7.中脑腹侧被盖区在睡眠、麻醉和觉醒中的作用研究进展

全身麻醉问世至今已有近170年的历史，这期间有关全身麻醉机制的研究先后经历了脂质学说、蛋白质学说和现阶段最前沿的神经网络调控学说。然而，诸如全身麻醉药如何导致可逆性意识消失（loss of consciousness，LOC）等作用机制尚未完全阐明。阐明这些机制对于确保麻醉安全性和开发更理想的麻醉药至关重要。解读关键脑区和神经元类型在麻醉诱导、维持和苏醒中的作用是实现这些目标的重要一步。中脑腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）主要参与机体成瘾、奖赏机制和恐惧记忆的形成。VTA在睡眠、麻醉与觉醒中的作用在近些年受到广泛关注。Taylor等研究发现，通过光控遗传修饰技术激活接受异氟烷麻醉小鼠VTA多巴胺能神经元能够使其立即觉醒，而在应用多巴胺1型受体拮抗剂后，这种促觉醒作用在很大程度上被抑制，表明VTA多巴胺能神经元在全身麻醉苏醒过程中发挥着重要作用。然而，VTA在睡眠、麻醉与觉醒中如何发挥作用，其内部神经递质发生了何种变化，如何受到脑部其他核团调控，目前尚不清楚。因此，本文梳理相关文献，就VTA在睡眠、麻醉与觉醒中的作用和机制做一综述。

一、VTA的功能及其投射特征

VTA位于脑干网状上行激活系统的黑质与红核之间，主要包括3种神经元，其中多巴胺能神经元约占60%，γ-氨基丁酸能神经元约占35%，谷氨酸能神经元约占2%。VTA接受来自不同脑区、不同核团的投射，其主要传入纤维有来自伏隔核（nucleus accumbens，NAc）、前额皮质（prefrontal cortex，PFC）和海马的谷氨酸能神经元，以及下丘脑腹外侧视前区（ventrolateral preoptic nucleus，VLPO）和苍白球在内的其他脑区的γ-氨基丁酸能神经元的投射。VTA传出神经元中含量最多的是多巴胺能神经元，能广泛投射到不同的参与脑内睡眠—觉醒功能调节的核团，如蓝斑核、丘脑、背侧中缝核及内侧前额皮质，广泛调节这些脑区受体的表达。VTA多巴胺能神经元通过向PFC投射来调节多种行为如摄食、药物成瘾等，并且具有时间特异性。相对于集中在VTA尾侧区的多巴胺能神经元，γ-氨基丁酸能神经元多集中在VTA的吻侧和内侧区，广泛投射到腹侧苍白球、NAc、PFC、中央杏仁核、外侧缰核、中缝被核及其他脑区，调节奖励或厌恶行为。VTA γ-氨基丁酸能中间神经元以及来自包括VLPO和苍白球在内的其他脑区的γ-氨基丁酸能神经元可抑制VTA多巴胺能神经元递质的释放和传递，其受体主要为γ-氨基丁酸A型受体。这些结果提示：VTA核团通过调控抑制性或兴奋性神经通路，与相邻核团相互交汇发生多重联系，形成了在调节机体生理功能中发挥重要作用的复杂神经网络，从而在睡眠、麻醉和觉醒的神经网络中发挥重要作用。

二、VTA多巴胺能神经元在睡眠、麻醉与觉醒中的作用

在VTA的各类神经元中以多巴胺能神经元的研究最为透彻。早期电生理学研究表明VTA和黑质致密部多巴胺能神经元在睡眠—觉醒状态下的平均放电率不会发生改变，并且损伤VTA和黑质致密部多巴胺能神经元后觉醒时间不会发生改变，故多巴胺在很长一段时间被认为是唯一不参与睡眠—觉醒的单胺。随着电生理技术的进步和钙依赖纤维光度法的应用发现，VTA多巴胺能神经元活性在不同觉醒程度下表现出巨大的差异。再到如今基因工具的出现，如光遗传学使用光门控离子通道和专门由设计药物激活的设计受体（designer receptors exclusively activated by designer drug，DREADD）的化学遗传学发现，光遗传或化学遗传激活VTA多巴胺能神经元可诱发和维持睡眠及麻醉觉醒。Bagetta等早期在VTA微量注射D₂受体激动剂可致大鼠睡眠时间及频率减少，并观察到D₂受体拮抗剂对这种影响有阻断作用。最近的一项研究报道，对表达通道视紫红质（一种受蓝光控制的阳离子通道）的小鼠VTA多巴胺能神经元进行光遗传刺激，可以启动并保持清醒状态。Taylor等研究发现，通过光遗传技术激活接受异氟烷麻醉小鼠VTA多巴胺能神经元能够使其立即觉醒，而在应用多巴胺1型（D₁）受体拮抗剂后，这种促觉醒作用在很大程度上被抑制，由于NAc是VTA下游含D₁最丰富的区域，故激活VTA多巴胺能神经元麻醉苏醒反应可能由NAc中的D₁介导。此外，Oishi和他的同事发现通过兴奋性DREADD对VTA多巴胺能神经元进行化学遗传学刺激，可以显著延长觉醒期的持续时间，而睡眠和觉醒行为并不会受到相邻黑质区激活的多巴胺能神经元的影响。相反，化学遗传学抑制VTA多巴胺能神经元可以巩固睡眠行为。这些发现均揭示VTA多巴胺能神经元对睡眠、麻醉和觉醒的功能贡献。

麻醉药诱导的全身麻醉状态与自然睡眠中的非快速眼动睡眠有着一定相似性。脑电研究发现，在较浅的麻醉状态下与非快速眼动睡眠状态下脑电活动均包含γ和δ波。然而，VTA多巴胺能神经元是否通过影响自然睡眠觉醒通路间接影响全麻苏醒过程仍未明确。VTA多巴胺能神经元对脑内睡眠—觉醒通路的关键核团，如NAc、mPFC、中央杏仁核（central amygdala，CeA）、背外侧纹状体（dorsolateral striatum，DLS）、背侧中缝核、蓝斑核、脑桥脚区、丘脑等均有投射。短时相光遗传学刺激VTA-NAc、VTA-CeA和VTADLS多巴胺能投射纤维可加速非快速眼动睡眠向觉醒状态转换，而短时相光遗传学刺激VTA-内侧前额叶（medial prefrontal cortex，mPFC）多巴胺能投射纤维可启动快速眼动睡眠向觉醒状态转换。更重要的是，在延长时相光遗传学刺激中发现仅有VTA-NAc通路可以维持觉醒，该投射通路已被证明参与奖赏、动机等多种情绪活动，同时也是参与全身麻醉苏醒的重要投射通路之一。Pain等采用活体脑微透析法发现在丙泊酚亚麻醉和麻醉剂量下大鼠NAc多巴胺浓度显著减少，而NAc的多巴胺能投射以及递质分泌主要来源于VTA，这提示VTA至NAc的多巴胺释放在麻醉苏醒中发挥重要作用。最近，Gretenkord等最新研究表明mPFC中多巴胺D₁样受体的激活对于调节睡眠样状态转换是重要的，通过电刺激雄性成年鼠VTA多巴胺能神经元发现在全麻状态下可发生睡眠样状态转换，这一转换正是由VTA-mPFC多巴胺能投射通路（VTADA-mPFC）介导，可被mPFC区的D₁受体拮抗剂完全阻断。以上结果表明VTA多巴胺能神经元在睡眠、麻醉和觉醒中起着促觉醒作用，由于快速眼动睡眠与觉醒的脑电存在一定程度的相似，因此多巴胺能神经元的活动也与快速眼动睡眠存在正相关关系。

三、VTA非多巴胺能神经元在睡眠、麻醉与觉醒中的作用

（一）VTA γ-氨基丁酸能神经元

γ-氨基丁酸是哺乳动物中枢神经系统中含量最丰富的抑制性神经递质。γ-氨基丁酸介导的神经网络活动抑制是睡眠开始和维持的基础。根据功能解剖学可将VTA γ-氨基丁酸能神经元分为投射神经元、中间神经元和来自吻内侧被盖核的输入神经元。Yu等通过对8周龄鼠进行化学遗传学激活实验和脑电图记录发现，VTA γ-氨基丁酸能神经元通过投射到伏隔核和下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area，LH）引起了长时间的非快速眼动睡眠，而VTA γ-氨基丁酸能神经元的损伤会导致持续性的觉醒。VTA γ-氨基丁酸能神经元可能通过向LH投射，释放抑制性神经递质，从而抑制促觉醒的VTA谷氨酸和或多巴胺能神经元来抑制觉醒。因此，VTA γ-氨基丁酸能神经元在调节睡眠和觉醒方面发挥着重要作用。

Lee等提出，通过施用水合氯醛、氯胺酮或氟烷产生的充分麻醉显著降低了VTA γ-氨基丁酸能神经元的放电率。此外，最近的一项研究表明，VTA γ-氨基丁酸能神经元通过向齿状回（dentate gyrus，DG）、外侧缰核（lateral habenular nucleus，LHb）、VLPO和LH的抑制性投射来调节睡眠和觉醒。然而，对VTA核团γ-氨基丁酸能神经元的确切影响以及这些神经元通过相关神经回路调节麻醉的机制仍不清楚。多种常见麻醉药，如丙泊酚和异氟烷，通过增强γ-氨基丁酸能神经元加深麻醉。Yin等通过使用光遗传学和化学遗传学的方法来特异性地激活或抑制Vgat-Cre鼠VTA γ-氨基丁酸能神经元发现，VTAγ-氨基丁酸能神经元可在诱导和维持期间促进异氟烷麻醉作用，同时通过调节它们向LH的投射来延迟麻醉苏醒。

（二）VTA谷氨酸能神经元

迄今为止，相较于VTA多巴胺能神经元和VTA γ-氨基丁酸能神经元，VTA谷氨酸能神经元的研究较少。Yu等通过对Vglut2-ires-Cre鼠运用化学遗传学技术和脑电记录发现，VTA谷氨酸能神经元可独立于多巴胺能神经元而通过向伏隔核和下丘脑外侧区投射来调控睡眠与觉醒。化学遗传学激活VTA谷氨酸能神经元后，Vglut2-ires-Cre鼠向觉醒或快速眼动睡眠状态转换，化学遗传学抑制VTA谷氨酸能神经元后，Vglut2-ires-Cre鼠的觉醒维持能力下降。表明VTA谷氨酸能神经元具有促觉醒和巩固觉醒的作用。

四、VTA内部神经元的相互调控

通向VTA多巴胺能神经元的γ-氨基丁酸能通路广泛存在。VTA有相当一部分γ-氨基丁酸能神经元是中间神经元，它们在VTA的多巴胺能神经元上形成突触，这可能有助于对多巴胺能神经元的紧张性抑制。例如主要来自伏隔核和腹侧苍白球的γ-氨基丁酸能神经元和存在于VTA内部的中间神经元对多巴胺能神经元的核周活动进行紧张性抑制。谷氨酸脱羧酶是合成γ-氨基丁酸的一种必需酶，大约40%投射到VTA多巴胺能神经元的多巴胺受体神经元对谷氨酸脱羧酶呈阳性。γ-氨基丁酸能吻内侧被盖核，也被称为VTA尾，在VTA多巴胺能神经元上形成对称突触，大量投射到VTA多巴胺能神经元，抑制其活性，发挥促进睡眠的作用。以上结果提示VTA内部存在γ-氨基丁酸能神经元与多巴胺能神经元的微调控环路。谷氨酸在调节VTA多巴胺能神经元的活动中起着关键作用，因为许多与奖励相关的大脑区域向VTA发送谷氨酸能投射，表达囊泡谷氨酸转运体2的VTA谷氨酸能神经元可与其内部的多巴胺能神经元形成不对称突触。然而，VTA谷氨酸能神经元与多巴胺能神经元的微调控是否也促进觉醒目前尚不清楚。

五、展望

全身麻醉药运用于临床已有近170年的历史，全球每年接受全身麻醉手术的患者与日俱增。尽管全身麻醉药被广泛用于临床，然而，其作用机制目前尚未完全阐明。促进患者全身麻醉后的觉醒过程，可缩短临床拔管时间，有利于患者的术后康复，尤其是对老年手术患者。近年来，全身麻醉药发挥作用的关键脑区之间的网络调控学说已成为全身麻醉机制的核心问题，而VTA作为全身麻醉药发挥作用的重要靶点得到越来越多的证实。VTA多巴胺能神经元和γ-氨基丁酸能神经元投射如何构成神经网络有待深入探索。其次，VTA如何与脑干网状结构和皮质相互联系，这一网络如何对全身麻醉后苏醒作整体应答，都是需要解决的问题。

（朱守强　王雷　顾尔伟　张雷）

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