不同丘脑神经环路分别调控组织损伤和抑郁样状态引起的机械痛敏

丘脑是疼痛传导通路中重要的脑区之一，疼痛的上行传导与下行调控通路中均有丘脑参与调节。组织损伤和负面情绪（如抑郁）都能引起痛觉敏化，但是否由不同的丘脑环路调控尚不清楚。目的：探讨丘脑调控组织损伤引起的痛敏和抑郁情绪产生痛敏的机制。方法：（1）动物模型：注射完全弗氏佐剂(CFA)建立小鼠慢性炎症痛模型或通过保留性神经损伤(SNI)建立小鼠神经病理性疼痛模型；采用慢性束缚应激(CRS)或慢性不可预测应激(CUS)诱导小鼠出现抑郁样行为的同时引起痛敏；（2）行为学实验：采用vonFrey hair 纤维丝检测机械痛敏；采用社交行为、悬尾实验和强迫游泳检测抑郁样情绪；（3）记录神经元兴奋性实验：在体电生理（多通道记录神经元放电）、在体钙成像（光纤钙成像记录神经元钙离子浓度实时变化）和离体电生理（脑片膜片钳记录EPSC 和IPSC）；（4）操控神经元兴奋性实验：通过注射光遗传病毒AAV-DIOeNpHR-EYFP 和化学遗传病毒AAV-DIO-hM4Di-mCherry 抑制神经元；注射光遗传病毒AAV-DIO-ChR2-mCherry 和化学遗传病毒AAV-DIO-hM3Dq-mCherry 激活神经元；（5）丘脑-皮层神经环路操控：在CaMK2-Cre 转基因鼠中，分别在背侧丘脑子核团（丘脑后核PO 和丘脑束旁核PF）注射顺行跨突触病毒以确定下游脑区；分别在已确定下游脑区中（初级感觉皮层后肢区S1HL 和前扣带皮层ACC）注射AAV-DIO-TVA-GFP和AAV-DIO-RVG 辅助病毒，表达21 天后再联合RV-EvnA-DsRed 病毒以实现细胞类型特异性逆行跨突触示踪。结果：（1）背侧丘脑不同子核团调控不同类型的疼痛。在组织损伤（CFA 或SNI）导致的疼痛模型鼠中，丘脑的PO 谷氨酸能神经元（即POGlu）兴奋性增加。免疫荧光结果提示c-Fos 主要表达在POGlu上，而非PFGlu；在体电生理和光纤钙成像结果表明POGlu兴奋性增强；当注射GABAA受体激动剂MUS 抑制PO 神经元活性后能明显缓解机械疼痛；（2）在抑郁样状态（CRS 或CUS）诱导的痛敏模型鼠中，PF 神经元（即PFGlu）兴奋性下降，而POGlu神经元兴奋性几乎不变；当注射抗抑郁药paroxetine 能够有效缓解痛敏，但对组织损伤引起的疼痛无效；（3）POGlu→S1HLGlu神经环路特异性调控组织损伤下的疼痛。为了进一步揭示背侧丘脑子核团（PO 和PF）的神经环路，分别向CaMK2-Cre 小鼠的PO 及PF 区域注射顺行示踪病毒，结果发现POGlu神经元投射到下游的S1HL、未定带、丘脑腹后核、岛叶皮层，而PFGlu神经元投射到下游的ACC、次级躯体感觉皮层、未定带、乳头上核。进一步在S1HL 区注射逆行示踪病毒，发现POGlu神经元（而非PF 区）与其存在单突触连接。在疼痛模型小鼠中S1HLGlu神经元兴奋性增加，通过光遗传和化学遗传学抑制POGlu后可抑制S1Glu神经元兴奋，同时缓解疼痛；（4）PFGlu→ACCGABA→Glu特异性调控抑郁状态下的疼痛。类似地，通过病毒示踪发现PFGlu能够投射到ACCGlu和ACCGABA能神经元，但更偏向于GABA 能神经元。而ACC 存在局部微环路，即GABA 能神经元调控Glu 能神经元，即形成了PFGlu→ACCGABA→Glu神经环路。在CRS 或CUS 小鼠中，ACCGlu活性增加，放电活动增加，而ACCGABA放电活动降低。当用化学遗传学激活PFGlu后，ACCGABA兴奋性增加，ACCGlu兴奋性降低，同时缓解抑郁和疼痛。光遗传特异性激活PFGlu→ACCGABA→Glu神经环路，能够缓解应激引起的疼痛，但没有缓解抑郁样行为。综上所述，本文揭示了不同的丘脑-皮层神经环路调控不同类型的疼痛，为在临床上实现精准治疗疼痛提供了新的策略。