科學家揭示了全身麻醉是如何起作用的

被譽為最重要的醫學進步之一的全身麻醉藥的發現，幫助將危險的創傷性手術轉變為安全的常規手術。盡管它很重要，但是科學家們仍然不清楚全身麻醉藥是如何起作用的。

現在，在最近發表在《神經科學雜志》(Journal of Neuroscience)上的一項研究中，來自沖繩縣理工大學研究生院(Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University， OIST)和名古屋大學(Nagoya University)的研究人員揭示了一種名為異氟烷(isoflurane)的常用全身麻醉劑是如何削弱神經元之間的電信號傳輸的。

OIST細胞和分子的突觸功能(CMSF)研究小組組長Tomoyuki Takahashi 教授說道："重要的是，我們發現異氟烷并沒有以相同程度阻斷所有電信號的傳輸；麻醉對認知或運動等功能所需的更高頻率的輸入脈沖的影響最強烈，同時對低頻脈沖的影響最小，如呼吸等控制維持生命的功能。這解釋了異氟烷是如何通過優先阻斷高頻信號而引起麻醉的。"

在突觸中，信號由突觸前神經元發出，由突觸后神經元接收。在大多數突觸中，交流是通過化學信息傳遞或神經遞質進行的。

當神經沖動或動作電位到達突觸前神經元的末端時，會導致突觸囊泡(含有神經遞質的小膜"包")與末端膜融合，將神經遞質釋放到神經元之間的間隙中。當突觸后神經元感知到足夠的神經遞質時，就會在突觸后神經元中觸發新的動作電位。

CMSF研究小組用老鼠的大腦切片來研究一個巨大的突觸，這個突觸被稱為calyx of Held。科學家們誘導不同頻率的電信號，然后檢測突觸后神經元產生的動作電位。他們發現，當他們增加電信號的頻率時，異氟烷對阻斷傳輸有更強的作用。

為了證實他的研究小組的發現，Takahashi聯系了名古屋大學的Takayuki Yamashita博士，他在活老鼠的大腦中進行了一項名為皮質-皮質突觸的實驗。

Yamashita發現麻醉作用對皮質-皮質突觸的影響與calyx of Held突觸相似。用異氟烷麻醉小鼠后，高頻率脈沖傳輸明顯降低，而對低頻率脈沖傳輸影響較小。

"這些實驗都證實了異氟烷作為全麻的作用，" Takahashi說。"但我們想知道異氟烷以這種頻率依賴的方式削弱突觸的潛在機制是什么。"

追蹤目標

在進一步的研究中，研究人員發現異氟烷通過降低囊泡釋放的概率和減少囊泡一次釋放的**數量來減少神經遞質釋放量。

因此，科學家們研究了異氟烷是否會影響鈣離子通道，而鈣離子通道是囊泡釋放的關鍵。當動作電位到達突觸前末端時，細胞膜上的鈣離子通道打開，允許鈣離子涌入。突觸囊泡檢測到鈣離子的上升，并與細胞膜融合。研究人員發現，異氟烷通過阻斷鈣離子通道來降低鈣內流，從而降低了囊泡釋放的可能性。

"然而，這個機制本身并不能解釋異氟烷是如何減少可釋放囊泡的數量的，也不能解釋異氟烷效應的頻率依賴性。"

科學家們推測，異氟烷可以通過直接阻斷胞吐釋放囊泡的過程，或間接阻斷囊泡的回收利用來減少可釋放囊泡的數量。在此過程中，囊泡通過胞吞作用被改造，然后再被神經遞質填充，準備再次釋放。

通過測量突觸前末端膜表面積的變化，科學家們得出結論，異氟烷只影響胞吐引起的囊泡釋放，可能是通過阻斷胞吐機制完成。

Takahashi說："至關重要的是，我們發現這種阻滯只對高頻信號有主要影響，這表明這種對胞外機制的阻滯是異氟烷麻醉作用的關鍵。"

科學家們提出，高頻動作電位導致鈣離子大量涌入突觸前末端，異氟烷不能有效降低鈣離子濃度。因此，突觸強度的減弱主要是由于胞外機制的直接阻滯，而不是由于囊泡釋放的可能性降低。

同時，低頻脈沖觸發的胞吐較少，因此異氟烷對胞外機制的阻滯作用較小。雖然異氟烷能有效地減少鈣離子進入突觸前終末，但降低囊泡釋放的概率本身不足以阻斷calyx of Held突觸后動作電位，對皮質-皮質突觸的影響也很小。因此保持低頻傳輸。

總的來說，這一系列實驗為異氟烷如何削弱突觸以誘導麻醉提供了有力的證據。

Takahashi說："現在我們已經建立了操縱和破譯突觸前機制的技術，我們準備將這些技術應用到更棘手的問題上，比如神經退行性疾病癥狀下的突觸前機制，這將是我們面臨的下一個挑戰。"