急性疼痛是由有害刺激引起的一種不愉快體驗(yàn)。脊髓神經(jīng)回路如何區(qū)分不同性質(zhì)的有害信息尚不清楚。
基于此，2025年3月24日瑞典卡羅林斯卡研究所醫(yī)學(xué)生物化學(xué)與生物物理學(xué)系Patrik Ernfors?研究團(tuán)隊(duì)在Nature neuroscience雜志發(fā)表了“Neural ensembles that encode nocifensive mechanical and heat pain in mouse spinal cord”揭示了編碼小鼠脊髓中傷害性機(jī)械和熱痛的神經(jīng)元群體。
作者在成年小鼠脊髓中鑒定了分別編碼機(jī)械痛和熱痛的不同神經(jīng)元群體。重新激活或沉默這些神經(jīng)元群體會(huì)分別增強(qiáng)或停止特定刺激模式內(nèi)的爪子抖動(dòng)、抬起和舔舐行為。在這些神經(jīng)元群體中，多模態(tài)的Gal+抑制性神經(jīng)元通過與A纖維感覺神經(jīng)元形成的單突觸聯(lián)系，在獨(dú)立于刺激模式的情況下調(diào)控疼痛傳遞。外周神經(jīng)損傷導(dǎo)致推測(cè)由小膠質(zhì)細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的炎癥，并引發(fā)神經(jīng)元群體的轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為Gal+抑制性神經(jīng)元的招募減少以及興奮性驅(qū)動(dòng)的增加。強(qiáng)制激活Gal+神經(jīng)元可以逆轉(zhuǎn)與神經(jīng)病理性疼痛相關(guān)的超敏反應(yīng)。作者的研究結(jié)果揭示了脊髓中的一種表征形式，它構(gòu)成了急性疼痛的辨別性和防御性特征的神經(jīng)基礎(chǔ)，而這些神經(jīng)元受到共享的前饋抑制機(jī)制的調(diào)控。
圖一 捕捉脊髓背角中編碼機(jī)械痛和熱痛的神經(jīng)元群體
為了激活脊髓神經(jīng)元，建立了針對(duì)外周機(jī)械或熱刺激可重復(fù)的刺激范式。接收來自后爪輸入的相應(yīng)腰段脊髓背角內(nèi)側(cè)淺層含有Fos+（mRNA）和c-Fos+（蛋白）神經(jīng)元。為了識(shí)別并操控這些對(duì)機(jī)械或熱刺激活躍的神經(jīng)元，作者使用了捕捉激活神經(jīng)元群體（CANE）的技術(shù)，該技術(shù)具有非常高的時(shí)間分辨率。這項(xiàng)技術(shù)基于興奮神經(jīng)元中Fos位點(diǎn)快速表達(dá)和降解禽腫瘤病毒A（TVA）的能力。TVA是禽肉瘤和白血病病毒EnvA糖蛋白的受體。慢病毒和狂犬病毒可以被偽型化為EnvA，并因此僅感染表達(dá)TVA的細(xì)胞。在CANE技術(shù)中生成了一種小鼠品系（FosdsTVA），其中Fos驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定型TVA的表達(dá)。通過脊髓和腦淺層中損傷誘導(dǎo)的c-Fos與TVA表達(dá)的共定位驗(yàn)證了FosdsTVA小鼠品系的特異性。將FosdsTVA小鼠與Rosa26Tomato報(bào)告基因小鼠（FosdsTVA*R26Tom）雜交用于確認(rèn)捕捉到的脊髓活性神經(jīng)元的準(zhǔn)確性。對(duì)FosdsTVA*R26Tom小鼠施加機(jī)械或熱刺激，并在脊髓內(nèi)注射表達(dá)Cre的EnvA偽型慢病毒（EnvAM21 lenti-Cre病毒）。三周后，比較第一次刺激引發(fā)的Tomato報(bào)告基因表達(dá)（“捕捉”神經(jīng)元）與第二次刺激誘導(dǎo)的c-Fos表達(dá)。接受EnvAM21 lenti-Cre病毒注射的對(duì)照組R26Tom小鼠中未觀察到Tomato表達(dá)，此外，Tomato表達(dá)僅出現(xiàn)在通過TVA感染EnvAM21 lenti-Cre病毒的神經(jīng)元中。接下來，作者研究了機(jī)械和熱相關(guān)神經(jīng)元群體對(duì)有害刺激引發(fā)行為的重要性，以及亞閾值激活是否會(huì)產(chǎn)生跨模式效應(yīng)。向FosdsTVA小鼠脊髓內(nèi)注射EnvAM21 lenti-Cre和AAV9/2-hEF1a-DIO-hM3D(Gq)-mCherry混合病毒。傷害性防御行為定義為爪子抖動(dòng)、抬起/保護(hù)或舔舐。由于小鼠處于麻醉狀態(tài)，hM3D(Gq)表達(dá)并不反映疼痛行為激活的神經(jīng)元。結(jié)果表明這些神經(jīng)元群體編碼了急性疼痛的辨別質(zhì)量和強(qiáng)度。亞閾值激活還對(duì)撤退反射行為產(chǎn)生了影響。
圖二 脊髓中編碼機(jī)械痛和熱痛的神經(jīng)元群體的化學(xué)遺傳學(xué)抑制
作者首先捕捉并激活了由有害機(jī)械刺激激活的脊髓神經(jīng)元群體，三周后對(duì)該神經(jīng)元群體進(jìn)行沉默，導(dǎo)致對(duì)刺痛的傷害性防御行為顯著喪失，其時(shí)間效應(yīng)與氯氮平的血漿峰值濃度和清除率相對(duì)應(yīng)。相比之下，對(duì)有害熱刺激（50°C熱板）或冷刺激（預(yù)冷丙酮）的傷害性防御行為未發(fā)生變化。此外，對(duì)熱或冷的撤退潛伏期以及von Frey引發(fā)的點(diǎn)狀機(jī)械力的撤退閾值均無影響。因此，這一機(jī)械刺激相關(guān)的脊髓神經(jīng)元群體將傳入的傷害性信息轉(zhuǎn)化為對(duì)有害機(jī)械刺激產(chǎn)生傷害性防御行為所必需的信號(hào)。接下來在由有害熱刺激激活的脊髓神經(jīng)元中表達(dá)了hM4Di。沉默該熱相關(guān)神經(jīng)元群體并未導(dǎo)致對(duì)有害刺痛或冷刺激的傷害性防御行為發(fā)生任何變化；然而，觀察到幾乎完全缺乏對(duì)有害熱刺激的傷害性防御行為，其效應(yīng)與氯氮平的血漿峰值濃度和清除率相對(duì)應(yīng)。對(duì)熱或冷的撤退潛伏期以及von Frey引發(fā)的點(diǎn)狀機(jī)械力的撤退閾值均無影響。向?qū)φ战MFosdsTVA小鼠脊髓內(nèi)注射EnvAM21 lenti-Cre病毒并未影響行為。總體而言，這些結(jié)果表明脊髓中存在平行的神經(jīng)元群體，它們分別在特定的有害刺激模式內(nèi)（而非跨模式）對(duì)機(jī)械和熱相關(guān)的傷害性防御行為起必要作用。
圖三 Gal+ In8神經(jīng)元在神經(jīng)病理性疼痛中的作用
Fos、Fos模塊評(píng)分以及活動(dòng)依賴性調(diào)控子的總體增加表明神經(jīng)元的整體抑制作用減弱。然而，與刺激誘導(dǎo)的Fos表達(dá)相比，這些由坐骨神經(jīng)損傷（SNI）引起的變化較為溫和。因此，盡管脊髓整體活動(dòng)增加，但興奮性/抑制性驅(qū)動(dòng)失衡可能仍然是導(dǎo)致痛覺過敏的原因之一。對(duì)照組和SNI小鼠（18天）分別接受機(jī)械或熱刺激，對(duì)脊髓背角中Gal+神經(jīng)元中Fos+細(xì)胞百分比的量化分析顯示，與對(duì)照組小鼠相比，SNI小鼠中Gal+神經(jīng)元的機(jī)械和熱招募顯著減少。因此，Gal+神經(jīng)元可能對(duì)脊髓抑制性張力的降低起作用，而恢復(fù)其活動(dòng)可能逆轉(zhuǎn)神經(jīng)病理性疼痛。在未使用氯氮平的情況下，對(duì)表達(dá)hM3D(Gq)的Gal-Cre脊髓神經(jīng)元小鼠進(jìn)行SNI手術(shù)，導(dǎo)致傷害性防御行為增加且撤退閾值降低。通過氯氮平激活這些小鼠中的Gal-Cre神經(jīng)元可以逆轉(zhuǎn)神經(jīng)病變引起的對(duì)機(jī)械和熱刺激的傷害性防御行為，但對(duì)撤退閾值的影響較小或無影響。在SNI小鼠中沉默Gal-Cre神經(jīng)元進(jìn)一步增加了對(duì)有害機(jī)械刺激的反應(yīng)，但對(duì)有害熱刺激或機(jī)械和熱刺激的閾值無影響。對(duì)小鼠和人類脊髓基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（GRN）的相關(guān)性分析揭示了人類脊髓中保守的Gal+ In8神經(jīng)元群體，這表明類似的門控機(jī)制也可能存在于人類中。
總結(jié)
作者的研究結(jié)果為皮膚有害機(jī)械和熱刺激的傷害性防御維度如何在脊髓中編碼提供了細(xì)胞基礎(chǔ)。這可能有助于開發(fā)靶向疼痛的治療策略，同時(shí)保留檢測(cè)有害刺激的感覺過程以及保護(hù)性反射功能。
文章來源
https://doi.org/10.1038/s41593-025-01921-6
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