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