微管在意識和麻醉中的作用

崔楠雪 徐尤年 周 巧 張詩海

麻醉是藥理學最偉大的發現之一，可以有選擇地和可逆地阻斷意識，同時還能保留無意識的大腦活動[1]。然而迄今為止，麻醉的作用機制以及大腦產生意識和編碼記憶的機制同樣未知，這兩個秘密可能是互相關聯的。

麻醉機制是理解意識的最佳途徑。麻醉劑對意識具有相當的選擇性，麻醉過程中沒有形成新的記憶，同時舊的記憶并沒有丟失，無意識的大腦活動在麻醉期間繼續進行[2]。理解意識可能需要理解麻醉，反之亦然。為了理解麻醉劑是如何引起意識喪失并可能逆轉這一過程，需要知道麻醉劑在哪里作用以及如何結合并選擇性地阻止意識、認知和記憶，麻醉作用的部位和機制涉及神經元內部的微管，而意識的形成也和微管有關[3]。本文就微管與意識和麻醉相關的文獻進行綜述，理解微管對于意識和麻醉的作用不僅可以解決關于意識的問題，同時還能幫助設計和開發新型麻醉劑。

一、意識和麻醉

目前的麻醉理論聚焦于與意識的神經相關的功能和解剖過程。從解剖學上來說，全身麻醉劑已經被證明會束縛和影響大腦的各個區域，包括后扣帶皮質、眶額皮質、右角回和丘腦[4]。意識喪失與大腦皮質有關，遺忘與邊緣系統有關，運動和疼痛喪失與脊髓有關[5]。

在20世紀初期，德國藥理學家漢斯·霍斯特·邁耶和英國生物學家查爾斯·歐內斯特·奧弗頓測定了常用吸入麻醉劑乙醚和氯仿等在橄欖油中的溶解度，并比較了它們的脂溶性和全身麻醉效果之間的關系。他們得出結論，吸入性全身麻醉藥物均具有較高的親脂性，并且其親脂性與麻醉效果呈正比。

于是邁耶和奧弗頓做出假設，全身麻醉藥物可能是通過誘導神經的脂質成分發生物理-化學結合，導致神經中的成分發生變化，才最終誘發了麻醉效應，這個解釋也被稱為Meyer-Overton法則，即為全身麻醉機制的脂質學說[6]。也就是說，全身麻醉藥作用位點是神經細胞細胞膜上的脂質。不過具體的作用機制究竟怎樣，一直無人知曉。

進入20世紀50年代之后，隨著細胞電生理學以及分子生物學技術的發展，科學家在細胞膜上發現了大量的蛋白受體和離子通道，這一發現為研究意識的形成及發展開創了新的思路[7]。然而，蛋白受體上的直接麻醉效應是可變的，單細胞生物如黏菌和草履蟲沒有突觸受體或網絡，麻醉作用主要由細胞骨架微管執行。

20世紀80年代初，一種“少數派觀點”認為麻醉劑分布于細胞質中的細胞骨架微管亞單位蛋白以及受體和通道蛋白中的疏水口袋中，以單一量子相發揮作用[8]。麻醉劑作用于神經元疏水區域，不是與特定受體結合，而是通過一些量子活動發揮作用。有研究認為在正常情況下，意識的產生過程為蛋白質內疏水區的偶極相互耦合并相干振蕩，麻醉氣體通過自身的倫敦力耦合結合在這些非極性疏水區域，分散意識所需的內源性偶極子，阻止意識的產生。盧卡·都靈提出了類似的想法，他研究了麻醉劑對果蠅電子自旋的影響[9]。有證據表明麻醉劑減緩了放電中自由電子的運動，分散功能電子偶極子，抑制意識所需的電子遷移。

在20世紀80年代中期，Franks等[10]發現麻醉劑直接在蛋白質中起作用，例如由芳香氨基酸π電子共振云組成的類脂的、非極性的“疏水口袋”中。彭羅斯和哈默羅夫在20世紀90年代中期提出了一種基于微管量子計算的意識理論[11]。他們認為微管是一種蛋白質，微管中的量子效應在意識的本質中起著作用。該理論一經出現便被廣泛駁回，因為大多數科學家認為量子效應不太可能發生在溫暖潮濕且易發生退相干的生物系統中。然而，隨著量子生物學的發展，表明情況并非如此。近年來的一項理論概述了磷核之間的量子糾纏如何影響神經元的放電，量子意識的微管機制已經被其他量子認知理論所加入。研究提出，全身麻醉使人意識消失是通過量子手段實現的，可以用電子自旋的變化來衡量[12]。這些理論和其他理論為研究量子效應是否有助于神經處理的領域做出了貢獻[13]。

研究試圖應用量子理論來解決意識的難題。2002年，分子模擬表明，在意識所必需的量子電子過程中，微管的“微管蛋白”亞基中的芳香族氨基酸色氨酸環之間，以及從一個微管蛋白二聚體通過微管到其相鄰的微管蛋白二聚體之間，存在電子共振[14]。Pan等[15]進一步發現，麻醉氣體分子結合在這些相同的區域，并作用于這些區域以阻止意識。這被認為是麻醉作用的“量子遷移理論”。

動物暴露于麻醉劑氟烷后，基因表達的蛋白質組學分析表明，神經元生長、增殖、分裂和通訊這些功能都依賴于微管發揮效應。在嚙齒動物的大腦皮質神經元中，有7種蛋白質的基因表達在氟烷或異氟烷暴露后發生了變化，而其中只有3種蛋白質受到兩種麻醉劑的影響。這3種包括微管蛋白和另外兩種，一種熱休克蛋白和一種乙酰轉移酶。在大鼠腦中的其他研究顯示，暴露于地氟醚3天后和七氟醚28天后微管蛋白基因表達發生變化[16]。因此，現有證據支持麻醉劑作用于細胞質中的細胞骨架微管，微管介導了意識和麻醉作用的產生。

微管作為麻醉和意識的橋梁，在細胞生長發育、神經元功能傳遞過程中起著不可替代的作用。

二、微 管

1.微管的結構：微管由微管蛋白二聚體聚合而成，由α和β兩種微管蛋白組成。微管蛋白二聚體首先形成縱向原纖絲；這些原絲中的13根形成直徑約為25nm的微管[17]。微管形成真核細胞和一些原核細胞的細胞骨架的一部分，并有助于細胞形狀和結構的維持。它們有多種功能，是細胞分裂的組成部分，形成紡錘體，介導染色體分裂為子細胞。微管還充當運動蛋白在細胞內移動細胞成分的軌道。盡管微管存在于所有真核細胞中，Orch OR理論主要關注存在于神經細胞中的微管，特別是在這些細胞的樹突和細胞體中發現的微管[18]。這是因為軸突和非神經細胞中的微管呈放射狀規則排列，不太支持信息處理，非神經細胞中的微管也是動態不穩定的，能夠以各種方式被拆卸。而樹突和胞體中的微管排列不太規則，形成了哈默羅夫和彭羅斯所說的非常適合學習的遞歸網絡。同時，樹突和神經細胞體中的微管可以由微管相關蛋白阻止分解，因此表現得更加穩定，并能夠編碼Orch OR理論所需的長期信息。

肌動蛋白和微管形成細胞骨架的基本成分,并被動態調節，以控制多種細胞內和細胞間的過程。有研究提出假設,麻醉劑可能通過調節細胞骨架成分的內部細胞網絡來損害單細胞的器官功能。在1968年對全身麻醉的潛在機制作出假設，即全身麻醉藥物對誘導的細胞骨架進行調節,最終導致了神經化學信號受損。微管蛋白就是一個例子,它是一種豐富的蛋白質,可以寡聚成微管,形成細胞(尤其是神經元)支架的關鍵成分。麻醉劑與微管蛋白結合,導致微管不穩定。麻醉劑還可以導致微管基分子馬達,如驅動蛋白,可逆地從微管網格上脫落,從而破壞囊泡、蛋白質和細胞器向突觸的運輸。麻醉作用與細胞骨架的體內相關性已在蝌蚪中得到驗證,同時也在人類中得到了證明，證實在微管穩定藥物存在的情況下,麻醉抗性增加[19]。此外,現在有幾種理論將麻醉劑對微管動力學的影響作為意識喪失的基礎。

2.微管中的電震蕩:微管(MTs)是由αβ微管蛋白二聚體單元的中空圓柱結構形成的細胞骨架的獨特組成部分。MTs也是高電荷極性聚電流變片，具有電特性。電流注入引起電壓振蕩，因此微管中顯示出類似于動作電位的興奮性。振蕩通過各種模式進行，包括單周期和雙周期狀態以及更復雜的行為，其中最突出的是29Hz的基頻。弗里德曼等首次嘗試模擬磁流變壁，并將離子電導歸因于磁流變透壁電擴散離子轉移中的納米孔[20]。

目前研究中的振蕩行為主要表現為29Hz的基頻，也有一些生物振蕩現象突出顯示30Hz的周期。已經在各個類型細胞骨架結構中觀察到了29Hz頻率范圍內的機械膜振蕩[21]。另一個相關的30Hz頻率現象出現在大腦的伽馬循環中，這是范圍在30～100Hz的最高頻率腦波類型。伽馬循環與更高的認知功能有關，包括想法的形成、語言處理、各種類型的學習和冥想[22]。伽馬波與記憶的處理和回憶的認知行為有關，并且已知在麻醉誘導的深度睡眠期間可逆地消失，這種現象歸因于MT振蕩的變化[23]。因此，相鄰αβ微管蛋白異二聚體的靜電誘導振動可能充當電振蕩器，允許電擴散離子傳輸。高頻神經振蕩與意識狀態有關，而低頻活動與無意識狀態有關。

研究發現，在生理條件下，MT壁表現為高度同步的電振蕩器網格。這些磁流變結構能夠在導電狀態下產生很大的變化。MTs的電振蕩在生物信號事件中起著未知的作用，例如神經元中電信息的傳遞，細胞分裂的控制，以及MTs驅動的細胞器如軸突、纖毛和鞭毛中貨物的轉移。電激活的運動神經元可能是許多神經相關現象的中心，從麻醉到大腦中波形的形成和意識的開始，電激活的MT可能都參與其中并發揮作用[23]。電刺激的MT就像具有復雜的非線性傳輸線的生物晶體管一樣，能夠支持電信號的放大和軸向傳遞。在細胞質內，MT產生的可變電流可能有助于細胞內大電場的存在和調節，進而有助于控制細胞功能[21]。

3.微管和麻醉：微管通過與其他細胞骨架成分(包括微管相關蛋白和肌動蛋白絲)的組裝和協調活動，維持細胞形狀并產生運動。在神經元中，微管在細胞形態中起關鍵作用；建立和維持細長的軸突、樹突及其突觸。軸突中的微管是長的、連續的、同極性的，而樹突微管是短的、間斷的、混合取向的。在所有的神經活動中，微管相關蛋白將微管連接成復雜的網絡，形成神經元和突觸結構的支架。突觸活動是通過運動驅動蛋白和動力蛋白沿微管軌道運輸來協調的。

在阿爾茨海默病(AD)中移位的微管相關蛋白tau已被證明是在微管網絡的特定位置傳遞突觸前體運動的“交通信號”[24]。因此，微管網絡中微管相關蛋白tau和其他結構微管相關蛋白的特定結合模式和位點是發揮突觸可塑性過程和維持大腦整體功能的關鍵。

近年來研究表明，微管蛋白是功能性麻醉作用的主要介質。抗有絲分裂化療藥物例如微管蛋白的穩定劑紫杉醇能夠穿過血-腦脊液屏障，并影響靜脈可溶性麻醉劑(丙泊酚和依托咪酯)和吸入揮發性麻醉劑誘導麻醉的能力[25]。最近，Emerson等[23]研究發現，普通麻醉劑1-疊氮蒽也能結合秋水仙堿部位的微管蛋白，使微管不穩定。對于類似物1-氨基蒽也發現了類似的結果。他們得出結論，神經元微管是蒽類全麻藥的“通路”靶點，也可能是某些神經甾體全身麻醉藥的功能靶點。

近期對1-氨基蒽和埃坡霉素D的體內研究結果提供了有力的證據，證明神經元微管的失穩是實現全身麻醉的可能途徑之一。微管在神經元中的高濃度和無數功能作用表明，這可能是一種常見的、保守的麻醉機制。但不完全遵循保守的藥理學，例如，揮發性麻醉劑氟烷在體外對微管聚合的影響很小，趨于穩定[26]。丙泊酚和異氟醚的體外數據表明，這些較小的臨床使用的全身麻醉劑也促進微管聚合，很像紫杉醇。因此，有理由做出推測，微管失穩本身可能并不是實現全身麻醉的統一機制。

4.微管和意識障礙：神經元微管與意識和認知有關這一觀點得到了如下事實的支持:某些化學物質既能影響意識也能影響認知功能，例如全身麻醉藥和抗抑郁藥，都涉及微管[13]。

健忘癥即記憶形成的障礙，是麻醉作用的一個支柱，通常歸因于突觸可塑性改變。然而，介導突觸敏感性的突觸膜蛋白是短暫的，并在數小時至數天內循環，記憶卻可以持續一生。樹突和胞體中的微管具有獨特的穩定性和結構，研究認為記憶是由神經元樹突和細胞體中的微管翻譯后修飾編碼的。因此，對微管的麻醉作用可以解釋健忘癥以及意識喪失，這與經驗觀察是相一致的。

tau是神經元軸突中發現的一種蛋白質，可穩定蛋白質功能和聚合所需的微管。當tau磷酸化時，其對微管的親和力下降，從而促進了神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles, NFTs)的形成。與淀粉樣蛋白斑塊比較，NFTs的存在與阿爾茨海默病的臨床變化之間的相關性更高[27]。

記憶神經退行性疾病和紊亂，如阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)、創傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)和慢性創傷性腦病(chronic traumatic encephalopathy，CTE)，均表現出微管解體和微管相關蛋白tau分離。目前，微管穩定劑被用于治療這類疾病，具有很好的治療前景。術后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction,POCD)是一種與重復麻醉暴露相關的癡呆，也與微管不穩定和微管相關蛋白tau從微管分離有關，微管在低溫下分解，低溫導致POCD[28]。因為學習、記憶、認知和長時程增強效應特別需要能夠復雜重組的細胞骨架來適應突觸活動和強度的變化[29]。進一步表明，麻醉誘導的細胞骨架穩定性變化可能是麻醉的一種常見機制[30]。神經退行性疾病(如阿爾茨海默病、帕金森癥等)與功能失調的神經元細胞骨架具有共同的病理學特征，并且由于神經元內結構復雜的細胞骨架基質負責神經元形態和細胞內物質的轉運，因此，麻醉劑與微管蛋白和微管的相互作用對于理解麻醉誘導對產生術后認知功能障礙的影響很重要[31]。

三、討 論

理解麻醉和意識將為藥物、精神、認知和神經疾病提供新的靶點。Orch OR理論認為，意識由離散的時刻組成，意識的產生歸因于大腦神經元內部微管的量子計算。微管蛋白的聚合物微管組織神經元內的活動，協調量子疊加、編碼輸入和記憶，產生有意識的時刻，并選擇性調節神經元的微管狀態[32]。

本文得出以下推論：神經元微管是認知和意識直接必需的；微管中的量子通道，特別是那些與意識最密切相關的微管，類似于皮質V層錐體神經元中的枝狀體微管，可能提供麻醉劑抑制電子遷移、分散偶極子和阻斷能量共振轉移的底物[30]。麻醉劑結合在微管蛋白π堆積通道中，分散量子偶極子，阻斷共振能量轉移或阻止意識所需的疊加。麻醉氣體分子作用于微管，抑制量子效應并破壞相干能量轉移，這是全身麻醉對意識產生影響的原因。

微管具有電震蕩的性質；有“非麻醉劑”氣體分子遵循邁耶-歐弗頓定律，但不會導致意識喪失，這些分子可能結合在量子通道中，并耦合到功能偶極振蕩，但不會顯著改變它們，產生協同振蕩。例如某些致幻劑，結合在量子通道中，促進共振轉移和量子偶極振蕩，從而“擴大”意識。腦微管中的震蕩可能與臨床醫學有關。近年來，經顱超聲機械振動通過頭骨進入大腦，已被證明能在短期內改善情緒和認知能力。兆赫和其他頻率范圍的微管共振可能是治療精神狀態和認知障礙的治療目標[30]。

基于這些推論，本文做出以下展望:(1)腦神經微管的穩定性將被證明是精神健康和認知功能(術后認知功能障礙、阿爾茨海默病、創傷性腦損傷、抑郁癥、應激障礙)的重要標志。(2)服用微管蛋白結合藥物治療癌癥(目前)和神經退行性疾病(未來)的患者將改變臨床麻醉要求。(3)針對大腦微管振動的治療方法，如基于兆赫的經顱超聲將有利于精神、認知和神經疾病。(4)麻醉劑對微管細胞骨架功能的長期影響介導了麻醉和POCD之間的聯系。