牛津大學(xué)工程科學(xué)系(Department of Engineering Science, University of Oxford)的Antoine Jerusalem團(tuán)隊(duì)，在Communications Physics上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，使用鈣成像和納米壓痕的定制實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)量化暴露于臨床濃度1%異氟醚氣體的背根神經(jīng)節(jié)衍生神經(jīng)元的放電活動(dòng)和機(jī)械特性，來(lái)探究全身麻醉劑影響細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)和潛在力學(xué)的改變。他們發(fā)現(xiàn)異氟烷在不同的暴露階段同時(shí)動(dòng)態(tài)地改變細(xì)胞粘彈性和功能活性。

神經(jīng)元的3種處理方式

1. 流動(dòng)1%異氟烷氣體——為了量化每種處理隨時(shí)間對(duì)細(xì)胞的影響，在6個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量：每次處理之前、期間15/30/45 min、之后30/45 min；

2. 鈣成像——用于測(cè)量細(xì)胞放電；

3. 微尺度動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)以不同的頻率用于測(cè)量全細(xì)胞（膜，主要是細(xì)胞骨架，可能還有細(xì)胞核）粘彈性。

證明異氟烷會(huì)改變單個(gè)神經(jīng)元的機(jī)械特性和放電活動(dòng)，并且這些改變彼此線性相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)通過(guò)證明細(xì)胞機(jī)械結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體與麻醉暴露期間的功能改變有關(guān)，從而協(xié)調(diào)了提出解釋全身麻醉機(jī)制的不同理論。還通過(guò)證明動(dòng)作電位是由細(xì)胞力學(xué)的協(xié)同和并發(fā)效應(yīng)定義和控制的，這對(duì)力學(xué)在電生理學(xué)中的作用具有更廣泛的影響。

異氟烷對(duì)神經(jīng)元放電的影響

鈣成像用于記錄顯微鏡視野內(nèi)每個(gè)神經(jīng)元的功能活動(dòng)。根據(jù)功能活動(dòng)測(cè)量計(jì)算放電細(xì)胞群的比例和放電事件的平均數(shù)量，以確定異氟烷對(duì)神經(jīng)元放電的影響。

異氟烷對(duì)神經(jīng)元力學(xué)的影響

使用六個(gè)不同頻率的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)來(lái)測(cè)量異氟烷對(duì)神經(jīng)元粘彈性的影響。

神經(jīng)元粘彈性與放電之間的相關(guān)性

對(duì)神經(jīng)元放電的平均次數(shù)與平均神經(jīng)元、或在給定頻率下測(cè)量。對(duì)用異氟烷處理的細(xì)胞和流動(dòng)空氣控制期間和之后時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸。

微尺度DMA

Optics11 Chiaro納米壓痕儀懸臂上的球?qū)悠肥┘诱袷幋碳?，神?jīng)元和懸臂的光學(xué)圖像如(a)所示；

單個(gè)DMA測(cè)量的代表性力-壓痕曲線如(b)所示：當(dāng)懸臂接近并壓痕細(xì)胞（藍(lán)）時(shí)，開(kāi)始DMA（洋紅），懸臂被撤回（黑）。隨時(shí)間推移，也顯示了細(xì)胞所經(jīng)歷的力(c)和壓痕(d)，以及每個(gè)DMA頻率。藍(lán)色箭頭表示接觸點(diǎn)，即首先與細(xì)胞表面接觸的地方。

結(jié)論

異氟醚影響神經(jīng)元放電和粘彈性。在異氟醚的作用下，神經(jīng)元的放電被改變，而不是被抑制。這些發(fā)現(xiàn)與腦電圖測(cè)量結(jié)果一致。同時(shí)，異氟醚使神經(jīng)元E'和E''增加。與E'相比，E''的變化程度較小，且延遲15-30 min。這種延遲是細(xì)胞力學(xué)的特征，假設(shè)是由于細(xì)胞從一種能量狀態(tài)過(guò)渡到另一種能量狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞骨架中的鍵結(jié)合/解結(jié)合動(dòng)力學(xué)引起的。異氟醚以這種方式改變細(xì)胞力學(xué)的事實(shí)支持了全身麻醉劑影響細(xì)胞內(nèi)分子間相互作用的假設(shè)，并表明全身麻醉劑通過(guò)在系統(tǒng)水平上改變細(xì)胞熱力學(xué)來(lái)影響細(xì)胞活動(dòng)。此外，觀察到的神經(jīng)元放電和tanδ變化之間的線性相關(guān)表明神經(jīng)元放電和力學(xué)是耦合的。

Action of the general anaesthetic isoflurane reveals coupling between viscoelasticity and electrophysiological activity in individual neurons

doi: 10.1038/s42005-023-01252-7