由全身麻醉的分子機轉
探討人類知覺
臺灣大學 謝豐舟教授
臺大醫院 周佳宏醫師
醫院裡每天有成千上百位病人接受全身麻醉。麻醉科醫師藉由麻醉劑，使病患在治療過程中失去知覺。這樣的技術，一般而言是安全且具可逆性的，因此麻醉劑具有非常重要的醫療價值，而藉由仔細觀察全身麻醉過程中人類知覺（human consciousness）的變化，也有助於了解神秘的人類知覺。
常見的麻醉劑，包含不同類型的藥物，共同的特徵是皆會引起可逆性的知覺喪失（reversible loss of consciousness, LOC。實務上，可以用不能跟從口頭命令，如「張開你的眼睛」做為LOC的代表）。這些藥物的機轉在近年來隨著其分子標的發現而越顯清楚。要連結這些麻醉劑的分子研究以及其所引起的知覺喪失固然是很大的挑戰，但是經由比較這些分子作用機轉與自然睡眠的機轉，可以幫助我們更了解麻醉劑的作用。近年來的研究發現：大腦組織中的視丘（thalamus）及其神經網絡是麻醉劑造成知覺喪失的關鍵部位。
為何結構不同麻醉劑—從簡單的氣體分子氙（xenon）到複雜的巴比妥酸鹽（barbiturates）及類固醇（steroids）—皆能使人產生相同的知覺喪失？不同的麻醉劑其造成知覺喪失所需的血中濃度，相差可達萬倍。效果最好的靜脈注射麻醉劑如異丙酚（propaful），只需要微莫耳（micromolar）以下；效果較差的笑氣（nitrous oxide）則需要毫莫耳（millimolar）的濃度。麻醉劑的濃度僅僅升高約0.2 log 單位（不到1.6倍），就會使人由意識清醒突然失去意識。因此，不同的麻醉劑是否有相似的分子機轉及神經作用機轉來解釋此一共同現象，是本文所要討論的主題。
►麻醉劑的分子標的及其功能
我們先來回顧及總結近年來麻醉劑在分子層面的研究，尤其是麻醉劑的分子標的（molecular target）及其功能上的探討。
目前之所以認為「一般的麻醉劑可能作用在專一性的神經傳導路徑」是植基於大家普遍接受麻醉劑之作用在於分子層次的看法。在過去傳統的認知中，麻醉劑的作用機轉被認為是干擾細胞膜的脂質雙層膜（lipid bilayers）等不同的方式，事實上這樣的認知已經被否定。
目前的研究認為麻醉劑會結合到特殊的蛋白質，過去幾年已經有許多膜通道（channels）、受體、酵素被認為可能是麻醉劑結合的標的物。然而其中具有完整證據的僅占少數，我們以其中三個最令人注目的標的物，來探討麻醉劑引發喪失知覺的分子作用機轉，它們分別為GABA（
►GABA type A受體
GABAA 受體主要分佈於中樞神經系統（central nervous system, CNS），此一超級蛋白質家族（superfamily）還包括乙醯膽鹼（acetylcholine）、甘胺酸（glycine）及血清素（serotonin）的受體，這些眾多受體之中有些對麻醉劑是敏感的。
到目前GABAA 受體共有19個受體次單元（receptors subunits）被發現，但大多數(>85%)的GABAA是由α1β2γ2等次單元組成。幾乎所有的麻醉劑都被發現會引發GABA-induced Cl- currents，而且在高濃度情況下，他們還能在環境缺少GABA的情況下直接活化GABAA受體，只有非極性麻醉劑如氙及環丙烷（cyclopropane）對GABAA受體沒有作用。
一般麻醉劑作用在GABAA 受體的效應，決定於受體次單元的組成(不同的組成可能有不同的生物物理特性)以及GABAA 受體在細胞膜上的分布。GABAA 受體除了在突觸（synapse）的群聚分布，也有大量的GABAA 受體分布於突觸之外，它們接觸到的是具有變動性但低濃度的GABA。此群的GABAA 受體主要會造成僵直抑制（tonic inhibition）。
在突觸最主要的次類型（subtype）是
GABAA 受體次單元的突變研究顯示：這些次單元會調控麻醉劑的作用，例如α次單元與揮發性麻醉劑有關，但與靜脈注射的麻醉劑無關；而β次單元與上述氣體麻醉或靜脈麻醉均有關。
GABAA 受體中β3N265M突變會導致神經細胞喪失對etomidate (巴比妥類藥物)、異丙酚（propofol）及戊巴比妥（pentobarbital）的敏感性，進而喪失鎮靜、翻正反射（righting reflex）及止痛的效果。有趣的是β2N265S knock-in的動物試驗結果顯示：此一突變對於巴比妥類藥物引發的低體溫症較不敏感。由於身體調節體溫的主要腦神經系統位於下視丘前端(anterior hypothalamus)，而此區域也控制了睡眠行為，這樣的情況顯示：或許麻醉劑所引起的知覺喪失與自然睡眠的調節是由同樣的神經傳導所調控。
►2PK通道
Two-pore-domain K+ 通道(2PK通道)一直以來被認為與麻醉劑的作用有關，愈來愈多的証據顯示：鉀離子通道至少與揮發性麻醉劑的作用有關。麻醉劑被發現會活化鉀離子通道，而2PK 通道被認為是神經激化的基礎。已經被發現的2PK 次單位共有15個，它們會以二聚物（dimer）的形式形成具有功能的通道，其中有五個家族蛋白通道（TREK1,2、TASK1,3及TRESK）可以直接被揮發類麻醉劑活化。事實上，上述五個通道對麻醉劑的敏感度並不一致，皆對鹵乙烷（halothane）敏感，但它們對異氟烷（isoflurane）及三氯甲烷（chloroform）敏感性並不相同，TASK1對醚（ether）幾乎沒有反應；又例如氙、笑氣及環丙烷能活化TREK1，但對TASK3沒有作用，這些現象可能與它們的組成次單位不同所造成的差異有關，此外2PK通道對臨床上的靜脈注射性的麻醉劑並不會產生作用。
麻醉劑活化2PK 通道後，一般會藉由使細胞膜過極化（hyperpolarizing）或增加膜電位傳導，而減少後續刺激對細胞的反應，然而這些通道也可在突觸前（presynaptical area）被發現。相較於目前研究對GABAA受體的了解，對2PK 通道的了解還是極為有限，目前已經知道此類通道中的通透膜孔（transmembrane core）到cytoplasmic C端的區域是最重要的區域。此區域包含六個胺基酸(238-VLRFLT-243)，學者發現它們與TASK 通道對麻醉劑的敏感性有關；此外在C端的區域則與傳送麻醉劑的效用有關。突變研究也發現TASK 的TM3（transmembrane domain 3）之CM159A突變會影響異氟烷與其結合。動物試驗發現TREK-1 knockout mice對巴比妥酸鹽、戊巴比妥（pentobarbital）的敏感性並無改變，顯示其對GABAA 受體並無補償作用。
►NMDA受體
NMDA 受體是位於突觸後（postsynaptic）的受體，它是麩胺酸能突觸（glutamatergic synapases），主要分為兩類：NMDA（N-methyl-D-aspartate） 受體及non-NMDA受體。Non-NMDA受體對麻醉劑較不敏感，相反地，NMDA受體主要調控突觸及其前後的神經訊息傳導，可能是麻醉劑重要的作用標的。
NMDA受體由NR1 subunit、一個NR2 subunit（具有A-D等四種）及二個NR3 subunits組成，因此有許多變異的組合，這些組合是造成個體對藥物反應差異的主要原因。
大多數的吸入型麻醉劑會阻斷NMDA 受體，例如對GABAA沒有效用的笑氣及 氙，反而會引起精神異常反應，如同氯胺酮（ketamine）一樣。笑氣及氙會阻斷脊髓中NMDA受體調控的樹突神經傳導，在某些情況下具有神經保護的作用。已有研究指出兩個突變（NR1中的F639A及NR2A中的A825W）會減少NMDA受體對麻醉劑的敏感性，但它們的效應對不同的藥物是有些差異的，目前已經發現氙及異氟烷可以競爭NR1的刺激分子－甘胺酸，而F639A造成的突變可能是藉由增加受體表面對甘胺酸的親和力。此結果顯示，麻醉劑對NMDA 受體的抑制主要是有賴於環境周圍甘胺酸的濃度。
許多NMDA 受體的抑制劑在高劑量下會使人鎮定，接著意識喪失。事實上，這些藥物常會因為劑量的增加而增加作用的標的，氯胺酮（ketamine）即是一個明顯的例子；另一個可能的解釋是：NMDA 受體抑制劑引起的知覺喪失或翻正反射喪失通常在許多異常行為產生之前發生，像氯胺酮會先引起精神恍惚，接著才使知覺喪失。
除了上述三種可能的分子標的，還有其他值得一提的麻醉劑標的，第一個是甘胺酸受體，它與GABAA受體相似，而且位置相近，它具有抑制的效應，通常位於腦幹下緣與脊髓，會調節的麻醉劑；第二是cyclic-nucleotide-
gated（HCN）通道，主要調節過度極化－活化的電流，主要分布在腦部。它們對麻醉劑的敏感度已經逐漸被重視，現有的發現顯示它們在腦幹運動神經元對揮發性藥劑的敏感性上扮演重要角色，同時也對視丘皮質神經元(thalamocortical neurons) 對異丙酚的敏感性相當重要。
異丙酚對視丘皮質神經元的抑制作用較其對下視丘或髓質的神經元抑制效果好，此現象可能與HCN具有次類型有關，因而導致不同的敏感性。雖然麻醉劑在大部分的電位控制離子通邈（volatge-gated ion channels）的效用很小，但在突觸前運用揮發類藥物抑制特定納（Na+）通道，可以發現這些效應是作用於麩胺酸能突觸。
►麻醉劑如何在分子層次導致知覺喪失？
到底麻醉劑是如何在分子層次導致知覺喪失？我們認為只有在每一種麻醉劑的神經傳導作用、在細胞及突觸層次的作用等皆被清楚瞭解後才能釐清這些道理。另一方面，從人類腦部影像的研究，尤其是神經活動的分布，或許也可以了解由意識清楚到失去知覺的過程。藉由比較麻醉劑引發的失去知覺與自然的睡眠過程中的腦部影像研究，相信也可以找到一些相似處，從而提供重要的線索。
目前並沒有能夠直接量測腦部神經活動的影像技術，目前的技術主要是運用如血流、葡萄糖代謝、氧濃度等變化來推估神經的活動。而事實上這些作用本身可能就會受麻醉劑的干擾，而與神經活動無關，因此比較自然的睡眠作用及麻醉狀態的腦部活動情況是非常重要的研究。
儘管受限於技術上的問題（如時間與空間的解析度），正電子斷層造影 （Positron-Emission Tomography, PET)的研究已經顯示：大部分麻醉劑在造成意識喪失時，都可以引起大腦血流量全面的降低，惟有 氯胺酮例外。有趣的是，不同麻醉劑所造成的腦部血流降低在不同區域具有差異性，而特定區域的血流量降低情況是一致的。例如異丙酚、sevoflurane及氟會造成視丘及部分中腦的神經去活化，而同時伴隨皮質神經的去活化，相同的效應也可在小腦中觀察到。許多腦內血流動態變化的研究都顯示：視丘的去活化作用是麻醉劑引起知覺喪失重要的區域，相同的結果也可由葡萄糖代謝的研究中發現。
►睡眠與麻醉
腦部影像的研究已經發現，麻醉狀態下的腦部與非快速動眼睡眠（NREM）狀態下的腦部有許多相似的情況。比較NREM睡眠時與覺醒狀態下的腦部活動，發現兩者神經活化部位的差別主要是在於視丘、腦幹、前腦基底（basal forebrain）及基底核、前葉皮質、顱頂皮質、特別是扣帶回前區（anterior cingulate）及眼眶額葉皮質（orbitofrontal cortex）、內側頂葉（precuneus）及扣帶回後區（posterior cingulate）皮質；在清醒而靜止狀態下，內側頂葉及扣帶回後區皮質是神經最活化的區域，而額葉與視丘亦然。值得一提的是，多膜聯合皮質（polymodal association cortex，如額葉皮質)所受的影響會比單膜皮質（unimodal cortex，如視覺皮質）更大。此一差別使人在睡眠狀態下仍會對外來刺激(如很大的聲音)產生反應，但沒有進一步的感受，內側頂葉的神經元會在深度睡眠及麻醉而失去知覺的情況下極度的去活化，此情況在睡眠與麻醉的最後狀態是一致的。
雖然麻醉劑誘發的失去知覺是相似的，例如異丙酚及氙造成的結果相同，但實際上它們具有不同的分子標的，然而卻都會影響相同的神經傳導途徑，而由影像的研究顯示，視丘是麻醉劑作用情況下最不具活性的部位。視丘是感覺訊息由神經末梢進入皮質的樞紐，視丘可以在「放行」感覺訊息進入皮質或「阻斷」感覺訊息進入皮質兩種狀態之間切換，因此視丘可能就是麻醉劑的共同作用目標。
►視丘及皮質在睡眠與麻醉情況下的角色
在覺醒的情況下，由警覺神經核（arousal nuclei）進來的刺激訊息會進入視丘皮質（TC）神經元，造成視丘持續性的去極化（depolarization），使得感覺訊息得以準確的進入皮質。在由覺醒進入睡眠的狀態時，腦電波會出現錘紡波（spindle waves）每過幾秒鐘就會發生頻率7-14赫茲的波動。這些波動是由視丘所產生，它是TC神經元與RT（reticular formation, 網狀結構）GABA類抑制性神經元交相作用（reverberation）而產生，這些互動所形成的網路效應會掌控視丘同步化（synchronization）的程度，錘紡波會使得進入TC 神經元的感覺訊息與TC 神經元到皮質的訊息失去關聯性。
深層NREM睡眠時，TC 神經元會進入一個持續低頻率爆發性振波的狀態（low frequency bursting mode）。由於腦部內廣泛的連絡，此一個持續低頻率爆發性振波會擴散到大群的視丘與皮質的神經元，而產生大幅度而同步的 delta震盪（1-4赫茲的高幅共振波動），此一廣泛而持續的律動完全阻斷了上行的知覺資訊。此一爆發振波型是源自一個視丘皮質迴路，而其頻率是由TC神經元本身的傳導性（intrinsic conductance, IT and Ih）決定。從清醒到深度睡眠的過程中，人腦影像的研究所觀查到視丘的去活化與腦電圖內的錘紡波及delta波的出現高度相關。
►麻醉劑在皮質的作用
視丘送出許多投射進入大腦皮質，每一個視丘核可以調節特定皮質區域的活化。相對地，皮質也有投射進入視丘（corticofugal pathway）。皮質視丘投射（corticothalamic projections）在數量上是比視丘皮質投射（thalamocortical projections）還多，因此在大腦處於活化覺醒情況下，從大腦皮質到視丘的傳導提供了神經元去極化的環境，而預防視丘進入同期化振動等狀態，因為視丘皮質神經元一旦進入同期化振動狀態，會阻礙刺激覺醒的訊息，因此麻醉劑有可能經干擾此一正常機轉而促進大腦進入睡眠狀態。
►覺醒與睡眠的神經傳導
為了保持清醒狀態，人類有幾條平行的上行神經傳導路徑以促進及維持皮質的清醒，腹側的路徑是經由下視丘到前腦基底，而背側的路徑則是經過視丘；此外還有其他神經傳導途徑被發現和自然的睡眠有關。第一個被發現的是位於視前區腹旁側（ventrolateral preoptic area, VLPO)的神經元，主要會提供抑制覺醒的效應，這些神經細胞主要會釋放GABA及抑制性胜肽甘丙胺素( peptide galanin)，VLPO神經元增加活化作用的效應主要發生於腦電波趨同化的作用前，逐漸增加其活性而使睡眠進入深層。
此外還有一群GABA-releasing神經元，位於視前區內側（median preoptic nucleus, MnPO)，同樣也在REM及NREM睡眠中扮演重要角色。另外還有一群睡眠活化（sleep-active）GABA能神經元散布於膽鹼能細胞（cholinergic cells）中，位於前腦基底巨細胞（magnocellular）區域，就如同VLPO神經元，這些神經元與睡眠深度有很大關聯，但此神經元的活化在NREM睡眠過程中較REM 睡眠快得多。
上述的研究結果顯示，睡眠的起始及維持是一種抑制覺醒神經核（arousal nuclei）的機制，主要經由抑制下視丘及前腦基底的GABA能神經元，重要的是覺醒神經核也會交互回饋抑制促進睡眠神經核（sleep-promoting nuclei），這也顯示當覺醒神經核被抑制時，正向的回饋控制並不影響睡眠中心進而促進睡眠，而此平衡狀態只有在睡眠與醒來的過程中。
因為麻醉如同睡眠，因此對麻醉劑敏感的GABAA受體及2PK 通道，同樣在睡眠及麻醉劑引發的失去知覺情況扮演同樣的角色，實際上也有觀察到減少睡眠會增強麻醉劑的作用效果，而事實上睡眠及麻醉劑都會促使體溫下降，因此兩者確實具有相似的作用機轉
►覺醒神經核及麻醉劑的關聯
腦神經科學家Moruzzi 及 Magoun所描繪的腦幹網狀結構以及腦波圖的活化狀態，顯示腦幹神經核（brain stem nuclei）是維持皮質覺醒的重要角色。腦部中的膽鹼能神經元提供了視丘主要的乙醯膽鹼神經分布，而且活化視丘皮質神經元，經由直接作用菸鹼類（nicotinic） 及蕈鹼類（muscarinic） M1受體或間接抑制GABA能的 RT神經元（經由蕈鹼類M2 受體）而導致皮質活化。
這些膽鹼能神經核也分布於橋腦網狀結構的麩胺酸能神經元（glutamatergic oral pontine reticular formation, PnO）及中腦網狀神經核的麩胺酸能神經元（glutamatergic deep mesencephalic reticular nucleus, DpMe），兩個區域皆會傳導活化訊息進入前腦及視丘，這些神經核也和麻醉劑引發的失去知覺有關，例如鹵乙烷（halothane）引起的腦電波變化會在以碳醯膽（carbachol）注入PnO後獲得中和，以菸鹼注入視丘中間內側神經核（thalamic central medial nucleus）會抑制sevoflurane 造成righting reflex喪失，乙醯膽鹼酯酶（acetylcholinesterase）抑制劑physostigmine則可回復異丙酚引發的失去知覺，然而蕈鹼受體是對異丙酚不敏感的，而揮發性麻醉劑會抑制神經性乙醯膽鹼受體（nicotinic Ach receptors）。在rin vivo情況下，抑制這些受體並無法對righting reflex之喪失產生效應，因此雖然膽鹼途徑可能與麻醉劑引發的失去知覺有關，但實際實驗結果顯示，麻醉劑引發的失去知覺可被大量活化的覺醒機轉所回復。
其他與皮質活化及覺醒行為有關的橋腦神經核（pontine nucleus），還包括正腎上腺能藍斑核（noradrenergic locus coeruleus, LC），此區域的神經元會在覺醒過程中活化，而在NREM睡眠及REM 睡眠中靜止。刺激LC會導致皮質活化及海馬迴腦電波變化，通常是由正腎上腺素活化膽鹼能神經元（在septohippocampal system中），LC神經元會在halothane的作用下過度極化（源於TASK-channel活化），而且是
血清素縫核背側（Serotonergic dorsal raphe nucleus）是髓質神經元（medullary nucleus）中被認為與睡眠覺醒有關的部分。它如同LC會被麻醉劑活化的TASK 通道所抑制。
中腦的多巴胺能神經核（dopaminergic nuclei），如蓋核腹測區（ventral tegmental area）及黑質下區（substantianigra pars compacta）也被認為與覺醒有關。由病理學及藥物學的角度來觀察，其多巴胺路徑的分布確實與覺醒－睡眠週期有關。最近利用燒灼術的研究顯示ventral periaqueductal grey中的神經元與覺醒有很大的關聯，因為對其燒灼破壞後，會顯著增加睡眠的時間。此區域的腦組織顯然是主要提供多巴胺路徑促進覺醒的地方，然而並無研究顯示此區域與麻醉的效應有關。
前腦基底層（basal forebrain）包含不同構造的神經群組（neuronal populations），它們分別具有不同功能：膽鹼能神經元傳輸單向突觸投射到新皮質（neocortex）及邊緣（limbic）系統，一般被認為是要產生皮質活化及覺醒的行為，乙醯膽鹼的濃度在覺醒及REM 睡眠情況下會上升，而且會刺激前腦基底增加皮質乙醯膽鹼及去除腦電波同期化的作用。分散於膽鹼能神經元的細胞包含有GABA能神經元，被認為是促進睡眠的作用，而此促進睡眠與促進覺醒的神經元混雜的區域主要在前視區內側鄰近區域（adjacent medial preoptic area），當注射pentobarbital 時會增加NREM 睡眠。
最先注意到下視丘後區（posterior hypothalamus）在維持覺醒狀態的科學家為von-Ecomomo，他是由嗜睡性腦炎（encephalitis lethargica）病患的腦部損傷所觀察到，主要包含於此部位的神經元為隆起乳狀神經核（tuberomammillary nucleus, TMN），它是中樞神經系統中主要的組織胺來源。此神經傳導分子對覺醒的重要性，最初就是來自研究者對鎮靜劑抗組織胺劑副作用的觀察。
組織胺在腦中的濃度在覺醒的時候是升高的狀態，如同TMN神經元具有活性一樣，組織胺的釋放造成神經活化的機轉主要是經由H1,H2 G-protein-coupled 受體。
在睡眠的情況下，TMN會被睡眠促進神經元VLPO產生的GABA能抑制作用降低活性，類似的機轉也被發現於麻醉劑引發成LORR（翻正反射喪失），而在麻醉狀態下注射抑制劑gabazin則抑制了LORR，顯示此途徑確實與麻醉劑引發的失去知覺有關。
但是注射異丙酚到TMN造成鎮靜作用而無LORR的結果顯示：其他途徑的同時存在是必要的。其中有可能的途徑是orexin能途徑（來自側面的下視丘: lateral hypothalamus），orexins（A及B）是由下視丘旁側所釋放的小胜肽（small peptides），特別是在穹窿旁側（perifornical）的部位。一般認為此部位的缺陷與嗜眠病（narcolepsy）有關。
在覺醒時相較於NREM或REM睡眠，神經元興奮（neuronalfiring）及C-fos的表現在orexin能神經元是高的，這些細胞造成大量活化作用貫穿大腦，主要經由G-protein-coupled orexin 受體（OX1R及OX2R）。在活化覺醒腦室內注射orexinA能降低REM及NREM 睡眠，然而orexinA對於H1-receptor剔除小鼠並沒有作用，因此覺醒的作用可能是由組織胺能系統（histaminergic system）所調控。
►結 論
分子層次的麻醉劑作用標的，使吾人更了解麻醉劑如何作用在神經傳導的途徑上，隨著分子層次之專一性作用被釐清，也可進一步擴展到了解神經網路的特異性程度。麻醉劑引發的失去知覺與自然睡眠的相似處包括：兩者皆由於視丘的去活化作用導致皮質的抑制作用。關於視丘去活化作用的可能解釋是麻醉劑直接作用於視丘皮質或皮質神經元，而抑制覺醒的傳導及強化睡眠的傳導途徑這些機轉的相對重要性仍需要進一步研究。
至於從有知覺到沒有知覺的機制，可能涉及視丘皮質神經元內部兩種狀態的穩定性，也就是下視丘促進睡眠中樞及覺醒中樞（位於中腦及腦幹）彼此之間的交互抑制作用，這樣的作用是導致快速覺醒的機轉，未來的工作仍是發展對於自然情況下，睡眠與覺醒的最基礎機轉，及了解哪些神經傳導途徑會受到一般麻醉劑的作用，如此將能更清楚回答每一種藥物是如何造成失去知覺。藉由仔細觀察全身麻醉過程中人類知覺的變化並與麻醉劑作用的分子機轉互相比較，相信一定有助於我們了解神祕的人類知覺。
取材文獻
Franks NP: General anesthesia : from molecular targets to neuronal pathways of sleep and arousal, Nature Reviews Neuroscience 9:370, 2008.
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