1在谈全身麻醉与 Theta 振荡之前，咱们先来聊聊全身麻醉与脑电振荡可能存在的关系，以及我们为什么要研究全身麻醉与脑电振荡。（1）全身麻醉与脑电振荡的前因后果。脑电振荡是大脑神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的，是大脑神经元的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映（图1）。神经元之间协调的动作电位、放电、传递和接收是大脑和中枢神经系统的信息传递基本机制之一1。因此，脑电振荡被认为广泛参与并反映了生物个体的各项功能，其中就包括意识、记忆等功能。图1  脑电信号的神经生理学起源大约80年前，就有研究发现，随着乙醚或戊巴比妥剂量的增加，脑电振荡和患者唤醒水平发生了系统性相关的改变，并提出“这一观察结果预示可以用脑电振荡来评估麻醉深度。”随后，越来越多的证据支持脑电振荡与麻醉深度的之间存在时-量关系。甚至已有科学家提出，特定脑电振荡模式可作为麻醉诱导无意识的生物学标志2。但是，如何通过分析脑电振荡定量地评估麻醉深度/意识水平，以及脑电振荡是否参与、如何参与全身麻醉作用机制，至今仍是麻醉学科和神经科学亟待解决重大科学问题之一。（2）我们为什么要研究全身麻醉与脑电振荡？在未经处理的脑电图记录中，很容易观察到随着麻醉状态改变，脑电振荡也随之发生相应的变化。已有大量的研究证据表明，全麻药物诱导的不同行为和神经生理状态与不同的脑电振荡波形密切相关（图2） 。因此，在麻醉状态下，特征性的脑电振荡变化为我们提供了一个很好研究全身麻醉机制的切入点。基于此，著名麻醉学家Emery N. Brown教授团队提出了麻醉-脑电振荡值得深入研究的三个方向：明确全麻药诱导特征性脑电振荡的神经环路和分子靶点；识别并解释不同全麻药物诱导的不同特征性脑电振荡；应用全身麻醉药诱导特异性脑电振荡的特定分子和神经回路机制来重新定义麻醉状态，以在临床监测评估麻醉深度；通过调控脑电振荡也许能够进而调控机体神经功能和麻醉状态（为什么多了一条？因为我们自己编了一条，下文会提到。）图2 不同全麻药物诱导的特征性的脑电振荡2接下来咱们回到正题，我将从以下三个方面浅谈全身麻醉与Theta脑电振荡：Theta振荡的发生机制Theta振荡与学习记忆Theta振荡与麻醉Box1. 脑电信号划分和Theta振荡基本概念脑电信号根据其发生频率可划分为四个常见的波段，即delta波（0.5-4 Hz）、theta波（5-8 Hz）、alpha波（9-12 Hz）、beta波（13-25 Hz）。除此之外，在觉醒并专注时，还可见一种频率较β波更高的gamma波，其频率为26-80Hz，波幅范围不定，此外还有一些特殊脑电振荡，如尖波波纹（sharp wave-ripple, SWR）、σ波、λ波、κ-复合波、μ波等。Theta振荡（Theta波）是人脑电波的基本波形之一。频率为4-12 Hz，振幅为100～150 μV。当人困倦时可见，一般表示中枢神经系统进入抑制状态。安静、闭目时只在额叶出现，当睁眼视物、听到突然声响、思考问题时，在皮质其他部位也会出现。被科学界广泛研究的是海马脑区局部场电位中的theta振荡，其是动物进行运动探索和快速动眼睡眠时的一种电同步化活动，并被认为是学习与记忆、注意力以及动机等高级认知过程中的一种神经信息处理机制。有研究表明大脑在theta振荡为主的状态时，对于外界的信息呈现高度的受暗示性状(Hyper-suggestibility)，此外，theta振荡对于触发深层记忆、强化长时程增强(long-term potentiation， LTP)等帮助极大，所以，在科学界称theta波为“通往记忆与学习的闸门-The Gateway to Learning and Memory”。一、Theta振荡的发生机制已有大量文献报道揭示了Theta振荡发生相关机制，包括靶点（比如GABAergic、cholinergic、NMDA、K2P等）、神经环路（比如海马皮质环路等）等，但仍未有明确、完整的机制来阐明Theta振荡的起源与发展。因此，这里也无法十分确切地解释Theta振荡的发生机制。目前主要的推测是，Theta振荡是海马和许多其他与海马有关的大脑区域 【包括内嗅皮层（EC），隔膜（septum）和前额皮质】的节律性神经活动，被认为在许多高级脑功能中起关键作用（尤其是空间记忆编码）。其中，海马，隔膜以及内嗅皮层被认为是产生Theta振荡所必需的物质结构基础。隔膜最初被认为是Theta振荡的起搏器（pace maker）。然而，最近的一项研究表明，海马体在体外也能够产生Theta样振荡。基于生物的活动性和氨基甲酸乙酯麻醉可以将Theta振荡分为两种类型，即I型和II型。II型Theta振荡发生在静止/制动（Immobility）和氨基甲酸乙酯麻醉状态下，其特征在于频率较低（2-5 Hz），可以通过阿托品给药消除。而 I型Theta振荡发生在自由活动的动物中，频率较高（6–9 Hz），受阿托品给药的影响较小。也有科学家建议同时使用对阿托品敏感和抵抗分组。目前，对于麻醉状态下的II型Theta振荡研究取得的进展较大。隔膜区胆碱能神经元主要靶向隔膜区非胆碱能神经元，尤其是隔膜区parvalbumin阳性的中间神经元，从而产生II型Theta振荡。较早的研究表明，隔膜区注射阿托品会阻断II型Theta振荡，而隔膜区非胆碱能神经元可能是阿托品的主要靶点。最近的光遗传学研究表明，在氨基甲酸乙酯麻醉下隔膜区胆碱能神经元的激活可诱导II型Theta振荡，但对Theta振荡频率影响很小。隔膜区parvalbumin阳性的中间神经元被认为是介导胆碱能激活诱导的II型Theta振荡的重要参与者。然而，目前关于I型Theta振荡所涉及的机制了解的还非常有限。先前的研究表明胆碱能激活也可能在I型Theta振荡产生中发挥作用。隔膜区胆碱能神经元损伤不仅消除了氨基甲酸乙酯麻醉下的II型Theta振荡，也部分削弱了自由运动大鼠的I型Theta振荡。这提示在自由活动中可能存在着II型Theta振荡，或着有除了隔膜以外的其他大脑区域（例如海马和/或内嗅皮层）中其他胆碱能靶点的参与。胆碱能传递与记忆编码密切相关，因此了解主动探索过程中I型Theta振荡生成的胆碱能机制具有重要的意义。除隔膜区输入外，海马的内嗅皮层输入为海马振荡提供了主要的节律性兴奋性驱动力，并很大程度上介导了阿托品抵抗的I型Theta振荡的发生。此外，NMDA受体的激活与I型Theta振荡产生也密切相关。通常认为内嗅皮层可能会接收来自隔膜区或海马区的节律性输入信号。但最近也有文章表明内嗅皮层可能是以NMDA受体依赖性方式在Theta振荡产生中发挥积极作用。因此，目前关于Theta振荡的发生发展仍未有完整且系统的结论。但目前较为广泛接受的信息是，Theta振荡是海马区接收来自隔膜区、内嗅皮层等脑区的节律性输入性信号，并且能被胆碱能、NMDA等受体所调控产生的节律性振荡信号。图3是基于目前研究进展总结的Theta振荡的神经环路示意图，以供参考。图3 Theta振荡的可能神经环路示意图二、Theta振荡与学习记忆Theta振荡最早是在1938年在兔的海马中发现，并发现该振荡既是自发发生的，也是对疼痛刺激的反应。随之研究发现，厌恶性足部电击后的皮质Theta振荡的持续时间（duration）与足部电击后的记忆有关，首次建立了Theta振荡与记忆的关系。尽管许多早期动物研究主要集中在theta在自发运动中作用，但一些研究结果也表明Theta振荡也发生在静止状态（Immobility）。随后大量研究表明Theta振荡参与调节突触可塑性，使得Theta振荡与学习记忆的关系更加确切。像啮齿动物一样，在人体观察到的Theta振荡在运动过程中尤为明显，并在各种认知任务/行为中也可以观察到。Theta振荡除了参与陈述性记忆作用外，同时参与支持工作记忆（working memory）和认知控制（cognitive control），以及空间注意力的改变（spatial attention）（图4）7。由此可见Theta振荡与学习记忆密切相关，并且是一个庞大的研究领域，限于篇幅，本文就不再详细展开讨论。图4 Theta振荡与记忆的形成三、Theta振荡与麻醉（1）吸入麻醉剂可诱导出特征性的Theta振荡当给予亚麻醉（sub-MAC）浓度的七氟烷进行镇静时，可诱导出明显的slow-delta振荡和alpha振荡（图5和图6）。这一脑电特点与丙泊酚类似，提示该特征性脑电变化可能与七氟烷和丙泊酚可共同作用于GABAergic受体有关。随着麻醉程度加深，病人达到无意识（unconsciousness）状态，七氟烷可诱导出显著的theta振荡1。这一现象仅存在于吸入麻醉药（七氟烷、异氟烷）诱导的脑电特征，而并不存在于静脉麻醉药（丙泊酚、氯胺酮、右美托咪定），这可能与七氟烷的non-GABAergic作用机制相关。同时，这也提示了七氟烷诱导的Theta振荡可能与其诱导的制动（Immobility）和无意识作用机制相关。图5 七氟醚麻醉的频谱图和时域脑电图特征图6 作者在临床麻醉实践中用七氟烷诱导麻醉所记录的脑电频谱图不同麻醉药可诱导出不同的特征性脑电振荡（图2），其机制可能与该麻醉药作用机制密切相关。而不同物理、药理特性的麻醉药却都能诱导麻醉状态，达到无意识。如果把多种麻醉药共同的作用机制和它们所诱导的麻醉状态下共同的脑电振荡特点联系起来，可能是研究全麻机制的一个突破口。PS：不同麻醉药诱导不同的特征性脑电振荡在Emery N. Brown教授的综述1里讲述的非常清楚，感兴趣的小伙伴可以精读。图7 环境、自我的意识和觉醒水平既然谈到了意识，这里插入分享一个有趣的总结图（图7）。意识（Consciousness）是一个多方面的概念，包含两个主要部分：对环境和自我的意识（即意识的内容，图中的纵轴）和唤醒水平（即觉醒水平，图中的横轴）。唤醒的水平反映了大脑的整体活动状态，而有自觉意识（conscious awareness）是涉及大脑网络运转的更加动态且复杂的过程。自觉意识和唤醒状态也相互作用。如果没有唤醒，就不会有意识，而在高度唤醒的状态下，意识可以集中在一种方式上，而牺牲其他方式。相反，自觉意识也会影响唤醒，例如警报响起时唤醒水平的突然增加。列举两个会在临床上发生的例子，比如植物人状态（vegetative state）就是有着较高唤醒水平，而自觉意识水平很低；以及术中知晓（awareness in anesthesia）伴随着较高的自觉意识，和极低水平的唤醒水平。（2）全麻药抑制theta峰值频率与全麻药致遗忘作用有关暂时可逆的顺行性健忘是大多数全身麻醉药物的药理作用之一。在已有大量证据表明海马区Theta振荡参与记忆的形成，以及Theta节律在外科手术麻醉水平下能够被破坏（disruption）的背景下, 2010年Perouansky教授团队3使用亚麻醉浓度（sub-MAC）的氟烷（GABAergic）和一氧化二氮（non-GABAergic）和异氟烷（GABAergic和non-GABAergic），研究了吸入麻醉药对自由活动大鼠的条件恐惧记忆和海马Theta振荡的影响。其研究结果发现这三种吸入麻醉药均与抑制条件恐惧记忆程度成比例地抑制了海马Theta振荡的峰值频率（peak frequency）（图8）。这提示了吸入麻醉药对海马Theta振荡峰值频率的调节可能参与吸入麻醉药的致遗忘作用机制。图8 三种吸入麻醉药呈剂量依赖性抑制海马Theta振荡峰值频率虽然这项研究做到这里就结束了，但无疑非常容易使人想到，是否可以通过改变特定脑区的脑电振荡来影响相应的神经功能呢？这个研究方向正好就是上文提到的Emery N. Brown教授提出了麻醉-脑电振荡值得深入研究的三个方向之后，我们自己提出的第四条。例如，通过调控海马Theta振荡来调控记忆功能，甚至调控脑电振荡实现麻醉效果？目前关于调控Theta振荡从而实现调控功能的高质量研究结果几乎没有，但是该思路和研究方向通过调控其他相关频率脑电的研究却经常发表CNS正刊档次的研究成果。比如，György Buzsáki教授团队4通过光遗传技术延长海马尖波纹波[sharp wave ripples (SPW-Rs)]时程，明显提高了大鼠在迷宫中的学习记忆能力，这一研究结果发表在2019年《Science》（图9），这正好与我们还未发表的一项研究结果相呼应：吸入麻醉药物能够在亚麻醉浓度抑制sharp wave ripples，而亚麻醉浓度的吸入麻醉药物正好能够产生顺行性遗忘作用 。此外，Li-Huei Tsai教授团队5通过联合声音-光刺激驱动听觉皮层（AC）和海马CA1中的gamma频率神经活动。研究结果显示，7天的听觉刺激改善了5XFAD小鼠（阿尔兹海默症淀粉样蛋白病理模型的转基因小鼠）的空间和识别记忆能力，并减少了听觉皮层和海马区的淀粉样蛋白沉积，这一结果发表在2019年《Cell》（图10）。通过调控特定脑区脑电振荡实现功能调控是一种非常有价值且有重大意义的突破，期待未来能有更多关于这方面的研究成果问世。图9 Ripple时程的延长明显提高大鼠在迷宫中的学习记忆能力图10 多感官（声音、光）Gamma刺激改善阿尔茨海默氏症相关病理并改善认知Box2. 尖波纹波和Gamma振荡尖波波纹(sharp wave ripples, SPW-Rs)是海马CA3的兴奋性信号传导至CA1，激活CA1椎体神经元细胞和中间神经元细胞，从而诱导产生的一种150Hz-250Hz频率的高振幅振荡。已有大量文献报道海马-皮质环路的尖波波纹和记忆及认知功能密切相关，尤其是记忆的巩固和检索(retrieval)。尖波波纹在慢波睡眠（slow-wave sleep）、制动（immobility）和探索新环境/信息时最常见，并且与整个大脑活动的广泛变化相关。Gamma振荡是频率范围跨越广泛（25-100 Hz）的节律性局部场电位（LFP）。根据频率可再次将gamma振荡分为慢（25-50 Hz）和快（55-100 Hz）gamma振荡。Gamma振荡在包括海马在内的多个大脑区域中表现突出。其发生与快速放电、parvalbumin阳性的中间神经元有关。Gamma振荡被研究发现参与认知功能的形成，包括记忆形成、感觉处理等。Gamma振荡的破坏可能是某些精神疾病的基础，例如精神分裂症。（3）Theta振荡与双孔背景钾通道双孔背景钾通道家族已被广泛认为参与吸入麻醉药的作用机制。Theta振荡是吸入麻醉诱导的特征性脑电。那么，双孔背景钾通道是否与吸入麻醉药诱导的特征性Theta振荡有关呢？Box3. 双孔背景钾通道双孔背景钾通道（tow‐pore domain K+ channel, K2P）是钾通道超家族的一员。K2P由4个跨膜螺旋结构(M1~M4)、两个孔道结构域(P1、P2)和一个环形螺旋帽结构组成。K2P作为一种膜蛋白广泛表达于各种细胞，在维持细胞内外电解质平衡、细胞发育、兴奋性及多种生理功能中起着极其重要的作用。目前已有大量研究发现，K2P家族成员广泛参与麻醉、疼痛、神经保护等机制，以及心血管、神经精神系统等疾病的发生发展。Nicholas P. Franks教授团队6记录TASK-3基因敲除（双孔背景钾通道家族的一种）小鼠的皮质脑电发现，II型 Theta振荡 (4–9 Hz) 也随之消除 [II型 theta振荡与处理多种感觉刺激的静止（Immobility）状态相关]。TASK-3敲除小鼠除了II型 Theta振荡消除之外，还表现出明显的氟烷（TASK通道有效激活剂）抵抗，以及从清醒进入睡眠状态的过程更慢，并且在睡眠期间，其快动眼睡眠期间的Theta振荡更加碎片化（fragmented）（图11）。这一结果发表在2009年PNAS杂志，首次发现了双孔背景钾通道TASK-3参与II型Theta振荡的发生。但是否可以通过影响双孔背景钾通道TASK-3来调控Theta振荡仍值得进一步探讨。图11 TASK-3敲除破坏自然睡眠和Theta振荡总而言之，Theta振荡的研究涉及领域众多，而本文仅是抛砖引玉地概述了Theta振荡的发生机制，以及其与麻醉、学习记忆相关领域的研究进展。脑科学是神秘的，脑电振荡是有趣的，好在我们总能站在巨人的肩膀上，窥探冰山一角。希望前浪、后浪继续努力探索，让更多神经科学领域的真理浮现。