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疼痛是人和动物生命体最基本的神经生理功能之一，可以分为急性疼痛和慢性疼痛。急性疼痛是机体躲避进一步伤害的保护性生理机能，当机体遭遇由外界环境因素或内在病理反应引起的伤害性事件时，遍布全身的感觉神经系统的神经末梢会立即把这些有害的信息转化成疼痛信号，并第一时间触发神经肌肉反射（reflection）。例如手碰到热的物体会下意识缩手，随后大脑才意识到火烧的疼痛，这种疼痛就是急性疼痛。
慢性疼痛是一种缓慢而长期存在的病理性疼痛，在全球范围内，慢性疼痛已经成为一项重大公共卫生难题。例如，根据美国疾病控制与预防中心(CDC) 2018年的数据，仅美国就有超过5000万人具有不同程度的慢性疼痛，这个数字比罹患心脏病、癌症及糖尿病的患者总和还要多。目前临床上并没有有效治疗慢性疼痛的药物。
慢性疼痛似乎与睡眠不足有着千丝万缕的联系。不知道大家是否有过这种体验：如果身体上持续疼痛，睡眠质量就会下降，而如果长时间失眠，也会有浑身疼痛的症状，这些直观的感受都提醒我们，睡眠不足和慢性疼痛之间存在关联，如果这种关联性存在的话，那么我们是不是就可以通过睡眠相关疗法对慢性疼痛进行干预和治疗呢？
2023年1月23日，美国哥伦比亚大学医学中心的周航博士（第一作者）和杨光博士（通讯作者）及其同事们在Nature Neuroscience杂志上发表了文章A sleep-active basalocortical pathway crucial for development and maintenance of chronic pain，首次明确揭示了睡眠参与慢性疼痛的形成与维持的大脑神经线路基础。该线路从外周感觉神经纤维的损伤端起始，途经中脑臂旁核、基底前脑核团，抵达初级感觉皮层，形成了一条整合疼痛信号、睡眠调控核团和皮层神经调制的通路。这项研究是近半个世纪以来，首次为理解睡眠质量和慢性疼痛之间的内在关联提供了明确的神经生物学证据，可能对治疗慢性疼痛、开发相关疗法和靶向药物具有潜在的重要提示意义。
首先为了研究睡眠在疼痛相关环路中的作用，作者首先检测了SNI模型中S1椎体神经元在睡眠–觉醒状态下的活动，SNI模型是一种坐骨神经分支选择性损伤的神经病理性慢性疼痛模型，S1是初级躯体感觉皮层。用双光子显微镜对小鼠锥体神经元（PNs）进行纵向成像，同时记录了脑电图（EEG）和肌电图（EMG）信号将神经元活动与动物的大脑状态直接联系起来。 与术前相比，作者发现，在清醒和非快速眼动（NREM）睡眠中，SNI后第2/3层（L2/3）PNs中，3-21d的Ca2+活性逐渐增加，但在快速眼动（REM）睡眠中没有增加（图1c）。值得注意的是，SI PNs的过度激活在非快速眼动睡眠中比在安静清醒时更明显。在SNI后3天（神经性疼痛的急性期），15%和6%的PNs分别在NREM和觉醒状态下表现出自发活动增加，而在SNI后14天(在NREM状态和清醒状态下，Ns分别有66%和27%表现出自发活动增加（图1d）。 综上所述，这些结果表明，在神经性疼痛的形成过程中，SI PNs在NREM睡眠中被强烈激活。
Fig. 1: Pyramidal neurons and VIP interneurons are hyperactive during NREM sleep in S1 of mice with neuropathic pain VIP INs已被证明可以抑制SST和PV INs ，从而去抑制PNs活性。为了检测NREM睡眠中VIP INs的激活是否有助于小鼠S1中PN的过度激活以及从急性疼痛到慢性疼痛的转变，作者使用化学遗传和光遗传方法降低了体内VIP的活性。结果发现，uPSEM817处理足以防止SNI诱导的PNs过度活跃。相比之下，在ZT14时注射uPSEM817对SNI小鼠中PNs活性的降低只有轻微的影响（图2c）。 当测量动物的疼痛行为时，作者发现在休息阶段期间VIP INs的持续抑制可以阻止机械性和热性异位痛的发展，而在活动阶段的VIP抑制对动物的疼痛感觉没有影响（图2d） 接下来研究了仅在睡眠期间使用光激活的氯离子通道来沉默VIP INs的影响。作者发现与NREM配对的光，而不是快速眼动或清醒，显著增加了动物的伤害性感受阈值（图2f）。在没有eNpHR表达EYFP的对照组小鼠中，非快速眼动期间的光传递对疼痛感觉没有影响。 这些发现表明，非快速眼动睡眠中VIP INs的激活对于SNI后从急性疼痛到慢性疼痛的转变至关重要。在相同数量的NREM睡眠（4-5小时），但在一天的不同时间（即ZT10-ZT2）抑制VIP INs对疼痛缓解的效果相似（图2f），表明昼夜节律时间没有参与这一过程。
Fig. 2: Silencing VIP INs during NREM sleep prevents S1 hyperactivation and nociceptive allodynia. 接下来，作者研究了非快速眼动睡眠中VIP神经元活动增加的机制。皮质VIP INs表达胆碱能受体，并可被乙酰胆碱（ACh）通过激活含有β2或α7亚基的烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）强烈激活。从基底前脑的前核（aNB）到S1有强烈的胆碱能投射，因此，作者检测了S1 VIP INs是否直接由aNB胆碱能细胞支配。结果显示，16%的VIP INs是mCherry+；在S1接受aNB→S1远程投影的L2/3中，它们占总数的24%。95%的aNB→S1投射细胞为ChAT+细胞（图3d）。 总之，这些结果表明，S1中16%的VIP INs接收来自aNB的单突触胆碱能输入。
Fig. 3: Monosynaptic connectivity from basal forebrain to VIP INs in S1. 以上研究结果表明，aNB胆碱能输入可能在非快速眼动睡眠中激活VIP INs中起重要作用。 为了验证这一点，作者首先检测了非快速眼动睡眠期间aNB→S1胆碱能终末的活性。与SNI前相比，aNB→S1ChAT+轴突在SNI后1-7天的NREM睡眠中表现出Ca2+活性水平的增加（图4a），表明S1中ACh的释放升高。值得注意的是，每天在皮质休息阶段给予DHβE，β2*nAChRs 的拮抗剂，消除SNI小鼠的持续性异位痛，而在活性阶段拮抗 β2*nAChRs 没有持久的行为影响（图4c) 这些数据表明，神经性疼痛的发展涉及到aNB的胆碱能输入升高，aNB主要通过ACh和β2*nAChRs与S1 VIP INs 通信。
Fig. 4: Enhanced aNB→S1 cholinergic inputs during NREM sleep in neuropathic pain. 为了更好地理解aNB→VIP INs在神经性疼痛发展中的作用，作者研究了在睡眠中沉默aNB→S1投射的影响。 通过光、化学遗传方法，特异性抑制aNB-S1投射，并且观测S1 VIP IN 和PN的钙成像，结果表明，在休息阶段抑制aNB-S1投射可以降低S1 VIP IN 和PN钙活性，且可以缓解SNI小鼠慢性疼痛。之后作者又在不同睡眠阶段抑制这一投射来观测疼痛行为。在NREM 光抑制aNB-S1胆碱能投射可以缓解异位痛和持续性疼痛，表明SNI后在NREM 中抑制aNB-S1 CHAT可以防止慢性疼痛的形成。由于神经性疼痛的发展伴随着S1 PNs中突触后树突棘的结构重构，作者又研究了抑制aNB-S1 CHAT是否可以阻止S1树突棘重构。结果发现，EGFP对照组一周后树突棘形成和消除显著增加，在zt2时使用uPSEM817处理的小鼠在SNI一周后树突棘形成和消除没有影响，且树突棘重构率与小鼠机械性疼痛阈值之间有很强相关性。 综上，SNI后NREM 抑制aNB-S1投射可以抑制PN过度活跃，突触重构和慢性疼痛的发展。
Fig. 5: Silencing aNB→S1 projections during NREM sleep prevents S1 plasticity and pain chronicity. 那么aNB激活又是什么引起的呢？ PB是大脑传递周围伤害性信号的主要区域，且PB-aNB投射与睡眠调节有关，因此作者检测了NREM PB-aNB投射神经元的活性。结果显示，与SNI前相比，在SNI后1-7d的NREM中，PB-aNB投射钙活动水平显著升高，表明PB可能在神经性疼痛的NREM 中发挥了激活aNB-S1回路的作用。为了验证这一点，作者在aNB-S1投射末端进行钙成像，通过光遗传抑制PB-aNB，结果显示，NREM 光抑制PB-aNB可以大幅度减少S1末端钙活动，而wake期间抑制无显著差异。在行为上，NREM 抑制PB-aNB可以减轻异位痛。 总之，NREM 期间 抑制PB-aNB-S1回路有助于防止慢性疼痛的形成。 最后作者又评估了 PB的激活是否是由于受伤周围神经的伤害性输入增加导致。通过对背根神经节钙成像发现，与SNI前相比，DRG在NREM 期间钙活性显著升高。
Fig. 6: Activation of PB→aNB→S1 circuits during NREM sleep drives the development of chronic pain. 最后作者又探究了这种睡眠特异性神经回路能否逆转已经形成的慢性疼痛症状。在慢性神经痛小鼠中通过化学遗传抑制S1 VIP IN，发现在zt2注射uPSEM817可以缓解SNI小鼠异位痛，在zt14时注射对已建立的疼痛行为没有影响。有趣的是，当zt14小鼠随后在zt2再给予uPSEM817 5d时，异位痛得以缓解，表明睡眠时抑制VIP INs在治疗慢性神经性疼痛的中的必要性。且睡眠阶段对VIP IN抑制消除了SNI诱导的PN过度激活。
Fig. 7: The sleep phase-targeted VIP inhibition reverses the established chronic neuropathic pain. 总的来说，这项研究表明，在NREM期间，外周神经损伤可引发aNB-S1 CHAT 增强，ACH释放异常增加，这会让VIP神经元活动进一步增强，使兴奋性神经元更加活跃，诱发突触可塑性的变化，促进慢性疼痛在大脑皮层中的编码，最终导致慢性疼痛的形成。 这项研究的意义在于，这一神经通路的发现，是近半个世纪以来首次翔实地揭示了睡眠参与慢性疼痛形成与维持的一种神经机理，该机理包括神经线路解剖学、细胞类型特异性及神经调制分子机制在内的多个方面，为彻底解决“睡眠与慢性疼痛”这个谜题，提供了新的线索。同时，该研究也为临床和制药领域开发治疗慢性疼痛的新型疗法和新型药物提供了一种值得探索的思路。也就是说，在睡眠阶段抑制PB-aNB-S1这一途径，可以逆转神经元过度激活并减轻疼痛。
 https:///10.1038/s41593-022-01250-y |
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