各位大朋友小朋友兒童節(jié)快樂(lè)呀，這里是兒童節(jié)也想咕咕的椰球。今天為大家?guī)?lái)的研究是一項(xiàng)功能神經(jīng)環(huán)路研究。論文的標(biāo)題簡(jiǎn)潔明了，為疼痛通過(guò)脊髓-臂旁核-中腦環(huán)路調(diào)控多巴胺神經(jīng)元。本文發(fā)表于自然·神經(jīng)科學(xué)，第一作者是目前就職于浙江大學(xué)的楊鴻斌博士。
在本文中，作者鑒定了一條從脊髓出發(fā)途徑臂旁核（LPB）投向中腦的神經(jīng)環(huán)路，并揭示了疼痛信號(hào)通過(guò)該環(huán)路調(diào)控多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，部分臂旁核神經(jīng)元接受脊髓上行的傷害感受性信號(hào)并將其傳遞給中腦的黑質(zhì)網(wǎng)狀部（SNR）。而SNR則通過(guò)直接和間接兩種不同的機(jī)制調(diào)控腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)多巴胺神經(jīng)元的活動(dòng)。本研究發(fā)現(xiàn)了連接感覺(jué)系統(tǒng)和多巴胺系統(tǒng)之間的“橋梁”，有利于幫助我們更深入理解疼痛對(duì)學(xué)習(xí)和認(rèn)知行為的調(diào)控機(jī)制。
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引言
疼痛是一種復(fù)雜的綜合性現(xiàn)象。狹義的疼痛可能只是一種軀體對(duì)傷害性刺激的感覺(jué)反應(yīng)，但臨床上疼痛患者往往還伴有動(dòng)機(jī)行為缺失等負(fù)面情緒，甚至?xí)?dǎo)致焦慮抑郁等心理問(wèn)題。這提示“疼痛”這一概念除了感覺(jué)方面的表現(xiàn)外，還會(huì)伴有情緒和認(rèn)知反應(yīng)的改變。
位于中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（ventral tegmental area，VTA）的多巴胺（dopamine，DA）神經(jīng)元在獎(jiǎng)賞和和動(dòng)機(jī)行為相關(guān)的環(huán)路中發(fā)揮的作用已經(jīng)為我們所熟知了。不少研究證據(jù)顯示，不論是急性還是慢性疼痛都會(huì)導(dǎo)致VTA中多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)的下降，從而進(jìn)一步引發(fā)疼痛所帶來(lái)的負(fù)面的情緒反應(yīng)。然而在這一過(guò)程當(dāng)中尚有一些問(wèn)題懸而未決。其中最為關(guān)鍵的兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是：
01 外周傷害感受器上行的痛覺(jué)信號(hào)是通過(guò)何種通路被傳遞給VTA多巴胺神經(jīng)元的？
02 疼痛調(diào)控多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制是怎樣的？
為了更好地理解疼痛對(duì)認(rèn)知行為的影響，以上這些問(wèn)題依然值得深入挖掘。
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在痛覺(jué)信號(hào)的傳入通路中，臂旁核（lateral parabrachial nucleus，LPB）起到了重要的樞紐作用。研究表明，臂旁核可以對(duì)多種傷害性刺激產(chǎn)生反應(yīng)，并將接收到的感覺(jué)信息分發(fā)到掌管不同生理過(guò)程的關(guān)鍵腦區(qū)，其中就包含了VTA。因此不難作出假設(shè)：臂旁核有可能在感覺(jué)信號(hào)傳輸?shù)蕉喟桶飞窠?jīng)元這一過(guò)程中扮演了“中轉(zhuǎn)站”的角色。
接下來(lái)，就讓我們具體來(lái)看研究者如何從臂旁核出發(fā)，對(duì)這條溝通感覺(jué)系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)之間的通路進(jìn)行解析。
結(jié)果
不論是解讀還是設(shè)計(jì)功能神經(jīng)環(huán)路類的研究，我們大體上可以按照一個(gè)“先示蹤，再記錄，最后操縱”的思路對(duì)感興趣的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析。具體而言，我們可以首先采用神經(jīng)示蹤技術(shù)鑒定目標(biāo)神經(jīng)環(huán)路的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)并利用電生理記錄手段確定該環(huán)路的生理基礎(chǔ)；然后使用電生理記錄和鈣成像等記錄手段獲取該環(huán)路在特定生理或病理過(guò)程中的活動(dòng)規(guī)律；最后使用光遺傳/化學(xué)遺傳等手段結(jié)合行為學(xué)對(duì)目標(biāo)環(huán)路的活動(dòng)進(jìn)行操縱，從而揭示其與特定生理或病理過(guò)程的因果關(guān)系。
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回到文中，作者首先對(duì)LPB與中腦不同結(jié)構(gòu)之間的解剖學(xué)聯(lián)系進(jìn)行了鑒定。值得注意的是，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)神經(jīng)示蹤實(shí)驗(yàn)研究不同腦區(qū)之間的投射關(guān)系，尤其是涉及LPB和VTA這樣連接比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，我們必須同時(shí)獲取順向示蹤（anterograde）和逆向示蹤（retrograde）兩種示蹤手段的證據(jù)，互相印證才能將各腦區(qū)間的解剖學(xué)聯(lián)系闡明。具體到本文，作者首先采用AAV病毒順向不跨突觸示蹤結(jié)合目前非常熱門的熒光顯微鏡光學(xué)切片斷層成像系統(tǒng)（fMOST）分別繪制了LPB的谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元向全腦的投射分布（圖1a）。結(jié)果顯示LPB的谷氨酸能神經(jīng)元末梢分別投射向了VTA和SNR（黑質(zhì)網(wǎng)狀部）的外側(cè)（圖1b和c），而GABA能神經(jīng)元?jiǎng)t缺乏向中腦的投射。而在逆向示蹤部分，研究者分別采用了犬腺病毒2（CAV-2）和偽狂犬病毒（RV）兩種不同的手段確定了投向VTA、SNR的LPB神經(jīng)元的空間定位。結(jié)果顯示投向VTA和SNR的LPB神經(jīng)元在空間上屬于彼此分離的兩群細(xì)胞（圖1d和e）。
圖1 臂旁核投射向中腦的功能神經(jīng)解剖學(xué)結(jié)果
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?接下來(lái)，作者使用離體腦片膜片鉗記錄技術(shù)繼續(xù)研究LPB向中腦的功能突觸連接。VTA中包含多種不同類型的神經(jīng)元，其中投射向伏隔核的多巴胺能神經(jīng)元被認(rèn)為與獎(jiǎng)賞、動(dòng)機(jī)行為相關(guān)有著密切的關(guān)系。那么，與LPB存在投射的VTA神經(jīng)元究竟屬于哪種類型呢？為了研究這個(gè)問(wèn)題，作者在LPB的谷氨酸能神經(jīng)元中表達(dá)了光敏感通道ChR2。離體腦片記錄結(jié)果顯示，當(dāng)光刺激激活LPB投向VTA的神經(jīng)纖維時(shí)，VTA中一群投向伏隔核的多巴胺神經(jīng)元被記錄到了明顯的興奮性突觸后電位（圖1g和h）；而不同的是，在VTA中只有少量GABA能神經(jīng)元表現(xiàn)出對(duì)光刺激的反應(yīng)（圖1k）。這意味著LPB直接向VTA的投射興奮而不是抑制了VTA多巴胺神經(jīng)元，與之前研究報(bào)道的疼痛會(huì)抑制VTA多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)的結(jié)論剛好相反。與此同時(shí)，激活LPB投向SNR的纖維也會(huì)導(dǎo)致SNR中的GABA能神經(jīng)元產(chǎn)生EPSCs（圖1h）。
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果不得不令人深思，既然LPB向VTA的直接投射對(duì)VTA的多巴胺神經(jīng)元起到的是興奮作用，那么必然存在另外一條環(huán)路痛信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)VTA多巴胺神經(jīng)元的抑制信號(hào)。結(jié)合前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這條環(huán)路可能就是LPB投向SNR的環(huán)路。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，作者將目光轉(zhuǎn)移到了這條通路的功能上。
作者首先檢驗(yàn)了投向SNR的LPB神經(jīng)元（為了簡(jiǎn)明，我們統(tǒng)一將其記作LPB→SNR神經(jīng)元，對(duì)于其他環(huán)路也采取相同的記錄規(guī)則）是否接受來(lái)自脊髓上行的疼痛信號(hào)。結(jié)合順向和逆向示蹤手段，研究者發(fā)現(xiàn)脊髓背角神經(jīng)元投向LPB的纖維末梢與LPB→SNR神經(jīng)元存在空間上的重疊（圖2b）。膜片鉗記錄進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)光刺激激活脊髓背角投向LPB的纖維可以誘發(fā)LPB→SNR神經(jīng)元產(chǎn)生突觸后電位（圖2d）。這些結(jié)果表明由脊髓背角上行的傷害感受性信號(hào)會(huì)與投射向SNR的LPB神經(jīng)元產(chǎn)生連接。
圖2 脊髓背角神經(jīng)元投射向LPB→SNR神經(jīng)元
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?通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，作者成功鑒定了脊髓-LPB-SNR這一連接通路。接下來(lái)，作者檢驗(yàn)該通路能否能夠傳輸傷害感受性信號(hào)。為了檢驗(yàn)這一問(wèn)題，作者分別采用了光纖鈣成像記錄以及在體電生理記錄結(jié)合光標(biāo)記（Opto-tagging）手段對(duì)LPB→SNR神經(jīng)元群體和個(gè)體的活動(dòng)進(jìn)行了記錄。結(jié)果表明大部分LPB→SNR神經(jīng)元可以被機(jī)械、電、熱等多種傷害性刺激激活（圖3）。而大約半數(shù)左右接受LPB投射的SNR神經(jīng)元同樣可以被傷害性刺激所激活（圖4）。以上發(fā)現(xiàn)提示來(lái)自脊髓的傷害感受性信號(hào)可以通過(guò)LPB被傳遞至SNR。
圖3 LPB→SNR神經(jīng)元可以對(duì)多種疼痛刺激做出反應(yīng)?
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圖4 接受LPB投射的SNR神經(jīng)元可以被傷害性刺激激活
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?以上研究提示LPB→SNR環(huán)路與疼痛存在相關(guān)性，那么如果我們特異性抑制LPB向SNR投射通路的活動(dòng)是否能夠改變動(dòng)物的疼痛表型呢？為了驗(yàn)證這一猜想，作者在雙側(cè)LPB表達(dá)抑制性的光蛋白NpHR，并將光纖埋置在SNR。在兩種經(jīng)典的疼痛模型（福爾馬林測(cè)試是典型的傷害感受性疼痛模型；坐骨神經(jīng)分枝選擇性損傷SNL是典型的神經(jīng)病理性疼痛模型）中，抑制LPB投射向SNR的通路均可以部分阻止動(dòng)物的疼痛反應(yīng)（圖5a-j）。而場(chǎng)景偏好實(shí)驗(yàn)則顯示出光刺激抑制LPB投向SNR的通路使得動(dòng)物形成了疼痛緩解的記憶（圖5k-m）。綜上，光遺傳操縱結(jié)合行為學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，LPB→SNR通路在調(diào)控疼痛感受方面扮演了重要的角色。
圖5 抑制LPB→SNR通路可以減少動(dòng)物對(duì)疼痛的行為反應(yīng)
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在確定LPB→SNR通路與疼痛存在密切聯(lián)系后，接下來(lái)作者又將目光投向了該通路是如何調(diào)控VTA多巴胺神經(jīng)元的活動(dòng)這一問(wèn)題上，這也是本文最重要的問(wèn)題之一。為了探索該問(wèn)題，作者再次回到“結(jié)構(gòu)-記錄-操縱”這一循環(huán)當(dāng)中。具體而言，首先利用神經(jīng)示蹤和離體膜片鉗記錄技術(shù)作者發(fā)現(xiàn)SNR和VTA之間存在直接和間接兩條不同的連接通路。其中直接通路從SNR出發(fā)直接投向VTA，這一通路的激活可以直接抑制VTA的活動(dòng)（圖6a-c）。而間接通路則從SNR投回LPB，而這群接受SNR投射的LPB神經(jīng)元也同時(shí)投射向VTA多巴胺神經(jīng)元（圖6e）。SNR的活動(dòng)可以抑制這群投向VTA的LPB神經(jīng)元的活動(dòng)，從而解除后者對(duì)VTA多巴胺神經(jīng)元的興奮作用。兩條通路結(jié)構(gòu)不同，但是均表現(xiàn)出對(duì)VTA多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)的抑制作用。
圖6 接受LPB投射的SNR神經(jīng)元通過(guò)直接和間接兩條通路支配VTA多巴胺神經(jīng)元
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在解析結(jié)構(gòu)之后，作者繼續(xù)分析SNR對(duì)VTA多巴胺神經(jīng)元的兩條投射通路在疼痛中的作用。作者首先利用偽狂犬病毒逆向跨突觸投射的特性在直接投向VTA的SNR神經(jīng)元中特異性表達(dá)ChR2（圖6j）。在福爾馬林誘導(dǎo)的疼痛模型中，激活直接通路神經(jīng)元可以顯著改善動(dòng)物的疼痛感受表型（圖6k和i），提示直接通路可以改變動(dòng)物對(duì)疼痛的反應(yīng)行為。
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同時(shí)，結(jié)合光遺傳刺激和在體光纖鈣成像記錄，作者發(fā)現(xiàn)激活SNR向LPB的投射可以降低VTA向伏隔核的多巴胺釋放（圖7d），這一發(fā)現(xiàn)提示間接通路的活動(dòng)對(duì)VTA多巴胺神經(jīng)元的活動(dòng)同樣可以起到調(diào)控作用。
圖7 SNR→LPB活動(dòng)可以影響VTA多巴胺釋放
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?至此，通過(guò)兩輪“結(jié)構(gòu)-記錄-操縱”的循環(huán)，作者有力地證明了LPB→SNR環(huán)路接受來(lái)自脊髓的疼痛信號(hào)并參與疼痛感受行為的調(diào)控。同時(shí)，該通路還通過(guò)直接和間接兩條途徑將傷害感受性信號(hào)傳遞至VTA的多巴胺神經(jīng)元，從而達(dá)到調(diào)控后者活動(dòng)的目的。在驚嘆于本文工作量的同時(shí)，本文嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬳樞蚝蜆O為豐富的實(shí)驗(yàn)手段的應(yīng)用也為我們?cè)O(shè)計(jì)功能神經(jīng)環(huán)路研究提供了良好的參考作用。和元生物推出了福爾馬林測(cè)試、SNI或CCI等疼痛模型動(dòng)物構(gòu)建及Von Frey痛閾檢測(cè)等服務(wù)助力疼痛領(lǐng)域研究，年中促銷更是免費(fèi)贈(zèng)送假損傷對(duì)照動(dòng)物，歡迎前來(lái)咨詢。
