“Leaky Gate” 模型：痛觉和痒觉信息编码的新学说

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“Leaky Gate” 模型：痛觉和痒觉信息编码的新学说

痛觉和痒觉信息的编码是科学家们几十年来极度关注和讨论的话题。然而，目前的编码理论（包括：强度学说、特异性学说和选择性学说）都无法解释实验中的所有现象。为了阐明疼痛和瘙痒产生的机制，研究者在脊髓中特异性地标记了一类中间神经元(胃泌素释放肽gastrin-releasing peptide, GrP)Grp+神经元，他们在研究了这些中间神经元的功能和特性后，提出了痛觉和痒觉编码的“Leaky Gate（门控泄漏）”模型。该模型的主要内容：脊髓节段存在一类Grp+中间神经元，该神经元直接接受来自初级感觉神经元的痛觉和痒觉信息的突触传入，Grp+神经元对痛觉和痒觉刺激的反应表现出不同特性，该类神经元只传导痒和弱痛的信号，在强痛刺激情况下，内源性阿片募集并接近Grp+神经元，通过并行通路阻止痛的进一步产生。如果Grp+神经元缺失，痛觉反应增加，而痒觉反应减少。这一新模型是脊髓非单一编码的一个很好范例，也能更好解释人类心理物理研究中的许多发现。

研究背景

痛和痒是两类不同又相互关联的感觉，它们都通过小直径背根神经节神经元检测后传递到脊髓的背角，并触发不同的行为反应。痛觉行为通过逃避反应避免组织伤害，而痒觉行为则通过抓挠反应清除有害刺激。痛觉能够压抑痒觉，通过抓挠产生的机械痛能够减少或解除痒的感觉，然而，痒很难压抑痛。在脊髓和背根神经节中，对痒刺激反应的神经元也能被痛刺激激活。关于痛觉和痒觉编码已经争论了几十年并且还在继续。强度学说是目前解释痛觉和痒觉的一种主要学说，该学说认为：一种多模神经元能感受痛和痒的刺激，强刺激产生痛觉，而弱刺激将产生痒觉；然而，弱的痛刺激和强的痒刺激不能转变成另一种不同的感觉，这就给强度学说提出了质疑。另一种主要理论就是特异性学说，该学说认为痛和痒的感觉分别通过不同的神经编码；然而，痒觉神经元也对痛刺激产生反应的研究让特异性学说无法解释；因此，在特异性学说的基础上通过糅合多模感觉神经元的特点，提出了选择性学说，该学说认为：痒觉刺激特异性激活痒觉选择性神经元产生痒觉，痛觉刺激激活痒觉选择性神经元和更多的痛觉选择性神经元，而这类伤害性痛觉神经元又可抑制痒觉的产生最终表现出痛的感觉。最近的研究表明：在初级感觉神经元(dorsal root gang lion, DRG)中，有“痒觉选择性”神经元（MrgprA3+）的存在，该类神经元兴奋只产生痒而不产生痛的感觉，剔除这类神经元后严重影响痒，但对痛的反应影响较少。“痒觉选择性”神经元在脊髓中也存在，这类神经元被称为GRPR+(gastrinreleasing peptide receptor)神经元，如果这类神经元丢失将失去大部分痒觉，而对痛觉影响较少。另外，脑纳肽(brain natriuretic peptide, BNP)被认为是痒觉神经递质，负责外周DRG和脊髓痒觉选择性神经元的信号传递。人类心理物理实验也表明，大多数化学诱导的痒觉都伴随着弱的伤害性感觉，这些混合的感觉给痒觉通路提出了一个如何进行“选择”的问题。

在该研究中，研究人员试图揭示脊髓背角环路在痛觉和痒觉中的作用。位于脊髓中的二级神经元直接接受来自DRG的突触传入，构成了脊髓回路中的第一步。他们在脊髓中确定了一类被命名为Grp+的二级神经元，这些Grp+神经元也直接接受来自初级感觉神经元的痛觉和痒觉的突触传入；令人惊讶的是，Grp+神经元的激活能产生痛和痒的反应，且痛觉编码呈现强度依赖性。根据这些数据，他们提出了“Leaky Gate（门控泄漏）”模型，该模型是脊髓水平痛觉和痒觉编码的一个理想模型，也能更好解释来自人类心理物理实验的结果。

主要研究结果

1. 痒觉二级神经元在脊髓中的遗传标记

研究组的前期工作已经表明：MrgprA3+痒觉初级感觉神经元的轴突选择性地终止在脊髓背角的第II层。他们利用Cre技术标记与MrgprA3+有直接突触联系的第二级神经元。通过对脊髓背角所有GENSAT Cre品系的筛选，最后确定Grp-Cre不仅表达在脊髓背角的浅层，而且是一类兴奋性中间神经元，同时也发现Grp-Cre标记的神经元能与DRG中痒觉选择性神经元MrgprA3+的中枢突形成突触联系。

2. Grp+神经元直接接受痒觉选择性初级神经元突触传入

为了检测突触信号直接传入到Grp+神经元，他们在脊髓切片上电刺激背根并记录Grp+神经元的电特性，发现所有Grp+神经元均接受来自C纤维的单突触传入。为了进一步证明Grp+神经元直接接受来自MrgprA3+神经元的突触传入，他们通过分子遗传的方法将MrgprA3+神经元带上了能被蓝光激活的光敏感蛋白，当用1 Hz 100 ms的光刺激时，该小鼠能产生明显的抓挠行为，光遗传激活仅产生挠痒行为而不是疼痛行为，这一结果与化学刺激的结果相似，且证实了MrgprA3+神经元是痒觉选择性神经元。

3. Grp+神经元接受来自痛觉和痒觉初级神经元的单突触传入

为了检测Grp+神经元是否也接受来自伤害性选择DRG神经元的传入，研究者采用了狂犬病毒单突触追踪方法系统地定量分析了输入到Grp+神经元的数量。结果发现：Grp+神经元既接受来自痒觉选择性初级神经元的单突触传入，同时也接受来自伤害性初级神经元的单突触传入；并且，接受伤害性受体神经元的数量多于接受痒觉选择性神经元的数量。

4.痛觉刺激引起Grp+神经元的强烈反应，而痒觉刺激则微弱激活Grp+神经元

追踪试验已经表明，脊髓中的Grp+神经元均能接受疼痛和瘙痒的信号传入。研究者想知道当外周痛觉信号和痒觉信号传入到Grp+神经元时，该神经元能否区分这两种不同的信号，为了回答这一问题，研究者设计了一个实验，该实验制备了一个“DRG-传入纤维-脊髓切片”标本，在脊髓背角记录Grp+神经元，在DRG上使用化学物质模拟痛觉和痒觉刺激外周神经元，结果发现：痛觉模拟刺激引起的Grp+神经元放电明显比痒觉模拟刺激要强很多（即使使用高剂量的痒觉刺激物）。参考其它文献的报道，脊髓中的中间神经元和投射神经元对痛觉刺激发放的频率比对痒觉刺激发放的频率要高，他们的研究结果与这些报道一致。

5. Grp+神经元既编码痛觉也编码痒觉

虽然DRG中的痒觉选择性神经元对痛和痒的刺激均能反应，但只产生痒觉而不是痛觉；Grp+神经元能接受外周痛觉和痒觉初级感觉神经元的传入，如果Grp+神经元兴奋将产生什么样的感觉，研究者通过使用Cre技术获得了各种标记的小鼠，并利用这些小鼠研究了Grp+神经元的功能，Grp+神经元兴奋时将产生强烈的疼痛和瘙痒反应；因此，脊髓中Grp+神经元接受来自外周疼痛和瘙痒信息传入并将两种感觉信息进行整合。

6. Grp+神经元的痛觉编码具有强度依赖性

Grp+神经元能编码痛觉和痒觉，但对痛觉和痒觉反应的行为有明显的差异。瘙痒行为中，抓挠行为随刺激强度的增加而增加，当刺激强度达到一定值时抓挠则保持在一个平台期，其反应曲线是典型的Hill方程曲线；而疼痛行为则与瘙痒行为有明显差异，随疼痛刺激强度的增加，开始的疼痛反应也增加，当增加到一定值后，继续增加疼痛刺激强度时，其疼痛反应反而减少，反应曲线呈现为倒置的“U”型曲线。弱和强的刺激将产生弱的疼痛行为，而中等程度的刺激将产生强烈的疼痛反应，这种倒置的“U”型反应特性并不是由于脱敏而引起。因此，Grp+神经元具有强度依赖的特性，弱刺激产生痒觉而较强的刺激将产生痛觉，这一特性与强度学说一致。

7. Grp+神经元形成“Leaky Gate”负向调节疼痛传递

“闸门学说”是Melzack和Wall为解释疼痛形成机制提出的一个重要学说，该学说认为：粗纤维和细纤维的传导均能激活脊髓背角上行的传递细胞（T细胞），又同时与背角胶质细胞（SG细胞）形成突触联系；粗纤维的冲动只能兴奋SG细胞，使该细胞向T细胞发出抑制性冲动，从而阻断外周纤维向T细胞传导传递冲动，故闸门关闭；而细纤维只能抑制SG细胞，使后者不能向T细胞发出抑制性冲动，因而闸门开放；另外，粗纤维传导之初，疼痛信号在进入闸门以前先经背索向高位中枢投射（快痛），中枢的调控机制在通过下行的控制系统作用于脊髓闸门系统，也形成关闭效应；细纤维的传导使闸门开放，则形成慢性钝痛并持续增强。该学术提出后在一定程度上推进了疼痛研究的进展，但由于许多与之矛盾的实验和临床事实引起了广泛的争议。基于此，研究者提出了“Leaky Gate”模型，该模型的主要观点是：Grp+神经元是构成该模型的重要神经元，它直接接受外周疼痛和瘙痒的信息传入，并将疼痛和瘙痒信息传导至脑，同时也通过脑啡肽类中间神经元抑制痛觉；当强刺激存在时，Grp+神经元触发脑啡肽释放，关闭来自脊髓Grp+神经元和其它痛觉敏感神经元的痛觉信号。Aβ FLL (Forward feedback loop)和Grp FLL有一些本质差异，前者不允许任何信号通过该门，至少在生理状态下是这样，因此，非伤害性输入并不诱发痛的感觉；相比之下，Grp FFL则允许弱的痛觉信号通过，同时又可压制强的信号，所以，命名它为“Leaky Gate”，该模型的优点在于，允许弱信号的通过能确保感受弱痛的刺激，同时抑制强的疼痛信号阻止剧痛的产生。

8. Grp+神经元缺失后导致痛觉增加、痒觉减少

在“Leaky Gate”模型中，Grp+神经元类似“刹车”的作用，能阻止强烈的疼痛信号进一步传到大脑。研究者为证实Grp+神经元在痛觉传导中的“刹车”作用，他们通过Cre技术选择性损毁了这类神经元，结果发现剔除Grp+神经元的疼痛行为较正常动物明显增加，然而这些动物的抓挠行为则明显减少，其它行为（如运动行为）没有明显改变。这些结果与研究者的设想一样，Grp+神经元允许痒觉和痛觉信息传入，但能够阻止强烈疼痛信息通过。

9.Grp+神经元缺失后的小鼠对强烈疼痛反应更加有效

不像闸门学说，Grp+神经元的强烈活动会关闭“Leaky Gate”并抑制疼痛。弱的疼痛刺激会弱刺激或不会触发抑制信号，研究者采用不同强度的疼痛刺激证实了这一假设。Grp+神经元沉默的小鼠表现出更严重的疼痛行为，而强的瘙痒刺激却没有诱导更强烈的瘙痒反应，这进一步证明Grp+神经元在疼痛和瘙痒编码中具有不同的作用。

讨论

选择编码理论描述脊髓痛觉和痒觉编码是通过分开线路完成，由抑制性中间神经元B5-1和NPY抑制痒产生痛。该研究团队的发现和提出的“Leaky Gate”模型能够拓展目前痛觉和痒觉编码的理论，结合选择性理论，该模型能更好地解释痛觉和痒觉的相关现象；研究结果表明，在脊髓中一类具有特殊形态的二级神经元（Grp+神经元）参与了痛觉和痒觉的编码，这也是脊髓中能感受不同感觉传入的一类比较清楚的神经元，并且Grp+神经元也具有强度依赖的痛觉编码特性。Grp+神经元具有直接编码痛的感觉，如果强烈的疼痛刺激又会通过内源性阿片物质的募集抑制疼痛。

结合Grp+神经元的强度依赖编码，研究者在Grp+神经元丢失状态下发现行为的剂量依赖也发生了改变，提示疼痛和瘙痒编码是非线性的。Grp+神经元接受来自外周痛觉敏感和痒觉敏感神经元的单突触传入，痛觉刺激强烈激活Grp+神经元而瘙痒刺激则轻微激活Grp+神经元。痒刺激使部分DRG产生弱的反应，这种弱信号通过突触联系影响Grp+神经元的活动，但并不影响Grp+神经元c-fos的活性。不像表达脑啡肽的中间神经元，需要强烈的去极化后释放神经肽，瘙痒诱导的Grp+神经元弱反应也能足够触发一些兴奋性中间神经元释放GRP；除了Grp+神经元外，一些lamina II层的中间神经元也可以接受单突触的痒觉传入，lamina I层的投射纤维和GRPR+中间神经元也可能直接接受痒觉信息传入，这些神经元在脊髓中的联系回路目前也正在研究之中。

疼痛检测系统需要足够的敏感，以便保护躯体遭到潜在性伤害，但是当暴露在强烈的疼痛刺激环境下，高敏感性可能产生剧烈的痛并且会干预其它正常的行为反应，因此，阻止这种信号（“车闸”）的放大是必须的，来自机械敏感的Aβ纤维触发了“车闸”可以适当阻止疼痛信号的输入。在“Leaky Gate”模型中的Grp+神经元作为一个“车闸”能够阻止本身产生的痛和其它并行通路产生的痛，在强烈激活状态下触发脑啡肽的释放，大量脑啡肽的释放能够完全阻断来自Grp+神经元的痛觉反应，通过Grp FFL调节的痛觉抑制不能被痒觉触发，是因为痒觉刺激只能轻微激活Grp+神经元，这也与痒觉很少抑制疼痛的事实相一致。

总之，Grp+神经元通过“Leaky Gate”模型正向编码痒而负向调节痛的传递。研究者首次通过实验证明了脊髓中疼痛的强度依赖编码，并提出了“Leaky Gate”模型，该模型是在目前流行理论基础上进一步分析提炼而建立起来的痛觉和痒觉编码理论，它能更好地解释人类心理物理研究的发现，也可以作为脊髓水平感觉信息交流和非单一编码的一个模型。在慢性疼痛和瘙痒状态下，对Grp+神经元相关回路的研究，可进一步揭示Grp+神经元在这些病理状态下的功能特性。

（Sun,et al. Neuron, 2017, 93: 840 ～ 853. 侍昊耿笑 译 唐宗湘 校）

10.3969/j.issn.1006-9852.2017.06.003