七氟醚暴露经NMDAR-GSK3β-Tau通路影响发育中大脑突触可塑性的研究

Sevoflurane is one of the most common inhalation anesthetics for children. A number of studies have shown that inhalation anesthetics induce neuron apoptosis and synaptic transmission and plasticity deficits in neonatal rodent brain, resulting in learning and memory impairment. However, the mechanisms underlying these inhalation anesthetics-induced effects are still largely unknown. Our previous studies demonstrated that general anesthetics sevoflurane could cause Tau hyperphosphorylation, amyloid beta protein accumulation, microtubule filaments structural abnormalities, and synaptic transmission inhibition in the developing rat brain. In this study we propose that the changes in synaptic plasticity caused by inhalation anesthetics are related to regulation of NMDA receptor subunit composition and function and the subsequent activation of GSK3β-Tau signaling pathway. We will utilize loss of function GSK-3β mutant, Tau knockout, and huaman Tau transgenic mice to investigate neonatal sevoflurane exposure-induced changes in LTP/LTD induction and their underlying mechanisms. The results will clarify a neurotoxic and synaptopathic, NMDA receptor-GSK3β-tau centered, pathway triggered by neonatal sevoflurane anesthesia, and provide a new strategy for preventing the toxicity of inhalation anesthetics in the developing brain. This study will also have important theoretical and clinical significance in reducing cognitive deficits as a result of neonatal anesthesia, and bring significant social and economic benefits to the population.

七氟醚对发育中大脑的神经毒性日益受到关注。实验证实七氟醚可导致神经元凋亡、学习记忆功能障碍，幼年暴露甚至可影响人成年后的认知能力和精神行为，但其机制迄今未明。我们前期研究发现七氟醚可引起海马微管结构紊乱、Tau蛋白过度磷酸化及抑制兴奋性突触后电位等。在此基础上本课题拟首先探明未成熟大脑七氟醚暴露对海马LTP/LTD的近、远期影响；阐明其通过调控NMDA受体亚基NR2A/B功能、组成及空间分布使GSK3β-Tau通路活性增强，从而影响海马突触可塑性和再可塑性的机制；进一步拟利用基因敲除或过表达小鼠证实GSK3β-Tau通路在七氟醚干扰突触可塑性中的作用，以发现GSK3β-Tau为关键的调控分子通路。本研究将阐明七氟醚通过拮抗NMDA受体和上调GSK3β-Tau信号通路影响海马突触可塑性的机制，为防治吸入麻醉药对发育脑的神经毒性提供新思路，并为早期干预提供新的靶点，具有重要理论意义和应用价值。

大量的临床研究及动物实验研究证实，发育大脑暴露于麻醉药物中，可引起神经元形态的变化、突触结构的异常，从而影响到发育过程中神经环路的形成，引起认知、行为及情绪等改变，这些改变甚至可持续到成年以后。我们通过对出生后7天（p7）的小鼠吸入3%浓度的七氟醚暴露4小时，饲养至2个月大（p60）时进行相应的行为学、生化及电生理学检测，以模拟临床上婴幼儿暴露于麻醉药物对其神经发育影响的效果。我们的行为学研究发现：小鼠幼年时七氟醚暴露引起成年后运动量增加、情绪变化等，同时伴随着已获得记忆的巩固能力提升；实验中还发现幼年七氟醚暴露引起成年后多动样症状，结合临床报道幼年麻醉引起学龄期诊断为ADHD的风险增加，我们进行了相关的行为学实验来验证麻醉组小鼠具有多动及易冲动的特征，推测七氟醚诱发ADHD样症状可能与大脑神经环路相关。通过对行为学实验后的活化神经元分析，结合文献，我们推测ADHD样症状与前额叶皮层及背侧纹状体的功能受损相关。因此，我们采用光遗传学技术，增强前额叶皮层至背侧纹状体的投射，发现两组小鼠的运动量均明显增加。我们的研究结果发现幼年时麻醉药物暴露引起成年后多动与冲动性，并且与前额叶皮层-背侧纹状体的神经环路密切相关，这与临床报道发现相吻合，为麻醉药物的神经毒性研究提供了新的方向，同时对麻醉药神经毒性包括大脑不同脑区的探索，为机制研究亦提供了新的靶点。我们将进一步探寻新的干预方法及措施，为未来的研究提供了新的思路，有利于提高整体人口的素质，同时减少患者个人及整个社会的精神、医疗负担，具有深远的意义。