【原】北京大学万有教授团队：腹侧海马在神经疼痛中作用研究

脑声常谈 2023-07-21 发布于上海

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2023年7月13日北京大学万有教授研究团队在neuroscience bulletin发表论文“Ventral Hippocampal CA1 Pyramidal Neurons Encode Nociceptive Information”，揭示了腹侧海马 CA1 锥体神经元编码伤害性信息。

海马作为边缘系统的主要结构，在疼痛感知和慢性中起着关键作用。海马腹侧CA1与焦虑、压力和恐惧等负面情绪密切相关，但vCA1神经元如何编码伤害性信息尚不清楚。该研究在神经损伤的神经病理性疼痛模型（SNI）模型上利用体内电生理记录，作者研究了vCA1锥体神经元亚群，这些亚群对足底刺激表现出抑制性或兴奋性反应，并与大鼠的编码刺激模式有关。功能异质性vCA1锥体神经元进一步识别神经性疼痛条件：抑制反应神经元的比例和大小平行机械痛，导致混淆编码的无害和有害的刺激，而兴奋反应神经元仍然帮助刺激属性。vCA1中theta功率和theta-峰值耦合的增加与伤害性行为相关。光遗传抑制vCA1锥体神经元诱导新生大鼠机械性异位痛，而整体抑制的vCA1 活性的化学遗传学逆转对患有神经性疼痛的大鼠具有镇痛作用。这些结果为 vCA1中伤害性信息的表达提供了直接证据。

图一伤害性刺激对vCA1锥体神经元活动有强烈的调节作用

为了探究外周感觉刺激时vCA1神经元的招募和分级调节，作者对自由行为大鼠在不同足底刺激下的vCA1进行了电生理记录，针刺和激光刺激诱导了更强的戒断行为，因此被称为有害刺激。虽然个体对动态触觉刺激的反应各不相同，但刷子并没有引起明显的退缩行为，并被进一步称为无害刺激，在vCA1中共记录了182个神经元，其中根据其波形推测有126个为锥体神经元。在足底刺激下出现明显的锥体神经元分别分为抑制性反应神经元和兴奋性反应神经元。没有明显的折射率变化的神经元被归类为中性。作者发现，与无害刺激相比，vCA1锥体神经元对有害刺激的抑制反应明显更大，以及反应幅度的增强变化。然而，由于兴奋性反应神经元的数量太少，作者没有发现它们对刺激的反应的大小有任何有规律的变化，为了验证vCA1锥体神经元的磨损率变化是由伤害觉而不是收缩引起的，作者分析了无害和有害刺激的退缩率与神经元反应率之间的相关性。有害刺激反应神经元的比例与爪子退缩率呈正相关。然而，无害的刺激反应神经元的比例与戒断行为无关，这些结果表明，vCA1的锥体神经元对感觉刺激的反应是由痛觉诱导的，而非非特异性的退缩运动。

图二 vCA1锥体神经元活动编码刺激模式

接下来，作者分析了单个vCA1锥体神经元对各种感官刺激的反应。记录的神经元中有55%表现出抑制反应，20%对一种或多种刺激表现兴奋性反应，25%对4种刺激均无反应，具有抑制性和兴奋性反应的神经元是vCA1神经元的独立亚群。无论反应类别如何，对多种刺激有反应的神经元比无害刺激的调节更强，由于vCA1的锥体神经元对不同刺激的反应类别、比例和强度的多样性，作者推测vCA1的活动模式编码感觉信息。作者从记录的vCA1锥体神经元的帧化特征矩阵中解码刺激类型。通过刺激后2s的数据训练的分类器能够较准确地区分每个刺激，表明不同强度和模式的感官刺激在vCA1中由独特的活动代码表示。由于刺激前的神经元活动不具有感觉信息，通过刺激前2秒的数据训练的分类器降低了大部分预测特异性，为了确定vCA1假定的锥体神经元的抑制性和兴奋性反应是否有助于感觉信息的编码，作者从刺激后的数据中去除抑制性或兴奋性反应的特征，并再次进行解码分析。发现与完整数据集的解码相比，去除两种类型的响应特征导致的解码性能更差，但仍然比刺激前数据集的解码好得多。这些结果表明，刺激后的锥体神经元活性的减少和增加对vCA1的感觉编码都是必要的。

图三对刺激具有抑制性或兴奋性反应的vCA1锥体神经元在神经性疼痛期间参与伤害性信息编码

作者进一步研究了不同反应类别的vCA1的锥体神经元如何参与神经性疼痛大鼠SNI模型中的伤害性信息编码。在电生理记录过程中，对假手术组或SNI大鼠左后爪外侧表面进行拍打和针刺刺激，慢性神经性疼痛的一个标志是异位痛的出现，其中无害的刺激引起伤害性反应，就像有害的刺激一样。与假手术组相比，神经损伤大鼠对2.0gvonFrey（von Frey测痛实验是一种用于评估动物疼痛敏感性的实验方法。它是通过应用不同直径和硬度的细丝或针来刺激动物的皮肤或黏膜表面，从而测量它们对机械性疼痛刺激的反应阈值。）发作表现出更严重的伤害性反应，几乎相同水平的有害针刺，vCA1的锥体神经元的自发活动在假手术组和SNI组之间没有差异，在假手术组中，作者发现更大比例的vCA1推测的锥体神经元受到抑制。然而，SNI组对von Frey刺激有抑制反应的锥体神经元的比例明显大于假手术组。这些结果表明了在vCA1的锥体神经元中，被足底刺激抑制的神经元的反应比例和大小与伤害性反应密切相似。作者利用假手术组和SNI组刺激后2s的锥体神经元的放电特征进行解码分析，从SNI数据集中去除抑制反应特征并没有降低解码性能，这表明这些特征不再参与对神经性疼痛期间刺激诱发的vCA1和有害刺激的功能异质性的分类。

图四海马腹侧振荡对痛觉反应的影响

LFP促进了局部脑区神经活动的协调，theta波是海马的一种显著的振荡类型，有研究提出海马背侧CA1的theta激活与福尔马林痛觉相似。作者想探究vCA1中的theta活动是否也参与了痛觉。静息状态下vCA1的功率谱密度分析显示，在神经性疼痛期间，在假手术组中，针刺刺激比von Frey诱导了更高的theta增强，而两种刺激在SNI组均诱发了强大的theta激活，这些结果表明，vCA1中theta功率的增加与痛觉有关。

图五痛觉的特征是vCA1锥体神经元活动与振荡的同步

为了确定vCA1锥体神经元的边缘是否与增强的theta活动同步，作者研究了刺激传递后2s内vCA1神经元与局部theta振荡的比例和强度。在伤害性刺激，更大比例的vCA1锥体神经元在特定阶段局部theta振荡优先放电，与假手术组相比，两种刺激下SNI组的MRL测量的强度也有所增加，这些结果表明，诱发的vCA1神经元活动的theta调节增强与痛觉有关。

图六光遗传抑制vCA1锥体神经元诱导新生大鼠机械性异位痛

电生理学结果表明，vCA1的锥体神经元的抑制反应与痛觉有关，可能是机械性异位痛的原因。为了进一步验证这一结论的因果关系，作者利用光遗传学抑制双侧vCA1锥体神经元，模拟vCA1锥体神经元的抑制反应。抑制vCA1锥体神经元可诱导新生大鼠的机械性异位痛，此外，在实时位置偏好（RTPP）实验中，NpHR组在光刺激侧停留的时间较少，表明在vCA1锥体神经元抑制过程中厌恶情绪增加。总之，这些结果验证了vCA1锥体神经元抑制反应在机械性异位痛中的因果作用。

图七 vCA1锥体神经元的激活可缓解慢性神经性疼痛中的机械性异位痛

为了探究vCA1锥体神经元的整体活性抑制是否介导了神经性疼痛中的机械性异位痛，作者利用化学遗传学激活双侧vCA1锥体神经元，CNO注射有效提高了vCA1锥体神经元的放电率。vCA1锥体神经元的化学激活减弱了SNI诱导的机械性异位痛，这些结果表明，受抑制的vCA1活性是导致神经性疼痛期间异常痛觉的原因。

图八 vCA1中痛觉表现示意图

海马theta波与记忆、焦虑、时空编码、感觉运动整合等突发现象有关。有研究提出，dCA1中的theta激活与福尔马林诱发的痛觉和有害热刺激相似。作者的研究结果与vCA1中类似的研究结果一致，即增强的theta能力不仅与持续疼痛状态相关，而且与即时伤害感受行为密切相关。虽然针刺刺激在假手术和SNI组之间引起了类似的vCA1神经元反应，表明在神经性疼痛期间vCA1中伤害性信息的处理和整合更强。在一个特定的阶段调节峰值活动，而不是招募更多的神经元参与反应，可能是一种更有效的整合伤害性信息的方式。在外周有害刺激后，海马间隔神经元被激活。研究表明，海马锥体神经元在theta活动期间普遍受到抑制，这是由于间隔起搏器细胞兴奋局部中间神经元。腹侧海马-前额叶theta同步性增加与焦虑相关，这是慢性疼痛的共病。杏仁核具有编码疼痛不愉快的伤害性神经元，在厌恶刺激的处理过程中，杏仁核和海马腹侧之间存在强烈的频率同步。这一证据强调了海马体的突出作用在伤害性信息处理中的一个整合节点，它通过theta同步来协调其他与疼痛相关的结构，并参与疼痛的不同维度。