嘉兴市第二医院麻醉科 译审
1.介绍
每年在美国出生的大约65万儿童在三岁之前在至少一次全身麻醉下接受某种医疗程序。因此，人们越来越担心儿童后期可能会出现的学习和行为缺陷。近几十年来，一系列回顾性研究对这一问题给予了更多的关注，这些研究发现，幼年晚期麻醉暴露后，学习和行为缺陷的风险增加。例如，Wilder等人确定了四岁前麻醉暴露于数学学习障碍的显著关系，Chemaly及其同事发现麻醉暴露和长期异常行为之间的显著关系，异常行为的可能性随着麻醉时间增加而增加，随着儿童年龄的增长而减少。这些值得注意的研究突出了新生儿麻醉暴露的潜在后果，为此，一些进一步的研究和综述提供了一致的证据。首先，已经确定的特定学习和行为缺陷包括正常阅读、写作和算术发展较慢、记忆缺陷、异常的社会活动以及破坏性行为的严重程度和频率增加。为了研究新生儿麻醉相关缺陷的机制，我们主要采用了动物模型。
典型的动物模型研究采用了啮齿类动物的组织学和免疫组化分析和/或行为学方法，以量化不同时间点新生儿麻醉暴露导致的差异。这类研究的一个主要假说提出，麻醉具有神经毒性作用，可导致神经细胞凋亡。这一假设在很大程度上得到了多项研究的支持，这些研究已经证实了新生儿麻醉后丘脑、感觉皮层、海马体、前额叶皮质、杏仁核和小脑的神经凋亡水平升高。麻醉毒性也与剂量和持续时间有关。直观地看，更高的剂量和增加的持续时间会产生更深刻的神经毒性和神经凋亡效应。注意，术后麻醉恢复的持续时间也应考虑。
最近的儿童研究进一步阐明了麻醉持续时间/频率与发育结局之间的关系。三个值得注意的研究，全身麻醉脊髓麻醉（GAS）研究、儿童麻醉神经发育评估（PENDA）和梅奥儿童麻醉安全（MASK）研究，分析了较短时间（平均接近1h），表明长时间和/或多次暴露于麻醉与学习和行为缺陷的关系。在最近的研究中还发现了这方面的其他支持，该研究直接表明，与新生儿麻醉相关的风险在年幼暴露、多次暴露和经历较长麻醉累积时间的儿童中更为明显。
新生儿麻醉生理后果的一个关键标志是神经毒性和神经细胞凋亡。麻醉引起的神经毒性仅限于麻醉持续期间及其后不久，直至药物被排出体外；对于吸入麻醉剂，如七氟醚和异氟醚，神经元活动的恢复相对迅速（例如，一个MAC的七氟醚麻醉结束后9min，单个神经元活动恢复到清醒水平的63%）。另一方面，神经细胞凋亡已被证明将仍会在这之后的几天里继续发展。已知这些效应会影响多种细胞类型，包括少突胶质细胞、星形胶质细胞、锥体细胞和中间神经元，然而，这些细胞会受到不同程度的影响。这可以诱导局部神经元网络的发育重组，随后在参与学习和行为控制的结构中，神经元信号的正常兴奋性/抑制性（E-I）平衡发生改变。最近的一项研究发现，全身麻醉后，海马主要输出神经的伽马振荡、神经可塑性和长期增强（LTP）的改变。这些结果扩展了另一项研究的发现，该研究表明新生儿麻醉后大脑皮层中神经元间凋亡和γ-氨基丁酸（GABA）产生酶的下调。显然，这些区域的E-I网络通过使用大脑的主要抑制性神经递质GABA发挥作用，直接受到麻醉的影响。因此，如果新生儿麻醉能显著干扰某些结构中的局部GABA能的功能，它可以表现为学习和行为的变化。
考虑到GABA能系统在神经元网络中的重要性，我们将简要回顾该系统的功能及其发展的关键时期，围绕新生儿麻醉暴露的时间。这将为后续分析新生儿麻醉在GABA能发育过程中的神经毒性和神经凋亡后果提供背景，以及这可能与新生儿麻醉暴露后观察到的学习和行为缺陷如何相关。最后，我们将讨论目前和未来的方法，可以应用于体内检测新生儿麻醉后自然GABA能功能和发育的变化。
2.GABA能系统的功能和发展
2.1.GABA能抑制与神经血管耦合
在成熟的大脑中，GABA能系统完全能够在空间和时间上限制神经元的兴奋。专门用于这一任务的抑制性神经元（中间神经元）会迅速地将GABA传递给位于邻近细胞上的GABAA和GABAB受体。这些跨膜GABA门控受体促进了氯离子（Cl-）向细胞内的扩散，产生了一种超极化状态。这种效应显著增加了动作电位发生所需的输入刺激，从而抑制神经元活动。显然，中间神经元的抑制功能主要有助于防止神经元网络的过度兴奋，否则可能会导致癫痫发作。
存在各种形式的GABA能抑制。已知中间神经元会产生前馈抑制从而抑制下游神经元的活动，以及反馈抑制从而将抑制信号投射到上游神经元。中间神经元能够解除其他中间神经元的抑制；尽管这种环路的功能目的仍未完全了解。此外，GABA能末端可以在靶细胞的几乎任何位置（如轴突初始片段、轴突周围区和树突分支）进行连接，这取决于细胞类型和大脑结构。
除了传统的神经元抑制观点外，GABA能信号也参与了脑血流的调节。我们想特别强调这一功能，因为它的潜在的诊断和机制价值与新生儿麻醉暴露的长期影响相关。
神经血管耦合是指大脑中的神经元与周围血管系统如何相互作用以支持局部氧需求增加的综合关系。这一过程通常被认为是神经元活动增加的结果，因此导致研究往往集中于兴奋系统对神经血管耦合的贡献。兴奋系统参与的例子包括谷氨酸能和星形细胞通路，它们利用一氧化氮（NO）、钙离子（Ca2+）、钾离子（K+）和花生四烯酸代谢产物来帮助局部增加脑血流。然而，最近的综述表明，这些机制可能不能完全解释神经血管耦合的所有方面。作者报告的注意事项，如：NO不是大脑皮层的活跃信号分子（虽然它的存在是血管舒张的必要条件），星形胶质细胞投射引起的Ca2+增加不是血管扩舒张所必需的，通常发生在显著的血管舒张和通过星形胶质细胞的K+并不总是在神经血管耦合中发挥重要作用。快速作用的GABA能系统参与神经血管耦合的单独方面提供了神经血管耦合如何执行其基本功能的更完整的画面。因此，为了本综述，我们将关注GABA依赖性神经血管相互作用及其在新生儿麻醉延迟副作用中的机制作用。
有证据表明，GABA能中间神经元参与了神经血管耦合，因为它们对于各种形式的刺激（如化学、电、感觉和视神经）和癫痫样活动中的血流动力学反应的充分表达至关重要。支持这些相互作用的事实可以从GABA受体在小动脉表面发现，GABA能中间神经元进行直接和功能活跃的形态连接。这表明这些GABA能的投射通过使平滑肌细胞超极化的方式诱导了小动脉的血管舒张。GABA能中间神经元提供的快速信号可以增强神经血管耦联，特别是在血流动力学初始反应阶段。
同样重要的是要注意，抑制有减少氧气需求增加的额外好处。当神经元活动增加时，氧气需求的紧急增加几乎可以立即发生。因此，GABA能信号可以具有降低氧需求的双重作用，即保持在一个可调节的范围内，并通过神经血管耦合引起氧传递的增加。这种作用的存在是为了防止局部缺氧。如果GABA能系统被任何方式减弱或抑制，兴奋性信号将占上风并传播。除了在这种情况下代谢率的增加外，由于动作电位频率的升高，GABA能对血流动力学反应的促进作用也会受到损害。结合这些效应，即氧需求的增加和血流动力学反应的减弱，可导致缺氧的发生，这可能参与了新生儿麻醉的长期副作用。
2.2.结构特异性GABA能系统功能
GABA能系统在整个中枢神经系统中是不均匀的，几乎每个大脑结构都有自己特定的组织抑制。因此，为了证明这一点，我们将重点关注结构中的特性，这些结构都与新生儿麻醉的后果有关，并且直接或间接参与学习和行为（即大脑皮层、丘脑、海马体和小脑）。
大脑皮层通常被认为是认知、知觉和情绪处理发生的结构。该区域的抑制操作是由局部回路GABA能中间神经元进行的，该神经元约占大脑皮层神经元的20%；其余主要是谷氨酸能兴奋性神经元局部和更远的突触靶点。
丘脑被广泛认为是感觉和运动信号在皮层区域之间的传递方式，但它也是保持对任务相关刺激的注意力的重要组成部分。丘脑中的GABA能系统由局部中间神经元和丘脑网状核（TRN）的神经元组成。这些神经元参与产生与运动、睡眠和癫痫发作相关的自发的和诱发的同步活动（即对刺激的反应）。
在海马体中，中间神经元占神经元总数的10-15%，在调节兴奋性投射和同步活动以及促进神经可塑性方面起着核心作用。对海马体的研究揭示了它在外显记忆中的关键作用。然而，值得注意的是，它对其他操作的整体贡献，如自我导向注意、情绪行为、下丘脑的调节等。
小脑中GABA能信号的解剖结构由浦肯野细胞、篮细胞、星状细胞和高尔基细胞组成，其中浦肯野细胞是小脑皮层的唯一输出细胞，约占小脑神经元的20%。因此，浦肯野细胞向小脑深部核发送抑制性投射，是其特征功能所必需的——产生精细的运动输出和参与运动学习。
在大脑皮层和海马体中，谷氨酸能锥体细胞的数量远远超过GABA能中间神经元，由于中间神经元参与了与多个兴奋性神经元的突触连接，E-I平衡仍然可以得到支持。这几乎同时导致锥体细胞的突触后抑制，无论是起始阶段和持续阶段。有趣的是，在抑制后，同时被抑制的神经元有很高的同步放电倾向。我们应该将这种类型的局部和生理的神经元同步与长期的、广泛的同步区分开来，后者是由于抑制系统的失败（如癫痫活动）造成的。
生理同步的皮层活动是认知和感知的重要组成部分。这种类型的神经元同步允许兴奋性信号不同于周围的自发基线活动的“噪声”。众所周知，这种同步的活动（即神经元彼此在10-20ms范围内放电）可以导致所涉及突触的长期增强或抑制。神经元回路的这些持久变化代表了细胞水平上记忆和认知形成的基础；这一观点已经得到了一系列研究的支持。因此，GABA能系统不仅调节单个神经元的活动，并有助于其代谢功能，而且它也是学习、记忆、认知和最终行为的一个组成部分。
2.3.E-I平衡的生理学
E-I平衡是一个被广泛接受的术语，用来表示兴奋性和抑制性输入的比例，它们要么出现在单个神经元上，要么存在于一个神经元网络中。一般来说，单个神经元的E-I平衡被认为是投射到神经元上的两种反作用力的组合：兴奋和抑制。简单地说，如果兴奋性输入水平增加，神经元的放电率也会增加，如果抑制性输入水平增加，神经元的放电率也会相应下降。
在神经元网络的情况下，这个过程要复杂得多。单个兴奋性神经元可以与多个其他神经元进行突触连接。因此，它有能力激活许多目标。这就产生了一系列的激活，并将其传播，直到它被抑制性输入所限制，通常是由中间神经元产生的。由于抑制作用的增加预计会导致局部或局部反应性的普遍下降，例如在麻醉的即时和暂时效应中，我们将讨论E-I平衡向兴奋的更复杂的转变。
图1显示了E-I平衡的生理基础（图1a-d）。简单地说，一个小水平的E-I失衡会导致基线活动的升高。因此，这导致了相对反应的减少，而绝对反应的幅度的增加（图1e-g）。如果E-I失衡更为严重，则会产生癫痫发作（图1h），或由于基线高度升高而导致的神经元反应饱和（图1i、j）。
关于轻度E-I失衡的临床表现正在进行讨论。例如，已经有人认为，E-I平衡向兴奋的转变（在减少抑制的状态下）可能会导致神经元回路中信噪比的降低。这可能会影响信息处理的效率，它也代表了自闭症的模型之一。我们想澄清这一假设。如果信噪比代表了相对于基线水平的相对神经元反应（在图1i中显示为“∆”），则可以在基线水平增加的情况下看到该比率的降低。然而，我们也想注意到，这也伴随着反应绝对大小的适应性增加（在图1i中以“a”表示）。因此，目前尚不清楚是什么现象导致了行为的改变：信噪比（“∆”）或过度的绝对激活(“A”)。
我们必须强调的是，如果E-I失衡的水平进一步增加，那么不同结构的电生理状态之间就会发生分离。例如，大脑皮层可能进入癫痫发作状态，而小脑神经元的反应可能只是因为神经元基线的高度升高而变得不可见。大脑皮层似乎非常容易发生癫痫发作（图1h），即使在注射了相对较低浓度的GABA拮抗剂印防己毒素（0.3nmol/µL）后，也会发生这种情况。事实上，已经得出结论，不平衡的兴奋性和抑制性投射是从正常脑功能向癫痫发作转变的主要机制，癫痫样活动可以通过增加抑制或减少兴奋性来减少甚至消除。然而，这一观察结果并不适用于所有的结构。相比之下，向小脑注射更高浓度的印防己毒素（2.5nmol/µL）不会产生癫痫发作，而只是提高神经元的基线活性。因此，不同大脑区域减少抑制效果的差异可以预测，如果任何一个结构表现出E-I平衡的实质性变化，它将以临床可见和结构特定的方式表现出来。
2.4.GABA信号发展
在GABA能系统能够在成熟水平上发挥作用之前，必须首先达到关键的发育阶段。这些过程包括GABA驱动力的发展、GABA能突触和GABA能神经元的自发活动。
首先，GABA驱动力，即GABA对突触后电流的影响，在发育过程中可以从兴奋性转变为抑制性。1978年，Obata、Oide和Tanaka报道了早期GABA信号可以具有兴奋效应，后来在1989年发现了GABA诱导的去极化的结果。这种效应已经在一系列神经结构中被观察到，如海马体、新皮质、下丘脑、小脑和脊髓，主要是通过体外研究。这些发现在脊椎动物物种之间的一致性表明，这可能是一种普遍的现象，通常被称为兴奋性到抑制性的转换。
GABA驱动力发展的机制可以通过Cl-扩散方向的变化来解释。不成熟的GABA能投射可以通过激发Cl-的外流来增加动作电位的可能性，而Cl-不会引起成体细胞中所见的特征性超极化，会引起去极化。传统的光学荧光技术和改良的光学荧光技术都可以测量细胞内Cl-的浓度，都能够跟踪未成熟培养大鼠细胞内Cl-浓度的变化。这些研究报道了从GABA诱导的外排到Cl-流入的转变发生在胚胎第18天和出生后第14天以及出生后第5-25天之间。GABA信号传导的这种反直觉行为的基础在于Cl-转运体的发展，这解释了在未成熟神经元中观察到的Cl-的积累和更高的浓度。
广义上来说，由于直接观察儿童的兴奋到抑制的转换是不可行的，因此比较分析啮齿动物和人类神经系统发育时间线的研究，使我们能够做出合理的预测。比较皮质各向异性的时间变化据报道发生在出生后7天大鼠和妊娠40周的人类，和其他研究发现白质的快速髓鞘形成在20天大鼠和2岁的儿童。在大鼠中，出生后第7天至10天以及人类妊娠40周左右的胶质生成峰值、轴突密度和树突密度进一步支持了这一时间轴比较。此外，大鼠的大脑达到成年体重的90%，并且在出生后20天和2岁左右的突触发育和髓鞘形成率达到峰值。因此，同时考虑到儿童在2.7岁时也达到了GABA发育的一些初步阶段，综合起来，这些发现表明，GABA驱动力的变化可能发生在儿童出生后的最初几年内。
除了GABA驱动力的发展外，GABA能突触也会发育和成熟。一项进行形态功能分析的开创性研究能够区分海马锥体细胞上的GABA能突触和谷氨酸能突触。研究得出的结论是，在出生后第0天，80%的神经元的突触在功能上是沉默的（即不产生诱发或自发的突触后电流）。功能活跃的突触表现出仅由GABA门控通道或GABA和谷氨酸门控通道共同诱导的突触后电流。在发育中的灵长类海马体中也发现了相同的发育序列，因此，表明GABA能突触在谷氨酸能突触之前发育的倾向。此外，出生后第12天在大鼠海马中形成的GABA能突触显示出高水平的突触可塑性，而位于沉默突触中的GABA受体可以通过钙电流被激活。在人类中，这些突触的成熟状态直到海马体的青春期开始和新皮层的青春期结束时才达到。然而，与男性相比，女性的某些大脑区域，这些突触的成熟特征会更快。因此，与GABA驱动力量发展类似，GABA能突触的剧烈发展也可能在婴儿期开始，然而，这一过程可能持续明显更长的时间。
GABA能中间神经元的自发活动在人类中也需要很多年才能发展起来。快速峰值的皮层中间神经元，其成熟状态是更高的认知功能所必需的，已经显示出比上述一些过程有更长的发育时间线。例如，发现海马体篮细胞，被认为负责启动γ-波段振荡，出生后6-25天小鼠从缓慢过渡到高频细胞表现出显著形态改变，以及一项单独的研究指出，成年小鼠中间神经元的电生理特性7-40天的某个点才达到。与神经元间发育的轨迹相一致，小鼠大脑皮层中GABA能释放位点的数量也在出生后第30天不断增加。这些报告表明，成熟中间神经元的自发频率直到发育后期（即儿童后期和青春期）才完全获得，而GABA驱动力和GABA能突触的激活可能发育得相当早。
2.5.结构特异性GABA能的发展
由于GABA能结构在形态上的区别，自然也存在发育差异。为了保持连续性，下面概述的GABA能系统的结构发展将局限于之前讨论过的大脑区域——海马体、丘脑、大脑皮层和小脑。
海马体在出生后经历了快速的发育过程（图2a-c）。研究表明，20%的齿状回细胞在妊娠后尚未形成。也就是说，海马体中的中间神经元可以比锥体细胞更早地表现出成熟的生理活动。一项研究利用膜片钳记录了大鼠海马的中间神经元和锥体细胞样本，阐明了这一点。该研究确定，65%的中间神经元具有功能活性，而只有12%的锥体细胞具有自发和/或诱发电位，从而提示早期海马体中间神经元网络是海马体和大脑皮层之间突触发育的驱动力。
在大脑皮层中发现了两种不同的GABA能神经元中间来源。这些谱系可以通过它们各自的转录因子的表达来分离；65%的中间神经元来自背侧前脑的新皮层心室和心室下区，其余（35%）来自腹侧前脑。这些中间神经元在人类妊娠10-25周之间经历了大量的产生和迁移，并在啮齿动物和人类的出生后继续发育。人类前额叶皮层神经元的完全成熟状态可能需要长达25年时间。
丘脑中间神经元大部分由早期中脑个体发育。虽然丘脑的大多数神经发生和分化发生在妊娠期，但丘脑皮质连接在婴儿期继续发展，其显著性与视觉工作记忆表现和学习能力的测量相关。人们普遍认为，TRN神经元之间存在局部的GABA能连接，然而，最近的证据表明，这些连接只存在于小鼠的前两周。
小脑中特殊的GABA能的组成和功能，对应于一个类似的特定的发育时间轴。例如，啮齿动物小脑的GABA能神经元已被证明在妊娠晚期和出生后早期，从一个单一的起源，即胚胎小脑原基向放射状迁移。一旦大多数GABA能神经元迁移，GABA能突触主要在小鼠出生后的第二和第三周形成。因此，这些变化可能是对外部环境刺激的反应，因为这是强化运动学习发生的同一时期。
虽然GABA能神经元可能遵循一个独特的发育过程，但在大多数情况下，很明显，GABA能系统的主要结构发展一直持续到儿童早期。不同的发育时间线和序列说明了每个结构可能对麻醉诱导的神经毒性易感性增加的各自时期。
3.新生儿麻醉结局
3.1.GABA能结构中的神经细胞凋亡
新生儿麻醉可在各种脑结构中产生神经毒性和神经凋亡效应。迄今为止，主要是动物模型用来研究新生儿麻醉的病理影响。其原因包括允许进行可比性的对照组、方法的标准化和对受影响组织的组织学分析，所有这些在人类研究中都不太可行。因此，使用动物模型的报告将代表下面提出的大多数发现。
在新生儿麻醉后观察到的学习和行为缺陷中，涉及这些功能的大脑区域是研究最多的。例如，海马体和海马体相关结构一直是研究新生儿麻醉的病理效应的热点。新生儿麻醉暴露已被证明可导致显著的神经细胞凋亡和海马体树突状复杂性的降低（图2d）。Maloney等人观察到每2天，持续6h的共3次麻醉后小鼠海马体神经凋亡。Jiang等人在出生后第7、14和21天的3个时间点进行了6h的麻醉，与对照组相比观察到细胞凋亡，大鼠海马体积显著减少。同样，在新生兔暴露于三次麻醉后在成年海马体中也观察到了体积的减少（图2e）。该研究还进行了弥散张量成像，并发现了CA1区域的分数各向异性的显著变化（图2f-h），表明细胞和树突状分支的减少。麻醉的神经毒性作用可不同程度地诱导海马细胞的凋亡。GABA能神经元占凋亡细胞的比例几乎是谷氨酸能神经元的四倍。
在大脑皮层中，出生后第6天持续3h或更长时间的单次麻醉已显示可诱导猕猴前额叶皮层显著的细胞凋亡。此外，另一项研究报道，在持续6h的单次麻醉后，小鼠大脑皮层的总神经元丢失了2%，其中大多数是GABA能神经元，并且GAD65和GAD67的表达显著下降。
在麻醉对小脑的致病作用方面，在颗粒层中观察到明显的神经凋亡，浦肯野细胞的密度、连通性和树突状长度降低。这些观察到的麻醉结果的时间可能略早于，甚至可能与GABA能突触发育期相一致，因为这些发现在小鼠出生后第7天和第10天之间。
新生儿麻醉引起的丘脑细胞凋亡也已被广泛报道。例如，一项研究显示在新生儿麻醉后，小鼠丘脑中的神经细胞凋亡和行为缺陷；其影响因反复暴露于而恶化。神经细胞凋亡和行为缺陷之间的联系可能来自于另一项研究的结果，该研究发现，持续6h的单次麻醉可诱导兴奋性和抑制性传递的改变。这些结果表明，神经毒性和神经细胞凋亡可以诱导E-I关系的改变，这是丘脑神经元回路的典型感觉和学习功能所必需的。
3.2.短期神经毒性
这些观察到的变化可能有多种机制。有研究表明，麻醉可能引起表观遗传变化，导致脑源性神经营养因子的下调，这是由于转录因子之间的相互作用增加，和/或GABA合成酶（GAD65和GAD67）的下调。麻醉也可能是导致细胞内质网改变或谷氨酸信号增加的原因，这些已知可诱发神经退行性变。
由于氧气（浓度在30-100%之间）通常与麻醉剂一起使用，麻醉相关的高氧也可能是一个促成因素。高氧可导致氧化应激，其中由高氧条件导致的活性氧（ROS）的积累会使大脑的天然抗氧化能力过度饱和，从而导致神经毒性。如果要结合全身麻醉和更高水平的氧气，这种效果可能会加剧。例如，在80%的氧气中，1MAC的异氟烷可以使脑组织中的氧气分压增加高达300%。如前所示，许多直接的神经毒性途径可以解释新生儿麻醉后立即观察到的神经细胞凋亡。然而，对于每种途径可能在多大程度上导致神经毒性和最终的神经凋亡，还没有达成明确的共识，因此，这强调了进一步研究的必要性。
这些机制的结果可能不是普遍的，也应该注意到的是，在新生儿麻醉如何影响GABA能系统方面的一些性别差异已经被确定。Aligny等人发现了这样一个差异，他们观察到，与雄性对照组相比，麻醉显著上调了雄性啮齿动物皮质中的Cl-转运体，而麻醉暴露的雌性Cl-转运体水平与雌性对照组难以区分。另一个例子可以在Chung等人的研究中看到，他们观察到自发性抑制性突触后电流减少。这些发现，加上女性和男性中GABA能发育的不同速度（注意，这一过程可以是特定区域的），表明了新生儿麻醉后期发育影响中微妙的性别差异的可能基础，这样女性更有可能表现出空间学习和记忆受损，与男性表现出非空间学习和记忆缺陷以及焦虑行为的趋势相反。
3.3.长期的神经血管耦合缺陷
GABA能神经元在正常神经血管相互作用中的作用已经在之前的章节中进行了综述。然而，由于新生儿麻醉影响GABA能系统的发展，可导致血流动力学功能的减弱。在刺激期间，血氧水平依赖（BOLD）功能磁共振成像（fMRI）和区域静息状态fMRI的变化。观察到的BOLD fMRI反应的幅度减少，表明缺陷是在神经元水平、血管水平或两者均有。区域静息状态fMRI低频波动幅的变化表明，新生儿麻醉者动脉血管舒张没有达到正常的成人水平。新生儿麻醉暴露后神经血管缺陷的存在提出了一个重要的问题，即高度局部缺氧延迟发展的可能性，如前所述，这涉及到GABA能功能。
通常，氧气输送不足难以满足同时存在的氧气需求就会导致缺氧。这种状态的病理影响是众所周知的。如果没有足够的氧气供应来支持神经元活动，细胞功能障碍甚至死亡将不可避免地发生。在急性缺氧的情况下，如缺血性发作，氧气输送几乎完全停止，能量衰竭导致坏死。然而，在轻度慢性缺氧病例中，神经元凋亡水平仍然升高。慢性缺氧的脑组织在生化特性开始改变时，脑组织氧应达到特定的“阈值”水平。ROS的形成是细胞代谢的典型结果。当ROS的浓度保持在可接受的范围内时，它们发挥着重要的生理作用，如细胞增殖、分化和迁移。然而，缺氧条件已被证明会上调ROS的产生，超出了抗氧化系统的内在能力，从而诱导氧化应激。氧化应激对细胞的健康尤其有害，因为ROS与必需的大分子（即蛋白质、脂质、核酸、细胞膜等）发生反应并随后触发细胞凋亡。除了ROS的积累外，缺氧还可导致细胞内和细胞外pH值降低，磷酸肌酸浓度、无机磷酸盐浓度和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）水平升高。这些细胞内和细胞外成分的变化都会长期削弱神经元网络的功能，甚至导致细胞凋亡。如上所述，缺氧可通过多种机制途径导致细胞死亡，从而巩固了正常的神经血管耦合对健康、大脑功能和发育的重要性。
如前所述，GABA能系统特别容易受到新生儿麻醉的影响。因此，GABA能中间神经元的死亡不仅会导致局部神经元网络的重组，而且还会影响GABA能系统参与的神经血管耦合。比较预期的麻醉相关神经毒性和神经血管耦合缺陷引起的局部缺氧，我们应该强调，后者可能具有延迟和渐进的效应，在动物模型中持续数周/数月，在人类中持续数年。因此，这一效应预示着，如果新生儿麻醉在GABA能发育的关键时期进行，最初麻醉诱导的细胞凋亡将改变局部神经元网络，从而导致由局部高度缺氧区域驱动的弥散性神经元功能障碍。
由于神经血管缺陷在新生儿麻醉暴露后发生得很晚，这提出了一个问题，即它如何与神经退行性疾病纠缠在一起。GABA能系统通常通过Cl-通道运行，因此，重要的是要承认有几种神经退行性疾病 （例如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病）与这些通道的功能障碍有关。更具体地说，一些研究报道了新生儿麻醉后淀粉样-β-蛋白水平升高。因此，神经退行性疾病的发生和进展与新生儿麻醉之间可能存在联系。为了确定这些可能性的有效性，并完善我们对麻醉在整个生命周期中参与异常发展的理解，确实需要进一步的探究。
这些神经毒性和神经血管耦合缺陷的可能机制概括了新生儿麻醉的显著后果。鉴于这些变化发生在基本的GABA能发育过程中，他们表明GABA能功能受损或改变是儿童学习和行为缺陷的一个促成因素。麻醉诱导GABA能信号异常导致这种损伤的生理手段可以通过E-I平衡的明显变化来阐明。
3.4.新生儿麻醉后的E-I失衡
因为有一系列可能导致E-I不同程度的失衡，这样较小变化的平衡产生障碍主要在行为和认知水平，而大的变化导致神经症状（例如癫痫），我们应该首先建立典型的失衡水平是由新生儿麻醉的延迟效应引起的。有一个普遍的共识，即严重的神经功能缺陷（例如癫痫和小脑共济失调，表现在较大的失衡情况下）通常与新生儿麻醉无关。因此，我们将主要讨论轻度水平的E-I失衡。
与神经功能缺陷不同，新生儿麻醉暴露后存在可诊断的精神障碍是一个有争议的话题。例如，以自闭症为例，它是否与新生儿麻醉有关仍存在争议。另一方面，学习缺陷被认为是新生儿麻醉后延迟并发症的主要标志。研究表明，前额叶皮层中的E-I平衡对工作记忆和联想学习至关重要，而小脑中的E-I平衡是一些经典条件反应的表达所必需的。
评估新生儿麻醉暴露后成人E-I平衡的研究数量非常有限。然而，一项这样的研究报道了在新生儿期重复接受异氟醚麻醉的成年兔中GABA水平的变化。其中一些变化与学习有关。例如，本研究观察到家兔齿状回中较低的GABA水平对应于正常学习后较低的GABA能抑制，然而，这种适应在暴露于新生儿麻醉的成人中并不存在。此外，另一项研究报道，在新生儿期反复暴露于异丙酚后，成年小鼠的局部抑制性神经元间网络的活性发生了改变。作者发现，当小鼠执行运动学习任务时，表达小清蛋白和表达生长抑素的中间神经元不活跃，但表达血管活性的肠肽的中间神经元过度活跃。一项体外研究表明，新生儿异氟烷麻醉暴露通过α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）介导的机制使诱发兴奋性突触后电流（eEPSCs）增加了两倍，而青春期大鼠丘脑中诱发抑制性突触后电流（eIPSCs）的振幅也增加了。这些发现表明，新生儿麻醉可导致神经元兴奋性的长期改变，其中eIPSCs大小的增加可能是一种特定的适应，以补偿现有的E-I失衡。
综上所述，这些数据表明，新生儿麻醉后的E-I失衡水平通常不足以诱发明显的神经或精神疾病，但它可能确实足以产生学习/记忆缺陷。
4.方法论展望
在本节中，我们将回顾一些可以评估GABA和E-I平衡在人和动物新生儿麻醉暴露后神经元功能障碍中的自然作用的体内方法。一般来说，这种类型的评估将是一项技术上困难的任务，因为它应该在无麻醉、无应激和无疼痛的受试者中进行，因为这些混淆会导致神经元同步，以及其他影响，这将人为地改变GABA能信号和观察到的E-I平衡。
4.1.神经成像技术
磁共振（MR）神经成像研究可能被证明是研究人类和动物中GABA能系统未来发展的重要工具。最明显的选择是MR光谱（MRS），它具有检测体内内源性代谢物的能力。由于大脑中GABA的浓度一般相对较小，而GABA在磁场中的自然行为使得精确检测GABA很困难，MRS必须在高功率成像仪（即3 Tesla及以上）中采用光谱编辑方法。通过这些调整，MRS可以用于测量新生儿麻醉后GABA活性的变化。这一研究领域的第一个数据是最近才获得的。虽然MRS对未来的研究中有强大的前景，但临床MRS的空间分辨率可能不足以检测GABA能系统的微小和弥散性改变。
BOLD fMRI是一种基于氧/脱氧血红蛋白动力学的方法，因此可以通过血流动力学信号和神经血管相互作用间接评估氧输送。BOLD fMRI已经证明是有效识别暴露于新生儿麻醉的成年兔子变化的血流动力学反应，此外，还具有潜力研究清醒时在动物局部注射药物前后的E-I平衡。尽管延迟麻醉引起的血流动力学反应的变化可能很小，但BOLD fMRI似乎有能力识别这些变化，只要成像是结构靶向的。造影剂成像可以进一步提高这些MR方法的特异性，然而，由于造影剂的潜在毒性，这种方法可能对儿童有害。另一方面，旨在得出脑区域功能连接结论的静息状态fMRI已经证明了其检测发育中的新生儿海马体变化的能力。此外，区域静息状态fMRI也被用于观察新生儿麻醉后血流动力学信号的变化。一种单独的MR模式，扩散张量成像，能够跟踪整个发展的白质成熟过程。该技术测量了水扩散的大小和方向，并对影响组织各向异性的因素很敏感，如轴突密度或树突分枝。虽然这些指标并不能提供关于GABA功能的直接信息，但它们可以用于评估选定结构中的轴突和树突的变化。
其他（非基于MR的）神经成像方法包括体积测量技术，如计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）。这些方法将被证明是在MR模式不合适的情况下可用于检测大脑结构发育异常。虽然使用造影剂的螺旋CT扫描可以创建大脑中血管的三维可视化，但可能需要进一步的技术进步来绘制微血管系统的结构。
4.2.神经成像替代方法
在儿童中，一些神经成像替代方法有能力提供更好的时间分辨率。脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）主要是测量皮层神经元活动的非侵入性方法。脑电图测量脑电场的变化，而脑磁图记录由神经元活动产生的磁场的变化。这些方法经常被用来理解大脑皮层认知的生理基础，然而，他们也可能能够检测到新生儿麻醉后大脑皮层的生理变化。尽管如此，我们必须再次强调，观察新生儿麻醉后生理变化所需的空间敏锐度可能首先需要进一步的技术进步来无创地记录大脑活动。
另一方面，动物模型提供了更多方法上的灵活性。可以使用适当的对照组和侵入性的方法来研究结构功能的变化。上述所有方法都适用于动物模型，但使用哪一种方法的选择应取决于清醒动物对压力的敏感性。
在动物中，局部激光多普勒技术可以评估脑血流的相对变化，以帮助研究体内神经血管耦合，双光子显微镜可以代表三维神经元结构，同时记录血管运动和神经元活动。此外，经典记录的单个神经元体内植入电极也可以提供信息的活动抑制和兴奋细胞，以及直接的、局部脑组织氧微电极记录可以评估依赖于GABA能参与神经血管耦合氧动力学的额外好处。
在不久的将来，我们预计这些方法将是研究新生儿麻醉如何影响GABA能发育和神经血管相互作用的基本机制方面最有效的方法之一。
5.结束语
在描述了GABA能系统的主要作用以及它如何发展以实现其功能后，我们概述了新生儿麻醉在这些过程中的破坏性作用。如前所示，GABA能系统在从维持E-I平衡到其双重调节氧消耗速率和支持氧输送的一系列过程中至关重要。新生儿麻醉的不成比例的神经毒性和神经凋亡效应可能会在其发育的关键时期对与学习和行为相关的GABA能系统产生负面影响。因此，我们得出结论，新生儿麻醉对GABA能发育的影响可以解释在年龄较大的儿童中出现的一些延迟学习和行为异常。
动物模型已经明确地得出结论，在动物的新生儿麻醉暴露后，神经细胞凋亡在整个大脑中都是明显的。大多数人类队列研究显示了相互矛盾的结果，即儿童新生儿麻醉可能不像动物模型显示的那样危险，但这是基于更短的麻醉暴露时间得出了这样的结论。动物模型通常持续6h且经历多次，而儿童的观察报告大多被限制在单次麻醉约1h。虽然事实上，单次新生儿麻醉持续时间可能对儿童相对无害，但后期缺陷的风险随着持续时间、频率和较早的麻醉而增加。此外，评估新生儿麻醉对儿童的神经毒性作用是困难的，因为它仍然没有确定在什么年龄阶段学习缺陷将开始表现出来。
我们认为新生儿麻醉对学习和行为的负面影响不是立即的，需要大量的时间（年）来充分发展。这种延迟可能是由于GABA能系统的发育曲线延长所致。新生儿麻醉对行为的影响需要时间来发展，一旦患者接近青春期可以变得更加明显。因此，我们不认为新生儿麻醉的直接后果会永远持续下去，并继续影响神经元到青年期，尽管因此发生的学习/行为变化将会持续存在。然而，发育影响的确切时间首先在临床上变得可见仍需通过使用在整个研究期间进行频繁评估的纵向研究来阐明。
当婴儿单次或多次累积性使用全身麻醉药时，必须考虑发育异常的风险。这可以通过逐渐减少麻醉依赖神经凋亡动力学中看出啮齿动物在出生后14天的动态变化，并进行回顾性分析，重点关注儿童和青少年曾暴露于麻醉的早期发展，这表明最脆弱的发展后果是直到大约4岁。因此，在未来研究的支持下，我们建议在决定最合适的治疗方案时进一步考虑，例如，使用区域麻醉而不是全身麻醉、可能将干预推迟到发育后期以及在基于非有创近红外光谱（NIRS）的脑血氧仪监测下使用氧气。
为了解决这些问题，我们回顾了神经成像和非神经成像技术，可用于在体内评估新生儿麻醉的延迟效应。对人类的研究可能会依赖于多用途的MR方法，因为它们广泛适用，并且正在不断发展。然而，MEG和EEG也可能需要加强MRI的检查结果。尽管这些技术最终将被证明对人类有用，但可用于动物模型的神经成像和非神经成像技术显示出最直接的前景。动物模型将能够阐明麻醉的即时和延迟的神经毒性和神经凋亡后果与发展后期进行的功能、仪器分析结果之间的联系。
（Gascoigne DA, Serdyukova NA, Aksenov DP. Early Development of the GABAergic System and the Associated Risks of Neonatal Anesthesia. Int J Mol Sci. 2021 Nov 30;22(23):12951. doi: 10.3390/ijms222312951.）
嘉兴市第二医院麻醉科简介
嘉兴市第二医院麻醉科建科于1979年，为浙江省医学扶植学科，嘉兴市医学重点支撑学科，国家级住院医师规范化培训基地。科室人才辈出，梯队优良，目前麻醉科医生45名，主任医师6名，副主任医师9名，主治医师14名，麻醉护士14名，手术室护士60名。其中博士2名，硕士23名，教授1名，副教授6名，硕士生导师5名。年完成麻醉量近4万例。骨干成员分别在德国图宾根大学附属医院、德国鲁尔大学附属医院、英国皇家自由医院、美国西北大学芬堡医学院、北京阜外医院、上海中山医院、华西医院等国内外知名院校进修学习，在各领域打造嘉兴地区最优秀麻醉手术团队。
临床上承担嘉兴地区老年危重病人麻醉联合诊疗中心以及超声可视化教学基地，推动本地区舒适化医疗和围术期快速康复外科快速发展。教学上承担浙江省中医药大学、蚌埠医学院麻醉学硕士生培养，嘉兴学院、温州医科大学等临床本科实习生教学基地。是第一批国家级麻醉专业住院医师规范化培训基地，目前已培养优秀的麻醉住培医生70余人。科研上主攻方向为老年患者围术期脏器功能保护、精准麻醉与可视化技术和围术期认知功能障碍的预防与发病机制三个方向，目前承担各级科研项目20余项，GCP 项目5项，科研经费300余万元，发表论文100余篇，SCI30余篇，省市科研获奖十余项,专利20余项。医教研共同发展为手术科室提供卓越的麻醉手术平台，为本专业培养优秀的青年麻醉医生，也起到了本地区麻醉科研的学术引领作用。
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