屏状核及其神经通路在全身麻醉药致意识消失作用的机制研究

Loss of consciousness is the most essential feature of general anesthesia. Research on loss of consciousness induced by anesthetics is crucial for development of anesthesia science. The effect of general anesthetics depends on its function on the neural nuclei or neural pathways relating to consciousness. It is helpful to reveal the mechanism of general anesthesia by making research on consciousness related structure. As the distinctive and extensive connection with the cortex, claustrum is regarded as the root of information integration and consciousness formation. Electrical stimulation of claustrum in animal and human could induce unconsciousness state just like in general anesthesia. However, it remains unclear whether claustrum takes part in unconsciousness induced by general anesthetics. In the pre-experiment, activation of the claustrum neurons by DREADDs showed a significantly longer time for propofol to induce unconsciousness. To figure out the mechanism of claustrum in the general anesthesia, we plan to use methods such as neuronal activity detection, neural pathway tracing, microdialysis, optogenetics to study the claustrum from three levels including nucleus, specific neurons, neural pathway. This project will provide reliable data to uncover the mechanism of loss of consciousness induced by general anesthetics.

意识消失是全身麻醉最基本的特征，解析全麻药致意识消失的机制是麻醉科学发展的核心问题。全麻药发挥作用依赖于对大脑内意识形成核团或神经通路的调控，以意识调控结构为研究对象有助于揭示全麻药作用之谜。研究表明，屏状核与皮层存在独特而广泛的双向连接，可能是信息整合以及意识形成的关键区域。动物实验和临床研究发现，电刺激屏状核可诱发类似于麻醉的无意识状态。然而，全身麻醉致意识消失过程是否有屏状核参与尚不清楚。预试验发现化学遗传学激活屏状核可以显著延长丙泊酚诱导意识消失所需的时间，提示屏状核参与全身麻醉调控，其内在机制值得进一步研究。我们拟采用光纤钙信号监测、神经环路示踪、神经递质微透析、光遗传学调控等手段，以屏状核为切入点，从核团-核团内特异性神经元-神经通路连接三个层面，全面解析屏状核及其神经通路在全身麻醉中的作用，以期为全麻药致意识消失的机制提供靶向性依据。

屏状核（Claustrum，CL）是位于新大脑皮层的内表面、脑岛的深面的一个不规则的鞘状神经结构。基于其与皮层及皮层下结构广泛的双向联系，CL被认为是意识调控的核心靶点。本课题从该论点出发，立意于探索屏状核是否是全身麻醉药赖以调控意识的关键靶点。我们首先从核团层面出发，通过清醒、麻醉及苏醒三个阶段的cfos染色证实，CL核团在丙泊酚麻醉中被显著抑制。进一步通过实时监控的光纤钙信号技术记录从清醒到麻醉，再至苏醒时整个过程的钙离子信号变化，该研究结果揭示丙泊酚抑制CL神经元活性与意识状态的转变呈一致性变化，这说明CL核团的抑制可能是麻醉药导致意识可逆性消失的关键。进一步的功能学研究证实，使用化学遗传学激活CL核团可减弱丙泊酚麻醉的敏感性，缩短麻醉持续时间。EEG分析显示，激活CL神经元介导了麻醉期间δ脑电频谱功率，而α波和 β 波相对功率相对增加。针对CL的GABAa受体研究显示，激活CL的GABAa受体在行为和脑电表现上减弱了麻醉效能，而抑制GABAa受体增强了丙泊酚的麻醉效能。进一步对CL核团进行特异性神经元染色发现，CL核团以Vglut1阳性的兴奋性神经元集合为主，少部分PV阳性的抑制性神经元。采用实时神经元活性监测技术发现，丙泊酚和异氟烷均能显著抑制CL Vglut1神经元的活性，而这一效应与意识的消失与恢复存在一致性变化。双向的功能性激活与抑制研究发现，CL的谷氨酸能神经元参与了丙泊酚及异氟烷麻醉觉醒的调控，包括行为及脑电效应。神经通路示踪显示CL下行传导至多处皮层、丘脑背内侧核、丘脑室旁核、未定带等处，可能是其调控麻醉效应的网络基础。本研究加深了对CL区域在麻醉致意识改变调控作用的认识。