前扣带皮层调控氮麻醉诱导的小鼠运动增多
Anterior Cingulate Cortex Contributes to the Hyperlocomotion under Nitrogen Narcosis
彭彬1 • 吴小波1 • 张志军1 • 曹德利1 • 赵林霞1 • 吴昊2 • 高永静1
1南通大学医学院，特种医学研究院，神经再生协同创新中心，南通 226001，中国
2南通大学附属医院耳鼻咽喉头颈外科，南通 226001，中国
第一作者：彭彬
通讯作者：高永静
众所周知，水下压力随着深度的增加而增加，例如在1大气压（等于10米水深）下，潜水员必须呼吸与水下压强相等的压缩空气或者混合气体。空气中的氮气占比约78%。潜水时，人体内的氮气分压随着下潜深度的增加而升高，当达到一定阈值时就会产生氮麻醉症状。因其症状跟醉酒类似，俗称“氮醉”，或者称为“马提尼效应”， 即每下潜15米相当于饮用了100 mL的马提尼。
氮麻醉的症状随着下潜深度增加而加重，大多数潜水员在30米水深时就感觉到氮麻醉，其早期症状包括欣快感、过度兴奋、极度自信与狂喜等，极易引发潜水事故的发生。但是迄今为止，介导氮麻醉的神经环路机制不清楚。因此，本文主要以小鼠早期过度自主运动为观察指标，研究氮麻醉的神经环路机制，为今后进一步揭示氮麻醉的发生提供理论基础。
前扣带皮层（anterior cingulate cortex, ACC）是参与运动控制、感觉处理、情绪反应和动机行为的重要脑区，但对氮麻醉诱导的过度自主运动是否有调控作用仍不清楚。本研究首先通过向高气压动物舱内填充压缩空气至10米以维持舱内的氧分压，接着用高纯度氮气继续加至不同压力（1.5 MPa, 2 MPa，3 MPa）模拟氮麻醉。结果显示：小鼠在氮麻醉早期表现出过度自主运动，且其变化与氮麻醉程度（氮气分压）有关。接着，通过c-Fos免疫组化染色和Fos2A-iCreER小鼠（永久标记活动神经元）对多个脑区中c-Fos阳性神经元的表达进行了比较，发现氮麻醉诱导的过度自主运动时期的活动神经元主要分布于ACC脑区和背内侧纹状体(dorsal medial striatum，DMS)，且ACC脑区的c-Fos主要表达在谷氨酸能神经元。
随后，研究人员采用基于DREADD（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）化学遗传方法，分别抑制或兴奋ACC脑区的谷氨酸能神经元，再检测小鼠的氮麻醉行为。结果显示：腹腔注射CNO（特异性的DREADDs激动剂）抑制ACC谷氨酸能神经元后，氮麻醉诱导的自主运动距离显著减少；反之，兴奋后这些神经元后，小鼠出现自主运动距离增加所需的氮气分压更低。此外，通过在Fos2A-iCreER小鼠ACC脑区注射pAAV-DIO-hM4D(Gi)-mCherry或pAAV-mCherry-Flex-DTA病毒，3周后进行高压氮气暴露，使hM4D(Gi)或DTA（白喉毒素，用于诱导神经元消融）特异性的表达在氮麻醉激活的神经元，之后再继续检测小鼠在高压氮气暴露下的自主运动行为，结果显示：抑制或损毁氮麻醉激活的神经元显著抑制氮麻醉小鼠的自主运动距离。
最后，通过在ACC与其投射脑区DMS埋置的电极记录场电位活动，研究人员观察到两脑区之间出现同步增加的Theta波震荡，且其增加的幅度与氮气分压呈现正相关。此外，ACC脑区注射顺行跨单突触的pAAV1/2-EGFP-Cre病毒，同时DMS脑区注射pAAV-DIO-hM4D(Gi)-mCherry抑制自ACC传入的DMS神经元，或ACC脑区注射pAAV-DIO-hM4D(Gi)-mCherry 病毒，同时DMS脑区注射pAAVretro-Cre-EGFP抑制ACC向DMS投射神经元，结果显示：上述均显著地抑制氮麻醉诱导的自主运动距离。
图1 前扣带皮层调控氮麻醉诱导的过度自主运动示意图。小鼠置于高压舱内，通过顶部摄像头记录小鼠在高压氮气暴露下的自主运动距离（locomotion），并通过EEG分析氮麻醉的严重程度。氮麻醉诱导ACC神经元活动增强，且其向DMS（背内侧纹状体）的投射调控小鼠运动增多行为。
综上所述，本文研究了高压氮气诱导小鼠自主运动过多的神经环路机制，揭示了ACC脑区兴奋性神经元及其向DMS的投射在这一过程中发挥重要作用，为治疗氮麻醉引起的运动异常提供了新的思路。
关键词：氮麻醉；运动增多；前扣带皮层，背内侧纹状体，神经环路
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https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-024-01278-z
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