丙泊酚麻醉損傷工作記憶編碼海馬-前額葉皮質網絡信息傳遞的研究

郭東勇　李寶玲　白文文　劉迢迢　徐新宇

摘要：目的 研究丙泊酚麻醉是否損傷大鼠工作記憶編碼階段海馬到前額葉皮質神經通路的信息傳遞。方法 12只大鼠中選取可用于研究分析的6只SD大鼠（3月齡），將16通道微電極陣列分別植入大鼠腹側海馬（vHPC）和內側前額葉皮質（mPFC）。使用Cerebus信息采集系統記錄每只大鼠在接受150 mg/kg丙泊酚麻醉前，麻醉后12、24 h執行工作記憶編碼階段任務時，其mPFC和vHPC這兩個責任腦區的多通道局部場電位（LFPs）信號，建立vHPC-mFPC網絡，分別計算vHPC和mPFC網絡的定向傳遞函數（DTF）和vHPC-mPFC神經通路信息流，定量表征大鼠麻醉前后vHPC-mPFC神經通路信息傳遞。結果 麻醉后12 h大鼠vHPC和mPFC的平均網絡連接強度及vHPC-mPFC信息流均低于麻醉前，而麻醉后24 h vHPC和mPFC的平均網絡連接強度及vHPC-mPFC信息流較麻醉前差異均無統計學意義。結論 丙泊酚麻醉短暫損傷工作記憶編碼vHPC和mPFC網絡連接強度和vHPC-mPFC信息傳遞。

關鍵詞：二異丙酚；海馬；大腦皮質；額葉；腦電描記術；工作記憶編碼

中圖分類號：R318文獻標志碼：ADOI：10.11958/20230307

A study of information transmission in HPC-PFC network during working memory encoding

induced by propofol anesthesia

GUO Dongyong LI Baoling BAI WenwenLIU TiaotiaoXU Xinyu

1 Department of Anesthesiology， Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital， Tianjin 300060， China;

2 School of Biomedical Engineering and Technology， Tianjin Medical University

Corresponding Author E-mail： xuxinyu@tmu.edu.cn

Abstract： Objective To figure out whether propofol anesthesia impairs information transmission from hippocampal to prefrontal cortex （HPC-PFC） neural pathways during the coding phase of working memory in rats. Methods Among 12 rats， 6 SD rats （3 months old） were selected for research analysis， and 16-channel microelectrode arrays were implanted into the medial prefrontal cortex （mPFC） and the ventral hippocampus （vHPC） of rats， respectively. The Cerebus information acquisition system was used to record the working memory coding stage tasks of each rat before and 12 and 24 hours after anesthesia with 150 mg/kg propofol. The multichannel local field potential （LFPs） signals of mPFC and vHPC， two responsible brain regions， were used to establish the vHPC-mFPC network. The directional transfer function （DTF） and the information flow of vHPC-mPFC neural pathway in vHPC and mPFC networks were calculated respectively， and the information transmission of vHPC-mPFC neural pathway before and after anesthesia was quantitatively characterized. Results During working memory encoding， information flow from vHPC to mPFC was significantly reduced 12 h after propofol anesthesia comparison with before propofol anesthesia， but it recovered at 24 h after propofol injection. There were no significant differences in the average vHPC and mPFC network connection strength and vHPC-mPFC information flow of rats between before anesthesia and 24 h after anesthesia. Conclusion These results indicated that working memory impairment induced by propofol may result from disrupting information transmission in vHPC-mPFC network during working memory encoding.

Key words： propofol; hippocampus; cerebral cortex; frontal lobe; electroencephalography; working memory encoding

工作記憶是暫時維持和存儲信息的有限系統，是高級認知的基礎［1］。工作記憶通常分為3個階段：編碼、存儲和提取。編碼階段是工作記憶最初的信息處理步驟［2］，對工作記憶存儲和提取起著決定性作用。最新神經科學已證實，腹側海馬（ventral hippocampus，vHPC）和內側前額葉皮質（medial prefrontal cortex，mPFC）是工作記憶編碼的責任腦區［3-4］，vHPC-mPFC神經通路是工作記憶編碼的責任神經通路［5］。丙泊酚是臨床常用的麻醉劑［6］。研究發現丙泊酚麻醉會造成工作記憶損傷［7］，但其機制仍不清楚。現有研究表明，丙泊酚能抑制海馬和前額葉皮質神經元的活動，影響神經元的突觸可塑性［8］。本研究旨在探討丙泊酚麻醉是否損傷大鼠工作記憶編碼階段海馬到前額葉皮質神經通路的信息傳遞。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗動物 清潔級健康雄性3月齡SD大鼠12只，體質量300～350 g，購自中國軍事醫學科學院實驗動物中心，動物生產許可證號：SCXK-（軍）2007-004。由天津醫科大學動物實驗中心飼養，飼養環境為：溫度（24±2）℃、濕度50%±5%，12 h晝夜交替光照，自由飲水攝食。大鼠在電極植入手術前分籠飼養（每籠2～3只），手術后單籠飼養，以防電極被損壞。本研究涉及的所有動物實驗均符合實驗動物的倫理學要求，通過天津醫科大學動物倫理委員會核準（批準號：TJYKDX2022031）。

1.1.2 主要試劑與儀器 丙泊酚（Fresenius Kabi Austria GmbH）；仿生型自凝牙托粉和牙托水（上海張江生物材料公司）；多聚甲醛（美國Sigma公司）。erebus-128神經信號采集系統（美國Cyberkinetics公司）；16通道微型Headstage（美國Cyberkinetics公司）；ALPHA-1501冷光源（上海精密儀器儀表有限公司）；Lab StandardTM手術立體定位儀（美國Stoelting公司）；YZ20P5手術顯微鏡（上海光學儀器進出口有限公司）；MH145電動顱骨鉆（美國Stoelting公司）；B0172氣動式電極植入設備（美國Cyberkinetics公司）；PF5-1油壓式微電極推進器（日本Narishge Scientific公司）；Vibratome 3000振動切片機（美國Vibratome 公司）；IX71光學顯微鏡（日本Olympus公司）。

1.1.3 Y迷宮 Y迷宮由3條完全相同的臂組成，長80 cm，寬16 cm，高21 cm。3條臂互呈120°，將其中1條作為中心臂，其端點為起始位置，另外2條臂端點設置2個食槽，放置食物作為獎勵。在中心臂靠近Y迷宮中心位置處安裝有紅外線監測裝置，實驗大鼠經過這個位置時會打斷紅外探頭的接收，系統會記錄大鼠在這個位置的時刻，該時刻作為行為學參考點，見圖1。

1.2 方法

1.2.1 微電極陣列植入 大鼠經丙泊酚麻醉后，根據大鼠解剖圖譜，分別在vHPC和mPFC植入16通道微電極陣列，見圖2。大鼠術后恢復1周，進行后續實驗［9］。

1.2.2 Y迷宮中的工作記憶行為學任務 將“延遲非匹配任務行為學范式”作為大鼠工作記憶行為學范式［10］。大鼠熟悉Y迷宮環境后開始工作記憶行為學訓練。行為學訓練分為自由選擇、延遲和交替選擇3個階段，分別對應工作記憶編碼、存儲和提取3個階段。實驗開始時，迷宮兩端食槽都放有食物，大鼠可自由選擇一邊獲取食物獎勵（將另一邊的可移動門關閉防止大鼠進入），大鼠自動回到起始位置，此階段為自由選擇階段。將起始位置門關閉，大鼠在起始位置保持10 s，為延遲階段。最后打開可移動門，大鼠再次選擇進入一條臂，其進入與自由選擇階段相反的那條臂才能獲取食物獎勵，且記為行為學正確，否則為行為學錯誤，這個過程為交替選擇階段。大鼠于每日上下午各訓練1次，每次10個實驗，實驗間隔20 s。當大鼠連續2 d的行為學正確率在85%，行為學訓練結束。淘汰無法完成工作記憶任務的大鼠。

1.2.3 大鼠vHPC和mPFC局部場電位的獲取 使用Cerebus信息采集系統記錄大鼠在Y迷宮工作記憶編碼階段vHPC和mPFC的神經電活動，低通濾波得到vHPC和mPFC各16通道局部場電位，預處理，去除50 Hz工頻干擾與基線漂移干擾。

1.2.4 丙泊酚麻醉 大鼠在工作記憶編碼階段的數據采集完畢后，對大鼠進行丙泊酚麻醉。結合以往的研究及大鼠的麻醉狀態，以150 mg/kg的劑量腹腔注射丙泊酚，大鼠會在麻醉后2 h內蘇醒［8］。本研究行為學預實驗顯示，大鼠在麻醉后24 h工作記憶行為學正常，但麻醉后12 h工作記憶功能受損。因此，使用Cerebus信息采集系統記錄麻醉后12 h和24 h大鼠在Y迷宮中執行工作記憶編碼時vHPC和mPFC的局部場電位（local field potentials，LFPs）信號。淘汰16通道中有效通道數少于12通道的大鼠。

1.2.5 組織學檢驗 所有數據記錄完畢后，給予大鼠4%甲醛灌注后斷頸處死，取腦，使用振動切片機對目標腦區進行冠狀切片，腦組織切片厚度為150 μm。腦組織切片在光學顯微鏡下進行組織學分析，確認電極絲的位置并拍照。將其與標準大鼠腦圖譜對照，判斷電極是否準確植入vHPC和mPFC。

1.2.6 利用局部場電位信號，計算vHPC至mPFC神經通路信息流 利用所記錄的vHPC和mPFC腦區的LFPs信號，基于格蘭杰因果分析原理，可以計算LFPs網絡的定向傳遞函數（directed transfer function，DTF）。在DTF的基礎上計算vHPC至mPFC神經通路信息流。具體計算過程如下所示［11］：

1.3 統計學方法 使用SPSS 22.0軟件進行數據分析，計量資料以x±s表示，多組間比較采用單因素方差分析，組間多重比較采用Bonferroni檢驗。通過Pearson相關系數進行相關性分析。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 組織學檢驗 淘汰無效的大鼠后，用于結果分析的大鼠為6只。大鼠目標腦區進行腦組織切片并在光學顯微鏡下觀察確定電極位置。電極陣列位置與大鼠腦圖譜對比，確認植入的微電極陣列在mPFC和vHPC目標腦區，見圖3。組織學檢查確認電極所在位置為目標腦區能為后續分析提供保證。

2.2 預處理后的大鼠vHPC和mPFC局部場電位信號 經過預處理后，得到vHPC和mPFC局部場電位信號如圖4所示。預處理后的LFPs信號變得相對平緩，且全部16通道均為有效數據，可用于后續分析。

2.3 vHPC和mPFC的平均網絡連接強度 vHPC腦區局部場電位的平均DTF值，在麻醉后12 h低于麻醉前（F=28.167，P＜0.01）；麻醉后24 h與麻醉前比較差異無統計學意義（P＞0.05）。

mPFC腦區局部場電位的平均DTF值，在麻醉后12 h低于麻醉前（F=38.986，P＜0.01），麻醉后24 h與麻醉前比較差異無統計學意義（P＞0.05），見圖5。

2.4 vHPC至mPFC的信息流結果 從vHPC至mPFC的信息流，在麻醉后12 h低于麻醉前（F=39.839，P＜0.01），麻醉后24 h與麻醉前比較差異無統計學意義（P＞0.05），見圖6。

2.5 網絡連接強度和信息流與大鼠在Y迷宮執行工作記憶任務時運動速度的相關性 麻醉前后vHPC和mPFC網絡連接強度與運動速度無關（vHPC：r_麻醉前=0.226，r_麻醉后=-0.162；mPFC：r_麻醉前=0.164，r_麻醉后=0.154，均P＞0.05）。麻醉前后vHPC-mPFC信息流與運動速度無關（r_麻醉前=0.130，r_麻醉后=-0.236，均P＞0.05）。

3 討論

本研究結果表明，大鼠經丙泊酚麻醉后12 h，其工作記憶編碼從vHPC到mPFC的信息流降低。同時，工作記憶編碼過程中vHPC和mPFC的平均網絡連接強度降低。這些結果提示丙泊酚引起的工作記憶功能障礙可能是與工作記憶編碼功能的損害有關。

認知功能障礙是丙泊酚研究最廣泛的神經退行性后果之一，實驗結果表明，從vHPC至mPFC神經通路信息傳遞在麻醉后12 h明顯減弱，但在麻醉后24 h可以恢復至麻醉前，提示該劑量丙泊酚麻醉對大鼠工作記憶的抑制是可逆的，本研究結論與現有研究結果相符［7-10］。已有研究表明，丙泊酚對學習和記憶會有影響，但該影響程度與麻醉劑量有關［12-13］。Cho等［14］研究表明，單次腹腔注射丙泊酚（375 mg/kg）只會導致短暫性記憶障礙。Liu等［15］對大鼠采用低劑量丙泊酚（25 mg/kg）腹腔注射麻醉10 min后進行Morris水迷宮任務，結果發現丙泊酚損害空間記憶提取，但該損傷可恢復。此外，本研究團隊前期工作也證實，高劑量丙泊酚（靜脈滴注0.9 mg·kg-1·min-1，2 h）麻醉會造成大鼠72 h的工作記憶功能損傷［16］。因此，麻醉劑量的選擇非常重要。姚新梅等［17］研究丙泊酚麻醉梯度對大鼠神經遞質的影響后發現，大鼠腹腔注射丙泊酚200 mg/kg后，翻正反射消失時間為（3.78±0.25）min，維持時間為（150±20）min；注射丙泊酚100 mg/kg后，翻正反射消失時間為（6.1±0.5）min，維持時間為（60±25）min，而注射丙泊酚50 mg/kg時的大鼠僅表現行動遲緩，翻正反射未消失，與對照組比較無變化。本文選用為3月齡大鼠，相當于人類青年階段，再結合上述文獻，以大鼠翻正反射消失至恢復的時間為依據，采用150 mg/kg丙泊酚對大鼠腹腔注射麻醉，大鼠麻醉后12 h開始Y迷宮試驗，研究丙泊酚損傷工作記憶編碼的可能機制。

vHPC-mPFC是工作記憶編碼的主要信息傳輸途徑［17］。解剖學研究表明，HPC-PFC直接通路是指從vHPC CA1區向mPFC的單突觸單向投射［18］。Bazaz等［19］將HPC和PFC神經活動失活，從而破壞兩者之間的聯系，結果表明HPC和PFC之間的通路對大鼠成功執行工作記憶任務至關重要。臨床研究表明，vHPC-mPFC的功能連接和突觸可塑性損傷與精神分裂癥、阿爾茨海默病等神經退行性疾病有實質性的因果關系［20］。Bolkan等［21］發現在工作記憶編碼階段，抑制vHPC向mPFC的傳入神經會降低工作記憶任務的執行準確率，抑制相反方向對工作記憶任務的執行沒有影響，提示vHPC-mPFC的直接傳入神經是工作記憶編碼的主要神經通路。

工作記憶任務的正確率可以反映工作記憶的損傷，但是不能確定工作記憶編碼失敗。工作記憶編碼受損，工作記憶任務必定失敗。對于行為學錯誤而編碼無損傷的情況可能是工作記憶存儲和提取階段受損，這將在后續的研究中進行探索。

參考文獻

［1］ XIE Y，HU P，LI J，et al. Geometry of sequence working memory in macaque prefrontal cortex［J］. Science，375（6581）：632-639. doi：10.1126/science.abm0204.

［2］ GROGAN J P，RANDHAWA G，KIM M，et al. Motivation improves working memory by two processes：Prioritisation and retrieval thresholds［J］. Cogn Psychol，135：101472. doi：10.1016/j.cogpsych. 2022.101472.

［3］ CARPENTER A F，BAUD-BOVY G，GEORGOPOULOS A P，et al. Encoding of serial order in working memory：Neuronal activity in motor，premotor，and prefrontal cortex during a memory scanning task［J］. J Neurosci，2018，38（21）：4912-4933. doi：10.1523/JNEUROSCI.3294-17.2018.

［4］ YANG Y，MAILMAN R B. Strategic neuronal encoding in medial prefrontal cortex of spatial working memory in the T-maze［J］. Behav Brain Res，2018，343：50-60. doi：10.1016/j.bbr.2018.01.020.

［5］ SPELLMAN T，RIGOTTI M，AHMARI S E，et al. Hippocampal-prefrontal input supports spatial encoding in working memory［J］. Nature，2015，522（7556）：309-314. doi：10.1038/nature14445.

［6］ SECOR T，SAFADI A O，GUNDERSON S. Propofol Toxicity［M］. Treasure Island：Stat Pearls Publishing，2023：2-8.

［7］ ZHAO X，HUANG Z Q. Does propofol ameliorate occurrence of postoperative cognitive dysfunction after general anaesthesia？ A protocol of systematic review［J］. Syst Rev，2021，10（1）：79. doi：10.1186/s13643-021-01610-y.

［8］ LI M，ZHANG X，WU A，et al. Propofol-induced age-different hypocampal long-term potentiation is associated with F-actin polymerization in rats［J］. Cell Biochem Biophys，2015，71（2）：1059-1066. doi：10.1007/s12013-014-0309-6.

［9］ XU X，TIAN Y，LI S，et al. Inhibition of propofol anesthesia on functional connectivity between LFPs in PFC during rat working memory task［J］. PLoS One，2013，8（12）：e83653. doi：10.1371/journal.pone.0083653.

［10］ ZLATANOVA H I，GEORGIEVA-KOTETAROVA M T，VILMOSH N B，et al. Evaluation of the effect of cariprazine on memory and cognition in experimental rodent models［J］. Int J Environ Res Public Health，2022，19（22）：14748. doi：10.3390/ijerph192214748.

［11］ TANK A，COVERT I，FOTI N，et al. Neural granger causality［J］. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell，2022，44（8）：4267-4279. doi：10.1109/TPAMI.2021.3065601.

［12］ ZHAO A，JIN H，FAN G，et al. Inhibition of the expression of rgs-3 alleviates propofol-induced decline in learning and memory in Caenorhabditis elegans［J］. CNS Neurosci Ther，2023，29（1）：306-316. doi：10.1111/cns.14004.

［13］ XU Z L，CHEN G，LIU X，et al. Effects of ginsenosides on memory impairment in propofol-anesthetized rats［J］. Bioengineered，2022，13（1）：617-623. doi：10.1080/21655979.2021.2012407.

［14］ CHO S，JUNG Y J，SUH E C，et al. The recovery from transient cognitive dysfunction induced by propofol was associated with enhanced autophagic flux in normal healthy adult mice［J］. Brain Res，1700：99-108. doi：10.1016/j.brainres.2018.07.007.

［15］ LIU H，WANG T，DAI W，et al. Subhypnotic doses of propofol impair spatial memory retrieval in rats［J］. Neural Regen Res，2016，11（12）：1956-1961. doi：10.4103/1673-5374.197137.

［16］ XU X，TIAN Y，WANG G，et al. Inhibition of propofol on single neuron and neuronal ensemble activity in prefrontal cortex of rats during working memory task［J］. Behav Brain Res，2014，270：270-276. doi：10.1016/j.bbr.2014.05.034.

［17］ 姚新梅，李樹人，王元身. 不同劑量丙泊酚對大鼠腦內血紅素氧化酶-2活性的影響［J］. 中國新藥與臨床雜志，2002，21（1）：30-32. YAO X M，LI S R，WANG Y S. Effects of different dosage propofol on he me oxygenase-2activity i n rat brain［J］. Chin J New Drugs Clin Rem，2002，21（1）：30-32. doi：10.3969/j.issn.1007-7669.2002.01.012.

［18］ XIA M，LIU T，BAI W，et al. Information transmission in HPC-PFC network for spatial working memory in rat［J］. Behav Brain Res，2019，356：170-178. doi：10.1016/j.bbr.2018.08.024.

［19］ BAZAZ A，GHANBARI A，VAFAFI A A. Oxytocin in dorsal hippocampus facilitates auditory fear memory extinction in rats［J］. Neuropharmacology，2022，202：108844. doi：10.1016/j.neuropharm.2021.108844.

［20］ CARDOSO-CRUZ H，PAIVA P，MONTEIRO C，at al. Bidirectional optogenetic modulation of prefrontal-hippocampal connectivity in pain-related working memory deficits［J］. Sci Rep，2019，9（1）：10980. doi：10.1038/s41598-019-47555-0.

［21］ BOLKAN S S，STUJENSKE J M，PARNAUDEAU S，et al. Thalamic projections sustain prefrontal activity during working memory maintenance［J］. Nat Neurosci，2017，20（7）：987-996. doi：10.1038/nn.4568.

（2023-03-06收稿 2023-05-17修回）

（本文編輯 魏杰）