忍痛时为何还能稳健行动？复旦大学张玉秋团队揭示感觉运动皮层下行调控疼痛与运动的双重机制

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已有研究表明，大脑皮层对脊髓感觉处理过程具有下行调控作用。然而，关于皮层-脑干投射在感觉和运动调节中的功能角色，目前仍研究较少。

基于此，2025年7月3日，复旦大学张玉秋研究团队在Nature communications杂志发表了“Descending projection neurons in the primary sensorimotor cortex regulate neuropathic pain and locomotion in mice”，揭示了初级感觉运动皮层中的下行投射神经元调节小鼠的神经病理性疼痛和运动。

本研究中，作者在初级感觉运动皮层（SM1）中鉴定出两个神经元亚群，这两个亚群在解剖结构和电生理特性上有所不同，但功能上相似，分别投射至中脑导水管周围灰质（PAG）和延髓头端腹内侧区（RVM）。这些PAG中的谷氨酸能神经元进一步投射到蓝斑核（LC）中的去甲肾上腺素能（NA）神经元以及RVM中的5-HT神经元，从而驱动脊髓中由NA和5-HT介导的抗痛觉反应；而接受SM1投射的RVM中强啡肽能神经元则直接介导脊髓阿片类镇痛效应。有趣的是，沉默这两个SM1亚群会导致运动行为受损并影响运动诱导的镇痛效应，但对皮肤感觉刺激的行为反应没有明显影响。作者的研究结果表明，这些向脑干投射的SM1神经元亚群在皮层下行镇痛调控中起着关键作用，未来可能成为优化疼痛干预策略的重要靶点。

图一 感觉运动皮层中投射至中脑/延髓神经元的鉴定

本研究通过在初级感觉皮层（S1）和初级运动皮层（M1）注射表达突触素-mRuby的腺相关病毒，发现S1和M1神经元在PAG和RVM的轴突末梢分布相似。为进一步定位这些投射神经元的胞体位置，作者在PAG和RVM分别注射逆行病毒，结果显示PAG投射神经元和RVM投射神经元主要分布于S1、M1及M2区域，尤其集中在S1和M1皮层。其中，SM1PAG神经元多位于S1和M1后部，而SM1RVM神经元则更多分布于前囟前方区域，两者主要定位于第5、6层，且SM1RVM神经元位置更深。结合CTB逆行示踪结果，表明SM1PAG和SM1RVM是两个解剖上分离的神经元亚群。RNAscope荧光原位杂交进一步显示，超过95%的这两类神经元表达vGlut1，表明其为谷氨酸能神经元。作者发现SM1PAG和SM1RVM神经元均广泛投射至多个与感觉和运动调控相关的脑区，包括纹状体、丘脑、下丘脑和延髓等，但其在特定区域的投射密度存在差异。此外，两类神经元均有轴突侧支直接投射至脊髓，提示其可能参与脊髓层面的感觉-运动整合。为进一步比较其功能特性，作者通过全细胞膜片钳记录技术分析了它们的内在电生理属性，发现SM1RVM神经元的动作电位发放频率更高、激发阈值更低、半峰宽更窄、幅度略高，表明其内在兴奋性高于SM1PAG神经元，而在其他参数如静息膜电位、输入阻抗等方面无显著差异。综上所述，SM1PAG和SM1RVM是位于初级感觉运动皮层深部、具有解剖与电生理差异的两类谷氨酸能神经元亚群，可能在皮层下行镇痛调控中发挥不同作用。

图二 激活SM1PAG与SM1RVM神经元亚群在神经病理性疼痛小鼠中产生相似的镇痛效应

鉴于PAG和RVM是下行镇痛系统中的关键核团，作者进一步研究了这两类SM1神经元亚群在疼痛处理中的作用。作者在PAG或RVM中注射AAV2/retro-Cre-EGFP病毒，在SM1中注射hM3D或hM4Di病毒以分别激活或抑制SM1PAG和SM1RVM神经元。随后通过腹腔注射CNO。在基础生理状态及神经病理性疼痛模型下，作者检测了von Frey机械痛阈和Hargreaves热痛反应的变化。免疫荧光染色证实mCherry在GFP标记的SM1PAG和SM1RVM神经元中特异性表达。化学遗传学抑制SM1PAG或SM1RVM神经元并未显著改变正常生理条件或神经病理性疼痛状态下的机械或热刺激阈值。然而，激活这两类神经元可显著缓解坐骨神经慢性压迫损伤（CCI）所诱导的机械性异常痛和热痛过敏，且无性别差异；而在基础状态下则未见明显影响。这一结果提示，SM1PAG和SM1RVM神经元主要参与病理状态下伤害性敏感反应的调控，而非基础镇痛机制。为进一步评估其是否具有协同或叠加的镇痛效应，作者在同一动物的PAG和RVM中同时注射逆行Cre病毒并在SM1中注射AAV-DIO-hM3Dq病毒，从而同步激活SM1PAG和SM1RVM神经元。结果显示，双激活显著增强了对CCI小鼠机械性异常痛和热痛过敏的抑制作用，表明这两个神经元亚群在抗伤害感受中具有等效且叠加的效应。此外，为了排除非投射至PAG/RVM的SM1神经元可能产生的干扰，作者采用“Cre-off”策略，在SM1中注射AAV-DO-hM3Dq-eGFP病毒并在PAG和RVM中注射逆行Cre病毒，从而选择性激活除SM1PAG和SM1RVM以外的SM1神经元。有趣的是，这类非特异性激活反而引发了小鼠后爪的痛觉过敏和自发性疼痛样行为，而前爪和胡须垫区域未受影响，进一步表明SM1对后肢区域的感觉支配特性。

图三 脊髓单胺类与阿片类信号通路分别参与由SM1PAG和SM1RVM神经元介导的下行镇痛调控

腹侧PAG输出神经元投射到RVM和蓝斑核进而投射到脊髓背角，以调节伤害性传递。因此，作者通过病毒示踪技术评估了接受SM1输入的PAG神经元的下行投射。接受SM1突触后输入的PAG神经元直接投射到RVM和蓝斑核，但不投射到脊髓。接下来，作者通过病毒注射追踪SM1–PAG–蓝斑核/RVM通路，mRuby+突触小泡出现在蓝斑核去甲肾上腺素能神经元和RVM 5-HT神经元的胞体和树突上。化学遗传学激活这些PAG神经元显著增加了蓝斑核去甲肾上腺素能神经元和RVM 5-HT神经元中的c-Fos表达，这表明由这些PAG神经元驱动的抗伤害效应可能通过RVM 5-HT和蓝斑核去甲肾上腺素能神经元介导，部分RVM神经元直接投射到脊髓背角。先前的研究发现多种亚型的5-HT受体参与疼痛的下行调节，例如5-HT7受体和5-HT3受体。因此，作者分别阻断了5-HT7、5-HT3和α2A-肾上腺素受体以评估5-HT和NA下行系统在这些PAG和RVM神经元驱动的抗伤害效应中的作用。鞘内注射5-HT7受体拮抗剂、5-HT3受体拮抗剂和α2A-肾上腺素受体拮抗剂显著逆转了激活CCI小鼠中PAG神经元引起的抗伤害效应，但对RVM神经元的效应无影响。这一结果表明由SM1–PAG通路驱动的抗伤害效应是通过蓝斑核去甲肾上腺素能和RVM 5-HT神经元介导的。此外，作者还研究了阿片系统在这两种通路驱动的抗伤害效应中的作用。鞘内注射非选择性阿片受体拮抗剂或μ阿片受体拮抗剂有效阻止了RVM而非PAG介导的抗伤害效应，进一步支持相关RVM神经元在这一过程中的参与。这些发现表明，由这两类神经元驱动的抗伤害效应是通过不同的分子、细胞和回路机制实现的。

图四 沉默SM1PAG和SM1RVM神经元会损害与运动相关的行为，而非感觉相关的行为

接下来，作者在正常生理条件下评估了SM1PAG和SM1RVM神经元在运动和感觉调节中的作用，在PAG或RVM中注射了AAV2/retro-Cre病毒并在SM1中注射了AAV-DIO-hM4Di病毒，以特异性抑制这些神经元。接着测试了一系列与运动相关的行为以及对触觉和有害刺激的行为反应。化学遗传学抑制SM1PAG或SM1RVM神经元并未改变小鼠对点状机械刺激、无害的动态刷触、足底胶带刺激或有害热刺激的行为反应，这表明在正常状态下，这些神经元并不参与调节由触觉或伤害性刺激引发的行为反应。在运动行为测试中发现，沉默SM1PAG和SM1RVM神经元会损害加速转棒实验中的整体运动协调能力，表现为从转棒上跌落的平均潜伏时间缩短。在平衡木测试中，仅SM1PAG神经元的沉默会导致滑倒次数显著增加，表明SM1PAG神经元在精细运动控制中具有重要作用。作者还通过水平梯测试评估了小鼠的熟练运动行为，结果显示，SM1PAG或SM1RVM神经元的沉默显著降低了前肢和后肢正确放置的可能性。然而，在旷场测试中，沉默这些神经元并未影响小鼠的总移动距离，说明它们不参与调控基本的自主运动功能。此外，在以上行为测试中这些神经元的沉默也未影响小鼠的运动速度。综合这些结果表明，在正常生理条件下，SM1PAG和SM1RVM神经元可能在精细运动控制和协调中发挥重要作用。

总结

作者根据SM1神经元在脑干中的投射靶点区分了两个不同的神经元亚群。激活这两个亚群及其下行投射通路，能够独立且协同地缓解CCI引发的行为过敏反应。这种复杂而具有冗余性的神经系统组织对于维持功能弹性至关重要，对生存具有重要意义。从进化的角度来看，这类系统可能通过帮助动物完成关键的运动行为并抑制疼痛为它们提供安全上的优势。本研究揭示了运动与感觉系统之间的相互作用，并提示以SM1-脑干通路以及5-HT、去甲肾上腺素和阿片类信号为靶点的治疗策略，可能为慢性疼痛的干预提供新的方向。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61164-8