幼年早期麻醉暴露诱发ADHD多动样行为的神经机制

2018-12-20刘月王蓓谢玲华胡智勇

浙江医学 2018年23期

刘月王蓓谢玲华胡智勇

胡智勇，主任医师，硕士研究生导师；浙江大学医学院附属儿童医院麻醉科主任；中华医学会麻醉学分会儿科麻醉学专业组委员；中国心胸血管麻醉学会日间手术麻醉分会副主任委员；浙江省医学会麻醉学分会副主任委员；浙江省医师协会麻醉学分会副会长；浙江省神经科学学会麻醉学专业委员会副主任委员；浙江省医学创新学科（小儿麻醉学）带头人；主持国家自然科学基金2项及省部级课题9项。

现今，全球越来越多小儿因外科手术或有创检查而接受不同程度的麻醉暴露，我国每年有500～600万例小儿手术。临床研究表明，未成熟大脑暴露于临床常用麻醉药可致持续性神经毒性，影响神经元的生长、分化和突触发生，损害神经发育的过程，最终导致认知、学习和行为等异常[1-2]。麻醉暴露所致的神经毒性也是现阶段儿科麻醉领域中重要的临床和科研热点问题[3-5]。幼年期麻醉暴露可影响皮层-皮层下环路的成熟或整合[6]，使前额叶皮层（PFC）与其下游投射脑区形成的神经环路功能异常，进而诱发注意力缺陷/多动障碍（ADHD）多动样行为[7]。因此，对于发育中的大脑，麻醉暴露的安全问题仍亟待探究。笔者就幼年早期麻醉暴露致神经发育损害，从而诱发ADHD多动样行为的相关研究进行概述。

1 ADHD多动样行为的动物研究

啮齿类动物研究通常选用出生后7d（P7）左右的动物，因为此阶段是大脑突触发生最旺盛的阶段[8]，同时也是对外界干扰因素极其敏感的时期。有研究表明，幼年早期麻醉暴露可致未成熟大脑神经毒性，这种作用甚至可持续至成年，从而诱发认知、学习和行为等异常[9-10]。早期研究证实，生后7～10d（P7-P10）的小鼠氯胺酮和丙泊酚联合麻醉可触发神经元退行性变化，诱发出ADHD多动样行为[11]。动物实验表明：P7小鼠暴露于3%七氟烷4h，成年后长时程旷场实验结果显示，与未暴露组相比，暴露组表现出明显的ADHD多动样行为。随着“幼年麻醉暴露诱发ADHD多动样行为”的结果在越来越多的动物模型上得到证实，故而引发我们对临床小儿麻醉的思考：动物研究所得数据是否可应用于对人体的推断？麻醉暴露是否在人类诱发神经毒性产生ADHD多动样行为？其存在的可能机制是什么？

2 麻醉暴露诱发ADHD多动样行为的机制“假说”

ADHD是一种病因未明的慢性神经发育性精神障碍，主要表现为注意力缺陷、多动行为和冲动行为。研究并阐明幼年期麻醉暴露对神经行为发育的影响有助于探索麻醉暴露诱发ADHD多动样行为的机制，从而降低幼儿早期麻醉暴露所致神经行为异常的发生率。

2.1 ADHD的神经分子机制

2.1.1 多巴胺受体（DR）传统上，关于ADHD的研究主要集中于儿茶酚胺能通路。meta分析显示[12]，在至少3项独立研究中发现7个候选基因与ADHD发病密切相关，其中5个基因变体明确涉及多巴胺神经递质传递。相关研究证实，多巴胺能神经元发育受损可致多巴胺减少，诱发出ADHD多动样行为[13]；动物ADHD模型显示在腹侧纹状体（VS）、伏隔核（NAc）和PFC中多巴胺系统活性显著降低，提示ADHD中多巴胺能神经元发育受损的机制。随后，在对ADHD治疗的观察中发现，未治疗的ADHD成年患者黑质纹状体系统中多巴胺能传递缺陷，尤其是突触后DR（D2、D3亚型）的密度显著降低[14]，同时多巴胺相关区域的脑功能也发生改变，给予DR激动剂（苯丙胺）治疗后可改善ADHD样症状[15]。最近的研究表明，中枢多巴胺能通路参与全身麻醉的调节[16]。因此推测，幼年期全身麻醉药暴露可致多巴胺能系统结构和功能紊乱，进而诱发出ADHD多动样行为。由此可以推测，多巴胺能系统结构和功能紊乱并非ADHD的唯一影响因素。

2.1.2 N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体麻醉药物主要通过调控两大神经递质受体家族起效，其一是传递兴奋性信号的N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体，其二是传递抑制性信号的γ-氨基丁酸(GABA)受体。最近研究显示，氯胺酮（NMDA受体拮抗剂）可引起小鼠纹状体中型棘突神经元形态学变化和ADHD多动样行为[17]。在PFC中注射NMDA受体拮抗剂可诱发出啮齿类动物ADHD多动样行为[7]。同时，功能性磁共振成像研究发现未使用药物治疗的ADHD患者，其额叶-纹状体环路谷氨酸能系统功能失调，而治疗ADHD的精神兴奋剂（如哌甲酯、苯丙胺）可作用于PFC的NMDA受体[18-20]，推测麻醉药物作为NMDA受体的拮抗剂可致未成熟大脑谷氨酸能系统功能障碍，可能是诱发ADHD多动样行为的一个关键因素。

2.1.3 脑源性神经营养因子（BDNF） BDNF是调控突触发生的重要神经营养因子，广泛分布于神经系统内，在神经元的生长、分化、存活以及突触发生、突触重塑过程中发挥重要作用[21]。研究表明，中枢神经系统（尤其是中脑）BDNF水平的降低与ADHD的发病密切相关[22]。ADHD患儿用临床常规治疗药物哌甲酯治疗6周后，可观察到血浆平均BDNF升高，ADHD样症状也得到了相应改善[23]。而麻醉药物引起BDNF表达下降也已被诸多研究证实。由此可推测，幼年期麻醉暴露可不同程度降低BDNF表达水平，干扰突触发生正常进程，累及神经元的生长发育，进而诱发出ADHD多动样行为。

2.2 ADHD的神经环路机制

2.2.1 PFC 除神经递质系统紊乱外，有研究认为ADHD是由PFC和相关皮质下脑区突触发生异常引起结构和功能紊乱所致[24]。作为一系列复杂反馈回路的中枢，PFC大量神经纤维投射至基底节以调控执行、运动和情感功能。PFC除参与高级认知功能外，还参与行为决策和运动执行。在猕猴中使用皮层内记录法观察到[25]，氯胺酮麻醉期间具有结构连接的皮层区域之间的信息传递被破坏。外科手术患者在氯胺酮麻醉暴露后，可抑制额叶皮层-顶壁环路的直接联系[26]。进一步研究发现，孕鼠在氯胺酮或七氟烷麻醉暴露后，可致子代神经元丢失以及PFC层Ⅱ、Ⅲ锥体神经元发育异常[27-28]。由此可知，幼年期麻醉暴露可干扰PFC神经元的生长发育。有趣的是，增加PFC锥体神经元的活性可改善自发性高血压大鼠（SHR）的ADHD多动样行为[29]。在ADHD患者中均发现PFC存在不同程度的成熟延迟和活性降低[30]，用光遗传技术精确调控小鼠PFC的兴奋性和抑制性神经元比例可缓解其ADHD多动样行为[31]。上述研究表明，幼年期麻醉暴露可损伤PFC神经元的生长发育，进而诱发出ADHD多动样行为。麻醉暴露所引起的PFC神经元形态学改变可持续3个月之久，而形态学变化与突触可塑性以及神经环路密切相关，这意味着幼年期麻醉暴露对PFC突触传递和神经环路的作用具有长期效应。

2.2.2 突触发生人类突触发生始于妊娠第三阶段，直到生后3岁，此期各脑区突触发生异常旺盛，并达到高峰，因此这是目前把3岁以内定义为生后早期阶段的理论基础。对应啮齿类动物，各脑区突触发生的高峰期则在P7左右[8]。发育中的大脑处于一个不停地建立、巩固和加强神经元联系并形成突触结构的动态阶段。大部分神经网络通过“活性依赖”机制形成并强化，而发育中的大脑对“活性依赖”的突触重塑失衡则更加敏感。完善的神经元功能和认知的发展取决于不同神经元之间突触的形成，而环境因素在早期的突触形成过程中有着至关重要的作用。Briner[32]发现，丙泊酚对内侧前额叶皮质（mPFC）中树突棘密度的发育阶段有修饰作用，从而导致突触发生过程的异常。而突触发生过程的失常可引起大脑兴奋性-抑制性失衡，进而导致行为异常。最近的研究表明，通过调控PFC中神经元的发生，改变其兴奋性和抑制性神经元的比例，可缓解ADHD多动样行为[31,33]。综上，幼年期暴露于全身麻醉可能影响脑区内突触结构形成以及神经元间相互作用，产生持续性神经毒性，从而导致相关的认知、学习和行为异常，如ADHD多动样行为。

2.2.3 神经投射在ADHD模型中除了PFC外，涉及对运动加工处理的背侧纹状体（DS）和奖赏环路的VS均被破坏[34]。ADHD多动样行为的神经环路主要是皮层-纹状体-丘脑-皮层环路（CSTC）[35]，幼年麻醉暴露可干扰皮层与皮层下环路的成熟或整合[6]，尤其是纹状体[36]。在ADHD患儿中使用静息态功能磁共振成像的研究观察到，前额叶-纹状体环路内的功能连接存在异常[37]。随后的研究同样证实了前额叶皮层和基底节之间的白质完整性降低[38]。与正常发育的儿童相比，ADHD患儿可见其四个双侧额叶-纹状体束微观结构的完整性受损[39]，分别是背外侧皮质-尾状束、内侧前额叶皮质-尾状束、眶额皮质-尾状束以及腹外侧-尾状束，进一步支持“ADHD的病理生理学基础是额叶-纹状体环路缺陷”这一假说。总之，ADHD患儿的认知、学习和行为缺陷可能源于额叶-纹状体环路功能异常。因此，幼年期麻醉暴露可能通过干扰额叶-纹状体环路的正常发育过程，致使前额叶皮层及其与下游脑区构成的神经环路结构和功能异常，从而诱发ADHD多动样行为。

3 麻醉与ADHD多动样行为的临床研究

ADHD患者的临床表现可能会受到基因-环境的相互作用和影响[40]，而暴露于具有神经毒性的麻醉药物被认为是一个重要的环境因素。一些临床研究[41]观察到，婴儿期麻醉暴露与儿童后期的神经行为异常之间存在关联。早期基于人群的出生队列研究表明，2岁以内幼儿反复全身麻醉暴露会增加其后期发展为ADHD的风险[42]。前瞻性研究同样证实，在1.5～5岁之间的多次全身麻醉暴露同样可增加术后患ADHD的风险[43]。不过同时期的回顾性配对研究却表明[44]，3岁以内幼儿全身麻醉暴露并不增加后期患ADHD的风险。相关的研究报道，在3岁前接受单次麻醉暴露的健康幼儿中，与未接受麻醉暴露的健康姊妹相比，青少年时期的智商分数（IQ）无统计学差异[45]。

幼年期麻醉暴露诱发ADHD多动样行为的临床研究，显著的结果差异均提示未能平衡好各研究中潜在的干扰因素。麻醉期间除外科手术外，其他次要因素如围术期应激反应、神经炎症反应、疼痛以及阿片类药物的使用亦可干扰未成熟大脑的神经发育。分子遗传学研究表明与多巴胺受体和转运相关的基因与ADHD发病相关[46]，提示基因背景差异也是一个易被忽略的干扰因素。尽管研究者们通过采用诸多减少混杂因素的措施，包括采用同胞配对的队列研究[45]，最大化减少基因背景差异的影响；采用腹股沟斜疝手术，更大程度的排除手术自身对神经发育过程的影响等等，但是到目前为止仍缺乏有效完善的评估系统来排除诸多混杂因素的干扰，现阶段用于评估幼儿神经认知功能的指标对随后的评估和长期结果仍然具有较弱的预测价值[47]。为更好地控制潜在的干扰因素并克服观察性研究的缺点，目前正在进行两项大规模临床研究来观察全身麻醉对儿童行为的影响。其一是多位点、双向的同胞配对的队列研究，即儿科麻醉神经发育评估（PANDA）研究，其二是梅奥儿童安全（MASK）研究。最新发表的MASK研究结果证实[48]，3岁以内幼儿进行麻醉和手术并不会对儿童的IQ产生不良影响。但是，该研究认为儿童进行多次麻醉手术可能与特定神经心理方面的改变相关，可能会增加学习和行为上的困难。虽然该研究已经尽可能应用多方式对纳入儿童的神经心理和行为进行评估，但仍存在一定的局限性，尤其是单次手术的儿童其麻醉对神经心理发育的影响。诸多研究证实麻醉暴露仅与多次重复或长时间的暴露有关，而与单次麻醉暴露无关。因此我们仍然需要进行更多的高质量研究来探索重复和长期麻醉暴露对幼儿的影响。