丘脑内侧系统是慢性痛诱发负性情绪神经环路的关键环节

李云庆 (空军军医大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学教研室暨梁銶琚脑研究中心，陕西 西安 710032)

疼痛是一种复杂的体验，包括感觉和情绪两个方面。一些持续性的疼痛刺激因素，如战创伤、神经损伤、炎症、癌症等都会诱发慢性痛，其中尤以神经损伤引起的神经病理性痛最为常见[1-2]。世界人口中约有30%的人曾经或正在罹患慢性痛的折磨，大约40%～60%的慢性痛患者都伴有恐惧、焦虑、抑郁等负性情绪[1-2]，严重时可使患者丧失战斗和工作能力以及生活乐趣，导致家庭破裂和自杀，甚至危及社会，给家庭和社会带来沉重的负担。由此可见，慢性痛是严重降低部队战斗力和危害人类身心健康的疾病，也是临床治疗中的一大难题[1-2]。究其原因就是慢性痛的发生、维持及其导致负性情绪反应的机制尚不清楚[1-2]，影响了高效且副作用小的镇痛药物研发、切实可行的治疗策略和简单易行的治疗方法。本文将结合国内外在该领域的研究结果，集中介绍我们近年来在丘脑内侧系统参与慢性痛及其导致负性情绪反应机制方面的研究进展。

1 丘脑内侧系统与痛信息传递和负性情绪密切相关

经典的神经解剖学研究已经阐明中枢神经系统内痛信息传导通路是由位于外周神经节、脊髓或延髓背角和丘脑腹后外侧核(ventroposteriolateral nucleus，VPL)或腹后内侧核(ventroposteriomedial nucleus，VPM)的三级神经元构成；大脑皮质负责感受痛信息的区域主要有初级感觉皮质(primary somatosensory cortex，S1)、次级感觉皮质(secondary somatosensory cortex，S2)以及前额叶皮质(prefrontal cortex，PFC)、前扣带皮质(anterior cingulate cortex，ACC)、岛叶(insular cortex，IC)等[3-5]，这些结构与大脑皮质的其他区域或皮质下结构，如杏仁核簇(amygdaloid complex，AMY)相互联系并相互作用，一起参与疼痛的感受和负性情绪反应[6-8]。慢性痛与其导致的负性情绪反应相互影响，交互恶化。一方面，慢性痛引起的负性情绪反应可作为判断疼痛程度的一个指标；另一方面，负性情绪可进一步加重患者的疼痛感受，即发生疼痛-负性情绪-疼痛的恶性循环，从而影响疼痛的治疗和转归[6-8]。实践证明镇痛药物或治疗策略必须同时针对疼痛反应和负性情绪反应的症状，才能获得良好的疗效[9-10]。令人遗憾的是，目前对于慢性痛及其诱发的负性情绪有关的各个核团的神经元类型、纤维联系、详细分工和调控机制尚不清楚，致使现在的治疗方法大多只关注慢性痛的疼痛反应，往往忽视负性情绪反应，导致无法对慢性痛及其诱发的负性情绪以及它们之间的交互恶化影响开展有效的防治。

从外周向大脑皮质传递痛信息的神经通路划分为丘脑外侧系统和丘脑内侧系统[11-13]，两个系统的不同点之一在于它们传递来自脊髓或脑干感觉信息的中继(交换神经元)部位不同。在前者，来自脊髓或脑干的感觉信息直接通过脊髓(脑干)丘脑束上升到丘脑的VPL和VPM中继，主要终止于S1和S2，参与疼痛的感觉辨别，即疼痛的有无、部位和程度；在后者，来自脊髓或脑干的感觉信息传递到脑干，先在臂旁核(parabrachial nucleus，PBN)[脊髓(脑干)臂旁核束]中继，再上传到背侧丘脑中线核团和内侧核团(thalamic midline and medial nuclei，TMMN)中继，主要终止于PFC、IC和AMY，除了与疼痛有关之外，还参与情感和认知评价等[11-13]。近年来，科学家们对于丘脑内侧系统参与痛觉的调控愈发重视，功能性脑成像或电生理记录结果提示痛刺激可激活组成内侧系统的上述区域，即这些区域在疼痛时呈活化状态[9-10]。但内侧系统各核团介导痛信息的神经元类型、相关的环路和分子机制以及功能尚不清楚。由于丘脑内侧系统与慢性痛及其诱发的负性情绪，以及两者之间交互恶化具有更密切的关系，所以我们集中对内侧系统开展了研究。

2 丘脑室旁核(paraventricular thalamic nucleus，PVT)是中枢痛信息传递的重要中继站

PVT是TMMN中与大脑之间纤维联系的关键节点[11-14]，因其向边缘系统和大脑皮质的广泛区域发出投射，故曾一度被归为非特异性丘脑核团，认为它主要参与昼夜节律的调节[15-16]。近年来，PVT逐渐引起了研究者的注意，越来越多的研究证明PVT的功能丰富且复杂，在觉醒、摄食、成瘾、奖赏、恐惧记忆、焦虑等多种行为中发挥着重要作用[15-17]，且主要作为应激感受器帮助机体应对多种外源性刺激。但涉及PVT与疼痛和相关负性情绪方面的研究较少，仅见下列报道：在短期内对动物实施重复痛刺激，随着持续时间的延长，PVT对相同痛刺激的感知减弱，说明PVT参与痛刺激信息的感受性适应[18]；激活PVT内Cav3.2-T型Ca2+通道依赖的细胞外调节蛋白激酶能够调节酸诱导的慢性肌痛[19]；PVT吻侧段介导慢性机械性痛敏[20]，尾侧段向腹内侧PFC内神经元型一氧化氮合酶阳性神经元投射的神经通路能将慢性痛信号转换为焦虑样行为[21]，PVT与PFC的联系在内脏痛引起的机械性痛敏和负性情绪中发挥作用[22]。

以往的研究表明PBN比丘脑VPL和VPM接受更多来自脊髓和延髓上传的痛信息传递纤维，是比VPL/VPM更为重要的痛信息上传中继站[4-5，23-27]。我们在对PVT的研究中观察到：①给予动物急性和慢性痛刺激，可在TMMN内见到大量表达FOS蛋白的神经元，尤以PVT内的分布最为集中，提示PVT与疼痛密切相关。②将含FOS启动子的病毒注入PBN，给予动物神经病理性痛刺激后，在PBN内观察到大量FOS阳性神经元，这些FOS阳性神经元的上行投射纤维也在PVT内集中分布，提示PVT是接受PBN传出投射的主要终止部位；由PBN向PVT发出的直接投射纤维参与痛信息的传递[23-24]。③激活或损毁PVT内含囊泡膜谷氨酸转运体-2(vesicular glutamate transporter-2，VGluT2)的谷氨酸(glutamate，Glu)能神经元具有促痛或镇痛效应。④PVT的Glu能兴奋性神经元投射到杏仁中央核(central nucleus of the amygdala，CeA)的γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能抑制性神经元，后者再投射至导水管周围灰质(periaqueductal gray，PAG)，抑制PAG的Glu能神经元，结果导致PAG发出的下行镇痛系统活动受到抑制，从而产生促痛作用[17]。除了对于痛觉的调控效应之外，我们还发现损毁PVT可明确抑制神经病理性痛所诱发的焦虑、抑郁和恐惧反应。这些结果提示PVT在痛信息的传递和调控、负性情绪的产生与调控、疼痛与负性情绪共病等方面也发挥重要作用。

3 PVT参与痛信息传递和调控的神经元类型及神经通路

PVT主要由表达VGluT2的Glu能兴奋性神经元组成，却无GABA能抑制性神经元[27]。由于PVT是多种功能的神经纤维传导通路的中继核团及整合中心[11-14]，依靠PVT内神经元相对单一的兴奋性属性，几乎不能解释这些神经元在上述功能活动中所扮演的不同角色和发挥的不同作用，故很有必要对PVT内兴奋性神经元的类型进行进一步分类。有人根据遗传学、解剖学和机能学方面的差异，将PVT吻尾方向上分布的神经元区分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型，Ⅰ型神经元表达多巴胺2型受体，主要分布于PVT尾侧，参与厌恶、情绪记忆和动机行为；Ⅱ型神经元为甘丙肽阳性神经元，分布于PVT吻侧，与睡眠和觉醒有关[28]。PVT内神经元的受体类型也十分丰富，现已知Glu、GABA、单胺以及包括精氨酸加压素、胃泌素释放肽、促甲状腺激素释放激素和食欲素等在内的多种神经肽的受体均表达在PVT神经元上。

除不同的神经元亚型外，PVT也可通过作用于不同的下游脑区发挥其特异性功能。我们最近也观察到PVT内接受PBN投射的神经元向大脑皮质(如PFC)和皮质下结构的许多区域，特别是向边缘系统的组成结构，如IC、屏状核、CeA、伏核、终纹床核、海马、下丘脑等结构发出密集的传出纤维投射。PVT向这些区域发出传出投射的神经元位于PVT内的不同部位，尤其是PVT向PFC、CeA和IC投射的神经元在PVT内具有不同的定位分布，三群投射神经元在PVT内的分布区域彼此并不重叠[29]。在功能上，将AAV-CaMKII-ChR2-mCherry病毒注入PVT，然后分别将光纤置入PFC、CeA以及IC，通过光纤给予相应的蓝光刺激，可特异性调控PVT-PFC、PVT-CeA以及PVT-IC的投射通路，结果观察到激活上述通路除了均产生促痛效应外，PVT-PFC通路兴奋后主要产生促焦虑、抑郁效应，PVT-CeA通路兴奋后产生促恐惧、焦虑效应。

4 PVT密切关联的大脑皮质或皮质下结构在痛信息传递和调控中的作用

PVT神经元向PFC、CeA和IC发出大量的纤维投射。其中，PFC主要负责思维、计算、认知、情感和性格[30-32]。CeA接收广泛的传入纤维联系，是向AMY等诸多核团中发出传出投射的主要部位，与恐惧行为有密切的关系[22，26，30，33]；IC主要对外周和中枢的各种刺激产生情绪反应，尤其与焦虑等负性情绪反应相关[33-35]。我们观察到PVT向PFC、CeA和IC投射的神经元在PVT内具有定位分布的特点[29]，调控PBN向PVT上行投射在PVT中继后再向PFC、CeA和IC的投射通路，对动物痛和负性情绪均可产生影响，但影响的内容和效果有一定的区别和差异，这些结果说明PVT向PFC、CeA和IC投射的神经元可能来自PVT神经元的不同亚群或亚型，它们可能利用不同的关键分子，通过调控PVT向PFC、CeA和IC神经通路的活动，影响动物痛和负性情绪行为，这些初步结果为我们今后的研究提供了重要线索，值得深入探讨。

经典的神经解剖学理论认为大脑向脊髓的直接下行投射来自运动皮质。尽管属于边缘系统并参与感觉信号调控的ACC向PVT发出投射，但PVT几乎不向ACC发出投射。我们观察到ACC向脊髓发出长距离直接投射，该通路增强痛刺激激活的脊髓后角神经元的活动，导致疼痛的感受增强，发生痛觉敏化[36]。此外，鉴于ACC与焦虑调控有关[37]，该直接下行投射可能参与焦虑样负性情绪反应，从而为焦虑患者产生自发痛的机制提供了依据。我们还观察到慢性胰腺炎引起的慢性内脏痛信息经孤束核向ACC传递，在慢性胰腺炎时孤束核-ACC通路活化引起疼痛加重和焦虑样行为，抑制该通路减轻疼痛和焦虑，说明该神经通路参与慢性内脏痛的痛觉过敏及其诱发的焦虑[37]。以上结果为内脏痛在大脑皮质的调节提供了新见解，并提示ACC可作为神经调节干预治疗内脏痛的潜在靶点。

损毁背内侧前额叶(dorsal medial prefrontal cortex，dmPFC)能引起痛觉过敏和焦虑行为，但其具体作用的神经通路及机制尚未厘清。我们综合运用多种方法对dmPFC到腹外侧导水管周围灰质(ventrolateral periaqueductal gray，vlPAG)的兴奋性下行神经通路在痛敏和焦虑中的作用进行了研究[38]。特异性激活dmPFC-vlPAG通路，在慢性痛小鼠模型上可产生镇痛和抗焦虑作用；特异性激活dmPFC中的抑制性GABA神经元，可进一步恶化慢性痛诱发的机械性痛敏和焦虑状态，并且反转由于激活dmPFC-vlPAG通路而产生的镇痛和抗焦虑作用；dmPFC内给予γ-氨基丁酸A受体或代谢型谷氨酸受体1亚型的拮抗剂可产生镇痛和抗焦虑作用。上述结果表明dmPFC-vlPAG神经通路可能参与正常条件下提高痛阈和抗焦虑行为的维持，而抑制dmPFC-vlPAG通路则参与慢性痛的早期反应和维持，并导致动物产生焦虑样行为[38]。这些结果为提出PFC是慢性痛和负性情绪调制的关键皮层区域提供了科学依据，也为我们研究PVT-PFC通路的功能提供了实验和理论基础。

共情通常是指个体对他人处境感知或理解他人情绪和经历的能力，其中对他人痛苦的共情称为共情痛，它是激发亲社会行为、抑制攻击行为和促进社会道德发展的基础。我们首先建立了小鼠慢性痛的共情观察体系：将成年小鼠左腿的腓总神经结扎后建立神经病理性痛模型，再把慢性痛小鼠与同窝出生的小鼠(sibling)或者非同窝出生的小鼠(stranger)作为观察者分别放置在中间有透明隔板的同一观察箱内，通过观察后者的痛行为变化判断是否出现共情痛。sibling小鼠在第1次观察慢性痛小鼠的行为表现后就出现了后足的痛敏现象(共情痛)，而stranger小鼠只有在连续观察2周以上才逐渐出现后足的痛敏，两者在共情痛的出现时间和行为表现方面有明显的差异；将逆行示踪剂荧光金(fluorogold，FG)注入sibling小鼠杏仁基底外侧核(basolateral nucleus of the amygdala，BLA)，在IC内可见FG逆行标记的钙调蛋白依赖的蛋白激酶Ⅱ阳性神经元表达FOS；选择性抑制IC内向BLA投射的Glu能神经元活性，或者条件性凋亡IC-BLA通路突触后的Glu能神经元均能够显著缓解sibling小鼠的共情痛，增强该通路的活性或条件性凋亡IC-BLA通路突触后的GABA能神经元则会加剧共情痛的发生和维持；利用磷酸化核糖体亲和沉淀测序方法筛选到IC-BLA通路中的突触结合蛋白2(synaptotagmin 2，Syt2)和Rab相互作用分子3(Rab3-interacting molecule 3，RIM3)分别在突触前和突触后参与共情痛过程，说明Syt2和RIM3是共情状态下控制IC-BLA通路突触活性的关键分子[39]。上述结果从神经元类型、神经通路、神经活性物质和神经功能方面揭示了IC-BLA通路参与调控动物共情痛的机制。

5 对PVT实施深部脑刺激可能是治疗难治性疼痛的有效措施

对镇痛药治疗无效的顽固性慢性痛患者，经常采用神经调控技术，如经颅电刺激或磁刺激技术等予以治疗，在大多数情况下均具有良好的镇痛效果，近年来这些方法已成为极具潜力的治疗手段，但这些神经调控治疗方法仅能刺激大脑皮质的表面，且调控刺激产生的脑内结构和功能变化的细胞、环路和分子机制尚不很清楚，仍需要进行深入的研究[40-41]。深部脑刺激(deep brain stimulation，DBS)是将微细的电极植入大脑深部核团(即手术靶点)，通过发放特定参数的电脉冲信号刺激靶区，以调节大脑功能而治疗疾病的技术[42]。电刺激隔区具有镇痛效果[43]，对VPL、VPM、室周灰质、PAG、内囊、下丘脑后部、伏核、ACC等脑区实施电刺激镇痛[43-45]，大约对20%～70%患者有效，而对非神经病理性痛患者的疗效约为40%～80%。造成上述结果差异的原因在于治疗的疾病不同，以及评价临床效果的方法、随访的时间、使用的镇痛药物等方面不一致等[43-45]。尽管如此，对于顽固性慢性痛患者来说，DBS仍是临床上治疗慢性痛的最终手段[43-45]，但DBS治疗慢性痛的最佳靶点以及最优刺激参数有待深入研究。

我们的前期结果表明调控PVT向PFC、CeA和IC的投射通路能够对动物的痛和负性情绪产生影响。DBS治疗在空军军医大学附属医院的相关科室已经成为常用的治疗手段[46]，为了进一步验证我们在前期研究中获得的结果，我们拟以校内合作的方式在非人灵长类动物开展PVT电刺激治疗顽固性慢性痛的临床研究，探索PVT电刺激治疗慢性痛的效果和安全性，为转化医学和DBS治疗慢性痛提供可靠的实验依据。

6 展望

如前所述，我们前期的工作为探索PVT参与中枢痛信息传递和调控、慢性痛诱发的负性情绪、慢性痛与负性情绪交互恶化的机制提供了初步的实验证据，研究结果揭示了PVT内接受PBN投射并分别向PFC、CeA、IC发出特异性投射的神经元类型及其构成的与慢性痛、负性情绪有关的特异性神经通路，从形态、机能、行为和分子水平阐明了有关神经通路在慢性痛和负性情绪状态下的可塑性变化，为临床上寻找精准镇痛的干预靶点提供了深入研究的线索。

我们今后的研究中心将借助慢性痛、负性情绪的动物模型，综合运用形态学、电生理学、行为学、光遗传学、分子生物学等技术方法，以PVT为中心，研究其接受PBN传入投射并分别向PFC、CeA及IC发出投射的特异性神经元类型及神经通路，探讨这些神经通路在慢性痛及相关负性情绪反应以及彼此交互影响过程中的作用和机制，揭示参与的神经元、关键分子和神经通路在不同状态下的可塑性变化，并通过干预手段筛选出精确的干预靶标。这些结果有望阐明PVT参与慢性痛及其相关负性情绪产生与调控的机制，筛选出有治疗作用的药物靶分子和治疗靶点，积极促进成果转化，提高慢性痛治疗水平和患者的生活质量，增强部队战斗力，造福人类。