不同丘腦神經環路分別調控組織損傷和抑郁樣狀態引起的機械痛敏

丘腦是疼痛傳導通路中重要的腦區之一，疼痛的上行傳導與下行調控通路中均有丘腦參與調節。組織損傷和負面情緒（如抑郁）都能引起痛覺敏化，但是否由不同的丘腦環路調控尚不清楚。目的：探討丘腦調控組織損傷引起的痛敏和抑郁情緒產生痛敏的機制。方法：（1）動物模型：注射完全弗氏佐劑(CFA)建立小鼠慢性炎癥痛模型或通過保留性神經損傷(SNI)建立小鼠神經病理性疼痛模型；采用慢性束縛應激(CRS)或慢性不可預測應激(CUS)誘導小鼠出現抑郁樣行為的同時引起痛敏；（2）行為學實驗：采用vonFrey hair 纖維絲檢測機械痛敏；采用社交行為、懸尾實驗和強迫游泳檢測抑郁樣情緒；（3）記錄神經元興奮性實驗：在體電生理（多通道記錄神經元放電）、在體鈣成像（光纖鈣成像記錄神經元鈣離子濃度實時變化）和離體電生理（腦片膜片鉗記錄EPSC 和IPSC）；（4）操控神經元興奮性實驗：通過注射光遺傳病毒AAV-DIOeNpHR-EYFP 和化學遺傳病毒AAV-DIO-hM4Di-mCherry 抑制神經元；注射光遺傳病毒AAV-DIO-ChR2-mCherry 和化學遺傳病毒AAV-DIO-hM3Dq-mCherry 激活神經元；（5）丘腦-皮層神經環路操控：在CaMK2-Cre 轉基因鼠中，分別在背側丘腦子核團（丘腦后核PO 和丘腦束旁核PF）注射順行跨突觸病毒以確定下游腦區；分別在已確定下游腦區中（初級感覺皮層后肢區S1HL 和前扣帶皮層ACC）注射AAV-DIO-TVA-GFP和AAV-DIO-RVG 輔助病毒，表達21 天后再聯合RV-EvnA-DsRed 病毒以實現細胞類型特異性逆行跨突觸示蹤。結果：（1）背側丘腦不同子核團調控不同類型的疼痛。在組織損傷（CFA 或SNI）導致的疼痛模型鼠中，丘腦的PO 谷氨酸能神經元（即POGlu）興奮性增加。免疫熒光結果提示c-Fos 主要表達在POGlu上，而非PFGlu；在體電生理和光纖鈣成像結果表明POGlu興奮性增強；當注射GABAA受體激動劑MUS 抑制PO 神經元活性后能明顯緩解機械疼痛；（2）在抑郁樣狀態（CRS 或CUS）誘導的痛敏模型鼠中，PF 神經元（即PFGlu）興奮性下降，而POGlu神經元興奮性幾乎不變；當注射抗抑郁藥paroxetine 能夠有效緩解痛敏，但對組織損傷引起的疼痛無效；（3）POGlu→S1HLGlu神經環路特異性調控組織損傷下的疼痛。為了進一步揭示背側丘腦子核團（PO 和PF）的神經環路，分別向CaMK2-Cre 小鼠的PO 及PF 區域注射順行示蹤病毒，結果發現POGlu神經元投射到下游的S1HL、未定帶、丘腦腹后核、島葉皮層，而PFGlu神經元投射到下游的ACC、次級軀體感覺皮層、未定帶、乳頭上核。進一步在S1HL 區注射逆行示蹤病毒，發現POGlu神經元（而非PF 區）與其存在單突觸連接。在疼痛模型小鼠中S1HLGlu神經元興奮性增加，通過光遺傳和化學遺傳學抑制POGlu后可抑制S1Glu神經元興奮，同時緩解疼痛；（4）PFGlu→ACCGABA→Glu特異性調控抑郁狀態下的疼痛。類似地，通過病毒示蹤發現PFGlu能夠投射到ACCGlu和ACCGABA能神經元，但更偏向于GABA 能神經元。而ACC 存在局部微環路，即GABA 能神經元調控Glu 能神經元，即形成了PFGlu→ACCGABA→Glu神經環路。在CRS 或CUS 小鼠中，ACCGlu活性增加，放電活動增加，而ACCGABA放電活動降低。當用化學遺傳學激活PFGlu后，ACCGABA興奮性增加，ACCGlu興奮性降低，同時緩解抑郁和疼痛。光遺傳特異性激活PFGlu→ACCGABA→Glu神經環路，能夠緩解應激引起的疼痛，但沒有緩解抑郁樣行為。綜上所述，本文揭示了不同的丘腦-皮層神經環路調控不同類型的疼痛，為在臨床上實現精準治療疼痛提供了新的策略。