Nat Commun︱北京大学万有/伊鸣团队揭示了慢性炎症痛引发的自发疼痛行为的神经机制

　　

作为慢性疼痛患者的最重要的主诉之一是持续性的，没有外界刺激诱发的自发性疼痛。传统的临床前研究和药物开发更多侧重于针对诱发性的疼痛模型，造成了在临床自发性疼痛镇痛应用上的效果不佳。因此，领域内研究缺乏对自发性疼痛的神经机制上的理解，限制了针对该主诉的治疗策略的发展。以往研究发现，持续性的自发疼痛和边缘系统的活动相关，内侧前额叶在其中发挥了重要作用，然而，对于内侧前额叶神经元群体如何编码和调控自发性疼痛行为的具体机制仍然不明。
近日，北京大学神经生物学系万有/伊鸣课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“A distinct neuronal ensemble of prelimbic cortex mediates spontaneous pain in rats with peripheral inflammation“ 的研究型文章，揭示了慢性炎症痛诱发的自发性疼痛的神经编码机制。该研究发现，大鼠前额叶皮层亚区，前边缘皮层（Prelimic cortex, PL）中神经元群体特异性地编码和影响了自发性疼痛行为，并受到初级体感皮层 (Primary somatosensory cortex, S1)和边缘下皮层(Infralimbic cortex, IL) 的双向调节。该研究成果揭示了慢性炎症疼痛诱发自发性疼痛的神经活动基础，为自发性疼痛的诊疗提供了神经机制上的全面理解。

    慢性炎症疼痛模型的大鼠会对发生炎症的足底进行舔舐和抬足行为，为了展现大脑网络活动和这些因自发疼痛产生的行为之间的关系，作者通过在体电生理记录技术，对大鼠疼痛相关的多个脑区进行同步记录，发现在自发性疼痛行为发生时，PL脑区对其他疼痛相关脑区的信息传入增多（格兰杰因果相关性增强）（图1C-D）这提示了PL 脑区在自发性疼痛行为产生时发挥了核心的作用。

图1 PL 脑区在自发疼痛行为中的核心作用

    进一步针对PL神经元对自发疼痛的响应性进行区分后发现，PL神经元对自发疼痛行为具有多种响应模式，其中对自发疼痛行为具有兴奋性响应的神经元群体不但其比例随着自发疼痛的发展具有时间上的变化，并且在给予布洛芬镇痛，自发疼痛消失的状态下，放电率显著降低，说明该群神经元响应模式编码了自发性疼痛（图2）。

图2 PL 神经元对自发性疼痛行为的响应和编码

    为了进一步从功能上研究PL自发疼痛响应神经元的特性，作者设计包含多种模态的刺激范式，确定该群体神经元群独立于编码其他自发性持续行为的神经元群体（图3C）和多种诱发刺激响应的神经元群体（图3D），且几乎不影响PL 神经元群体对多种诱发性刺激的区分能力（图3 E-F）。证明了PL中存在的神经元群体编码自发性疼痛具有特异性。

 

图3 PL 神经元群体编码自发性疼痛行为的特异性

    为了能特异性的标记和调控PL中编码自发性疼痛行为的神经元群，作者采用RAM（Robust Activity Marking）启动子标记策略，对炎症痛发生后初期活跃的神经元进行特异性标记。并通过光遗传结合电生理记录的方法，确定了病毒标记的神经元群与电生理功能分类神经元群的一致性。为了进一步确认神经元在炎症疼痛模型中的功能作用，作者利用光遗传学和化学遗传学对该群神经元分别进行功能兴奋和抑制性调控。结果发现，该群神经元的主要类别为锥体神经元，兴奋该群神经元可以显著的诱发出大鼠的自发性疼痛相关行为，系统性的镇痛药布洛芬能逆转这种调控作用。并且，用于衡量自发性疼痛程度的条件位置厌恶行为也受到了类似的调控作用。相对的是，利用化学遗传学方法，抑制该群神经元可以减少自发疼痛行为的发生，改善炎症引起的诱发性疼痛痛敏的恢复。值得注意的是，调控该群神经元对疼痛引起的焦虑情绪和其他自主运动（如理毛和躯体运动行为）均无作用，提示了该群神经元调控自发性疼痛的特异性。

图4调控自发痛相关神经元影响自发痛行为

    为了揭示自发痛神经元的神经环路调控关系，研究者从最初多脑区电生理结果得到提示。结果发现，只有初级体感皮层（S1）和边缘下皮层（IL）对PL传入的信息增多，这提示了这两个脑区在自发痛行为发生时对PL的潜在调控作用。因此，作者利用病毒工具分别标记两个脑区对PL的投射，并利用光遗传学结合电生理记录的方法兴奋对应的神经环路并观测PL自发痛相关神经元的活动。结果发现，激活S1-PL的神经环路可以引起自发痛相关神经元放电率的升高，产生自发痛行为，而激活IL-PL的神经环路可以引起自发痛相关神经元放电率的降低，抑制自发痛行为。这提示了PL编码自发痛的神经元可以被S1和IL脑区双向的调节，进而影响自发痛行为（图5）。

图5 PL 自发痛神经元活动受到S1和IL的双向调控

图6 文章总结图

    综上所述，该研究结合了对疼痛行为的长时程行为学跟踪，并利用了在体电生理记录，神经元活动依赖的标记策略，光遗传学/化学遗传学的神经活动操纵手段，病毒介导的神经环路标记等实验技术手段，从电生理特征，行为学功能以及神经环路调控三个维度上揭示了PL中特异性编码慢性炎症痛模型中自发性疼痛的神经元群体，加深了研究者对自发性疼痛的神经机制的理解（图6）。

     原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52243-3
      北京大学基础医学院博士后马龙雨和中国科学院心理研究所助理研究员岳路鹏为该论文的共同第一作者，北京大学医学部神经生物学系的万有教授和伊鸣研究员为共同通讯作者。本研究受到国家自然科学基金项目的支持。