《Neurochemistry International》：Mild traumatic brain injury produces persistent wake-state instability and EEG slowing despite carbon monoxide neuroprotection
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丽贝卡·Y·布罗德赫斯特|瓦内萨·A·沃尔塔雷利|贾尼克·韦伯|大卫·加洛|威廉·P·米汉|罗德里戈·W·阿尔维斯·德索萨|利奥·E·奥特宾|帕特里克·M·富勒美国马萨诸塞州波士顿哈佛医学院贝斯以色列女执事医疗中心外科，邮编02115摘要遭受轻度创伤性脑损伤的人常常会出现持续的睡
丽贝卡·Y·布罗德赫斯特|瓦内萨·A·沃尔塔雷利|贾尼克·韦伯|大卫·加洛|威廉·P·米汉|罗德里戈·W·阿尔维斯·德索萨|利奥·E·奥特宾|帕特里克·M·富勒
美国马萨诸塞州波士顿哈佛医学院贝斯以色列女执事医疗中心外科，邮编02115
摘要
遭受轻度创伤性脑损伤的人常常会出现持续的睡眠-觉醒紊乱，这会影响其日间功能恢复。然而，这些紊乱的生理机制至今尚未完全明了。我们利用小鼠的单次和重复轻度创伤性脑损伤闭合头部侧向撞击模型，研究了损伤对脑电图活动及行为状态组织的急性和慢性影响。尽管轻度创伤性脑损伤并未改变清醒或睡眠的总时间，但无论是单次还是重复损伤都会导致清醒状态的明显且持续的碎片化，这种状况在损伤后最多可持续12周。频谱分析进一步显示，清醒时低θ波（4–8?Hz）活动增加，这与皮质激活减弱以及觉醒稳定性下降一致。由于有研究指出低浓度一氧化碳在脑损伤模型中具有神经保护作用，我们还研究了吸入一氧化碳是否能缓解这些异常现象。虽然一氧化碳降低了与急性损伤相关的指标及胶质细胞应激标志物的表达，但在检测的时间点上并未改善清醒状态碎片化或脑电图频谱变化。总体而言，这些发现表明持续性的清醒状态不稳定是轻度创伤性脑损伤的重要后果，同时也说明即便急性损伤相关的病理变化有所减轻，维持稳定清醒状态的机制仍可能受到破坏。
引言
创伤性脑损伤是全球范围内影响数百万人的重大公共卫生问题，尤其在运动员、军人以及那些容易遭受反复头部撞击的人群中更为常见（Aoun等人，2019年）。虽然创伤性脑损伤的临床表现多种多样，但最常见的是轻度创伤性脑损伤，它通常表现为在突然的加速、减速或撞击力作用下，意识、精神状态、记忆和/或局部神经功能出现短暂异常（Katz等人，2015年）。尽管被归类为“轻度”损伤，轻度创伤性脑损伤仍可能导致持续且具有临床意义的神经行为后遗症。
创伤性脑损伤最常见的致残后果之一就是睡眠和觉醒紊乱（Castriotta和Murthy，2011年）。患者在受伤后常出现失眠、嗜睡、过度日间嗜睡、睡眠片段化、睡眠呼吸暂停、类似嗜睡症的症状以及周期性肢体运动（Castriotta等人，2007年）。临床研究已证实创伤性脑损伤后会存在过度日间嗜睡现象，而在使用液体冲击或皮质撞击模型进行的小鼠实验中也观察到了类似结果（Rowe等人，2014a、2014b；Thomasy等人，2017年）。这些观察结果都支持这样一种观点：警觉状态的调节异常是脑损伤常见的、具有普遍性的后果。
可能引发创伤后睡眠-觉醒功能障碍的一个候选系统是下丘脑外侧的食欲素/下丘脑分泌素系统。食欲素神经元在维持清醒状态和抑制不必要的状态转换中起着关键作用（De Luca等人，2022年）。在创伤性脑损伤患者中，已有研究报道脑脊液中的食欲素水平下降，而在小鼠实验中也是如此，损伤后细胞外食欲素水平降低，且食欲素神经元的激活功能受损（Baumann等人，2005年；Willie等人，2012年；Lim等人，2013年）。这些发现表明，创伤后的睡眠-觉醒症状至少部分可能是由于通常负责维持持续清醒状态的下丘脑觉醒系统功能紊乱所导致的。
另一个日益重要且相关的问题是，反复的轻度损伤是否比单次损伤会导致更持久的行为空间控制紊乱（Dashnaw等人，2012年）。临床研究和基于加速度计的研究表明，累积性的头部撞击会带来更持久的行为空间和神经功能缺陷。在实验模型中，与单次损伤相比，反复的轻度创伤性脑损伤也会导致更严重的神经病理变化和神经炎症反应（Rowe等人，2019年）。然而，目前研究反复闭合头部损伤对睡眠-觉醒结构长期影响的文献相对较少，同时将纵向行为空间状态分析与脑电图评估相结合的研究更是寥寥无几。
有研究指出，在几种急性脑损伤模型中，如中风、可控皮质撞击和蛛网膜下腔出血，低浓度的一氧化碳具有神经保护作用（Choi等人，2016年；Kamat等人，2019年；Wang等人，2018年）。其可能的机制包括减轻缺血-再灌注损伤、调节炎症反应、减少细胞死亡以及促进组织修复。这些发现提示，调控血红素加氧酶-一氧化碳信号通路或许能够影响调控睡眠和觉醒的神经系统。不过，这种保护作用是否也适用于创伤后睡眠-觉醒结构的改变，目前尚不清楚。
在本研究中，我们采用了轻度脑震荡/创伤后头痛的闭合头部侧向撞击模型，旨在研究单次和重复轻度创伤性脑损伤对小鼠脑电图及行为睡眠-觉醒结构的急性和慢性影响。我们还测试了在损伤前后吸入一氧化碳是否能缓解这些异常，并分析了损伤对下丘脑外侧食欲素神经元的影晌。尽管人们越来越认识到睡眠紊乱是轻度创伤性脑损伤的常见后果，但使用慢性脑电图记录来研究类似脑震荡损伤的闭合头部模型中睡眠-觉醒状态的长期变化的文献仍然很少。因此，我们推测轻度创伤性脑损伤会扰乱行为空间控制，尤其是清醒状态，而一氧化碳治疗可能通过减轻与损伤相关的病理变化来缓解这些影响。我们的研究结果表明，轻度创伤性脑损伤会导致清醒状态持续不稳定，同时伴有脑电图低θ波活动增加，这些效应在损伤后数月依然存在，且与一氧化碳介导的神经保护作用以及下丘脑外侧食欲素神经元的丢失无关。
章节节选
动物模型
本研究的所有实验均使用了成年雄性CD-1小鼠（8-12周龄；共86只），除了脑切片实验外，该实验使用了C57BL/6小鼠（8周龄；共9只），因为这一品系在我们的电生理实验中常用，且能更稳定地实现脑切片记录。所有小鼠均在我们的动物实验设施中饲养，处于12小时光照/黑暗周期中，可自由获取食物和水。所有实验程序均获得了机构伦理委员会的批准
一氧化碳对轻度创伤性脑损伤损伤程度的调节作用
已有研究表明，一氧化碳在小鼠的可控皮质撞击模型中具有神经保护作用。我们试图在轻度创伤性脑损伤的闭合头部模型中验证这一现象，即创伤后头痛或轻度脑震荡模型。我们将小鼠分别用一氧化碳或空气处理，然后再对其右侧头部施加单次或重复的重击。我们观察到，头部受击会导致小鼠从麻醉状态中苏醒的时间显著延长，而这正是创伤性脑损伤的典型特征。
讨论
本研究的主要发现是，轻度创伤性脑损伤会导致清醒状态持续不稳定，而不会显著改变总的睡眠或清醒时间。我们的目标是创建一种没有颅骨骨折、组织损伤、血肿或严重神经功能缺陷的损伤模型，因此我们采用了先前已有研究的改良模型（Guilhaume等人，2025年；Benromano等人，2015年）。无论是单次还是重复的闭合头部损伤，都会导致
利益冲突声明
利奥·奥特宾是GEM-Bio的创始人兼科学顾问。R.W.A.S.是Hillhurst Biopharmaceuticals的科学顾问
CRediT作者贡献声明
丽贝卡·Y·布罗德赫斯特：数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、写作——审阅与编辑。瓦内萨·A·沃尔塔雷利：概念构建、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、写作——审阅与编辑。贾尼克·韦伯：概念构建、数据整理、研究实施、方法设计。大卫·加洛：数据整理、研究实施、方法设计。威廉·P·米汉：方法设计。罗德里戈·W·阿尔维斯·德索扎：概念构建、数据整理、研究实施、方法设计，
利益冲突声明
作者们声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：利奥·奥特宾的工作由贝斯以色列女执事医疗中心提供资助。其他作者则声明自己不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢梅根·格雷在技术方面给予的出色协助。
资金来源：美国国防部的资助项目——编号HT9425-24-1-0769和HT9425-23-1-1052，以及美国国家橄榄球联盟球员协会对利奥·奥特宾和威廉·P·米汉的资助；美国心脏协会的资助项目——编号19CDA34760244、RWAS NS073613、NS092652和NS103161，用于资助帕特里克·M·富勒的研究
