Journal Club (February 22, 2021)

RESEARCH ARTICLE

Prolonged anesthesia alters brain synaptic architecture (長時間の麻酔は脳のシナプス構造を変化させる)

Michael Wenzel, Alexander Leunig, Shuting Han, Darcy S. Peterka, and Rafael Yuste PNAS February 16, 2021 118 (7) e2023676118; https://doi.org/10.1073/pnas.2023676118

  1. Edited by Emery N. Brown, Massachusetts General Hospital, Boston, MA, and approved December 19, 2020 (received for review November 20, 2020)

Significance

In human patients, prolonged medically induced coma (pMIC) is associated with significant cognitive deficits. Yet, a synapse-level neuromorphological correlate has been demonstrated experimentally only in early life, when the brain is highly plastic. The current notion is that synapses become increasingly stabilized and that MIC has no effect on synaptic dynamics in adulthood. Yet, the longest experimental study of MIC-associated synaptic changes has been only ∼6 h. We established a pMIC experimental protocol in mice and found that pMIC alters synaptic brain architecture and object recognition at all ages. Our results ring an alarm bell to the medical community and call for the development of individually tailored anesthetic regimens and intensified research on adjuvant therapeutic strategies to maintain brain structure and function during pMIC.

ヒトでは、医学的に誘発された長期の昏睡(pMIC)は認知機能に重大な障害を生じる。しかし、シナプスレベルの神経形態学的な相関関係は、脳が高度に可塑的である発達初期段階でのみ実験的に証明されている。現在の考えでは、シナプスは次第に安定化していき、MICは成人期にはシナプス動態に影響を与えないと考えられている。筆者らは、マウスを用いてpMIC実験プロトコルを確立し、すべての年齢においてpMICがシナプスの脳構造と物体認識を変化させることを発見した。この結果は医学界に警鐘を鳴らすものであり、個々の患者に合わせた麻酔薬の開発と、pMIC中の脳の構造と機能を維持するためのアジュバント治療法の研究を強化することを求めています。

adjuvant (アジュバント): アジュバントとは、薬物による効果を高めたり補助する目的で併用される物質・成分の総称である。

Abstract

Prolonged medically induced coma (pMIC) is carried out routinely in intensive care medicine. pMIC leads to cognitive impairment, yet the underlying neuromorphological correlates are still unknown, as no direct studies of MIC exceeding ∼6 h on neural circuits exist. Here, we establish pMIC (up to 24 h) in adolescent and mature mice, and combine longitudinal two-photon imaging of cortical synapses with repeated behavioral object recognition assessments. We find that pMIC affects object recognition, and that it is associated with enhanced synaptic turnover, generated by enhanced synapse formation during pMIC, while the postanesthetic period is dominated by synaptic loss. Our results demonstrate major side effects of prolonged anesthesia on neural circuit structure.

長時間の医学的誘発性昏睡(pMIC)は集中治療の現場で日常的に行われているが、6時間を超えるMICが神経回路に及ぼす影響については直接研究が行われていないため、その根底にある神経形態学的な相関関係はまだ明らかになっていない。本論文で筆者らは、思春期と成熟期のマウスを用いてpMIC(24時間まで)を確立し、大脳皮質のシナプスの長期的2光子イメージングと繰り返し物体認識評価行動テストを組み合わせることで、物体認識に影響を与えることを見出した。pMICの間シナプスの形成亢進が起こり、pMICの後はシナプス喪失が優位になる。これらの結果は、長時間の麻酔が神経回路構造に及ぼす大きな副作用を明らかにした。

Keywords: 麻酔、樹状突起スパイン、シナプス可塑性、記憶障害、二光子イメージング

*Rafael Yusteはコロンビア大学教授で、神経生物学者である。2013年に発表されたBRAINイニシアチブの創始者のひとりである。

*PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: Proc. Natl. Acad. Sci. USA)は、1915年に創刊された米国科学アカデミー発行の機関誌である。

https://www.pnas.org/content/pnas/118/7/e2023676118/F1.large.jpg

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