。现就国内外相关的研究进展综述如下。

1 吸入麻醉对脑蛋白表达的影响

最新的研究显示吸入麻醉药物可诱发肺和肝内的基因表达发生改变,在异氟醚麻醉过程中及麻醉后存在C-fosRNA的增加及诱导型一氧化氮合酶(iNOS)蛋白浓度增加,但这些在“信使RNA” (mRNA)水平的变化并不能证明存在蛋白水平的改变,生命体的统一性来源于基因组,而复杂性和多样性则取决于蛋白质组。因此,Futterer等应用二维凝胶电泳和质谱测量法,通过高效、快捷和高通量的分子生物学技术,测定吸入麻醉前后脑内差异表达的蛋白质。结果显示在吸入麻醉后至少72h内存在蛋白质表达改变,这些蛋白在神经递质的突触传递及新陈代谢等方面发挥重要作用。例如:一氧化氮通路中的DDAH在地氟醚麻醉后表达增强,并至少持续72h。这个结论支持由于诱导型一氧化氮合酶增加所致NOS增加,进而使一氧化氮合成增多。另外,在研究中发现dynamin-1在异氟醚麻醉后减少,而dynamin-1 是网格蛋白依赖性胞饮作用的介质。dynamin-1的减少引起神经突触膜蛋白的功能性结构改变,这提示我们突触递质释放过程(能量传递过程)有其相对应的蛋白结构改变。其他许多在麻醉前后脑内差异表达的蛋白与糖酵解和三羧酸循环密切相关,这些结果都提示我们在吸入麻醉后3h,即存在脑蛋白表达改变,并至少持续到术后72h,这个时间远远长于临床上吸入麻醉后的恢复时间。随着蛋白质组学的进一步发展,脑蛋白图谱和人类蛋白图谱将得以构建,我们对麻醉相关蛋白表达的改变以及靶向蛋白水平的麻醉监测将进入一个崭新的领域。

2 全身麻醉产生意识消失的机制

全麻药物究竟是如何作用于中枢神经系统产生意识消失的状态,至今仍存在着不同的观点。一种观点认为机体的意识觉醒状态是由中枢神经系统中特定的神经结构维持,药物对这些部位的作用是产生意识消失的关键;而另一种观点则认为意识觉醒状态与整个中枢神经系统信号传导网络的整合活动有关,如神经元间的同步化活动、神经振荡、适应性共振、自行更新的反射模式等,意识的消失是药物对这种整合活动的抑制或阻断,而与特定的神经结构无关。目前,针对全麻药对脑的影响这个问题,应用PET脑显像技术进行研究,结果表明:无论是静脉麻醉药还是吸入麻醉药,可能都是通过作用于特定的神经结构——丘脑和中脑网状结构,抑制其功能,产生意识消失的;静脉麻醉药与吸入麻醉药相比有着不同的中枢作用通路,静脉麻醉药更倾向于抑制皮层上相关神经元的活动,而吸入麻醉药的作用则更为广泛和复杂;麻醉药的镇静和遗忘作用是对皮层上与觉醒和记忆相关脑区(如前额皮层、顶皮层等)的神经元活动抑制的结果;同时,全麻药物的中枢抑制作用具有剂量依赖性和结构特异性。

3 全身麻醉对学习、记忆、认知功能的影响

在人类的认知功能中,记忆是最核心和最重要的脑功能。大脑中直接主管记忆的是皮层的边缘系统,其中杏仁核、海马与记忆有密切关系。海马外周的颞叶也参与记忆。目前证实,记忆过程中突触可发生某些形态和功能的变化即突触的可塑性改变。可塑性突触是信息传递和储存的基本场所,是人类从幼年、成年到老年能够不断学习和记忆过程的神经基础。短期记忆的神经基础仅仅是一种电流性变化,是正在工作的神经元活动以电流形式的变化将信息储存下来,学习和记忆过程存在突触传递的增强和减弱。长期记忆则需上升为生物化学变化和形态变化,首先把来自外界的刺激换成电流信号,再以生化学的变化来接收信号,形成新的神经回路。因此与脑内某些永久性功能和结构变化有关,需要合成新的mRNA和蛋白质分子。老鼠学习后RNA碱基比例发生变化是记忆储存在核酸分子上的证据。蛋白合成抑制剂影响学习后记忆的巩固。麻醉、缺氧、低温使神经细胞活动停止,但一般来讲只影响短期记忆不影响长期记忆。

在动物实验研究中,人们发现达到临床手术要求的麻醉药物浓度将对脑的学习、记忆、认知功能及行为表现能力产生一定影响。如Jevtovic-Todorovic等发现吸入麻醉后发育期的鼠脑产生广泛的神经退行性变,并导致海马神经元突触传递功能损害,进而产生持久的学习、记忆功能缺失。而我们当前应用的吸入全身麻醉药物或者具有NMDA受体阻断特性(如谷氨酸作用于NMDA的受体亚单位减少兴奋性神经信号传递),或者具有GABA受体调强的特性(如通过激活氯离子通道作用于GABA的β1亚单位抑制突触信号传递)。证明应用谷氨酸等NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)受体阻断剂或GABA(γ-氨基丁酸)激活剂能诱使发育期的脑(即脑的神经突触生长发育时期)产生广泛的细胞凋亡性神经退变。该研究提示我们在儿科和产科麻醉中诱导和维持满足外科手术要求的麻醉深度可能会对发育期的人脑产生有临床意义的损害。

参与记忆过程调制的除了氨基酸类递质外,还有中枢胆碱能系统、儿茶酚胺类递质、神经肽等。毒蕈碱受体阻断药东莨菪碱削弱学习和记忆;胆碱酯酶抑制药毒扁豆碱增强学习和记忆;肾上腺素加强对事件记忆的贮存;而β-肾上腺能受体阻断药可以拮抗此增强,但仅对情绪激动者有效。
多巴胺参与短时记忆的调制,损毁杏仁中央核可减少应激引起的前额皮层多巴胺更新的增加,说明应激对记忆的影响是通过杏仁对皮层多巴胺受体活动的影响而产生的。垂体后叶加压素增强记忆的巩固;脑啡肽、阿片受体激动药破坏记忆的保持,拮抗药纳洛酮则相反。

Culley等在动物实验中证明了iso-NO麻醉减弱了对已掌握的空间记忆任务的行为表现能力,并且这种影响持续到麻醉后数个星期,并且证实经历了iso-NO麻醉后,白鼠在辐射状迷宫实验中存在与运动功能损害无关的持续性行为表现缺陷。这种现象无年龄特异性。(即成年和老年鼠均存在吸入麻醉后的行为表现缺陷),而且在辐射状迷宫实验中,麻醉后鼠的行为表现功能缺陷,长于所用药物的药理学改变所预期的时间。提示我们吸入麻醉药物可能产生术后长期的学习/记忆功能缺失。

Butterfield在动物实验中发现单次临床剂量的麻醉并不会损害已良好掌握的高级认知功能和精细运动的协调能力,但重复多次麻醉会对老年鼠的获得性运动功能及精神活动功能产生一定程度损害。目前为止,POCD在中青年及儿童患者中是否存在还没有系统调查,长时间或者反复使用麻醉药是否会对小儿智力发展、人格形成造成持久的影响尚不可知。但已有证据表明异氟醚在临床应用浓度下,可通过阻断肌纤蛋白的聚合作用消除神经元树突棘的形态变化,故认为吸入麻醉药可影响脑内兴奋性突触的形态可塑性。可见,在婴幼儿神经系统发育的关键时期,如果长时间、反复应用麻醉药很可能会引起中枢神经系统神经元结构和功能的改变。
4 全身麻醉对脑的神经电生理过程的影响:

近年发现有关记忆在突触传递的一个可塑性模式 —— 海马长时程强化(long - term potentiation , LTP)。LTP功能与记忆形成相关,即通过激活简单刺激传递链而增强突触兴奋性氨基酸与NMDA亚系受体的结合功能。实验发现,给动物成串的条件电刺激后,单个刺激引起峰电位和兴奋性突触后电位(EPSP)的振幅增大和潜伏期缩短。这种易化现象可持续10h甚至24h以上,称为长时程强化(LTP)。如果条件刺激每隔24h重复一次,单个刺激引起的EPSP增大可持续12d以上,少数动物停止给条件刺激后,LTP现象仍能持续2个月之久。一定强度的刺激可提高单个刺激引起的EPSP的幅度,而一定频率的刺激可使EPSP产生叠加效应,结果使突触后膜的去极化达到一定的程度,使位于(NMDA)受体通道内阻止Ca2+内流的Mg2+移开,这样当递质(Glu)与NMDA受体结合后,通道打开,Ca2+内流,触发一系列生化反应。NMDA受体是双重门控通道,既受电压门控也受递质门控。膜去极化使堵塞通道的Mg2+移开后,谷氨酸与NMDA受体结合才能使通道打开。目前发现是蛋白激酶系统被Ca2+激活,参与LTP诱导过程。而LTP维持需要合成新的蛋白分子。

Mikuler等在鼠脑海马CA1神经元的电生理的研究中,通过测试兴奋性突触后电位EPSP强度以及成对脉冲的突触量化效果,发现临床相关浓度的吸入麻醉药通过突触前某些部位的活动抑制谷氨酸盐的释放。同时也增强了对突触后谷氨酸盐NMDA受体的抑制,进而对兴奋传递产生麻醉剂诱导性抑制并最终直接导致中枢神经系统的抑制。

Pearce等研究了吸入麻醉药对鼠脑海马脑片神经元突触传递的影响,通过观察①唤醒反映②刺激对侧海马CA3区域而在同侧CA1区域的分层锥状肌产生LTP。证明吸入麻醉药物对海马CAI突触的作用机制与氨基酸能递质介导的兴奋作用相关。

Wakasugi等在体外鼠脑海马神经突触传递的研究中发现吸入麻醉剂对兴奋性(NMDA受体介导)和抑制性(GABA受体介导)突触传递均具有调整作用。

5 全身麻醉产生脑缺血耐受的机制

吸入麻醉剂通过诱导型一氧化氮合酶的作用,可诱导缺血性神经损伤的耐受过程。在动物实验中通过电子顺磁共振分光镜检查(EPR),也发现卤代吸入麻醉药物可大量增加鼠脑皮质中依赖一氧化氮合酶活性的一氧化氮含量,并可通过一氧化氮介导血管舒张反应通过诱导型一氧化氮合酶介导产生的一氧化氮在免疫反应及感染性休克时系统的血管舒张过程中具有重要作用,吸入麻醉剂差异性影响诱导型一氧化氮合酶的免疫应激表达,研究表明,经脂多糖或γ-干扰素单一刺激引起的iNOS的mRNA和蛋白表达增强可被吸入麻醉剂所抑制;而二者联合持续刺激引起的iNOS的mRNA和蛋白表达增强及NOS的活性增强可被吸入麻醉剂所激活,其作用机制可能与影响细胞内钙离子内流有关。吸入麻醉药与一氧化氮——环磷鸟苷通路存在相互作用,吸入麻醉药通过改变信号传导和调整NOS通路,而影响脑内一氧化氮合成酶的活性,在这个多步骤的复杂通路中吸入麻醉药物作用的确切位置并不清楚。有趣的是静脉麻醉药对NOS活性并没有直接影响,有许多报道认为异丙酚对脑缺血缺氧性损伤具有保护作用,其机制可能与钙离子的调节、氧自由基、γ-氨基丁酸受体、NMDA等相关。

随着基因组学和蛋白组学的发展,各种检查手段的进步,我们对功能性神经科学的认识将深入到更精确的分子水平,对麻醉诱导性脑功能甚至结构改变也将有一个更全面的认识
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