原創 Scripps&Bowler 神經現實 來自專輯深度 | Deep-diving
醫院對患者施行全身麻醉來進行常規手術的歷史遠超一百年。現如今，對麻醉劑的使用在全世界每天都有成千上萬例。
雖然我們知道麻醉劑可以使我們失去意識，但一開始我們並不清楚全身麻醉背後實際的作用機理，直到如今我們仍然沒有得到一種完備的解釋。
但是這並沒有阻止科學家們在過去的170年中提出各式猜想。不知道在生物學層面發生了什麼，而僅僅只是讓人們失去意識，這可不夠好，尤其是還存在有病人在手術中醒來的損傷案例。
一百多年來，關於麻醉劑的作用機理有一個備受爭論的問題：麻醉劑是直接作用於被稱為「離子通道」的細胞膜上的門，還是以一種新奇而不可預測的方式作用於細胞膜，從而發出信號改變細胞狀態？美國斯克裡普斯研究所（Scripps Research Institute）5月28日在《美國國家科學院院刊》新發表的一篇論文嘗試對這一問題作出回答。
這項工作採用納米精度的現代顯微技術，結合巧妙的活細胞和果蠅實驗設計，由化學家、醫學博士理察·勒內（Richard Lerner）和分子生物學博士斯考特·漢森（Scott Hansen）共同完成。兩位研究者告訴我們：在經歷了近五年的實驗、討論、爭議和挑戰之後，他們終於得到了結論——麻醉是一個需要兩步的過程：其中第一步發生在細胞膜上，麻醉劑破壞了細胞膜內原本有序的脂團（被稱為「脂筏」，lipid rafts），從而激發信號，即麻醉劑並不是直接作用於離子通道。
勒內說：「我們認為這個全新的通路很有可能也被大腦的其他功能運用著，現在這讓我們能更進一步了解大腦的奧秘。」
乙醚屋
乙醚能導致意識喪失，1846年，這種現象首次出現在麻省總醫院的一名腫瘤患者身上。當初的手術室後來被稱為「乙醚屋」（the Ether Dome）。後來，這個手術過程還被羅伯特·C·亨克利（Robert C. Hinckley）描繪在了一幅名畫裡，名為「乙醚下的第一個手術」。
1899年的德國藥學家漢斯·霍斯特·梅耶 （Hans Horst Meyer），以及1901年的英國生物學家查爾斯·俄內斯·歐文特（Charles Ernest Overton）作出了一個頗為合理的推論：是脂團的可溶性導致了這類麻醉劑的藥效。然而脂筏機制假說在接下來的幾十年內逐漸失勢，很多的學者轉而支持一些其他的新學說，其中最被廣泛認可的觀點是：麻醉劑是通過作用於腦內某種特定的受體從而導致人們失去意識的。
「乙醚下的第一個手術」，羅伯特·C·亨克利。
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佛朗西斯·A·康特威醫學圖書館，哈佛醫學院
漢森回憶道，他當時為了進一步研究這個歷史問題，正在寫一個項目基金申請。在打開谷歌搜尋引擎時，他想到他應該不是唯一一個相信「細胞膜脂筏在麻醉中發揮作用」的人。讓漢森開心的是，他找到了勒內1997年發表在《美國國家科學院院刊》上的文章的一張名為「關於全身麻醉的一個內源模擬假設」的圖，勒內正是由這張圖提出了以上的脂筏機制假說。漢森從很早以前就一直在關注著勒內 —— 真的是字面意思上的關注。作為一個在聖地牙哥的準博士學生，漢森說他在一個地下室實驗室工作，那個實驗室有個窗戶剛好能看到勒內在斯克裡普斯研究所的停車位。
「我聯繫他說：『您永遠也不會相信——您1997年的圖對我們現有的數據作出了直觀描述。』」漢森回憶道，「真是太妙了。」
對勒內來說，這同樣是一個激動人心的時刻。「這可是一個爺爺級別的醫學謎題。當我還在斯坦福醫學院時，這就是我唯一想解決的問題。麻醉的應用價值如此重要，我不敢相信我們還不知道這些麻醉劑是怎樣讓人們失去意識的。」
漢森說，百年以來有許多科學家們也想通過實驗得到相同的答案，但他們缺少了幾個關鍵要素：首先，是能夠對小於光衍射極限的生物結構進行成像的顯微技術；其次，是對於細胞膜屬性，以及組成細胞膜的脂團的複雜結構和多樣功能的新見解。
「他們一直在整個脂團的海洋中試圖大海撈針，但這樣的話信號就被衝走了，他們無法看到——很大一部分原因是技術的缺乏」，漢森如是說。
從有序到無序
研究者們採用了獲選諾獎的顯微技術，具體來說是一個叫做dSTORM的顯微鏡——它是「直接隨機光學重建顯微鏡」（direct stochastical optical reconstruction microscopy）技術*[1] 的縮寫。漢森實驗室的一名博士後研究員將細胞浸泡在了氯仿裡，然後觀察到了像是「桌球開局擊球」一樣的現象。讓細胞與氯仿接觸這一操作大大增加了一種被稱為「GM1」 *[2] 的細胞膜脂團的直徑和面積，漢森解釋道。
他觀察到的現象是GM1脂團組織的變換：從一個緊密分布的球體到一個被打散的混亂狀態，漢森說道。在脂團變得無序的過程中，GM1放出了它的成分之一：D2磷脂酶（ phospholipase D2，PLD2） *[3]。
*譯者注
[1] 直接隨機光學重建顯微鏡：該技術以傳統的抗體或是化學標籤作為螢光標記，用於超衍射聚焦精度的螢光成像，可實現大約20納米的橫向解析度。
[2] GM1 (monosialotetrahexosylganglioside1): 單唾液酸四己糖神經節苷脂1, 也被稱為鞘磷脂。是脂筏中除膽固醇外的主要構成脂質。它的水解導致脂筏合併到一個更大的結構域裡，並與鉀離子通道結合。
[3] PLD2：D2磷脂酶催化磷脂醯膽鹼水解為磷脂酸和膽鹼。當脂筏被機械力破壞時，D2磷脂酶在脂筏上的位點會被打亂，導致本來不受麻醉劑作用的鉀離子通道蛋白變得對麻醉劑敏感，從而激活鉀離子通道。D2磷脂酶還被認為有控制分泌，細胞骨架重組，轉錄調控和控制細胞分裂周期的作用。
將PLD2用螢光化學物質標記，漢森就能通過dSTORM顯微鏡看到PLD2像桌球一樣從它在GM1的家裡，移動到了一個不同形態、不太常見的脂團「PIP2」裡。這個過程激活了在PIP2脂團裡的關鍵分子，其中包括TREK1鉀離子通道以及它們的脂團激活物——磷脂酸（phosphatidic acid，PA）。TREK1通道的激活會暫停神經元發放的能力，從而導致意識的喪失，漢森說道。
細胞膜上一個有序的膽固醇聚集體，在接觸氯仿後短暫地變成了無序的結構。
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漢森實驗室，斯克裡普斯研究所
「TREK1鉀離子將鉀離子從細胞內釋放出去，這就會使神經細胞超極化——讓它更難發放——從而把它關閉了。」漢森說。
勒內認為他們在活體動物模型裡證實了這個發現。數據來源於常見的果蠅（學名為drosophila melanogaster）。在果蠅中刪除PLD的表達，讓它們對鎮定劑產生了抗性。在實驗裡，他們需要用兩倍的麻醉劑才能達到相同程度的麻醉效果。
「所有的果蠅最終都會失去意識，這提示了PLD只是幫助建立了一個麻醉閾值，但不是控制麻醉劑敏感度的唯一通路。」他們寫道。
漢森和勒內說，這項發現也許對大腦其他謎題的解釋也提出了全新見解，包括讓我們入睡的分子機制。
1997年勒內對「脂基質」在信號通路裡的作用所做的假設，最初來源於他對「睡眠」的生化研究，以及他發現的一個導致睏倦的脂質（他稱為油醯胺，oleamid）。漢森和勒內將繼續在這個領域合作。
漢森說：「我們認為這個發現是重要且基礎的，但還需要很多進一步的研究。這需要很多人的共同努力。」勒內也同意這一觀點。
「科學家們會從各種你能想像到的領域來研究這個問題：睡眠、意識、所有相關疾病。乙醚是一個幫助我們了解意識的禮物。它照亮了一條未被發現的、大腦用於控制高級功能的道路。」漢森如是說。
- Matt Chinworth -
未完待續的故事
「這篇論文中的內容也許是故事的一部分，但它顯然並不是故事的全部，因為目前存在著與之相矛盾的實驗結果。有一些其他的研究得出的結論偏向於支持的觀點是麻醉劑的作用機理更多地依賴於受體和離子通道。」來自阿爾弗雷德醫院和莫納什大學的麻醉研究員保羅·邁爾斯（Paul Myles）說。
聽上去這項關於全身麻醉的研究既對又錯，這似乎不太合理。但是，有一種巧妙而簡單的解釋可以讓以上這些都能說得通。
脂筏機制假說從分子的角度認為所有的麻醉劑都是基於相同的機制起作用的。但現如今，在醫療中採用的麻醉劑種類繁多，這些麻醉劑都有著不同的分子結構。如果這些麻醉劑都以同樣的方式運作，那未免也太巧了。
「這就是長期困擾著研究者們的難題，因為這些麻醉藥物（氣體、蒸汽或是靜脈注射的藥物）的結構大相逕庭，但他們最後帶來的結果（使人失去意識）卻看上去完全相同。」
「但很顯然他們並不是依循單一的機制來運作，因為同一把鎖可以被那麼多種不同類型的鑰匙打開，這說不通。」
有可能的情況是最終產物——意識的失去——是由若干不同的分子機制（也就是之前的隱喻中的鎖）產生的，而不是簡單地以一種「一刀切」的方式。
YakobchukOlena
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邁爾斯表示，「在細胞中，這些鎖可能互相之間存在聯繫，你可能可以通過這若干不同機制中的一種來解鎖。」
「這就是為什麼這個問題仍然令人困惑。我們還不知道整個機制的全貌，以及這一切是如何發生的。」
因此，那些聲稱研究者已經「解決」了全身麻醉是如何起作用的標題並不是全部錯了。不管所提出的結論是關於離子通道、特定的神經元還是減弱腦內的突觸強度，他們都是故事的一部分。我們只是還沒能「閱讀全文」。
萬幸的是，對全身麻醉研究得越多，我們就越接近完整的答案。「我認為特別是在過去的十年裡，這方面的研究取得了驚人的進展。不誇張地說，每一年我們都在細胞層面上更好地認識了這一問題。」邁爾斯說。
但願我們離可以信誓旦旦地說「我們真的破案了！」的日子不遠了。
作者：Scripps Research Institute & Jacinta Bowler
封面：Ines Cui | 譯者：航跡雲、Orange Soda
審校：殷尚墨羽 | 排版：酸酸
原文：
https://neurosciencenews.com/anesthesia-consciousness-16471/
https://www.sciencealert.com/for-over-150-years-how-general-anaesthesia-works-has-eluded-scientists-we-re-finally-getting-close
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