【Nat Neurosci】VNS！邓菡菲/肖雄课题组最新文章揭示迷走神经刺激镇痛的神经机制

撰文：刘明哲

排版：脑声常谈

迷走神经刺激，听名字像是手术台上的事。它最早确实是一种“开刀”的法子——医生把电极埋进病人体内，用来对付最难治的癫痫。可这些年，这项技术悄悄变了样。如今它不再只走“体内植入”这一条路，而是分出了两支：一支留在身体里，另一支则走上体表，经皮耳迷走神经刺激、经皮颈部迷走神经刺激，就是这样应运而生的新尝试。

这一变，意义不小。刺激迷走神经不再需要动刀、住院，也不再有那么多的禁忌和风险。它开始走出手术室，走进诊所，甚至走向家庭的桌面和随身口袋。无创、便携、可穿戴——这三个词，既是技术的演进方向，也折射出医学干预的一种温柔企图：用最轻巧的方式，调动身体里那条古老而隐秘的神经通路，去影响大脑、调节情绪、缓解疼痛。

图片来源：Cheng等，Frontiers in Neuroscience(2022)

随着科学研究不断深入，迷走神经刺激疗法在镇痛方面也颇具潜力。在健康人和患者身上，迷走神经刺激被观察到能抑制伤害性退缩反射、提高痛阈、缓解疼痛，从而调节疼痛感知。不过，这套神经系统究竟如何编排出痛感的调控，以及它与疼痛带来的情绪状态之间的关联，其内在机制仍是一道未解之谜。

图片来源：Shi等，Neurological Research (2013)

迷走神经传入纤维的首要中枢靶点——尾侧孤束核，是接收和传递内感信息的关键中继站。除了迷走神经的输入，它还接收来自脊髓的身体感觉信号，这种独特的“接线”方式，使它成为了整合迷走信息与伤害性信息的理想候选脑区。然而，迷走神经刺激如何通过尾侧孤束核来调控疼痛，目前尚无定论。

图片来源：Zimmerly等，Cham: Springer Nature Switzerland (2026)

已有研究表明，尾侧孤束核的活动是迷走神经刺激实现镇痛的必要条件；但另一方面，躯体伤害性刺激本身也能激活尾侧孤束核的神经元。更令人困惑的是，脑成像研究显示，在迷走神经刺激过程中，孤束核的反应并不一致，呈现多样化的模式。这些线索共同指向尾侧孤束核内部存在功能异质性——这意味着，其中不同的神经元群体，可能对痛觉信息的处理和迷走神经刺激的调控作用，作出了截然不同的贡献。

图片来源：Wang等，Nat Neurosci. (2024)

2026年6月3日，《Nature Neuroscience》杂志在线刊登了复旦大学脑科学研究院邓菡菲课题组&中科院神经所肖雄课题组的最新重要工作，该研究首先对投射至不同下游孤束核尾部（cNTS）神经亚区进行了系统筛选，以探索其在疼痛相关行为中的功能。cNTS与多脑区形成突触联系，包括中脑导水管周围灰质（PAG）、臂旁核（PBN）、终纹床核（BNST）、下丘脑室旁核（PVH）、杏仁核中央核（CeA）以及蓝斑核（LC），这些脑区均已被证实参与疼痛及情绪相关行为的调控。

通过上述筛选，作者发现投射至PAG的cNTS神经元是与疼痛信息处理密切相关的重要亚区。基于此，他们进一步研究了该类神经元如何编码伤害性信号与预测性信号，并探讨了其在清醒小鼠中介导迷走神经刺激（VNS）对伤害性信息处理和负性情绪调控中的作用机制。

激活cNTSPAG神经亚群可模拟多种疼痛相关行为

为探究投射至不同下游脑区的cNTS神经亚群的解剖学结构，作者采用双重逆行标记技术，从中脑导水管周围灰质（PAG）与终纹床核（BNST）、杏仁核中央核（CeA）、臂旁核（PBN）、下丘脑室旁核（PVH）或蓝斑核（LC）同时进行标记（扩展数据图1a–e）。结果显示，投射至PAG、PBN及LC的cNTS神经元分布广泛，彼此存在部分共标，但与投射至BNST、CeA或PVH的神经元共标有限（扩展数据图1a–e）。

随后，作者系统探究了上述六类cNTS神经亚群在疼痛相关行为中的功能作用。通过向各下游脑区注射逆行腺相关病毒（AAV），向cNTS注射Cre依赖的通道视紫红质-2（ChR2），及在cNTS上方植入光纤实现靶向光遗传刺激（图1a、b；扩展数据图2a）。实时位置厌恶（RTPA）实验结果显示，激活cNTSPAG和cNTSPBN产生强烈回避行为，激活cNTSBNST仅诱导轻微厌恶，而激活cNTSPVH、cNTSCeA和cNTSLC无显著影响（图1c）。激活cNTSPAG和cNTSLC引起最显著的瞳孔扩张，而cNTSPAG激活同时导致呼吸频率最大幅度增加（图1d、e；扩展数据图2b–e）。cNTSPAG激活还诱发强烈发声，声谱特征类似尾部电击诱导的发声（图1f–h）；cNTSPBN激活仅诱导零星且特征迥异的发声（扩展数据图2f–h）。

通过分析头固定小鼠高分辨率面部视频（图1i），作者发现激活cNTSPAG产生的面部表情模式与尾部电击诱导者高度一致，被随机森林模型判定为负性效价（图1j、k及补充视频1）。相反，cNTSPBN激活诱导的表情以咀嚼和干呕样行为为主，与疼痛相关表情无明显相似性（扩展数据图2i–k）。条件性位置厌恶实验中，将光刺激与初始偏好侧配对后，表达ChR2的小鼠表现出位置偏好显著转变（图1l–n），表明cNTSPAG神经元重复激活可驱动厌恶记忆形成。

笔者注：综合上述行为学指标，cNTSPAG神经元的激活从多个维度共同模拟了疼痛样状态：实时位置厌恶和条件性位置厌恶反映了疼痛的情绪-动机维度（内在厌恶感与负性记忆形成）；瞳孔扩张与呼吸频率显著增加体现了疼痛诱发的自主神经应激唤醒；声谱特征与尾部电击高度相似的强烈发声代表了疼痛的情绪表达；而被机器学习模型分类为负性效价且与电击诱导表情一致的面部模式，则提供了最具特异性的疼痛感觉-情绪整合证据。

这四项指标分别从行为选择、生理反应、发声交流及面部表情层面汇交出一个一致结论：cNTSPAG神经元激活足以在小鼠上产生一种多维度的、高度类似真实疼痛的负性体验。

图1 激活cNTSPAG神经亚群可模拟多种疼痛相关行为

单细胞分辨率下疼痛刺激的NTS神经表征

cNTSPAG神经元群体可被机械性和电性伤害性刺激激活，但对热刺激无响应，然而该群体内部是否存在编码不同类型有害刺激的亚群尚不明确（扩展数据图4）。

为此，作者在表达GCaMP6s的小鼠cNTS区域植入梯度折射率透镜（GRIN Lens）以进行钙成像（图2a、b）。针对GRIN透镜下脑组织运动及伤害性刺激加剧运动伪迹的技术挑战，作者结合透镜钨丝锚定、头部固定与身体束缚加以克服，实现了伤害性刺激过程中的稳定单细胞成像及可靠的运动校正（图2c、d及补充视频3）。

成像数据结果显示，尾部夹捏和电击迅速激活了大比例cNTSPAG神经元（夹捏56.1%，电击48.5%），而此类神经元对有害热刺激的响应较少且幅度更低（图2e–g，扩展数据图5a、b）。低维空间投射显示，夹捏和电击响应与热刺激响应明显分离（图2h），且兴奋性神经元无明显空间聚类（扩展数据图5c、d）。夹捏与电击的群体表征相似性高于二者与热刺激的相似性（图2i、j），但其群体活动轨迹在三维空间中可区分（图2k），且群体响应足以逐次解码刺激类型（图2l），表明cNTSPAG群体具有编码伤害性刺激类型的能力。

为探究cNTSPAG神经元是否选择性响应伤害性刺激，作者向小鼠呈现多种奖惩刺激。层次聚类分析显示，与厌恶性气流吹面相比，夹捏和电击引发了更大的响应并激活了更高比例的神经元（图2m–o）。相比之下，正性（蔗糖）或负性（奎宁）味觉刺激仅在一小部分神经元中引发微弱响应，且与舔舐行为无相关性（图2m–p及扩展数据图5e–h）。综上，cNTSPAG神经元主要参与疼痛性刺激的编码，而对其他奖惩相关的感觉输入响应有限。

笔者注：梯度折射率（GRIN）透镜是一种圆柱状微型光学元件，其内部折射率沿径向呈梯度分布，从而使光线在其中以平滑曲线传播并实现聚焦成像。在神经科学中，GRIN透镜常被植入深部脑区（如本研究中的尾侧孤束核），与微型显微镜或双光子显微镜结合，用于在清醒、行为自由的动物中进行长期、稳定的单细胞钙成像。

然而，由于GRIN透镜与脑组织界面容易产生相对运动，尤其在施加伤害性刺激时，会引入明显的运动伪迹。本研究通过钨丝锚定GRIN透镜并配合头部固定与身体束缚，有效抑制了这种伪迹，从而首次在cNTS区域实现了伤害性刺激下的稳定单细胞分辨率神经活动记录。

图2 单细胞分辨率下疼痛刺激的NTS神经表征

脊髓–cNTS–PAG通路在伤害性信息处理中的作用

为探究cNTSPAG神经元的直接输入来源，作者进行了通路特异性的单突触狂犬病毒示踪（扩展数据图7a、b）。结果显示，cNTSPAG神经元接受来自多个脑区的单突触输入，包括运动皮层、躯体感觉皮层、岛叶皮层、终纹床核、杏仁中央核、下丘脑、中脑和后脑（扩展数据图7c、d）。此外，这些神经元还接受来自迷走神经感觉神经节——结节状神经节的大量输入（扩展数据图7e）。

值得注意的是，cNTSPAG神经元还接受来自脊髓的直接输入（扩展数据图7f）。在腰髓节段，逆行标记的神经元胞体集中于I层——这是伤害性初级传入纤维的主要终止区域，与cNTSPAG神经元参与伤害性信息处理的功能角色相一致。

接下来，作者进一步验证脊髓–cNTS–PAG通路的解剖学连接。他们向腰髓背角注射顺行跨突触AAV-Cre，并向cNTS注射Cre依赖的突触素-mRuby，而后在PAG中检测到密集的突触素标记的轴突投射（图3a、b）。为检测该通路是否被伤害性刺激激活，作者向腰髓注射顺行跨突触AAV-Cre，向cNTS注射Cre依赖的GCaMP6m，并在PAG上方植入光纤进行光纤光度记录（图3c、d）。结果显示，尾夹捏和尾电击等伤害性机械及电刺激显著增强了脊髓–cNTS–PAG通路的群体钙活动（图3e、f），而尾部热水（46°C或52°C）热刺激仅引起微弱响应（图3g、h），这一响应特性与cNTSPAG整体神经元群体高度一致。

为确定该通路活性是否为疼痛相关行为所必需，作者选择性抑制接受脊髓直接突触输入、且投射至PAG的cNTS神经元。他们向腰髓双侧注射顺行跨突触AAV1-Cre，向PAG注射Cre依赖的逆行AAV-Flpo，并向cNTS注射Flp依赖的hM4Di-mCherry或对照mCherry（图3i、j）。化学遗传学抑制这群cNTSPAG神经元不影响旷场实验中的自发活动，但显著降低了von Frey实验中hM4Di小鼠在CNO处理下的缩足反应率（图3k）。相比之下，抑制该群体不影响甩尾或热板实验中的退缩潜伏期，表明其选择性参与机械性而非热觉性伤害感受。

综上所述，脊髓–cNTS–PAG通路参与伤害性信息处理，其响应特性与cNTSPAG整体神经元群体一致，行为效应也与抑制cNTSPAG群体后观察到的结果相符。

了解此通路功能之后，是否有针对此通路的镇痛疗法呢？

图3 脊髓–cNTS–PAG通路在伤害性信息处理中的作用

迷走神经刺激减轻疼痛相关行为

鉴于cNTS–PAG通路在伤害性信息处理中的核心作用，作者探究了迷走神经刺激（其主要中枢靶点为NTS）是否调节疼痛相关行为。作者在野生型小鼠左侧颈部迷走神经上植入刺激电极（图4a），并通过心率和呼吸频率变化验证了刺激电极在行为测试期间的功能完整性（扩展数据图9a–d）。

采用统一刺激参数（30 Hz，0.30 mA，波宽500 μs，持续5 s），作者发现von Frey实验中，在刺激窗口内给予机械刺激时，迷走神经刺激显著降低了多个力度下的缩足反应率（图4b）。该效应并非由运动、焦虑或呼吸功能改变所致，因为迷走神经刺激未影响转棒跌落潜伏期、旷场及高架十字迷宫行为，也未改变清醒动物的呼吸频率（扩展数据图9e–j）。

然后，为确定迷走神经刺激是否调节疼痛诱导的厌恶行为，作者采用伤害性机械刺激改编了条件性位置厌恶范式（图4c）。在条件化训练期间接受迷走神经刺激的小鼠，其后测试中表现出对机械刺激配对侧箱体的回避行为显著减弱，而假刺激对照组则表现出明显回避（图4d、e）。这表明迷走神经刺激可降低对伤害性刺激的条件性厌恶反应。

再然后，为评估迷走神经刺激如何调节cNTSPAG神经元活动，作者在表达GCaMP6s的小鼠上植入刺激电极，并采用光纤光度法记录cNTSPAG神经元的钙信号（图4f）。结果发现，单独迷走神经刺激未显著影响这些神经元的基础钙活动（图4g）。然而，当迷走神经刺激与夹捏刺激同时给予时，夹捏诱导的cNTS^PAG神经元激活被显著减弱（图4g–i）。这表明迷走神经刺激对该群体在疼痛刺激下的活动具有快速抑制作用。

为探究其机制，作者在携带迷走神经刺激袖套的GCaMP6s小鼠中进行GRIN Lens成像（图4j）。单独迷走神经刺激仅引起少数cNTSPAG神经元的激活或抑制，整体群体活动无变化（图4l、m）。但与单独夹捏相比，迷走神经刺激联合夹捏显著减弱了神经响应（图4l–n）。具体而言，夹捏激活的神经元在联合刺激下响应幅度显著降低，夹捏抑制的神经元也呈现类似但程度较轻的减弱（图4o、p）。迷走神经刺激还减少了被夹捏招募的神经元数量：联合刺激下仅30.9%的夹捏响应神经元被激活（单独夹捏为70.9%），仅18.2%被抑制（单独夹捏为29.1%）（图4o）。值得注意的是，对夹捏响应越强的神经元，受迷走神经刺激的调节作用越明显（图4s）。

综上所述，迷走神经刺激通过降低响应神经元的数量和响应幅度来减弱cNTSPAG神经元的疼痛诱导反应，且对兴奋性响应的抑制效应更为显著（图4t）。

那么，迷走神经刺激如何抑制cNTSPAG神经元呢？

图4 迷走神经刺激减轻疼痛相关行为

NTS局部抑制环路介导迷走神经刺激的镇痛效应

为回答以上问题，作者行RNAscope原位杂交实验，发现大多数cNTSPAG神经元为谷氨酸能神经元（71.3%；Slc17a6+），同时cNTS内也存在大量GABA能神经元（图5a–c）。既往研究显示，NTS的GABA能神经元接受迷走神经输入，并能抑制NTS神经元对内脏刺激的反应。

为验证局部抑制环路是否参与介导迷走神经刺激的效应，作者在Vgat-ires-Cre小鼠cNTS中表达Cre依赖的GCaMP6s并进行光纤记录（图5d）。单独迷走神经刺激即可显著增强cNTS GABA能神经元活动（图5e、f）。值得注意的是，当迷走神经刺激与夹捏联合给予时，GABA能神经元的响应较单独夹捏显著增强（图5e、f），这一调制模式与cNTSPAG神经元相反。

为检验cNTS GABA能神经元是否足以抑制cNTSPAG活动，作者在Vgat-FlpO小鼠的cNTS抑制性神经元中表达Flp依赖的ChrimsonR，同时通过逆行病毒策略标记投射至PAG的cNTS神经元（图5g）。光遗传激活GABA能神经元可靠地诱导cNTSPAG神经元产生抑制性响应（图5h、i），并显著减弱cNTSPAG对电击和夹捏刺激的反应（图5j、k）。与此一致，化学遗传激活cNTS GABA能神经元显著降低了von Frey实验中的机械性缩足反应（图5l、m）。

为探究cNTS GABA能神经元是否为迷走神经刺激介导的cNTSPAG抑制所必需，作者在抑制GABA能神经元的同时记录cNTSPAG活动。在Vgat-FlpO小鼠cNTS中表达hM4Di，并标记投射至PAG的cNTS神经元（图5n）。结果显示，抑制cNTS GABA能神经元显著削弱了迷走神经刺激对夹捏诱发cNTSPAG活动的抑制作用（图5o–q）。在行为层面，抑制cNTS GABA能神经元同样显著降低了迷走神经刺激缓解伤害性反应和条件性厌恶的能力（图5r–u）。

综上所述，这些结果确定了cNTS内的局部抑制环路是迷走神经刺激抑制疼痛相关神经活动与行为的关键神经基质。

图5 NTS局部抑制环路介导迷走神经刺激的镇痛效应

本文的局限性

本篇文章十分精彩，但并非完美无瑕：

1、环路连接方面， NTS内哪类神经元接受NTS投射更多，有待进一步探究；故而VNS可能通过局部GABA环路抑制cNTSPAG，也可能直接抑制投射至NTS的迷走神经，这可能与VNS参数有关。

2、有关PAG下游的多巴胺系统，本文未做解读。其一，多巴胺系统与疼痛之间的关系，有待进一步探究；其二，PAG中哪类神经元接受NTS投射为主，哪类神经元投射至VTA多巴胺能神经元为主，仍需进一步阐明。

3、文章用到的行为范式均为急性痛及其伴随表型，那么，VNS是否可以缓解炎症痛等慢性疼痛呢？慢性疼痛可能是更有临床价值的研究。

总结

VNS虽能缓解疼痛，但其背后的神经机制尚不明确。cNTS接受迷走神经与躯体感觉的传入输入，然而它如何将疼痛信号转化为行为输出、VNS又如何调控这一过程，仍有待阐明。

本研究发现cNTSPAG是VNS介导小鼠疼痛与负性情绪抑制的关键节点。光遗传激活cNTSPAG神经元即可复现疼痛行为；这些神经元在学习后表现出对疼痛刺激及预测信号的模态特异性编码。选择性抑制接受脊髓输入定义的cNTSPAG神经元可减少机械性（而非热觉性）伤害感受。值得注意的是，VNS通过招募局部抑制环路选择性减弱了疼痛诱发的cNTSPAG活动，并经由cNTSPAG减轻了疼痛引起的伏隔核多巴胺水平下降。

本研究揭示了一条在VNS调控疼痛与负性情绪中具有前所未有功能的脑干通路（见下图，此图为第一作者提供，文章中没有），为疼痛管理中的靶向神经调控提供了新见解，意义重大！

参考文献

Tang, Y., Shao, R., Luo, L. et al. A brainstem pathway underlying vagal modulation of somatic pain and affective states. Nat Neurosci (2026). https://doi.org/10.1038/s41593-026-02313-0

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