Neuron︱为何急性疼痛一碰就疼，慢性疼痛却持续难忍？脊髓神经元编码差异机制阐明

2025年2月28日，美国波士顿儿童医院Clifford J. Woolf团队在Neuron发表“Differential modification of ascending spinal outputs in acute and chronic painstates”，揭示了急性和慢性疼痛状态下脊髓上行输出的差异性改变。

痛觉超敏现象源于外周和脊髓躯体感觉神经元的可塑性诱导，改变了向大脑传递伤害性输入的方式从而改变疼痛感知。作者应用脊髓背侧投射神经元的纵向钙成像技术，在健康的实验鼠中识别出对冷或热具有选择性的稳定输出以及被有害热和机械刺激激活的一组神经元。通过局部使用辣椒素诱导急性外周敏化，可以暂时调整伤害性输出神经元以编码低强度刺激。相比之下，外周神经损伤导致无害刺激的脊髓输出长期受到抑制，同时伴有通常沉默的一群高阈值神经元的持续激活。这些结果展示了在伤害性和神经病理性疼痛状态下，对大脑的脊髓输出存在差异调节。

图一 脊髓背角浅层神经元的纵向钙成像

为了研究背角投射神经元的活动，开发了一个用于神经元活动慢性钙成像的平台。手术一周后，通过von Frey刺激足底表面的缩回阈值评估，带有脊髓窗口植入物的动物的后爪行为机械敏感性正常。在首次手术后的第一周内，脊髓窗口常常因为新生血管形成和纤维化而出现清晰度下降的情况，遮挡血管标志物并降解或消除由刺激引起的荧光信号。然而，通过追踪脊髓血管的形态，发现有一部分动物的脊髓窗口能够稳定保持数周乃至数月的光学清晰度。进一步的研究表明，通过单一手术重新切除成像区域上方的硬脑膜，可以挽救一部分退化的窗口，并使其稳定以便后续成像。通过对麻醉小鼠后爪施加从基线34°C到5°C至50°C范围内的快速热瞬变来探测生理相关的热刺激响应。结果显示，在健康基础状态下，强烈加热或冷却会引发retPBN神经元集合反应，而较小的子集则对温和/无害的温热或冷刺激有反应。通过主成分分析和K均值聚类确定了三种主要响应类型：NOX细胞（42.6%）对强烈加热（>48°C）最敏感；COLD细胞（40.2%），对强烈冷刺激最敏感；WARM细胞（17.2%）对低于热疼痛阈值的温热敏感。这些数据表明，通过浅层背角投射神经元传递的热信息至少组织成三条不同的线路，分别优先调谐于冷却、温热和有害刺激的检测。

图二 NOX投射神经元对强烈的机械刺激作出反应

接下来，作者想探究脊髓背角Ⅰ层投射到retPBN的神经元对机械刺激会作何反应。使用手持式定量机械刺激器在对无毛爪部皮肤进行点状按压刺激的同时，记录GCaMP信号。这些按压刺激在一部分retPBN神经元中引发了明显的钙信号反应。对引发反应的刺激位置进行定位后发现，每个神经元通常只对有限感受野内的刺激产生反应。很大一部分retPBN神经元对强烈的机械刺激有反应，但只有少数对无害的触觉刺激有反应。在对机械刺激有反应的神经元中，绝大多数（110个中有105个，占95.5%）只对超过40mN的力有反应。在清醒小鼠上，使用相同的刺激装置施加强度超过40mN的按压刺激，在大多数测试中都会引发行为退缩反应。因此，脊髓背角浅层的retPBN神经元似乎能够特异性地检测到那些会引发行为厌恶的刺激。接下来继续探究解机械感觉反应是否与热感觉反应存在重叠，或者它们是否由不同类型的retPBN神经元介导。首先记录神经元对后爪热刺激的反应，然后检测爪部表面对机械刺激的反应性。没有发现任何只对机械刺激有特异性反应的细胞，因为所有对机械刺激有反应的神经元，包括少数对无害刺激有反应的细胞，至少对一种热刺激也有反应。大多数对机械刺激有反应的投射神经元属于NOX热感觉反应簇。这些数据表明一种关于ALT输出的编码模式，即不同的冷觉和温觉特异性神经元群体专门传递无害的热感觉信息，而另一组具有广泛反应特性的神经元则负责传递热刺激和机械伤害性刺激的信息。

图三 神经病理性疼痛中机械感觉躯体定位改变，而非触觉敏感性改变

接下来，研究了在SNI所诱导的持续性神经病理性疼痛状态下，脊髓背角Ⅰ层投射神经元的感觉调谐是否会发生改变以及会如何改变。首先对长期植入脊髓视窗的未受损伤（naive）的小鼠中，由感觉刺激所诱发的GCaMP活性进行了表征；接下来，通过横断并结扎坐骨神经的胫神经和腓神经分支来诱导 SNI，然后在损伤后的后续时间点对同一批神经元进行成像观察。在 SNI 损伤后的 1 至 4 周，其主要后果是去神经支配区域对机械刺激的敏感性丧失，以及保留神经支配区域出现触觉异常性疼痛和机械性痛觉过敏。由于触觉异常性疼痛是 SNI 的一个典型特征，评估了 retPBN 神经元是否对低强度触觉刺激表现出敏感性增加。在术后 4 周进行测试时，所有植入脊髓视窗的小鼠在神经损伤同侧的腓肠神经皮肤区域都出现了触觉异常性疼痛，而对侧则没有。在 SNI之后，按压刺激的力度与 retPBN 神经元激活之间的关系并没有发生明显改变，即使在损伤后，对触觉刺激产生反应的也仅限于一小部分对机械刺激有反应的细胞。与局部使用辣椒素的效果不同，没有发现任何证据表明在 SNI 之后，脊髓背角Ⅰ层的 retPBN 神经元对无害的触觉刺激变得敏感。SNI 还会引发机械性痛觉过敏，表现为对施加在保留神经支配的腓肠神经皮肤区域的伤害性压力刺激产生过度反应，同时对去神经支配的胫神经区域的按压刺激出现明显的低敏感性，这种情况在损伤后至少会持续 4 周。在 SNI 之后，对中等强度和伤害性按压刺激的躯体定位反应分布发生了改变，因为 retPBN神经元对保留神经支配的腓肠神经区域的刺激反应性增加，而对去神经支配的胫神经区域的刺激反应性降低。这些结果表明了 SNI 后对伤害性按压刺激的行为反应改变可能存在的神经元相关性，但触觉异常性疼痛似乎是由脊髓前外侧束浅层神经元以外的脊髓输出所介导的。

该研究揭示了正常状态下以及在急性和慢性疼痛超敏反应中小鼠脊髓投射神经元的感觉调谐特征。通过纵向体内钙成像技术，发现这些疼痛状态与投射神经元对伤害性和无害性刺激的敏感性上存在的独特、细胞类型选择性的可塑性有关。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.01.031