斑马鱼术后认知功能障碍模型的建立

摘要：永久性术后认知功能障碍 (POCD) 是估计 6% 的老年手术患者的严峻结果。挥发性麻醉剂影响神经元组织，与手术本身的物理创伤无关。虽然公认与手术相关的所有方面都可能以某种方式导致认知丧失，但本文重点关注挥发性麻醉剂在促进 POCD 中的作用。POCD 导致阿尔茨海默病 (AD) 发病和进展的风险增加，这意味着两者之间的神经发病机制相似。人类研究在伦理上受到范围的限制，需要动物模型作为替代品。虽然使用啮齿动物模型的文献包含有价值的信息，我们相信，易于使用和实用的斑马鱼将极大地增强我们对 POCD 与 AD 相关的分子机制的进一步理解。这些硬骨鱼的疾病基因和基本神经行为反映了哺乳动物和人类的基因，验证了它们作为 AD 核心研究模型的用途。由于斑马鱼的逐渐衰老也与人类相似，因此我们将这两种寿命进行了数值关联，为研究人员提供了一种计算工具。斑马鱼是水生动物，需要使用可混溶的化合物，例如三氟乙醇，我们正在展示其麻醉效力。我们还回顾了与 POCD 相关的啮齿动物和斑马鱼文献。对前沿斑马鱼的​​持续研究揭示了未来围手术期干预将预防 POCD 的可能性。

关键词

斑马鱼,术后认知功能障碍,痴呆,衰老,麻醉

一、简介

术后认知功能障碍 (POCD) 被描述为可能由手术引起的正常认知功能下降。损伤被视为若干认知参数（即记忆力、精神敏锐度和对语言的理解）的损失，以及观察到的社会互动的退缩和减少。虽然这些神经心理缺陷最初被认为发生在一年内解决的手术后几天，但它们可能会进一步加剧认知能力下降，从而导致晚年痴呆。

在 1970 年代，出现了一些文章，表明手术与认知功能受损之间存在联系，尤其是在接受心脏手术的患者中。1980 年代前瞻性人群研究对这些观察报告进行了跟进，这些研究确定了心脏手术与随后的认知丧失之间的关系 [ 1 ]。尽管外科手术不断发生变化，但最近的前瞻性研究继续支持这种联系 [ 2 ] [ 3 ]，进一步确立了 POCD 的重要性。

除了心脏手术后 POCD 的易感性外，一些接受涉及全身麻醉的非心脏手术的患者也出现 POCD。老年人是最脆弱的患者群体[ 4 ]。另一个风险因素包括患者的教育水平，这表明具有较高教育水平的个体的“认知储备”可以预防 POCD。“认知储备”的概念表示生物学特征，例如更大的突触密度和神经元体积，这两者都会随着衰老 [ 5 ] 和阿尔茨海默病 (AD) [ 6 ] 而减少。这些发现表明 POCD 和 AD 之间存在联系。

因此，出现了一个问题：POCD 会导致 AD 吗？已经有人提出 POCD 会增加 AD [ 7 ] [ 8 ] 的发病风险和进展的风险，这意味着 POCD 和 AD 之间的神经发病机制是相似的。这些作者指出，POCD 会导致“认知储备”的丧失，使个体易患 AD。

这种“认知储备”丧失的具体原因仍有待阐明。使用全身麻醉的主要手术会触发某些细胞过程，这些过程会对大脑的各种认知功能产生不利影响。必须考虑到与麻醉剂本身并列的手术事件可能通过不同的病理生理机制发挥其作用。有趣的是，患者合并症和麻醉持续时间是 POCD [ 4 ] 的独立危险因素，这表明手术各个方面的重要性。潜在的围手术期事件，例如脑缺氧（即低 O 2）[ 9 ] [ 10 ] 和低碳酸血症（即减少 CO 2）[11 ]，可能直接导致神经元损伤。此外，对手术身体压力的神经激素和炎症反应 [ 12 ] 可能会引发对中枢神经系统有害的代谢变化。挥发性麻醉剂似乎以一种独立于那些归因于手术物理创伤的影响的方式影响神经元组织。虽然公认与手术相关的所有方面都可能以某种方式导致认知丧失，但本文重点关注挥发性麻醉剂在促进 POCD 中的推定作用。

诊断与 AD 相关的痴呆的临床标准包括记忆力和认知功能的进行性下降，例如语言、视觉空间和执行力。这些后天的缺陷远远大于一个人的年龄预期，显示出对日常活动的严重损害。与 POCD 相关的痴呆通常由神经心理学测试的表现来定义，而没有迹象表明日常生活有明显的功能障碍。参加国际手术后认知功能障碍研究 (ISPOCD) 的人中有三分之一是丹麦人；和 Steinmetz 及其同事 [ 13] 检查了 POCD 对这些丹麦患者的功能障碍（即退出劳动力市场、对社会经济援助的需求和疗养院安置）的影响。研究人员得出结论，非心脏手术后发生的认知功能障碍与退出劳动力市场和依赖社会经济援助有关。此外，3 个月时的 POCD 与死亡率增加有关。在回顾流行病学证据 [ 14]，Setz 及其同事在 2013 年得出结论，在人体研究中几乎没有文献支持 AD 是由于暴露于全身麻醉而导致的。个体之间的易感性可能存在相当大的差异，导致人类研究文献中的不同观察结果。然而，作者 [ 14 ] 承认缺乏高质量的研究，因此有必要在该领域继续进行监测，特别是因为动物模型已经清楚地证明了暴露于挥发性全身麻醉剂后的 AD 病理学 [ 15 ]-[ 17 ]。

我们目前对挥发性麻醉剂暴露与认知能力下降之间关系的理解不完整，表明需要进一步研究。鉴于必要的伦理问题和我们目前的技术限制，从人类临床观察和研究中获取信息和知识的能力受到限制。因此，使用动物模型的研究有助于我们更好地理解 POCD 的分子机制以及它们与 AD 的关系。目前使用啮齿动物的研究方法为测试各种工作假设提供了机会，并已成功用于获取有价值的数据。我们认为另一种动物模型，如斑马鱼，可能会提高研究人员询问各种研究问题的能力。斑马鱼是大脑研究中小鼠的绝佳替代品，因为住房和护理更容易且成本更低；它们还具有卓越的繁殖力，每次交配时每对产生数百个后代，而小鼠则为 5 到 10 个。在与人类共享基因的全面基因组比较中[[ 81 ]，斑马鱼为 70.1%，而小鼠为 82.7%；而且，84% 的人类疾病基因在斑马鱼中是匹配的。斑马鱼端脑也代表了一个前脑，它与哺乳动物在同一祖先节点上的进化连续体上。斑马鱼可能使研究人员能够检查可能加速发现 POCD 和 AD 基本过程的不同行为终点，将生物学与行为联系起来，阐明可能适用于合理干预策略的分子机制。

2.人类研究

早在 1955 年的轶事报道 [ 18 ] 表明，手术后认知能力下降可能会持续存在，尤其是在老年人中。在术后期间观察到的认知功能下降，特别是在心脏病患者中，最终引起了人们对 POCD 可能存在的关注，并进一步阐明了定义 POCD 患者将如何出现以及患病率的必要性。1982 年，Savageau 及其同事 [ 1] 在心脏手术之前和之后不久对患者进行了多次认知检查，在 227 名患者中，他观察到 11% 到 17% 的认知功能丧失在所有特定测试分数上大于一个标准差。此外，30% 的患者在手术后几天内进行的至少一项认知测试显示下降。

除了长期功能障碍外，还提出了体外循环是否是 POCD 的主要危险因素，或者是否可以在其他患者人群中发现 POCD 的问题。在一项多中心研究 [ 4 ] 中，调查主要腹部和骨科手术后的结果，观察到 1218 名患者中有 9% 在手术后三个月出现 POCD。研究表明，年龄增加、麻醉持续时间、教育程度低、术后感染和并发症均与早期 POCD 相关，而年龄增加是术后即刻之后的主要危险因素。

ISPOCD 涉及两个阶段，第一个阶段（即 ISPOCD-1）始于 1994 年，结束于 1998 年。第二个后续阶段（即 ISPOCD-2）始于 1998 年，结束于 2001 年。而第一项研究测试是否年龄、低氧血症和低血压会导致 POCD，唯一证实的发病率会随着年龄的增长而增加。在本研究中，早期 POCD（即术后 7 天）影响了 26% 的患者群体，而长期（即术后三个月）发生在 10% 的患者中。

2.1。症状学

与手术和麻醉剂暴露无关，随着年龄的增长，神经认知功能的下降似乎与遗传（例如，ApoE 变异 4）和环境因素（例如，心血管危险因素）有关 [ 21 ]。几项研究表明，这种与年龄相关的认知能力下降是渐进的 [ 22 ] [ 23 ]。观察 POCD 的动物模型必须证明认知能力会出现类似的逐渐下降，以此作为麻醉效果的背景。这个概念将在下面进一步讨论。

患者认知功能的评估可以通过术前进​​行的一系列神经认知检查进行评估，从而建立基线，然后在术后不同时间间隔进行。考试 [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] 通常涉及记忆和回忆、语言理解、视觉保留和再现、精神运动处理速度和认知排序。数据分析表明患者的功能 [ 2 ] [ 3 ] 水平，建立了一个整体的，也许是全面的神经认知状态。在患有 POCD 的患者中发现了这种基线精神状态的下降。证据 [ 2 ] [ 3] 表明 POCD 可能存在多阶段过程及其与痴呆症的关联。

Selnes 及其同事 [ 2 ] 报告了冠状动脉搭桥手术五年后发生的认知变化。他们从 172 名患者开始，并能够在五年时间点评估 102 名患者。评估了八个认知领域：1）语言记忆，通过 Rey 听觉语言学习测试；2）视觉记忆，通过Rey Complex Figure（即延迟回忆测试）和数字符号测试；3) 语言，通过波士顿命名测试；4) visuoconstruction，通过 Rey Complex Figure（即复制）测试；5）注意力，通过数字跨度子测试；6) 精神运动速度，通过数字符号分测试和书写字母；7) 执行功能，通过 Stroop 测试；8) 电机速度，通过凹槽钉板测试。在八分之六的测试中，相对于一年的表现水平，患者在五年时间点表现出下降。相对于术前基线值，在其中两项测试（即#4 和#6）中，患者在五年内表现出下降。有趣的是，早期 AD 神经心理特征包括相似的认知领域 [ 24 ]。

ISPOCD-1 和 ISPOCD-2 部分是由来自老年患者亲属的轶事信息驱动的。家庭执业医师中的轶事报告表明，POCD 在老年患者中很常见。经常听到这样一个故事：一位年长的亲戚（通常是男性）被送进医院接受大手术，几个月后，虽然手术看起来很成功，但现在这个人似乎表现出一些社交障碍的迹象，并且似乎精神不振。为了评估精神状态，心理测试包括语言学习测试（记忆）、概念转移测试（评估、视觉概念和视觉运动跟踪）、Stroop 颜色词干扰测试（评估、注意力）、纸笔记忆扫描测试（评估，感觉运动速度），字母数字编码测试（评估、视觉记忆、视觉构造和运动功能）和四框测试（评估、精神运动速度）。中年（40-60 岁）和老年（>60 岁）患者在小手术后 3 个月的 POCD 发生率分别为 6.2% 和 6.6%，与抑郁症相关[79 ] [ 80 ]。

虽然 POCD 的病因尚未完全阐明，但研究人员已将手术因素（即侵入性和手术持续时间）以及麻醉剂的作用牵连在一起。人们认为 POCD 与预先存在的临床表现有关，例如糖尿病、肥胖和动脉粥样硬化，尽管分子相​​关性尚未完全了解。毫无疑问，年龄增长和教育程度低是促成因素。由于生活方式和遗传学的混杂因素极其多样，人类研究很复杂，这些混杂因素使用受控动物模型消除。

2.2. 分子机制

围手术期因素（即缺氧、低碳酸血症）已被提出作为 POCD 和 AD 神经发病机制的可能触发因素。AD 痴呆的风险在患者中显着升高，他们经历了长时间的缺氧 [ 9 ] [ 10 ]，在此期间淀粉样蛋白前体蛋白 (APP) 和淀粉样蛋白 β 肽 (ABP) 水平上升 [ 25 ] [ 26 ]，并发通过 α-分泌酶减少 APP 处理 [ 27 ]。低碳酸血症导致 ABP 升高、细胞凋亡增加并通过 caspase-3 激活引发神经退行性变 [ 11 ]，这表明它也可能促进 AD 神经发病机制。

手术过程中的神经炎症反应也可能起作用，有人提出炎症是 POCD 和 AD 发生的主要因素 [ 28 ]。手术引起的外周炎症反应的化学介质可能会进入中枢神经系统 (CNS)。此外，通过小胶质细胞激活的直接中枢神经系统炎症可能涉及局部释放炎症介质，这些介质会影响突触处的神经传递 [ 29 ] [ 30 ]。

或者，麻醉剂可能直接损害神经元功能。动物模型表明，麻醉剂可导致 ABP 斑块的形成、tau 过度磷酸化升高和记忆障碍 [ 7 ] [ 31 ] - [ 33 ]。例如，暴露于异氟醚会导致认知功能的长期缺陷，正如接受过治疗的老年大鼠执行需要空间记忆的任务所证明的那样 [ 34 ]。仅对人类进行的麻醉研究受到伦理挑战的限制，表明需要进一步的动物模型研究。

3. 啮齿动物模型

已经使用啮齿动物研究了由于手术压力引起的 POCD 的神经发病机制。在使用大鼠的手术引起的认知障碍中观察到血管紧张素 II 及其相应受体在海马中的上调 [ 35 ]。这表明脑肾素-血管紧张素系统的激活可能在老年大鼠 POCD 的发展中发挥作用。用受体拮抗剂进行的预处理显示降低： 莫里斯水迷宫任务评估的认知丧失；血脑屏障 (BBB) 通透性；和神经胶质反应。这进一步支持了脑肾素-血管紧张素系统与手术应激中 POCD 之间的联系。在一项对小鼠的研究中 [ 36]，腹部手术是在 18mo 野生型 (WT)、9mo AD 转基因小鼠和 9mo WT 小鼠上使用局部麻醉而非全身麻醉进行的。在 18mo WT 和 9mo 转基因模型中观察到脑 ABP 的术后增加，但在 9mo WT 中没有。γ-分泌酶抑制剂的使用减少了 18 个月 WT 中 ABP 的积累和认知障碍。这表明认知障碍可以独立于全身麻醉而诱发，并且手术压力、衰老和基因突变的某些组合能够诱发 POCD [ 36 ]。

啮齿动物研究也表明挥发性全身麻醉剂与认知障碍有关。使用埃文斯蓝染料定量分析海马 BBB 通透性，该研究 [ 37 ] 表明，手术会损害认知功能并增加染料渗漏到老年大鼠的海马中。研究人员还观察到手术后细胞连接蛋白的表达发生了变化，这与 BBB 功能的丧失一致。此外，研究表明，2 小时 1.5 MAC（平均肺泡浓度）的七氟醚会增加认知障碍和 BBB 通透性。

促炎细胞因子会刺激 tau 蛋白过度磷酸化，从而导致突触和认知功能障碍，如 Luo 及其同事的评论论文中所述 [ 38 ]。他们指出，异氟醚会暂时增加与 POCD 相关的神经炎症细胞因子，并假设 POCD 的主要危险因素是高龄和麻醉持续时间。

术后疼痛和相关的手术压力可能导致 POCD。接受剖腹手术的老年大鼠暴露于异氟醚时表现出认知能力下降，而暴露于异氟醚加镇痛剂（即局部罗哌卡因或全身性吗啡）的大鼠则没有表现出认知能力下降 [ 39 ]。单独使用异氟醚（1.2%，2 小时），不进行手术，不影响认知。NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）受体的上调与术后疼痛和记忆缺陷的发展相关，这表明疼痛管理可能是预防老年人 POCD 的关键步骤。年轻 (3 个月) 和老年 (18 - 20 个月) 大鼠，在腹部手术前后进行检查 [ 40]，表明年龄与 CA1 海马区域内的行为变化和小胶质细胞激活相关。作者认为，老年人在手术后表现出增加的神经炎症，这会影响行为和空间学习。

手术后用脂多糖 (LPS) 治疗的成年大鼠 [ 41 ] 显示出 IL-1 上调以及皮质和海马变性，这表明与手术相关的压力在 POCD 中起关键作用。乙酰胆碱酯酶抑制剂改善胆碱能传递并减少神经炎症，表明胆碱能抗炎途径是预防术后神经炎症和变性的神经体液机制。

在一项仅研究在没有手术压力的情况下接触麻醉剂的研究中 [ 42] ，暴露于异氟醚（1.3% 持续 4 小时）的老年大鼠（20 个月）表现出认知缺陷。研究人员研究了米诺环素的预处理，米诺环素是一种具有抗炎特性的抗生素。预处理的受试者表现出减少的认知缺陷。在海马 CA1 区域内观察到 IL-1 和 caspase-3 的抑制，以及突触超微结构受到保护的证据。米诺环素似乎具有神经保护作用，与其抗生素特性无关。该研究明确表明，单独使用异氟醚会损害海马 CA1 区的突触超微结构，增加突触宽度并降低突触后密度区域。这些观察结果与一项研究一致，该研究表明异氟醚会增加 TNF-α 的水平，43 ] 。

Wang 及其同事 [ 44 ] 研究了异氟醚对老年大鼠胆碱能系统的影响及其与学习和记忆障碍的相关性。研究人员观察到，用麻醉剂治疗的老年大鼠表现出不同的敏感性，表现出严重和轻度的损伤组。通过莫里斯水迷宫测试指定分组。在水迷宫测试后立即测量，严重损伤组大脑中的乙酰胆碱减少，这表明异氟醚可能通过胆碱能系统损害学习和记忆。

4.斑马鱼模型

尽管目前我们在理解全身麻醉药的意外后果方面取得了所有进展，但与 POCD 相关的分子机制仍有待充分阐明。替代动物模型可能证明是有用的。其他人已经公布了使用斑马鱼作为研究神经系统疾病模型的重要性 [ 45 ]，包括 AD [ 46 ]。我们扩展了这一观点，并认为斑马鱼将成为 POCD 的有用动物模型。认知缺陷被认为是许多不同神经系统疾病的共同特征，包括 AD [ 47] . 此外，随着年龄的增长，认知能力普遍下降——随着美国等许多国家老年人的相对百分比增加，全球日益关注这一问题。鉴于认知障碍对我们社会的当前和未来影响，如果仅针对那些由于衰老而导致的病例，则需要一种有效的可翻译动物模型来研究认知机制。一些患者群体的手术增加了认知丧失的风险，这也支持了开发 POCD 预测模型的呼吁。我们认为斑马鱼可以达到这个目的。

4.1。比较斑马鱼和人类的寿命

斑马鱼有潜力成为研究与衰老相关的神经行为和生物学方面的有效模型。奇怪的是，斑马鱼表现出逐渐衰老，这是人类衰老的一个特征。Kishi 和他的同事 [ 48 ] - [ 54 ] 自 2003 年以来，一直在颂扬使用斑马鱼作为衰老模型的概念，在该领域发表了十多年，并展示了逐渐衰老的现象，类似于人类发现的现象。肝脏的组织学检查显示老年斑马鱼 [ 52 ] 中积累了与年龄相关的色素（即脂褐质和“玻璃疣”样），这与在人类中发现的情况再次相似。

要将斑马鱼用作有效的模式生物，研究中的个体需要被精确地识别为处于生命周期的特定阶段。斑马鱼发育的标准划分在成年之前是明确定义的 [ 55 ]（图 1），因此，研究对象在早期发育过程中被准确地分阶段，并与人类比较相关。然而，一旦斑马鱼达到成年期，即标准 AB 野生型菌株的 90 dpf（受精后天数），则没有随后的图表生命阶段指定。重要的是要注意，生命周期点的分期在斑马鱼的转基因品系中可能会有所不同。在目前的讨论中，我们使用标准 AB 野生型菌株作为该物种的代表模型。

标准化实验对象的发展分配有很多优点，包括比较不同实验室的结果，进行个体差异分析，以及

图 1。斑马鱼早期发育的时间表。这些阶段被表示为水平块，时间范围如下以对数刻度显示。一个子阶段，通常称为“变态”，其中组织经历快速转化，发生在所谓的幼虫阶段。人们普遍认为斑马鱼 (ZF) 的成年期从 90 dpf 开始。本文的重点是斑马鱼成虫阶段；因此，这里没有讨论与人类早期发育的充分证明的相关性。

跨物种比较 [ 56 ]。在定义为成年期的生命周期期间，需要更精确的分期仍然是当务之急，以避免在将不同年龄组分组在一起时扭曲实验间结果。与人类一样，斑马鱼在整个成年期都表现出微妙的身体、行为和代谢变化。为了获得最终可用于人类的可重复结果，需要准确的全寿命分期。尝试弥合这两个物种的成年生命阶段可能会更好地了解人类生物学问题，例如衰老的慢性疾病（即痴呆症），以及与本文相关的 POCD。

早期斑马鱼发育的各个阶段（如图 1所示）反映了对数轨迹。像大多数硬骨鱼一样，斑马鱼在体外受精和繁殖，孵化时间为 3 dpf，但身体仍然不完整，与子宫外的有袋胎儿没有什么不同。胚胎阶段发生在透明的绒毛膜中，由此生长的生物体依赖于其卵黄囊，卵黄囊被 8 dpf 耗尽。器官发育基本上在 36 hpf（小时 pf）时完成，尽管为了达到生理成熟和身体系统的解剖结构重构，必须发生大约 12 - 15 dpf 的变态期。性别决定也发生在变态过程中，并且部分取决于环境温度。

4.1.1。平均和最大寿命基准

斑马鱼的成年期从幼年期末期开始（图 1），在 3 mpf（月 pf 月）时开始，并持续到生命的尽头，这被认为平均约为 3 年 [ 57 ]。平均寿命（即公布为 42 个月）是使用圈养的远交斑马鱼确定的。野生斑马鱼被认为只能活一年左右。Gerhard 和他的同事 [ 57 ] 还报告说，研究中最长寿的人活了 5 年多一点。在主要科学文献中没有发现其他关于实验确定斑马鱼寿命的已发表作品。这项单项研究 [ 57] 涉及可能表现出长寿遗传优势的远交斑马鱼；因此，结果成为对目前实验室使用的近交菌株（即 AB 野生型）寿命的估计。这些研究人员 [ 57 ] 还包括一种不常见的近交斑马鱼品系（即金色稀疏），其寿命（即平均 36 个月）略短于远交品系。

我们认为斑马鱼 36 个月的平均寿命是一个异常平均值，特别是当人们认为大多数实验室将成年斑马鱼剔除 24 个月时，因为它们开始表现出身体/骨骼变形并增加了对感染的易感性。在准备这篇评论文章时，我们使用了斑马鱼 36 个月的平均寿命基准，并将其与人类的相应值联系起来。在检查人类平均寿命的文献时，我们查看了预期寿命数据，并认为将具有最高预期寿命的同质文化包括在内是合适的。在日本，2015 年的数据显示女性的预期寿命为 86.8 岁（访问自http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2016)，代表我们与 Gerhard 研究 [ 57 ] 对斑马鱼金色稀疏品系 36 个月的观察结果相关联的异常平均值。我们使用了人类女性异常值平均值，因为下面讨论的其他两个基准与生殖年龄有关，可定义为女性生殖力。我们使用了 2002 年 Gerhard 研究 [ 57 ] 中的另一个数据点来确定将人类和斑马鱼的寿命关联起来的通用基准，即黄金稀疏品种（即 58 个月）的离群值寿命结束，然后将斑马鱼的最大寿命 58 个月联系起来对应人类的值。

根据瑞典女性的人口统计分析，预计人类的最长寿命约为 126 岁 [ 58 ]。奇怪的是，如果对老年学研究小组列出的前十名最长寿命声明进行平均，则计算出的平均值为 128，这也恰好是该列表中个人的年龄，并附有以下注释：“最古老的可信声明”（访问http://www.grg.org/Adams/J.HTM; 该网站称，评估委员会使用了三份独立的人口统计资料，其中一份可追溯到索赔人的出生时间）。大多数易于访问的互联网搜索文档都包含一位活了 122.5 年的法国妇女的信息。在本次分析中，我们决定选择 128 岁作为人类最大寿命的基准，以与斑马鱼的寿命相联系，即 58 mpf（months pf）。

4.1.2. 生育年限为基准

我们使用了另外两个基准来关联斑马鱼和人类成年期，分别是它们繁殖年限的起点和终点的平均异常值。对于斑马鱼，普遍认为繁殖能力从 3mpf 开始，到 1.5 ypf（pf 年）结束，作为离群平均值。对于人类来说，对应的时间点分别是 10 年和 53 年。我们用来为最古老的平均人类怀孕得出单一值的程序如下。由于互联网上的信息过多，记录了不同的个人及其出生，几乎没有整合各种数据，我们访问了带注释且被广泛引用的 wiki 页面（https://en.wikipedia.org/维基/Pregnancy_over_age_50，于 2016 年 6 月 9 日访问）。从提供的列表中，我们省略了具有以下标准的那些：任何因医疗干预（即体外受精、生育药物等）而怀孕、与名人有关的出生（由于对其真实性的怀疑）、1900 年之前的出生，以及来自真实性可能受到质疑的国家（即冷战时期的苏联、第三世界国家等）的出生。在这个排除过程之后，我们平均了剩余的自然和经过验证的活产病例。结果是53岁的产妇年龄。对于最年轻的平均人类怀孕，我们使用另一个带注释、引用良好的 wiki 页面（ https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_youngest_birth_mothers）上提供的综合列表执行了相同的过程，于 2016 年 6 月 9 日访问），得出 10 岁产妇年龄的结果。

4.1.3。相当于人类年龄的斑马鱼

物种间成人基准充分匹配的狭隘科学要求将我们限制在四个方面。上述这些基准（即平均和最大寿命以及最早和最晚的繁殖时间点）相互关联。也就是说，我们将人类基准绘制为各自斑马鱼基准的函数（图 2）。最佳拟合曲线生成了一个双参数功率方程 y = a(x b )，其 p 值为 0.0007，其中“a”等于 0.425，“b”为 0.757。重要的是要注意，这代表了年龄等效的可测试估计量，以允许研究人员生成可以通过实验测试的假设。

例如，让我们考虑人类的大脑发育，它被认为在 25 岁时达到成熟 [ 59 ]，至少在智力和社会心理成熟度方面。使用我们在图 2中显示的推导方程，一个可检验的假设可能是斑马鱼的大脑发育，如通过神经行为测试评估的那样，应该预期在斑马鱼年龄相当于 226dpf 或 7mo13dpf 时达到成熟（https://www. symbolab.com/solver/equation-calculator）。人类成人的认知表现似乎与皮层活动有关，这表明皮层区域的募集比成年前发生的更多 [ 60] . 斑马鱼的这种拐点是否发生在成年期，是否发生在大约 226dpf 时？我们实验室目前正在研究的这个 H-eq 方程可能还有其他实用的可能性。

图 2。人类和斑马鱼寿命的相关性。四个基准用于将人类成年阶段与斑马鱼的阶段相关联。人类和斑马鱼的线性鳞片以年和日为单位，从受精开始计算（即分别为 ypf 和 dpf）。人类妊娠期（0.75068 年）被数字添加到四个人类时间点中的每一个。该图是使用 SigmaPlot 12.5 ( www.systatsoftware.com ) 绘制的，使用“Curve Fit”命令在 12 次迭代后生成最佳拟合非线性回归。为了估计给定斑马鱼的人类年龄当量 (H-eq)，公式为 H-eq = (0.425x 0.757 ) - 0.751，其中 x 是相关斑马鱼的年龄，以 dpf 为单位。

4.2. 麻醉剂的作用

斑马鱼已经被用于研究抑制记忆的药物，以及被认为可以提高认知能力的药物 [ 61 ]。例如，与社会相关的兴奋剂尼古丁对认知功能的影响可以使用斑马鱼 [ 62 ] 进行有效研究，斑马鱼具有将生物学与行为联系起来的能力，在这种情况下了解大脑受体活动 [ 63 ]。可以使用斑马鱼模型研究另一种人类感兴趣的相关兴奋剂（即咖啡因），特别是在了解其对学习和记忆的影响方面[ 64 ]。已知有多种作用于中枢神经系统的药物会影响斑马鱼的记忆功能，包括氯胺酮 [ 65 ]、东莨菪碱 [66 ]、NMDA 拮抗剂地佐西平 [ 67 ] 和乙醇 [ 68 ]。氯胺酮是一种 NMDA 受体拮抗剂，在手术中用于诱导镇静和镇痛。Kaleuff 和他的同事 [ 65 ] 观察到斑马鱼暴露于亚麻醉水平的氯胺酮（0.1mM，20 分钟）可减少焦虑、记忆障碍（即会话中的习惯）和扰乱社会行为（即浅滩）。东莨菪碱是一种乙酰胆碱毒蕈碱受体拮抗剂，在手术前作为药物给予以减少呼吸道分泌物和术后恶心，给予斑马鱼（0.2 mM 1 小时）时具有健忘作用[ 66] . 乙酰胆碱酯酶抑制剂毒扁豆碱以 0.2 mM 给药时，会导致处理过的斑马鱼快速突然运动，被描述为癫痫样运动活动 [ 69 ]，研究人员将其归因于一氧化氮的产生增加。我们认为斑马鱼的这些间歇性游泳爆发在对照鱼中很常见，并且很容易测量（图 3）。

绝对数量和周期性似乎因人而异，这种正常的间歇性爆发游泳的特征是否与年龄相关仍有待确定。可以使用神经行为程序（例如 Noldus Ethovision ( http://www.noldus.com/animal-behavior-research )）通过将阈值加速度设置为 100 毫秒内发生的20 厘米/秒2来测量这种现象。

4.2.1。麻醉预处理

预处理的生物医学定义相当狭窄和精确。简单地说，预处理发生在短暂的亚致死侮辱防止未来的致命伤害时。这种现象在不同的​​生物体中观察到，通常是指特定的组织，例如大脑，尽管其他组织已经表现出预处理的能力。最常见的例子是，一次轻微的心脏病发作可以保护心脏组织免受未来的大规模心脏病发作。关于大脑，由于大多数神经元不会再生，人们可以立即认识到保护大脑免受急性和潜在致命伤害的临床意义，包括创伤、手术损伤、缺血性中风和新生儿缺氧。预处理还可以防止用作神经退行性变模型的有毒物质，

为了考虑将这种现象应用于临床干预，即使作为一种预防措施，也必须了解预处理的工作原理。某些刺激触发内源性神经保护过程，必须阐明它们的分子基础，以识别关键目标。

图 3。成年斑马鱼突游的特征。对旷场测试（水箱：30 cm × 30 cm）中未经处理的成年斑马鱼进行视频记录，并随时间对每次加速度（>20cm/s 2）进行评分（垂直线，y = 2）。这种行为有周期性，爆发游动表现为大量不同的加速度在短暂的时间间隔内组合在一起。这种行为反映了神经肌肉的完整性，并且可以在斑马鱼成年期进行研究。

这种现象的奇怪性质是预处理刺激的广泛多样性。除了极端环境（即氧分压、温度等）外，脑组织还可以用化学物质（即毒素、药剂和麻醉剂）进行预处理。Dirnagl 及其同事 [ 70 ] 假设几乎任何已知有害的刺激都可以在低于损伤阈值水平时触发神经保护。作者将参与这一过程的分子分为三种类型：传感器、换能器和效应器。

我们提出预处理是一个与 POCD 机制直接相关的过程。我们假设，虽然年轻的充满活力的脑组织可以以神经保护方式对预处理剂作出反应，但年长、弹性较差的大脑会受到不利影响，这表明需要研究麻醉预处理中的传感器、换能器和效应器作为一种方法了解 POCD 的机制。

除了上述对乙酰胆碱毒蕈碱受体的药理作用外，毒扁豆碱似乎在斑马鱼中引起预处理作用，端脑细胞增殖和 iNOS 表达增加 [ 69 ] 就证明了这一点。同样，麻醉剂可能具有引起预处理的脱靶效应

三氟乙醇是一种麻醉剂模拟物，对斑马鱼有预处理作用，如在幼虫中观察到的那样 [ 71] . 斑马鱼幼虫行为特征明确，代表了有效的分析终点。幼虫行为（即冻结、浅滩和触动）适合用于神经行为研究的定量分析。当鱼将其身体头部朝前并垂直于容器（即培养皿、烧杯或水箱）的周壁放置时，就会发生触动，触动是一种“抱墙”行为，在外围游动。神经生物学家认为这种行为与焦虑有关。此外，评估幼虫如何与环境互动，特别是基本的摄食和浅滩行为，也代表了一个研究领域。暴露于三氟乙醇的斑马鱼幼虫（即亚麻醉水平的剂量）表现出神经元功能加速成熟的模式，71 ] 。

虽然已经研究了水合氯醛的活性代谢物三氯乙醇（即早期全身麻醉剂之一）的麻醉效力 [ 72 ]，但尚未发表三氟乙醇的镇静作用。我们分析了浸泡在不同浓度三氟乙醇中的成年斑马鱼（400 dpf/13mpf；或 38.9 H-eq 年）的视频，以确定观察到完全不动的浓度（图 4）。

吸入性化合物的挥发性本质上与斑马鱼的水生环境不相容。三氟乙醇优于吸入麻醉剂（即异氟醚和七氟醚），在

图 4。三氟乙醇的麻醉效力。在获取视频剪辑（1 分钟）之前，将斑马鱼保持在不同浓度的三氟乙醇（28°C 下 5 分钟），在此期间测量游泳的总距离，然后绘制为三氟乙醇浓度的函数。使用 SigmaPlot 12.5 生成线性回归线 (p < 0.05)，计算出 2.2 mM 的 x 截距，这与关于三氯乙醇的麻醉效力的文献一致 [ 72 ]。数据传播可能是由于个体行为之间的差异。.

它是水溶性的，因此药剂的浓度可以有效地用于水生动物。使用三氟乙醇，在低浓度（100 mM 3 小时 [ 71 ]）下对斑马鱼幼虫产生预处理作用。这种亚麻醉剂量消除了在毫摩尔浓度下工作的需要，从而最大限度地减少了附带分子目标。

4.2.2. 斑马鱼学习和记忆

我们研究了成年斑马鱼的认知能力。使用直接的习惯性食物奖励设计，我们检查了斑马鱼学习将食物奖励与特定颜色相关联的能力。这种用于联想学习的颜色辨别范式以前曾被使用 [ 73] . 在一个三室水箱（包含连接中心室和两个外室的门）中，将一条斑马鱼放在中心室中，并在 5 分钟内观察其进入两个外室之一。每个外室的远端都有一个颜色提示：一个，绿色；一个，绿色；一个，绿色。另一个，红色。在 18 天的时间里测试了六只未经处理的对照成年斑马鱼。每天有两次试验。如果鱼选择了绿色房间，则会给予一粒干粮作为奖励。鱼一游进其中一个外室，连接外室的门就关闭了。每个试验的评分如下：正确、不正确或没有选择。每天的结果以正确选择的数量除以试验的总数制成表格，代表对性能的分数评估。图 5）。

该学习任务和其他学习任务可用于将认知目标与生物终点相关联。我们的实验室有兴趣了解 GABA 受体在学习和记忆中的作用。斑马鱼的学习机制已被证明与乙酰胆碱和腺苷 [ 74 ] 以及谷氨酸能 [ 67 ] 信号传导有关。

重要的是要清楚地描述认知干扰物或认知增强剂（即预处理剂）的作用，因为它们具有特定于发育的影响。在不同发育阶段（即胚胎、幼虫、幼体、成年和老年）的暴露，即划定的成年时间点，对于确定可转化为人类年龄组的分子机制至关重要。例如，使用联想学习测试，与 1ypf 相比，2 ypf 的斑马鱼在认知能力方面表现出显着下降 [ 73] . 这些研究人员发现，老年斑马鱼背侧端脑中的氧化脂质和蛋白质含量增加。人们还可以研究繁殖和护理作为成年鱼认知成功或失败的预测指标的重要性，由于早期发育阶段的优越条件，可能会区分具有更大“认知储备”的那些群体。这些条件将包括“丰富的环境”的概念

图 5。成年斑马鱼在联想学习中的颜色辨别性能。六条斑马鱼（430 dpf/14mpf；或者，开始时 41 H-eq 年）在 18 天的时间内进行了测试，并且随着时间的推移给出了它们的平均性能。虚线表示偶然预期的分数（即两种可能结果中的一种，或 50%）。使用 SigmaPlot 12.5 计算显着的线性回归线 (p < 0.05)，公式 y = 1.08x + 47.1。

精神”以及营养。与人类一样，遗传学在决定衰老过程中的“认知储备”方面也发挥着作用。这可以通过斑马鱼的选择性育种技术进一步探索。

5。结论

在定义 POCD 的参数时，麻醉代表了一个独特的领域，可以研究导致永久性认知丧失的分子机制 [ 75 ]。虽然标准麻醉剂组合包含属于不同化学组的药剂，但本文强调吸入剂（即卤代醚）及其类似物三氟乙醇的作用，以及斑马鱼如何用于研究它们作为认知调节剂的作用，以及调制可能比药理学更具毒理学意义。斑马鱼表现出基本的行为：社交（即浅滩）、情绪（即焦虑）和认知（即联想学习）。这些受年龄和麻醉剂影响的行为可能会被描绘成痴呆样神经表型。

虽然啮齿动物模型在文献中占主导地位 [ 68 ] [ 76 ] - [ 78 ]，但动物建模中的替代策略为神经表型分析提供了更高的通量。斑马鱼模型被认为是转化神经科学研究的重要组成部分[ 35 ]。斑马鱼具有复杂的行为曲目，用于测试各种认知终点（即注意力、学习和记忆）。这些端点可以通过使用专门设计的罐的市售行为分析程序自动进行定量。持续的研究开启了未来围手术期预防将预防 POCD 的可能性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

参考

[ 1 ] Savageau, JA, Stanton, BA, Jenkins, CD 和 Klein, MD (1982) 择期心脏手术后的神经心理功能障碍。I. 早期评估。胸心血管外科杂志，84, 585-594。

[ 2 ] Selnes, OA, Royall, RM, Grega, MA, Borowicz Jr., LM, Quaskey, S. 和 McKhann, GM (2001) Cognitive Changes 5 Years after Coronary Artery Bypass Grafting: Is there Evidence of Late Decline？神经病学档案，58, 598-604。

[ 3 ] Newman, MF, Kirchner, JL, Phillips-Bute, B., Gaver, V., Grocott, H., Jones, RH, Mark, DB, Reves, JG 和 Blumenthal, JA (2001) 冠状动脉后神经认知功能的纵向评估-动脉搭桥手术。新英格兰医学杂志，344, 395-402。

[ 4 ] Biedler, A.、Juckenhöfel, S.、Larsen, R.、Radtke, F.、Stotz, A.、Warmann, J.、Braune, E.、Dyttkowitz, A.、Henning, F.、Strickmann, B. 和Lauven, PM (1999) 老年患者的术后认知障碍。“术后认知功能障碍国际研究”（ISPOCD 1）的结果。麻醉师, 48, 884-895。http://dx.doi.org/10.1007/s001010050802

[ 5 ] Huttenlocher, PR (1979) 人类额叶皮层的突触密度——发育变化和衰老的影响。大脑研究，163、195-205。

[ 6 ] Palop, JJ 和 Mucke, L. (2010) 淀粉样蛋白诱导的阿尔茨海默病神经元功能障碍：从突触到神经网络。自然神经科学，13, 812-818。

[ 7 ] Vanderweyde, T., Bednar, MM, Forman, SA 和 Wolozin, B. (2010) 阿尔茨海默病的医源性风险因素：手术和麻醉。阿尔茨海默病杂志，22, 91-104。

[ 8 ] Xie, Z. 和 Tanzi, RE (2006) 阿尔茨海默病和术后认知功能障碍。实验老年学，41，346-359。

[ 9 ] Kokmen, E., Whisnant, JP, O'Fallon, WM, Chu, CP 和 Beard, CM (1996) 缺血性中风后的痴呆：明尼苏达州罗切斯特的基于人群的研究 (1960-1984)。神经病学，46, 154-159。

http://dx.doi.org/10.1212/WNL.46.1.154

[ 10 ] Moroney, JT, Bagiella, E., Desmond, DW, Paik, MC, Stern, Y. 和 Tatemichi, TK (1996) 中风后痴呆症的风险因素。缺氧和缺血性疾病的作用。中风，27，1283-1289。

[ 11 ] Xie, Z., Moir, RD, Romano, DM, Tesco, G., Kovacs, DM 和 Tanzi, RE (2004) 低碳酸血症诱导 ​​Caspase-3 激活并增加 Abeta 生产。神经退行性疾病，1, 29-37。

[ 12 ] Ramlawi, B., Rudolph, JL, Mieno, S., Feng, J., Boodhwani, M., Khabbaz, K., Levkoff, SE, Marcantonio, ER, Bianchi, C. 和 Sellke, FW (2006) C-与心脏手术后神经认知衰退相关的反应蛋白和炎症反应。外科手术，140、221-226。

[ 13 ] Steinmetz, J., Christensen, KB, Lund, T., Lohse, N. 和 Rasmussen, LS, ISPOCD Group (2009) 术后认知功能障碍的长期后果。麻醉学, 110, 548-555。

[ 14 ] Seitz, DP, Reimer, CL 和 Siddiqui, N. (2013) 回顾全身麻醉作为阿尔茨海默病危险因素的流行病学证据。神经精神药理学和生物精神病学进展, 47, 122-127。http://dx.doi.org/10.1016/j.pnpbp.2012.06.022

[ 15 ] Papon, MA, Whittington, RA, El-Khoury, NB 和 Planel, E. (2011) 阿尔茨海默病和麻醉。神经科学前沿，4, 272.

[ 16 ] Tang, J.、Eckenhoff, MF 和 Eckenhoff, RG (2010) 麻醉和老脑。麻醉和镇痛，110, 421-426。

[ 17 ] Xie, Z. 和 Xu, Z. (2013) 全身麻醉剂和 β-淀粉样蛋白。神经精神药理学和生物精神病学进展，47, 140-146。

[ 18 ] Bedford, PD (1955) 麻醉对老年人的不良脑效应。柳叶刀，266, 259-264。

[ 19 ] Murkin, JM, Newman, SP, Stump, DA 和 Blumenthal, JA (1995) 心脏手术后神经行为结果评估共识声明。胸外科年鉴，59，1289-1295。

[ 20 ] Stern, Y., Gurland, B., Tatemichi, TK, Tang, MX, Wilder, D. 和 Mayeux, R. (1994) 教育和职业对阿尔茨海默病发病率的影响。美国医学会杂志，271, 1004-1010。

[ 21 ] Slooter, AJ, van Duijn, CM, Bots, ML, Ott, A., Breteler, MB, De Voecht, J., Wehnert, A., de Knijff, P., Havekes, LM, Grobbee, DE, Van Broeckhoven, C. 和 Hofman, A. (1998) 载脂蛋白 E 基因型、动脉粥样硬化和认知衰退：鹿特丹研究。神经传输杂志，53，17-29。

[ 22 ] Wilson, RS, Beckett, LA, Bennett, DA, Albert, MS 和 Evans, DA (1999) 社区人群中老年人认知功能的变化：与年龄和阿尔茨海默病的关系。神经病学档案，56, 1274-1279。

[ 23 ] Small, SA, Stern, Y., Tang, M. 和 Mayeux, R. (1999) 健康老年人记忆功能的选择性下降。神经病学，52, 1392-1396。

[ 24 ] Newman, SK, Warrington, EK, Kennedy, AM 和 Rossor, MN (1994) 家族性阿尔茨海默病患者最早的认知变化：尸检证实的家族性阿尔茨海默病谱系的症状前神经心理学特征。神经病学、神经外科和精神病学杂志，57, 967-972。

[ 25 ] Jendroska, K.、Hoffmann, OM 和 Patt, S. (1997) 轻度和重度脑缺血中的淀粉样蛋白 β 肽和前体蛋白 (APP)。纽约科学院年报，826, 401-405。

[ 26 ] Kalaria, RN (2000) 脑缺血在阿尔茨海默病中的作用。衰老的神经生物学，21, 321-330。

[ 27 ] Webster, NJ, Green, KN, Peers, C. 和 Vaughan, PF (2002) 通过慢性缺氧改变人类神经母细胞瘤 SH-SY5Y 中淀粉样前体蛋白的加工。神经化学杂志，83，1262-1271。http://dx.doi.org/10.1046/j.1471-4159.2002.01236.x

[ 28 ] Hu, Z.、Ou, Y.、Duan, K. 和 Jiang, X. (2010) 炎症：术后认知功能障碍与阿尔茨海默病之间的桥梁。医学假设，74, 722-724。

[ 29 ] Wilson, CJ, Finch, CE 和 Cohen, HJ (2002) 细胞因子和认知——从头到脚炎症范式的案例。美国老年病学会杂志，50，2041-2056。

[ 30 ] Minagar, A.、Shapshak, P.、Fujimura, R.、Ownby, R.、Heyes, M. 和 Eisdorfer, C. (2002) 巨噬细胞/小胶质细胞和星形胶质细胞在三种神经疾病发病机制中的作用：HIV 相关痴呆症、阿尔茨海默病和多发性硬化症。神经科学杂志，202，13-23。