Nat neurosci：为什么被烫伤和刺伤的痛感不同？科学家揭示脊髓神经元分群编码不同痛觉的神经机制

急性疼痛是由有害刺激引起的一种不愉快体验。脊髓神经回路如何区分不同性质的有害信息尚不清楚。

基于此，2025年3月24日瑞典卡罗林斯卡研究所医学生物化学与生物物理学系Patrik Ernfors 研究团队在Nature neuroscience杂志发表了“Neural ensembles that encode nocifensive mechanical and heat pain in mouse spinal cord”揭示了编码小鼠脊髓中伤害性机械和热痛的神经元群体。

作者在成年小鼠脊髓中鉴定了分别编码机械痛和热痛的不同神经元群体。重新激活或沉默这些神经元群体会分别增强或停止特定刺激模式内的爪子抖动、抬起和舔舐行为。在这些神经元群体中，多模态的Gal⁺抑制性神经元通过与A纤维感觉神经元形成的单突触联系，在独立于刺激模式的情况下调控疼痛传递。外周神经损伤导致推测由小胶质细胞驱动的炎症，并引发神经元群体的转变，表现为Gal⁺抑制性神经元的招募减少以及兴奋性驱动的增加。强制激活Gal⁺神经元可以逆转与神经病理性疼痛相关的超敏反应。作者的研究结果揭示了脊髓中的一种表征形式，它构成了急性疼痛的辨别性和防御性特征的神经基础，而这些神经元受到共享的前馈抑制机制的调控。    

图一 捕捉脊髓背角中编码机械痛和热痛的神经元群体

为了激活脊髓神经元，建立了针对外周机械或热刺激可重复的刺激范式。接收来自后爪输入的相应腰段脊髓背角内侧浅层含有Fos⁺（mRNA）和c-Fos⁺（蛋白）神经元。为了识别并操控这些对机械或热刺激活跃的神经元，作者使用了捕捉激活神经元群体（CANE）的技术，该技术具有非常高的时间分辨率。这项技术基于兴奋神经元中Fos位点快速表达和降解禽肿瘤病毒A（TVA）的能力。TVA是禽肉瘤和白血病病毒EnvA糖蛋白的受体。慢病毒和狂犬病毒可以被伪型化为EnvA，并因此仅感染表达TVA的细胞。在CANE技术中生成了一种小鼠品系（Fos^dsTVA），其中Fos驱动不稳定型TVA的表达。通过脊髓和脑浅层中损伤诱导的c-Fos与TVA表达的共定位验证了Fos^dsTVA小鼠品系的特异性。将Fos^dsTVA小鼠与Rosa26^Tomato报告基因小鼠（Fos^dsTVA*R26^Tom）杂交用于确认捕捉到的脊髓活性神经元的准确性。对Fos^dsTVA*R26^Tom小鼠施加机械或热刺激，并在脊髓内注射表达Cre的EnvA伪型慢病毒（EnvA^M21 lenti-Cre病毒）。三周后，比较第一次刺激引发的Tomato报告基因表达（“捕捉”神经元）与第二次刺激诱导的c-Fos表达。接受EnvA^M21 lenti-Cre病毒注射的对照组R26^Tom小鼠中未观察到Tomato表达，此外，Tomato表达仅出现在通过TVA感染EnvA^M21 lenti-Cre病毒的神经元中。接下来，作者研究了机械和热相关神经元群体对有害刺激引发行为的重要性，以及亚阈值激活是否会产生跨模式效应。向Fos^dsTVA小鼠脊髓内注射EnvA^M21 lenti-Cre和AAV9/2-hEF1a-DIO-hM3D(G_q)-mCherry混合病毒。伤害性防御行为定义为爪子抖动、抬起/保护或舔舐。由于小鼠处于麻醉状态，hM3D(G_q)表达并不反映疼痛行为激活的神经元。结果表明这些神经元群体编码了急性疼痛的辨别质量和强度。亚阈值激活还对撤退反射行为产生了影响。  

图二 脊髓中编码机械痛和热痛的神经元群体的化学遗传学抑制

作者首先捕捉并激活了由有害机械刺激激活的脊髓神经元群体，三周后对该神经元群体进行沉默，导致对刺痛的伤害性防御行为显著丧失，其时间效应与氯氮平的血浆峰值浓度和清除率相对应。相比之下，对有害热刺激（50°C热板）或冷刺激（预冷丙酮）的伤害性防御行为未发生变化。此外，对热或冷的撤退潜伏期以及von Frey引发的点状机械力的撤退阈值均无影响。因此，这一机械刺激相关的脊髓神经元群体将传入的伤害性信息转化为对有害机械刺激产生伤害性防御行为所必需的信号。接下来在由有害热刺激激活的脊髓神经元中表达了hM4Di。沉默该热相关神经元群体并未导致对有害刺痛或冷刺激的伤害性防御行为发生任何变化；然而，观察到几乎完全缺乏对有害热刺激的伤害性防御行为，其效应与氯氮平的血浆峰值浓度和清除率相对应。对热或冷的撤退潜伏期以及von Frey引发的点状机械力的撤退阈值均无影响。向对照组Fos^dsTVA小鼠脊髓内注射EnvA^M21 lenti-Cre病毒并未影响行为。总体而言，这些结果表明脊髓中存在平行的神经元群体，它们分别在特定的有害刺激模式内（而非跨模式）对机械和热相关的伤害性防御行为起必要作用。    

图三 Gal⁺ In8神经元在神经病理性疼痛中的作用

Fos、Fos模块评分以及活动依赖性调控子的总体增加表明神经元的整体抑制作用减弱。然而，与刺激诱导的Fos表达相比，这些由坐骨神经损伤（SNI）引起的变化较为温和。因此，尽管脊髓整体活动增加，但兴奋性/抑制性驱动失衡可能仍然是导致痛觉过敏的原因之一。对照组和SNI小鼠（18天）分别接受机械或热刺激，对脊髓背角中Gal⁺神经元中Fos⁺细胞百分比的量化分析显示，与对照组小鼠相比，SNI小鼠中Gal+神经元的机械和热招募显著减少。因此，Gal⁺神经元可能对脊髓抑制性张力的降低起作用，而恢复其活动可能逆转神经病理性疼痛。在未使用氯氮平的情况下，对表达hM3D(G_q)的Gal-Cre脊髓神经元小鼠进行SNI手术，导致伤害性防御行为增加且撤退阈值降低。通过氯氮平激活这些小鼠中的Gal-Cre神经元可以逆转神经病变引起的对机械和热刺激的伤害性防御行为，但对撤退阈值的影响较小或无影响。在SNI小鼠中沉默Gal-Cre神经元进一步增加了对有害机械刺激的反应，但对有害热刺激或机械和热刺激的阈值无影响。对小鼠和人类脊髓基因调控网络（GRN）的相关性分析揭示了人类脊髓中保守的Gal⁺ In8神经元群体，这表明类似的门控机制也可能存在于人类中。

总结

作者的研究结果为皮肤有害机械和热刺激的伤害性防御维度如何在脊髓中编码提供了细胞基础。这可能有助于开发靶向疼痛的治疗策略，同时保留检测有害刺激的感觉过程以及保护性反射功能。 

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-01921-6