利用超声诱导θ-γ耦合脑波重塑脊髓星形胶质细胞功能实现小鼠神经病理性疼痛长效缓解

《Nature Communications》：Harnessing theta-gamma coupled brainwaves using ultrasound for spinal astrocyte revitalization and sustained neuropathic pain relief in mice

本研究针对神经病理性疼痛治疗中非侵入性干预策略的可持续性难题，开发了低强度连续θ脉冲超声刺激（LI-cTBUS）新技术。研究发现该技术通过激活星形胶质细胞TRPA1机械敏感离子通道，促进脑源性神经营养因子（BDNF）摄取，恢复钾氯协同转运蛋白2（KCC2）功能，重塑脊髓抑制性突触传递，在小鼠坐骨神经挤压伤模型中实现长达5天的持续镇痛效果，为慢性疼痛治疗提供了新型非侵入性神经调控方案。

　　

慢性疼痛如同一个顽固的警报系统，在组织损伤愈合后仍持续鸣响，给全球数百万患者带来长期折磨。其中，神经病理性疼痛作为最常见的慢性疼痛类型，源于神经系统本身的损伤或功能障碍，现有药物治疗效果有限且伴随显著副作用。虽然近年来神经调控技术为疼痛管理带来了新希望，但传统方法存在空间分辨率低、作用持续时间短等局限，迫切需要开发既能精准靶向神经回路又可产生持久疗效的非侵入性治疗新策略。

在这项发表于《Nature Communications》的最新研究中，韩国基础科学研究院Joo Min Park团队独辟蹊径，将大脑中天然存在的θ-γ耦合脑波模式与低强度超声技术相结合，开发出一种创新性的神经调控方法——低强度连续θ脉冲超声刺激（LI-cTBUS）。这种技术模仿大脑自然振荡节律，将5Hz的θ节律与100-200Hz的高γ脉冲相结合，成功实现了对小鼠神经病理性疼痛的长效缓解，其镇痛效果在治疗结束后仍可持续约5天。

研究团队采用的主要技术方法包括：建立部分坐骨神经挤压伤（PCI）和保留神经损伤（SNI）两种小鼠神经病理性疼痛模型；通过von Frey纤维丝检测机械性痛觉超敏行为；利用CatWalk系统进行步态分析；采用免疫组织化学、Western blotting和流式细胞术分析蛋白表达；通过膜片钳技术记录脊髓背角神经元突触活动；使用光纤光度法检测钙信号；进行RNA测序分析转录组变化；并通过条件性基因敲除技术验证特定分子的功能。

缓解机械性痛觉超敏的图案化cTBUS超声刺激

研究人员首先比较了不同超声刺激模式的效果，发现含有θ和γ频率成分的LI-cTBUS-200Hz模式能显著提高神经损伤小鼠的爪退缩阈值，而缺乏θ节律的超声脊髓刺激（USCS）则无效。值得注意的是，LI-cTBUS的镇痛效果具有强度依赖性，只有当强度低于3W/cm²时才有效，过高强度反而会削弱疗效。这种镇痛效果在治疗结束后可持续约5天，且可通过再次刺激重新诱导，显示出良好的可重复性。步态分析进一步证实，LI-cTBUS能改善神经损伤导致的运动功能障碍，恢复后肢支撑时间和步宽。

LI-cTBUS抑制脊髓过度兴奋

为探究LI-cTBUS的作用机制，研究人员检测了脊髓神经元活性标志物c-Fos的表达。结果显示，LI-cTBUS能显著降低神经损伤导致的脊髓背角c-Fos⁺/NeuN⁺神经元比例，而高强度刺激则产生相反效果。全细胞膜片钳记录发现，神经损伤小鼠脊髓Ⅱ板层神经元的自发兴奋性突触后电流（sEPSC）振幅显著增加，而LI-cTBUS处理可逆转这种变化，使sEPSC振幅恢复至接近正常水平，表明LI-cTBUS通过诱导突触后长时程抑制（LTD）样可塑性抑制兴奋性传递。

重新平衡脊髓BDNF/KCC2通路

分子机制研究表明，神经损伤导致脊髓脑源性神经营养因子（BDNF）蛋白水平上调，而钾氯协同转运蛋白2（KCC2）表达下降。LI-cTBUS处理能逆转这种异常：降低BDNF水平，恢复KCC2表达。穿孔膜片钳记录进一步证实，神经损伤引起GABA反应的氯反转电位（E_anion）去极化偏移，而LI-cTBUS处理可恢复正常氯梯度，恢复GABA能抑制功能。值得注意的是，LI-cTBUS对BDNF的调节发生在蛋白水平而非mRNA水平，提示其可能通过调控BDNF的摄取或降解发挥作用。

LI-cTBUS减少星形胶质细胞增生并抑制病理性GABA信号

星形胶质细胞作为神经病理性疼痛的关键参与者，在LI-cTBUS治疗中表现出显著变化。免疫组化和3D重建分析显示，LI-cTBUS能减轻神经损伤诱导的星形胶质细胞增生，降低细胞体积和分支复杂性。同时，LI-cTBUS减少了GFAP⁺/GABA⁺星形胶质细胞的比例，表明其抑制了星形胶质细胞异常GABA释放。在过氧化氢诱导的氧化应激模型中，LI-cTBUS同样能减轻星形胶质细胞反应性，降低GABA水平。电镜分析进一步揭示，LI-cTBUS可逆转内质网肿胀和溶酶体积累，恢复星形胶质细胞的超微结构稳态。

LI-cTBUS通过增强星形胶质细胞BDNF摄取减轻疼痛

流式细胞术分析发现，在神经病理性疼痛慢性期，星形胶质细胞内的BDNF水平持续升高，而LI-cTBUS处理能特异性降低星形胶质细胞内的BDNF含量。通过鞘内注射GFP标记的BDNF蛋白，研究人员直接证实LI-cTBUS可促进星形胶质细胞对细胞外BDNF的内吞。体外实验进一步表明，LI-cTBUS处理的星形胶质细胞中BDNF与溶酶体标记共定位增加，提示LI-cTBUS可能通过促进BDNF的溶酶体降解途径降低其细胞外水平。

LI-cTBUS对神经病理性疼痛的转录组修复

RNA测序分析显示，LI-cTBUS能逆转神经损伤引起的脊髓基因表达异常。通路分析发现，LI-cTBUS下调了BDNF/TrkB信号通路相关基因（如Ntrk2、Akt3）的表达，同时上调了与KCC2表达相关的转录因子Egr4。此外，LI-cTBUS还上调了与网格蛋白介导的内存作用（Cltc）和溶酶体处理（Atp6v0dl）相关的基因，与星形胶质细胞BDNF摄取增强的发现一致。

TRPA1是LI-cTBUS诱导镇痛的关键介质

机械敏感离子通道TRPA1被证实是LI-cTBUS作用的核心分子。药理学抑制或基因敲除TRPA1均能阻断LI-cTBUS的镇痛效应。钙成像显示，LI-cTBUS诱导的星形胶质细胞钙信号依赖于TRPA1激活。更重要的是，星形胶质细胞特异性敲低TRPA1完全阻断了LI-cTBUS的镇痛作用，证明星形胶质细胞TRPA1是超声镇痛不可或缺的分子传感器。

这项研究通过多学科方法系统阐明了LI-cTBUS缓解神经病理性疼痛的细胞分子机制，创新性地揭示了星形胶质细胞机械敏感通道TRPA1在超声神经调控中的核心地位。研究表明，图案化低强度超声不仅能有效缓解疼痛行为，还能逆转疼痛相关的脊髓病理改变，包括星形胶质细胞增生、BDNF/KCC2信号失衡和突触可塑性异常。这种非侵入性神经调控策略为慢性疼痛治疗提供了新思路，不仅有望改善疼痛管理临床实践，也为其他星形胶质细胞相关神经系统疾病的治疗提供了借鉴。未来研究可进一步优化超声参数，探索其在大型动物和人类中的转化潜力，推动这一创新技术向临床应用迈进。