全身麻醉药调控学习记忆功能机制的研究进展

丁媛媛，赵帅，陈向东

(华中科技大学同济医学院附属协和医院麻醉科，武汉 430022)

全身麻醉药已经广泛应用数百年，具有致遗忘、催眠、制动和无意识等作用[1]，然而其产生麻醉作用的具体机制至今仍未阐明。目前被大多数学者广为接受的蛋白质学说认为，麻醉药可以通过与靶蛋白结合发挥麻醉效应[2]，这些具体的分子靶点主要是膜受体和离子通道蛋白，包括γ-氨基丁酸A型(gamma-aminobutyric acid type A，GABAA)受体、谷氨酸受体，电压门控或ATP敏感性钾离子通道，以及超极化激活的环核苷酸门控阳离子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel，HCN)等[3]。近年来，全身麻醉机制方面的研究取得了较大进展，但是大部分集中于全身麻醉药导致意识消失、镇静和制动等方面，关于其致遗忘机制研究仍较少[4]。

抑制术中记忆是全身麻醉的重要目标之一[5]。若术中麻醉药抑制记忆功能不完全，患者可能会发生术中知晓，这将会对患者的身心造成极大创伤，甚至发展为创伤后应激障碍[6]。此外，研究发现麻醉药除了可以抑制短期记忆外，也可能造成术后持续记忆功能减退或障碍，甚至出现围手术期神经认知功能障碍[7]。鉴于全身麻醉药具有抑制记忆和致遗忘作用，故常用于研究学习和记忆功能。研究全身麻醉药调控学习、记忆功能的机制将有助于阐明全身麻醉机制，具有重大的科学价值。现就全身麻醉药调控学习记忆功能机制的研究进展予以综述。

1 学习和记忆的概述

学习指获得新知识、新技能，记忆则是指保持和恢复印象的能力。记忆有多种分类方式，按照记忆内容分为外显记忆和内隐记忆。外显记忆是指人物、地点和事件等信息，这些信息被有意识地感知和保留，且随后可以回忆。相反，内隐记忆是指知觉和运动技能的信息，被无意识地感知和保留，且随后无法回忆[8]。术中的外显记忆及内隐记忆与全身麻醉密切相关，术后即时及延迟(>1个月)外显记忆或内隐记忆是否出现可以反映术中认知状态，即麻醉深度是否达到无意识要求[9]。全身麻醉手术期间应绝对避免外显记忆和(或)内隐记忆的发生。

2 学习和记忆的神经生理学基础

近年，关于学习和记忆领域的探索主要集中在不同脑区的神经调控、突触可塑性、神经元再生及介导这些作用的重要分子通路的变化等。

2.1脑区与学习记忆 大脑中的颞中叶对于建立长期外显记忆十分重要，尤其是海马和与之相毗邻的皮质在学习之后记忆的形成、重组和巩固中必不可少。研究证实，海马与前额叶皮质之间通过振荡同步的方式相互联系，从而参与调控情景性记忆[10]。小脑、纹状体、杏仁核、丘脑和中脑是支持内隐记忆形成的脑区。研究表明，条件反射中来源于丘脑和新皮质的条件刺激与非条件刺激在基底外侧杏仁核处汇聚并形成联系；同时形成的条件反射主要由杏仁核的中央核输出[11]。另外，Deverett等[12]研究发现，借助光遗传学技术操纵小鼠小脑浦肯野细胞会减弱小鼠有效保持先前工作记忆信息的能力，从而影响其决策。由此可知，大脑中的多个脑区参与学习记忆过程，每个脑区处理的信息不同，并在不同的记忆中发挥不同的作用。

2.2突触可塑性与学习记忆 目前广泛认为突触可塑性是学习记忆的重要机制，包括长时程增强和长时程抑制等，其是短期记忆转为中长期记忆的基础之一[13]。有研究者对实验动物同时进行足底电击与靶向外侧杏仁核的听觉输入，随后通过光遗传学将长时程抑制调节作用传递至听觉输入，发现电击记忆失活；反之，长时程增强调节作用会重新激活电击记忆[14]，提示突触可塑性与记忆之间可能存在一种因果联系，可以用长时程增强/长时程抑制设计记忆的失活和激活，但是关于细胞网络中的突触可塑性参与调控信息存储和回忆的机制目前仍不明确。

2.3脑内相关分子与学习记忆 人们对学习记忆的分子机制进行了大量研究，发现短期记忆与突触联系的加强和蛋白质的共价修饰有关[15]，而长期记忆则依赖于建立新的突触联系和生成新的蛋白质分子。当与中枢神经系统中学习记忆密切相关的cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)被蛋白激酶A、促分裂原活化的蛋白激酶或Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶磷酸化后，活化的CREB促进启动子中含有cAMP反应元件序列的基因转录，从而参与与记忆相关的突触可塑性变化。研究表明，CREB信号通路的表达或功能降低会使学习和记忆功能受损[16]。

3 全身麻醉药与学习记忆

全身麻醉的主要目的之一是尽量减少医疗操作给患者带来的不良身体及情感经历，防止形成术后创伤记忆等后遗症，但全身麻醉药对记忆的影响错综复杂，它通过多种机制、在不同水平调控学习记忆。

3.1全身麻醉药对学习记忆的影响 吸入麻醉药和静脉麻醉药均能可逆性地抑制中枢神经系统，从而引起意识、感觉和反射消失以及骨骼肌松弛。可逆性地抑制术中记忆，使患者术后无法回忆术中发生的事件，也是全身麻醉的主要目标之一。Alkire等[17]发现，七氟烷在亚麻醉浓度(0.25%)下即可阻碍人类情绪记忆的形成，并以剂量依赖性方式产生抑制作用。故抑制记忆所需全身麻醉药浓度低于抑制意识时。一项随机对照临床试验发现，与七氟烷全身麻醉相比，丙泊酚全身麻醉能降低老年癌症手术患者1周后包括学习记忆在内的神经认知延迟恢复事件的发生率[18]。因此，全身麻醉药对学习记忆的影响是复杂的，其种类、浓度、年龄等因素均与全身麻醉药对记忆影响的差异密切相关。

3.2全身麻醉药调控学习记忆的机制

3.2.1特定脑区以及靶蛋白的参与 海马是学习记忆的解剖学基础，在人类记忆特定事件(情境性记忆)能力方面至关重要[19]。研究表明，全身麻醉药可通过抑制和解偶联大脑皮质和海马之间的双向连接产生遗忘作用[20]。功能性磁共振成像是定位并量化分析大脑活动的一种研究工具。Vogt等[21]进行了一项受试者内交叉研究，使健康成年人在听到某些词汇时其手指受到电击，制造一种周期性疼痛记忆，进而比较氯胺酮和咪达唑仑麻醉后人们的回忆能力，并分析给予两种麻醉药时大脑各功能区连接性的改变。结果表明，与氯胺酮相比，接受咪达唑仑麻醉的志愿者对疼痛的回忆能力明显降低；借助功能性磁共振成像技术发现，两种麻醉药物引起的大脑连接性及活跃度有所不同，但它们均抑制了与任务相关的大脑神经元活动，尤其是与记忆编码(海马)和恐惧学习(杏仁核)相关的脑区。由此推测，全身麻醉药可以通过抑制特定脑区神经元活动来改变大脑功能网络的连接，进而抑制记忆，产生致遗忘作用。

全身麻醉药主要通过离子型神经递质受体引起神经元兴奋性的改变。其中，离子型GABAA受体(GABAAreceptors，GABAARs)被认为是全身麻醉药的重要作用靶点。研究证明，学习记忆与大脑中GABAARs的各亚基，尤其是在海马、皮质深层表达最密集的α5 GABAARs抑制有关[22]。研究发现，空间记忆任务的训练会增加海马中α5 GABAARs的表达[23]。另外，Zhao等[24]利用α5 GABAARs的反向激动剂L-655,708对低浓度(1.3%)异氟烷麻醉的青年或老年Wistar大鼠进行预处理和后处理，发现麻醉前后皮下注射L-655,708均可逆转低剂量异氟烷对青年大鼠造成的空间参考记忆能力的损害；而在老年大鼠中，只有L-655,708预处理才能产生类似的作用。此结果进一步说明，海马α5 GABAARs活性或密度的改变是吸入麻醉药发挥遗忘效应的部分原因，且吸入麻醉药对青年和老年大鼠海马中α5 GABAARs的影响不同。α5 GABAARs由于其独特的生理、药理学性质，可能成为研发新药治疗神经发育障碍、抑郁、精神分裂症和轻度认知障碍等疾病的重要分子靶点[25]。另有研究证明，HCN1离子通道参与全身麻醉药致遗忘作用。如Zhou等[26]应用恐惧增强惊吓实验研究发现，异氟烷、七氟烷的致遗忘作用在前脑HCN1选择性敲除小鼠和全脑HCN1敲除小鼠中均明显减弱，提示前脑的HCN1是吸入麻醉药致遗忘作用的重要靶点之一。众多研究结果表明，全身麻醉药可能通过调控与学习记忆相关脑区的多种离子通道和受体靶点，影响特定脑区神经元活动和突触可塑性，进而介导全身麻醉药抑制记忆，产生致遗忘作用。

神经递质或激素与受体结合后激活大量的细胞内级联信号，调节离子通道开放和基因表达，在多个时间尺度上改变神经元活动。CREB通路参与学习、记忆、突触可塑性和神经保护。大脑中的神经元活动可以使Ca2+浓度增加，浓度升高的Ca2+和cAMP活化相应的激酶，进而使CREB磷酸化，最后启动下游cAMP反应元件调控的基因表达，如Egr-1、c-Fos、脑源性神经营养因子等，这些表达产物对于记忆形成、短期记忆转换成长期记忆以及长期记忆巩固十分重要。Xiong等[27]将老年SD大鼠在1.3%七氟烷+50%一氧化二氮/50%氧气环境中暴露4 h，48 h后通过Morris水迷宫连续训练6 d，检测它们的空间记忆能力，并分析Morris水迷宫训练前后海马磷酸化CREB和cAMP水平。结果发现，与暴露于50%氧气的老年大鼠相比，暴露于七氟烷+一氧化二氮的老年大鼠空间学习和记忆保持能力明显受损；且麻醉暴露的老年大鼠背侧海马中cAMP和磷酸化CREB水平下降，提示七氟烷+一氧化二氮全身麻醉可能通过下调cAMP/CREB信号通路导致学习记忆功能削弱等认知功能障碍。上述研究结果提示，神经递质或激素、受体参与的细胞内级联信号和(或)关键信号通路参与全身麻醉药抑制记忆，产生致遗忘作用。而在众多靶点中，全身麻醉药主要作用于何种分子靶点、神经环路或脑区，未来还需进一步研究。

3.2.2突触可塑性的参与 突触可塑性的分子机制实质是神经递质，包括改变释放到突触中的神经递质数量和改变突触后神经元对神经递质的反应。全身麻醉药也可以借助神经递质系统影响神经元兴奋性，继而改变突触可塑性，包括谷氨酸能、γ-氨基丁酸能、胆碱能、5-羟色胺能[1]。Tokuda等[28]获取30～32日龄雄性SD大鼠的海马切片后，借助免疫组织化学、膜片钳电生理技术记录群峰电位、兴奋性突触后电位等发现，咪达唑仑以增加海马CA1区锥体神经元神经甾体浓度的方式抑制长时程增强和学习功能，其中神经甾体通过与GABAARs结合快速调节神经元兴奋性，这可能是麻醉药咪达唑仑在术中产生遗忘作用的主要原因之一。

3.2.3神经元凋亡与退化的参与 研究表明，暴露于一定量的麻醉药会增加神经细胞死亡，进而导致术后认知缺陷，包括学习记忆能力的下降，这种影响作用的强弱与麻醉药的剂量和暴露时间有关[29]。

N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptors，NMDARs)和GABAARs介导的信号通路在大脑发育和驱动神经元分化、增殖中发挥关键作用[30]。全身麻醉药可能通过作用于NMDARs和GABAARs介导神经元凋亡与退化，进而诱导学习记忆能力下降。Xie等[31]将7日龄SD新生幼鼠分为对照组(A组)、假麻醉组(B组)、七氟烷麻醉组(C组)，比较三组小鼠处理6 h后不同脑区的多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1[poly (ADP-ribose) polymerase-1，PARP-1](DNA修复酶)表达水平和三组小鼠在处理6 h、24 h、72 h后海马区GABAARα1/GABAARα2的比值以及PARP-1表达。结果显示，A、B两组小鼠4个脑区(丘脑、海马、颞叶皮质、额叶皮质)6 h后PARP-1的表达比较差异有统计学意义；与A、B组相比，C组小鼠海马、颞叶皮质、额叶皮质区的PARP-1表达增加，其中海马改变最明显，且C组小鼠海马内GABAARα1/GABAARα2比值随着时间的推移逐渐升高，提示在发育早期暴露于七氟烷可能通过引起海马区GABAARα2向GABAARα1转变而发生神经元凋亡。此外，七氟烷多次吸入后作用于NMDARs导致神经元凋亡的具体机制可能由于NMDARs过度兴奋使Ca2+内流增加，出现钙超载，继发线粒体功能障碍，或激活多种钙依赖性降解酶，或促进氧自由基生成，造成细胞膜及细胞器质膜受损[32]。

研究表明，Wnt/β联蛋白信号通路也参与了全身麻醉药诱导的神经元损伤和认知障碍[33]。Zhang等[34]研究发现，人体接受4.1%七氟烷全身麻醉后，Wnt信号通路中的两个关键分子(糖原合成酶激酶-3β和β联蛋白)发生改变——海马糖原合成酶激酶-3β水平升高、磷酸化受抑制，β联蛋白水平降低，从而抑制神经元增殖分化，促进其退化、凋亡。相反，较低浓度(2 vol%)的七氟烷对神经元增殖或之后的学习记忆方面无明显影响[33]，说明全身麻醉药对大脑的不利作用具有浓度依赖性。全身麻醉药诱导大脑，尤其是海马神经元凋亡、退化的方式还涉及其他信号通路及相关调控蛋白，如磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白、cAMP/蛋白激酶A/CREB等[35-37]。这些信号分子与个体的正常生长发育密切相关，当其受到的有害刺激超出了自身调控范围时，这些分子就不能再处理细胞的生长与正常死亡，导致细胞非正常凋亡。因此，了解这些分子的结构与功能，将会为临床处理与手术麻醉后学习记忆功能障碍相关的病理状态提供理论依据、治疗方向与靶点参考。

4 小 结

全身麻醉药对学习记忆产生的作用是多样的，表现为不同种类或浓度的全身麻醉药对不同记忆类型的影响不同。全身麻醉药影响学习记忆功能的机制也具有复杂性，其包括可能作用于中枢神经系统的神经递质受体GABAARs等改变神经元兴奋性，或抑制神经元之间的突触可塑性形成，也有可能通过多种途径或信号通路诱导神经元凋亡等。未来需要大量研究进一步探索，以了解这些途径共同调节记忆的机制，以及麻醉药物对这些途径的影响。全身麻醉机制目前仍是全球亟待解决的重大科学问题之一，研究麻醉药物对学习记忆功能的影响机制将为进一步完善全身麻醉机制提供理论基础。此外，该领域的研究也将会为临床精准麻醉管理提供理论依据，并有望为学习记忆受损的麻醉治疗学研究提供线索，具有深远的临床意义及科学价值。