伏隔核在睡眠覺醒及全身麻醉意識調控中的作用綜述

張 潔，劉程曦，桂 歡，張 益

1 遵義醫科大學第二附屬醫院 麻醉科，貴州遵義 563000；2 遵義醫科大學 貴州省麻醉與器官保護基礎研究重點實驗室，貴州遵義 563000

伏隔核(nucleus accumbens，NAc)是位于基底神經節與邊緣系統交界的重要結構，與大腦許多區域有著解剖學和功能學聯系[1-2]，與獎賞、成癮、攝食、學習及睡眠-覺醒等密切相關[3-4]。隨著神經環路示蹤、光遺傳學和膜片鉗等技術的發展以及新型轉基因小鼠技術的出現，NAc的功能及其相關機制的研究不斷取得進展。有研究發現，光遺傳特異性激活NAc內表達D1受體的神經元可延遲小鼠七氟烷麻醉誘導時間，并促進其麻醉蘇醒[5]，表明NAc在全身麻醉意識調控中亦有不可忽視的作用。本文圍繞NAc的結構、纖維投射通路及其在睡眠覺醒和全身麻醉中的作用進行綜述，以期較全面地認識NAc在意識調控中的作用。

1 NAc結構及其投射通路

1.1 NAc含有多個亞型受體 NAc由背外側包繞前聯合的核(NAc core，NAcc)以及在內側、腹側和腹外側包圍核的新月形殼(NAc shell，NAcsh)構成[6]。NAc約95%是中型多棘的γ-氨基丁酸(γaminobutyric acid，GABA)能神經元(striatal medium spiny neurons，MSNs)，其次是GABA能中間神經元與大而無棘的膽堿能神經元，大概占5%[3,7]。NAc含有豐富的多巴胺(dopamine，DA)受體，主要為多巴胺D1受體(dopamine recepter 1，D1R)和D2受體(dopamine recepter 2，D2R)。根據特征性多巴胺受體和神經肽表達譜將MSNs分為D1RMSNs、D2R-MSNs兩個不同的亞群，前者共表達強啡肽、P物質、M4膽堿能受體和腺苷A1受體(adenosine receptors 1，A1R)，后者共表達腦啡肽、神經降壓素和腺苷A2A受體(adenosine receptors 2A，A2AR)[3]。有報道表明，10% ～ 20% MSNs共表達D1R和D2R[3,8]。研究發現D1R密度為D2R密度的2 ～ 3倍，兩種受體都表現為從NAc頭側到尾側和從外側到內側的密度下降梯度[9]。

1.2 NAc與睡眠-覺醒相關核團存在纖維投射聯系 隨著光遺傳學和化學遺傳學結合轉基因動物模型等創新方法的使用，關于腦區及核團在意識調控中作用的研究取得了豐碩的成果。先前的研究表明，化學遺傳學抑制中腦腹側被蓋區(ventral tegmental area，VTA)多巴胺能神經元使小鼠清醒時間增加，非快動眼睡眠(non-rapid eye movement sleep，NREMs)減少[10]；化學抑制或直接毀損丘腦室旁核(paraventricular thalamic nucleus，PVT)神經元，可減少小鼠在明暗周期中暗階段的覺醒時間并降低覺醒維持能力[11]；毀損外側僵核(lateral habenula，LHb)會導致睡眠剝奪后睡眠反彈時間縮短[12]。利用全腦神經示蹤技術發現NAc與腦內眾多參與調控睡眠-覺醒的核團有著密切的投射聯系。其最多的輸入來源于海馬，也是腦內多巴胺能核團黑質(substantia nigra，SN)與中腦腹側被蓋區的主要輸入靶區[13]。此外，NAc還接受來自內側前額葉皮質、前邊緣皮質[3,14]、基底外側杏仁核[3,13]、丘腦室旁核和丘腦層間核的谷氨酸能[13]、腦橋腳和外側被蓋核的膽堿能[15]、藍斑去甲腎上腺素能[15]、下丘腦、蒼白球、中腦的GABA能[14-15]以及中縫背核五羥色胺能[15]纖維的投射。同時發出纖維投射到外側下丘腦[16]、外側視前區[16]、外側僵核[14]等腦區，也可通過腹側蒼白球(ventral pallidum，VP)向多巴胺能核團VTA投射[14]。NAcsh主要與下丘腦和中腦有相互的投射，而NAcc接受來自海馬體和杏仁核的投射[17]。見圖1。

圖1 NAc與腦內睡眠-覺醒相關核團的投射Fig.1 Projections between NAc and sleep-wake related nuclei in the brainBLA: basolateral nucleus of amygdale; DR: dorsal raphe nucleus; LC: locus coeruleus; LDT: laterodorsal tegmental nucleus; LH: lateral hypothalamus; LHb: lateral habenula;PFC: prefrontal cortex; PPT: pedunculopontine tegmentum;PVT: paraventricular thalamus; SNr/SNc: substantia nigra pars reticulata/compacta; Hipp: hippocampus; VLPO:preoptic area of ventral lateral hypothalamus; VP: ventral pallidum

2 NAc參與調控睡眠-覺醒

目前，有大量研究證實NAc可調控睡眠-覺醒狀態的轉換[4,18]。利用鵝膏蕈氨酸分別毀損大鼠NAcc及NAcsh，結果發現，與對照組相比，毀損NAcc和NAcsh分別可導致剝奪睡眠6 h后的大鼠每天總清醒度增加26.5%和17.4%，睡眠剝奪和睡眠中斷后的睡眠反彈減少，但NAcc毀損有更強的促覺醒效應[19]。這可能與NAcc中DA利用率較高相關[14]。Qiu等[20]也報道，伊博丁酸對NAcc的非特異性損傷可導致覺醒程度的增加。因此，NAc在睡眠-覺醒狀態轉換中發揮著重要的作用。

2.1 NAcD1R、NAcD2R神經元在睡眠-覺醒中的作用 NAc中不同的多巴胺受體亞型神經元在睡眠-覺醒的調控中發揮著不同功能。體內微透析實驗結合多導睡眠記錄顯示，NAc細胞外DA遞質水平在NREM睡眠期間降低，而在清醒和快動眼睡眠(rapid eye movement sleep，REMs)期間顯著升高[21]，且D1R、D2R在自然睡眠覺醒過程中發揮著重要的作用[22-23]。運用光遺傳學激活NAcD1R神經元可使小鼠立即從NREMs過渡到清醒狀態，誘導皮質立即激活，表現為腦電圖慢波活動減少；而抑制NAcD1R神經元抑制覺醒，增加筑巢行為；化學遺傳學激活NAcD1R神經元同樣使小鼠清醒時間增加，NREMs和REMs減少[4]。化學遺傳學抑制NAcD2R神經元后小鼠覺醒增加，NREMs和REMs顯著減少[4]。上述研究表明NAcD1R神經元可促進自然覺醒過程，而NAcD2R神經元發揮相反的作用，抑制覺醒過程。

2.2 NAcA1R、NAcA2AR神經元在睡眠-覺醒中的作用 目前的研究已證實腦內腺苷受體在NAc大量表達[24]。腦內腺苷通過激活腺苷A1R和A2AR誘導睡眠[25-27]，且具有腦區依賴性[25]。在Lazarus等[26]的研究中，將A2AR激動劑注入基底前腦，可在NAc觀察到c-Fos的表達，將其直接微注射到NAc

可誘導小鼠產生慢波睡眠。利用化學遺傳或光遺傳學激活NAcc的A2AR陽性神經元可誘導小鼠產生明顯的慢波睡眠，而抑制該神經元可使慢波睡眠減少[18]。表明NAcA2AR神經元在睡眠誘導中發揮重要作用，但目前NAcA1R神經元在睡眠中的研究較少，其作用有待進一步探索。

2.3 NAc投射通路在睡眠-覺醒中的作用 大量研究已表明VTA多巴胺能神經元發揮促進覺醒的作用[10,28-29]。而VTA參與睡眠-覺醒狀態的調控主要由VTA-NAc的投射介導[10]。光遺傳學激活NAc內VTA多巴胺能投射末梢可促進小鼠從NREMs轉為覺醒，且覺醒總時間增加[10]，提示激活VTANAc多巴胺能通路可能通過激活VTADA神經元作用于NAc中多巴胺受體產生促覺醒效應。NAc和VTA相互連接，形成一個控制清醒狀態的NAcGABA-中腦GABA-VTADA-NAcGABA環路。激活從NAc到中腦的抑制性投射，通過抑制GABA神經元，解除DA神經元抑制，增加NAc中DA的釋放，釋放的DA作用于D1R和D2R，激活D1R神經元，抑制D2R神經元，從而促進覺醒，這可能是一個正反饋過程[4]。同時機體通過睡眠物質腺苷的調節平衡睡眠覺醒，維持睡眠穩態。此外，有研究發現，PVT終末釋放的谷氨酸調節NAc多巴胺的釋放[30]。光激活PVT-NAc的投射通路誘導小鼠從NREMs和REMs到清醒的轉換，化學遺傳學抑制該通路降低覺醒水平；毀損NAc神經元后，PVT誘導覺醒的作用減弱[31]，提示該通路可能是PVT調控覺醒的效應通路。另有研究采用順行和逆行示蹤、電生理方法等證實了VP的最大輸入來自NAc，且80%以上為GABA能投射神經元[2]。NAcA2AR神經元對VPGABA能神經元的抑制性投射，已被證實在促進NREM睡眠中發揮了關鍵作用[32]。而化學遺傳或光遺傳技術激活VPGABA能神經元與啟動和(或)維持覺醒相關[33]。在探究NAcD1R神經元促覺醒的可能機制的研究中，以20 Hz光刺激激活NAcD1R神經元分別投射到中腦和LH的軸突末梢，誘導小鼠從NREMs向清醒的轉變，清醒總時間分別增加了86.4% 和79.4%，表明NAc-中腦、NAc-LH環路介導了NAcD1R神經元對覺醒的調控；在該研究中，化學遺傳學激活NAcD1R神經元后，觀察到LH食欲素能神經元c-Fos表達增加，因此NAcD1R-LH環路參與覺醒調控可能部分是因為激活了LH中促覺醒的食欲素能神經元[4,34]。綜上所述，NAc中各亞型神經元可通過腦內多個核團的投射參與調節睡眠-覺醒過程，主要發揮促進覺醒作用。

3 NAc參與全身麻醉意識的調控

全身麻醉已廣泛應用于臨床，但全身麻醉藥導致可逆性意識消失的機制至今仍不明確。研究發現，在全身麻醉中，大腦的覺醒系統均處于受抑制的狀態[35]。而且全身麻醉引起的神經電活動與睡眠類似，如α振蕩與梭形波[35-36]，提示全身麻醉導致的可逆性意識消失可能受到睡眠-覺醒核團或通路活性變化的調節。利用光纖鈣信號技術監測到丙泊酚麻醉誘導期的大鼠NAc中神經元鈣信號活性下降，并在麻醉蘇醒期恢復，表明丙泊酚麻醉抑制了NAc神經元的活性[37]。在NAc區域微注射D1R激動劑，可促進小鼠在異氟醚麻醉下的蘇醒，皮質腦電顯示δ波減少，γ波增加，給予D1R拮抗劑可使其蘇醒時間延遲[17]，說明NAc也參與了全身麻醉意識的調控。

3.1 NAc中D1R/D2R、A1R/A2AR在全身麻醉意識調控中的作用 Bao等[5]利用光纖鈣信號技術發現七氟烷誘導及維持期間NAcD1R神經元鈣信號活性下降，神經元活性降低；蘇醒期鈣信號活性上升神經元活性增加。本課題組前期研究發現，在NAc中微注射D1R選擇性激動劑明顯縮短丙泊酚麻醉蘇醒時間，皮質腦電圖δ波段功率下降，β波段功率增加，且能通過D1R拮抗劑預處理來阻止。隨后利用膜片鉗全細胞記錄發現，丙泊酚增加了NAcD1R神經元的抑制性突觸后電流(inhibitory postsynaptic current，IPSC)的頻率和衰減時間，D1R激動劑減弱了丙泊酚對IPSC頻率的影響，并通過預先應用D1R拮抗劑消除了激動劑的影響，但給予D2R激動劑或拮抗劑后小鼠行為學及腦電無明顯變化[37]。可能是D1R選擇性激動劑激活多巴胺D1受體，可引起NAc神經元去極化和向內電流，從而激活D1-MSNs，通過其直接投射的中腦促覺醒區域，如VTA，產生促覺醒效應。在NAc腺苷受體的研究中，使用高選擇性A2AR激動劑CGS21680顯著延長丙泊酚誘導意識消失的時間，增加伏隔核c-Fos的表達，抑制了伏隔核-中縫背核和伏隔核-扣帶回皮質的功能連接；而A2AR拮抗劑SCH58261產生了相反的作用[38]。但目前關于NAc內A1R在全身麻醉中的作用未見報道。綜上所述，NAc可能通過其神經元表達的受體參與全身麻醉意識的調控，其中D1R促進覺醒，A2AR誘導睡眠，D2R、A1R在全身麻醉意識調控中的作用需進一步研究。

3.2 NAc投射通路在全身麻醉意識調控中的作用 本課題組前期研究中利用光遺傳學和化學遺傳學激活VTA-NAc多巴胺能通路，延長了小鼠七氟烷麻醉的誘導時間，明顯縮短其蘇醒時間，皮質腦電圖δ波段減少，γ波段增加，抑制該通路產生相反的作用[21]。說明VTA-NAc多巴胺能通路調控七氟烷麻醉的誘導及覺醒過程。Qiu等[39]的研究中腹腔給予右美托咪定后，化學遺傳學激活或抑制小鼠VTADA神經元后腦電圖慢波活動相應減少或增加；同時采用多巴胺遞質探針記錄到腹腔注射右美托咪定后內側前額葉皮質和NAc內多巴胺遞質增加，說明右美托咪定可激活VTA多巴胺神經元，增加相關前腦投射區多巴胺濃度，使右美托咪定鎮靜深度減弱，降低喚醒閾值，這從一定程度上解釋了右美托咪定鎮靜易喚醒的原因，也說明了VTA-NAc多巴胺能通路在促進全身麻醉覺醒中起著重要作用。另有研究發現抑制NAc-VP的輸出通路可延遲小鼠從氟烷或戊巴比妥麻醉中蘇醒，使全身麻醉的效應增強[40]。因此NAc-VP投射通路也參與了全身麻醉的覺醒調控過程。

4 結語

綜上所述，NAc含有多種神經元亞型及神經投射，其中NAcD1R及NAcA2AR神經元發揮促進覺醒和誘導睡眠的作用，并且NAc可通過與VTA及VP等核團的投射參與睡眠-覺醒及全身麻醉的調控，但NAc其他亞型神經元及神經投射在睡眠覺醒及全身麻醉的調控中的作用目前仍不明確。本文綜述NAc在腦內的解剖結構及其在睡眠-覺醒和全身麻醉中的調控作用，為睡眠障礙相關疾病的治療以及尋找全身麻醉藥物的作用機制提供理論依據。