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镇痛之后为何更敏感?大鼠前额叶回路的新线索

Journal of pain research · 2024-03-20

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Journal of Pain Research · 研究前沿

镇痛之后为何更敏感?大鼠前额叶回路的新线索

雄性大鼠研究发现,芬太尼相关痛觉过敏伴随前额叶至伏隔核核心区通路活性降低;增强这条连接,可改善机械与热刺激下的反应。

原论文图3B局部:前额叶投射纤维的荧光标记

镇痛与疼痛敏感性升高,为什么会先后出现在同一只动物身上?2024年3月20日发表于 Journal of Pain Research 的研究,在雄性大鼠中追踪短时反复给予芬太尼后的变化。起初,药物带来镇痛效应;数小时后,动物却对机械和热刺激更敏感。研究团队沿着内侧前额叶前边缘区(PL-mPFC)至伏隔核核心区(NAc core)的连接,寻找这种转变的脑内线索。这条连接的两端都出现活性降低,而增强通路又能改变动物的刺激反应。

关键发现

痛觉过敏时,PL输出细胞与NAc core接收细胞的兴奋性降低,相关兴奋/抑制输入比值下降。激活PL至NAc core通路提高机械缩足阈值和热缩足潜伏期;抑制通路则使对照大鼠更敏感。

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先是镇痛,随后出现更低的刺激阈值

芬太尼给药后的早期,大鼠需要更强的机械刺激才缩足,对热刺激的缩足反应也更晚出现。随后,两项指标下降,低于对照动物的水平。这种从镇痛到更敏感的转变,是研究关注的阿片相关痛觉过敏表现。

敏感性升高持续数天,之后逐渐恢复。研究把观察焦点放在给药后数小时的过敏阶段:此时动物的刺激反应已有明显变化,脑内哪些环节与它一起改变,成为接下来要回答的问题。

原论文图 1镇痛与过敏的时间进程
镇痛与过敏的时间进程
图1展示机械缩足阈值与热缩足潜伏期先升高、后降低并逐渐恢复的过程。
来源:Luo Q et al. · Journal of pain research · CC BY-NC
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前额叶的输出细胞,变得不那么容易放电

在PL-mPFC第V层,带有CaMKIIα与活动标记c-Fos的共同标记细胞减少。单细胞记录进一步显示,相同电流驱动下,过敏大鼠的输出细胞产生更少的动作电位;要让细胞开始放电,也需要更大的电流。

活动标记与放电性质的变化相互呼应,指向这一输出群体兴奋性的降低。前额叶参与疼痛调节的连接有多种,这项研究进一步聚焦它通向NAc core的输出,追踪下游是否也发生变化。

原论文图 2PL输出细胞的活动与放电
PL输出细胞的活动与放电
图2展示活动共同标记减少、同等电流下放电减少,以及启动放电所需电流升高。
来源:Luo Q et al. · Journal of pain research · CC BY-NC
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前额叶怎样把信号送到伏隔核?

NAc core是这组前额叶细胞的下游接收区域。研究观察到PL投射纤维抵达当地,并在招募这些纤维时记录到接收细胞的兴奋性突触电流。这使两端的细胞变化,有了一条可追踪的连接作为背景。

有关电流的阻断与恢复结果,支持PL至NAc core存在直接的兴奋性突触输入。这里传递的是谷氨酸相关信号;下游细胞还会整合抑制输入,因此,最终放电取决于多种输入共同作用后的状态。

伏隔核经常出现在奖赏研究中,它也参与疼痛的感觉与情绪成分。前额叶与伏隔核之间的合作,把皮层调节与行为反应联系起来。此次工作聚焦核心区这一具体接收区域,同样来自前额叶的信号,在不同接收位置可能承担不同作用。沿着细分连接展开研究,有助于看清脑区整体活动变化背后的调节环节。

原论文图 3PL至NAc core的兴奋性连接
PL至NAc core的兴奋性连接
图3展示投射标记与兴奋性突触电流证据,支持这条直接输入连接。
来源:Luo Q et al. · Journal of pain research · CC BY-NC
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下游细胞收到的信号,也发生了倾斜

过敏大鼠的NAc core接收细胞中,PL末梢招募引发的兴奋性电流变小,抑制性电流变大,兴奋与抑制电流的比值随之降低。与对照相比,输入的净平衡向抑制方向移动。

这些细胞自身的放电能力也下降:在电流驱动下产生更少的动作电位,启动放电所需电流升高。上游输出减弱、下游输入平衡改变与接收细胞兴奋性降低,构成了这条通路在过敏状态中的一组功能变化。

原论文图 4NAc core输入与细胞兴奋性
NAc core输入与细胞兴奋性
图4比较兴奋/抑制电流、两者比值及接收细胞放电,显示过敏组的功能变化。
来源:Luo Q et al. · Journal of pain research · CC BY-NC
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把连接活动提起来,刺激反应能否改善?

增强PL在NAc core中的末梢活动后,过敏大鼠的机械缩足阈值提高,热缩足潜伏期延长。原本较弱的机械刺激就会触发缩足,现在需要更强刺激;面对热刺激时,缩足也不再那么快出现。

不表达相应光敏通道的对照动物,没有出现同样的光照改善。行为变化与被招募的连接相联系,支持这条低活性通路参与过敏状态下的疼痛调节。该结果描述的是刺激期间的反应改善,持续效果仍需进一步研究。

原论文图 5通路激活后的机械与热反应
通路激活后的机械与热反应
图5显示通路激活提高过敏组的机械缩足阈值与热缩足潜伏期。
来源:Luo Q et al. · Journal of pain research · CC BY-NC
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压低这条连接,对照动物也更敏感

从另一方向干预,研究抑制了PL至NAc core输入。没有接受芬太尼的对照大鼠,机械缩足阈值和热缩足潜伏期都下降;已经处于过敏状态的大鼠,则未观察到进一步显著下降。同一项抑制,在两组动物中呈现不同结果。

激活能改善反应,抑制又能在对照动物中带来敏感性升高,这两方面证据把连接活动与疼痛反应联系起来。研究揭示了雄性大鼠短时反复给药模型中的一个调节环节;NAc core哪些细胞承担作用、信号怎样进入更下游的疼痛调节网络,以及雌性是否具有相同规律,仍有待探索。

原论文图 6通路抑制与研究范围
通路抑制与研究范围
图6显示对照大鼠在通路抑制后敏感性升高,过敏组未出现进一步显著下降。
来源:Luo Q et al. · Journal of pain research · CC BY-NC
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论文信息

Luo Q, Luo J, Wang X, Gan S.
Restoration of the Activity of the Prefrontal Cortex to the Nucleus Accumbens Core Pathway Relieves Fentanyl-Induced Hyperalgesia in Male Rats
Journal of pain research · 2024-03-20
DOI: 10.2147/jpr.s442765