丙泊酚麻醉损伤工作记忆编码海马-前额叶皮质网络信息传递的研究.pdf

Tianjin Med J,September 2023,Vol.51 No.9丙泊酚麻醉损伤工作记忆编码海马-前额叶皮质网络信息传递的研究郭东勇1，李宝玲2，白文文2，刘迢迢2，徐新宇2摘要：目的研究丙泊酚麻醉是否损伤大鼠工作记忆编码阶段海马到前额叶皮质神经通路的信息传递。方法12只大鼠中选取可用于研究分析的6只SD大鼠（3月龄），将16通道微电极阵列分别植入大鼠腹侧海马（vHPC）和内侧前额叶皮质（mPFC）。使用Cerebus信息采集系统记录每只大鼠在接受150 mg/kg丙泊酚麻醉前，麻醉后12、24 h执行工作记忆编码阶段任务时，其mPFC和vHPC这两个责任脑区的多通道局部场电位（LFPs）信号，建立vHPC-mFPC网络，分别计算vHPC和mPFC网络的定向传递函数（DTF）和vHPC-mPFC神经通路信息流，定量表征大鼠麻醉前后vHPC-mPFC神经通路信息传递。结果麻醉后12 h大鼠vHPC和mPFC的平均网络连接强度及vHPC-mPFC信息流均低于麻醉前，而麻醉后24 h vHPC和mPFC的平均网络连接强度及vHPC-mPFC信息流较麻醉前差异均无统计学意义。结论丙泊酚麻醉短暂损伤工作记忆编码vHPC和mPFC网络连接强度和vHPC-mPFC信息传递。关键词：二异丙酚；海马；大脑皮质；额叶；脑电描记术；工作记忆编码中图分类号：R318文献标志码：ADOI：10.11958/20230307A study of information transmission in HPC-PFC network during working memory encodinginduced by propofol anesthesiaGUO Dongyong1,LI Baoling2,BAI Wenwen2,LIU Tiaotiao2,XU Xinyu21 Department of Anesthesiology,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,Tianjin 300060,China;2 School of Biomedical Engineering and Technology,Tianjin Medical UniversityCorresponding AuthorE-mail:Abstract:ObjectiveTo figure out whether propofol anesthesia impairs information transmission from hippocampal toprefrontal cortex(HPC-PFC)neural pathways during the coding phase of working memory in rats.MethodsAmong 12rats,6 SD rats(3 months old)were selected for research analysis,and 16-channel microelectrode arrays were implanted intothe medial prefrontal cortex(mPFC)and the ventral hippocampus(vHPC)of rats,respectively.The Cerebus informationacquisition system was used to record the working memory coding stage tasks of each rat before and 12 and 24 hours afteranesthesia with 150 mg/kg propofol.The multichannel local field potential(LFPs)signals of mPFC and vHPC,tworesponsible brain regions,were used to establish the vHPC-mFPC network.The directional transfer function(DTF)and theinformation flow of vHPC-mPFC neural pathway in vHPC and mPFC networks were calculated respectively,and theinformation transmission of vHPC-mPFC neural pathway before and after anesthesia was quantitatively characterized.ResultsDuring working memory encoding,information flow from vHPC to mPFC was significantly reduced 12 h afterpropofol anesthesia comparison with before propofol anesthesia,but it recovered at 24 h after propofol injection.There wereno significant differences in the average vHPC and mPFC network connection strength and vHPC-mPFC information flow ofrats between before anesthesia and 24 h after anesthesia.ConclusionThese results indicated that working memoryimpairment induced by propofol may result from disrupting information transmission in vHPC-mPFC network during workingmemory encoding.Key words:propofol;hippocampus;cerebral cortex;frontal lobe;electroencephalography;working memory encoding基金项目：国家自然科学基金资助项目（61971311）作者单位：1天津医科大学肿瘤医院麻醉科（邮编300060）；2天津医科大学生物医学工程与技术学院作者简介：郭东勇（1977），男，副主任医师，主要从事麻醉对认知的影响方面研究。E-mail：通信作者E-mail：工作记忆是暂时维持和存储信息的有限系统，是高级认知的基础1。工作记忆通常分为3个阶段：编码、存储和提取。编码阶段是工作记忆最初的信息处理步骤2，对工作记忆存储和提取起着决定性作用。最新神经科学已证实，腹侧海马（ventralhippocampus，vHPC）和 内 侧 前 额 叶 皮 质（medial实验研究938天津医药 2023 年 9 月第 51 卷第 9 期prefrontal cortex，mPFC）是工作记忆编码的责任脑区3-4，vHPC-mPFC神经通路是工作记忆编码的责任神经通路5。丙泊酚是临床常用的麻醉剂6。研究发现丙泊酚麻醉会造成工作记忆损伤7，但其机制仍不清楚。现有研究表明，丙泊酚能抑制海马和前额叶皮质神经元的活动，影响神经元的突触可塑性8。本研究旨在探讨丙泊酚麻醉是否损伤大鼠工作记忆编码阶段海马到前额叶皮质神经通路的信息传递。1材料与方法1.1材料1.1.1实验动物清洁级健康雄性3月龄SD大鼠12只，体质量300350 g，购自中国军事医学科学院实验动物中心，动物生产许可证号：SCXK-（军）2007-004。由天津医科大学动物实验中心饲养，饲养环境为：温度（242）、湿度50%5%，12 h昼夜交替光照，自由饮水摄食。大鼠在电极植入手术前分笼饲养（每笼23只），手术后单笼饲养，以防电极被损坏。本研究涉及的所有动物实验均符合实验动物的伦理学要求，通过天津医科大学动物伦理委员会核准（批准号：TJYKDX2022031）。1.1.2主要试剂与仪器丙泊酚（Fresenius Kabi AustriaGmbH）；仿生型自凝牙托粉和牙托水（上海张江生物材料公司）；多聚甲醛（美国Sigma公司）。erebus-128神经信号采集系统（美国Cyberkinetics公司）；16通道微型Headstage（美国Cyberkinetics公司）；ALPHA-1501冷光源（上海精密仪器仪表有限公司）；Lab StandardTM 手术立体定位仪（美国Stoelting公司）；YZ20P5手术显微镜（上海光学仪器进出口有限公司）；MH145电动颅骨钻（美国Stoelting公司）；B0172气动式电极植入设备（美国Cyberkinetics公司）；PF5-1油压式微电极推进器（日本Narishge Scientific公司）；Vibratome 3000振动切片机（美国Vibratome 公司）；IX71光学显微镜（日本Olympus公司）。1.1.3Y迷宫Y迷宫由3条完全相同的臂组成，长80 cm，宽16 cm，高21 cm。3条臂互呈120，将其中1条作为中心臂，其端点为起始位置，另外2条臂端点设置2个食槽，放置食物作为奖励。在中心臂靠近Y迷宫中心位置处安装有红外线监测装置，实验大鼠经过这个位置时会打断红外探头的接收，系统会记录大鼠在这个位置的时刻，该时刻作为行为学参考点，见图1。1.2方法1.2.1微电极阵列植入大鼠经丙泊酚麻醉后，根据大鼠解剖图谱，分别在vHPC和mPFC植入16通道微电极阵列，见图2。大鼠术后恢复1周，进行后续实验9。1.2.2Y迷宫中的工作记忆行为学任务将“延迟非匹配任务行为学范式”作为大鼠工作记忆行为学范式10。大鼠熟悉Y迷宫环境后开始工作记忆行为学训练。行为学训练分为自由选择、延迟和交替选择3个阶段，分别对应工作记忆编码、存储和提取3个阶段。实验开始时，迷宫两端食槽都放有食物，大鼠可自由选择一边获取食物奖励（将另一边的可移动门关闭防止大鼠进入），大鼠自动回到起始位置，此阶段为自由选择阶段。将起始位置门关闭，大鼠在起始位置保持10 s，为延迟阶段。最后打开可移动门，大鼠再次选择进入一条臂，其进入与自由选择阶段相反的那条臂才能获取食物奖励，且记为行为学正确，否则为行为学错误，这个过程为交替选择阶段。大鼠于每日上下午各训练1次，每次10个实验，实验间隔20 s。当大鼠连续2 d的行为学正确率在85%，行为学训练结束。淘汰无法完成工作记忆任务的大鼠。1.2.3大鼠vHPC和mPFC局部场电位的获取使用Cerebus信息采集系统记录大鼠在Y迷宫工作记忆编码阶段vHPC和mPFC的神经电活动，低通滤波得到vHPC和mPFC各16通道局部场电位，预处理，去除50 Hz工频干扰与基线漂移干扰。1.2.4丙泊酚麻醉大鼠在工作记忆编码阶段的数据采集完毕后，对大鼠进行丙泊酚麻醉。结合以往的研究及大鼠的麻醉状态，以150 mg/kg的剂量腹腔注射丙泊酚，大鼠会在麻醉后2 h内苏醒8。本研究行为学预实验显示，大鼠在麻醉后24 h工作记忆行为学正常，但麻醉后12 h工作记忆功能受损。因此，使用 Cerebus 信息采集系统记录麻醉后 12 h 和24 h大鼠在Y迷宫中执行工作记忆编码时vHPC和mPFC的Fig.1Y maze for rat behavioral experiment图1大鼠行为学实验用Y迷宫Fig.2Schematic diagram of multielectrode arrays implanted in mPFCand vHPC图2多通道微电极阵列植入mPFC和vHPC示意图A：多通道微电极阵列植入mPFC和vHPC示意图。B：实验所用的多通道微电极阵列。多通道微电极阵列939Tianjin Med J,September 2023,Vol.51 No.9局部场电位（local field potentials，LFPs）信号。淘汰16通道中有效通道数少于12通道的大鼠。1.2.5组织学检验所有数据记录完毕后，给予大鼠4%甲醛灌注后断颈处死，取脑，使用振动切片机对目标脑区进行冠状切片，脑组织切片厚度为150 m。脑组织切片在光学显微镜下进行组织学分析，确认电极丝的位置并拍照。将其与标准大鼠脑图谱对照，判断电极是否准确植入 vHPC 和mPFC。1.2.6利用局部场电位信号，计算vHPC至mPFC神经通路信息流利用所记录的vHPC和mPFC脑区的LFPs信号，基于格兰杰因果分析原理，可以计算LFPs网络的定向传递函数（directed transfer function，DTF）。在 DTF 的基础上计算vHPC至mPFC神经通路信息流。具体计算过程如下所示11：时域N个通道的LFPs，可以用公式1.1表示：X=x1()t,x2()t,xN(t)T（1.1）T代表时间，N为通道数。公式 1.1 利用多变量自回归模型（MVAR）拟合数据，可以得到：k=0p()k Y()t-k=E()t,()0=I（1.2）式中，矩阵L（k）中的元素是MVAR模型参数，E（t）为多参量零均值白噪向量。p是MVAR模型的阶次，可由Akaike法则估计。将（1.2）式转换到频域：()f Y()f=E()f,()f=k=0pke-j2ftk（1.3）上式可以变换为：Y()f=-1()f E()f=H()f E(f)（1.4）其中，H(f)为系统传递矩阵。H(f)中元素Hij的值描述了以j为输入，i为输出的两个变量间的连接强度。定义通道j到通道i的因果连接值：2ij()f=|Hij(f)2m=1k|Him(f)2（1.5）ij为归一化后，通道j对通道i的影响在所有通道对通道i的影响中所占的比例，ij越大说明通道j对通道i的因果连接越强，反之则越弱。k为通道数。m=1k|Him(f)2是所有其他通道流入到节点i的传递函数。令DTFij=ij，计算DTF连接矩阵的平均值DTF：DTF=1N(N-1)i j NDTFij（1.6）DTF 是归一化后的无单位系数，故其取值范围是 0-1。若DTF值为1，则表明j通道的所有信息都传递给了i通道，也表明该两通道连接强度极强；若DTF值为0，则表示在f频率，j通道没有信息流向i通道，也表明该两通道连接强度弱。信息流IF的计算公式为：IF=1N1 N2i N1j N2DTFij（1.7）信息流能够定量表征神经通路中的信息传递的大小。1.3统计学方法使用SPSS 22.0软件进行数据分析，计量资料以xs表示，多组间比较采用单因素方差分析，组间多重比较采用Bonferroni检验。通过Pearson相关系数进行相关性分析。以P0.05为差异有统计学意义。2结果2.1组织学检验淘汰无效的大鼠后，用于结果分析的大鼠为6只。大鼠目标脑区进行脑组织切片并在光学显微镜下观察确定电极位置。电极阵列位置与大鼠脑图谱对比，确认植入的微电极阵列在mPFC和vHPC目标脑区，见图3。组织学检查确认电极所在位置为目标脑区能为后续分析提供保证。2.2预处理后的大鼠vHPC和mPFC局部场电位信号经过预处理后，得到vHPC和mPFC局部场电位信号如图4所示。预处理后的LFPs信号变得相对平缓，且全部16通道均为有效数据，可用于后续分析。2.3vHPC和mPFC的平均网络连接强度vHPC脑区局部场电位的平均DTF值，在麻醉后12 h低于麻Fig.3Histological result of rat brain图3组织学检验结果mPFC通道号时间/s05Fig.4Average network connection strength of vHPC and mPFC图4经过预处理获得vHPC和mPFC的局部场电位信号vHPC通道号时间/s05940天津医药 2023 年 9 月第 51 卷第 9 期醉前（F=28.167，P0.01）；麻醉后24 h与麻醉前比较差异无统计学意义（P0.05）。mPFC脑区局部场电位的平均DTF值，在麻醉后 12 h 低于麻醉前（F=38.986，P0.01），麻醉后24 h 与麻醉前比较差异无统计学意义（P0.05），见图5。2.4vHPC 至 mPFC 的信息流结果从 vHPC 至mPFC 的信息流，在麻醉后 12 h 低于麻醉前（F=39.839，P0.01），麻醉后24 h与麻醉前比较差异无统计学意义（P0.05），见图6。2.5网络连接强度和信息流与大鼠在Y迷宫执行工作记忆任务时运动速度的相关性麻醉前后vHPC 和 mPFC 网络连接强度与运动速度无关（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 P0.05）。麻醉前后 vHPC-mPFC信息流与运动速度无关（r麻醉前=0.130，r麻醉后=-0.236，均P0.05）。3讨论本研究结果表明，大鼠经丙泊酚麻醉后12 h，其工作记忆编码从vHPC到mPFC的信息流降低。同时，工作记忆编码过程中vHPC和mPFC的平均网络连接强度降低。这些结果提示丙泊酚引起的工作记忆功能障碍可能是与工作记忆编码功能的损害有关。认知功能障碍是丙泊酚研究最广泛的神经退行性后果之一，实验结果表明，从vHPC至mPFC神经通路信息传递在麻醉后12 h明显减弱，但在麻醉后24 h可以恢复至麻醉前，提示该剂量丙泊酚麻醉对大鼠工作记忆的抑制是可逆的，本研究结论与现有研究结果相符7-10。已有研究表明，丙泊酚对学习和记忆会有影响，但该影响程度与麻醉剂量有关12-13。Cho等14研究表明，单次腹腔注射丙泊酚（375 mg/kg）只会导致短暂性记忆障碍。Liu等15对大鼠采用低剂量丙泊酚（25 mg/kg）腹腔注射麻醉10 min后进行Morris水迷宫任务，结果发现丙泊酚损害空间记忆提取，但该损伤可恢复。此外，本研究团队前期工作也证实，高剂量丙泊酚（静脉滴注0.9 mgkg-1min-1，2 h）麻醉会造成大鼠72 h的工作记忆功能损伤16。因此，麻醉剂量的选择非常重要。姚新梅等17研究丙泊酚麻醉梯度对大鼠神经递质的影响后发现，大鼠腹腔注射丙泊酚200 mg/kg后，翻正反射消失时间为（3.780.25）min，维持时间为（15020）min；注射丙泊酚100 mg/kg后，翻正反射消失时间为（6.10.5）min，维持时间为（6025）min，而注射丙泊酚50 mg/kg时的大鼠仅表现行动迟缓，翻正反射未消失，与对照组比较无变化。本文选用为3月龄大鼠，相当于人类青年阶段，再结合上述文献，以大鼠翻正反射消失至恢复的时间为依据，采用150 mg/kg丙泊酚对大鼠腹腔注射麻醉，大鼠麻醉后12 h开始Y迷宫试验，研究丙泊酚损伤工作记忆编码的可能机制。vHPC-mPFC是工作记忆编码的主要信息传输途径17。解剖学研究表明，HPC-PFC直接通路是指从 vHPC CA1 区向 mPFC 的单突触单向投射18。Fig.6Comparison of information flow before anesthesia and at 12 h,24 h after anesthesia.图6麻醉前和麻醉后12 h、24 h信息流比较P0.01。IF麻醉前麻醉后12 h麻醉后24 h0.010.020.030.0500.04vHPCDTF麻醉前麻醉后12 h麻醉后24 h0.010.020.030.040P0.01。Fig.5Comparison of DTF before anesthesia and 12 h,24 h afteranesthesia.图5麻醉前和麻醉后12 h、24 h的DTF比较mPFCDTF麻醉前麻醉后12 h麻醉后24 h0.010.020.030.040941Tianjin Med J,September 2023,Vol.51 No.9Bazaz等19将HPC和PFC神经活动失活，从而破坏两者之间的联系，结果表明HPC和PFC之间的通路对大鼠成功执行工作记忆任务至关重要。临床研究表明，vHPC-mPFC的功能连接和突触可塑性损伤与精神分裂症、阿尔茨海默病等神经退行性疾病有实质性的因果关系20。Bolkan等21发现在工作记忆编码阶段，抑制vHPC向mPFC的传入神经会降低工作记忆任务的执行准确率，抑制相反方向对工作记忆任务的执行没有影响，提示vHPC-mPFC的直接传入神经是工作记忆编码的主要神经通路。工作记忆任务的正确率可以反映工作记忆的损伤，但是不能确定工作记忆编码失败。工作记忆编码受损，工作记忆任务必定失败。对于行为学错误而编码无损伤的情况可能是工作记忆存储和提取阶段受损，这将在后续的研究中进行探索。参考文献1 XIE Y，HU P，LI J，et al.Geometry of sequence working memory inmacaque prefrontal cortex J.Science，375（6581）：632-639.doi：10.1126/science.abm0204.2 GROGAN J P，RANDHAWA G，KIM M，et al.Motivation improvesworking memory by two processes：Prioritisation and retrievalthresholds J.CognPsychol，135：101472.doi：10.1016/j.cogpsych.2022.101472.3 CARPENTER A F，BAUD-BOVY G，GEORGOPOULOS A P，etal.Encoding of serial order in working memory：Neuronal activity inmotor，premotor，and prefrontal cortex during a memory scanningtaskJ.J Neurosci，2018，38（21）：4912-4933.doi：10.1523/JNEUROSCI.3294-17.2018.4 YANG Y，MAILMAN R B.Strategic neuronal encoding in medialprefrontal 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