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未受伤的后爪为何也变敏感?皮层小胶质细胞的线索

Cell Reports · 2024-02-17

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Cell Reports · 研究前沿

未受伤的后爪为何也变敏感?皮层小胶质细胞的线索

小鼠前爪截肢后,同侧后爪也出现机械敏感增强。研究将两个体感皮层分区之间的小胶质细胞变化,与抑制性突触成分减少和神经元过度活跃联系起来。

原论文图5F局部:小胶质细胞与吞噬相关CD68标记的合并荧光

受伤的地方变得敏感不难理解,可为什么没有受伤的部位也会跟着改变?2024年2月17日在线发表于 Cell Reports 的研究,在成年雄性小鼠中追踪前爪截肢后同侧后爪出现的机械敏感增强。研究发现,变化不仅发生在神经元之间:处理前肢和后肢信息的两个体感皮层分区内,小胶质细胞先后出现活动相关改变。后肢皮层中,这些细胞与更多抑制性突触成分接触、重叠,神经元接收到的抑制减弱,为未受伤后爪的继发性机械痛敏提供了一条细胞层面的解释。

关键发现

小胶质细胞相关的跨分区变化、CCL2–CCR2信号和抑制性突触成分吞噬,共同参与了小鼠未受伤后爪的机械敏感增强;相关干预对残余前爪与后爪的作用并不相同。

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前爪受伤,后爪的阈值随后改变

小鼠前爪截肢后,残余前爪很快出现机械缩足阈值下降;同侧后爪的改变较晚出现,并在后续观察中持续存在。后爪没有直接受到这次损伤,行为差别由此提示继发性的敏感变化。这里测量的是机械刺激相关缩足反应,并非动物对疼痛的语言报告。

在大脑中,前肢与后肢信息分别对应体感皮层的S1FL和S1HL分区。较晚阶段,两区兴奋性神经元的活动都增强;但更早的比较中,变化主要先出现在前肢分区。两个区域的先后关系,让研究者继续追问:变化通过什么联系起来?

一次急性激活,没有复制后爪的变化

最直观的猜测,是前肢皮层将更强的兴奋直接传给后肢皮层。但在所检查的连接范围中,研究未观察到明显的S1FL到S1HL浅层兴奋性神经元投射。急性增强S1FL兴奋性神经元活动时,前爪机械阈值下降,同侧后爪的比较却未见显著变化。

这组结果没有排除前肢皮层通过更慢或间接的过程参与后续变化。它将研究重点引向另一类细胞:平时参与脑内环境维护、也能与突触相互作用的小胶质细胞。区域之间的联系,可能不只体现为直接的神经元投射。

原论文图 2急性前肢皮层激活的行为结果
急性前肢皮层激活的行为结果
图2中,急性增强S1FL兴奋性活动降低前爪机械阈值,后爪比较未达显著;连接观察针对所检查的皮层范围。
来源:Hong-Rui Wei et al. · Cell Reports · CC BY-NC-ND 4.0; © 2024 The Author(s).
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数量、形态和行为,出现相互关联的变化

在出现继发敏感的阶段,S1FL和S1HL的小胶质细胞标记数量增加,分支更少、突起更短。局部减少其中一处的小胶质细胞后,同侧后爪机械阈值提高,而残余前爪未见对应的显著改变。神经元标记数量在相关局部比较中未显著变化。

另一些功能比较显示,增强前肢分区小胶质细胞的相关活动,可伴随后肢分区的小胶质细胞改变;直接增强后肢分区的相关活动,也使后爪机械阈值下降。形态观察与功能结果,由此把这些细胞放进了继发敏感的证据链。

原论文图 3小胶质细胞变化与后爪阈值
小胶质细胞变化与后爪阈值
图3展示两区小胶质细胞的数量、形态和功能比较,局部减少相关细胞伴随后爪阈值提高。
来源:Hong-Rui Wei et al. · Cell Reports · CC BY-NC-ND 4.0; © 2024 The Author(s).
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CCL2–CCR2,为跨区变化增加分子线索

时间比较带来更细的层次:较早阶段,前肢分区的小胶质细胞数量已增加,后肢分区的相应数量比较尚未显著。随后,两区边界附近的小胶质细胞突起末端距离缩短,提示相互作用机会可能改变,而非直接观察到细胞从一处迁往另一处。

在候选分子中,前肢皮层组织的Ccl2表达升高,CCL2与小胶质标记的重叠也增加。局部阻断受体CCR2相关信号后,后肢分区小胶质细胞变化减弱,后爪阈值提高;残余前爪比较未见显著改善。这支持该信号参与,但仍留下其他分子共同作用的可能。

原论文图 4分区间时序与受体相关干预
分区间时序与受体相关干预
图4显示早期分区差别、边界突起距离变化及CCL2–CCR2相关比较;后爪与残余前爪的干预结果不同。
来源:Hong-Rui Wei et al. · Cell Reports · CC BY-NC-ND 4.0; © 2024 The Author(s).
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突触成分减少,兴奋性细胞少了一部分抑制

后肢皮层的兴奋性神经元周围,带有VGAT标记的抑制性突触前成分减少。相应的微小抑制性突触后电流,频率和幅度都降低。结构与电活动两层证据一致,提示这些细胞接收到的抑制变弱。

与此同时,小胶质细胞的吞噬相关标记增加,与VGAT成分的重叠及包裹观察也增强,抑制性突触前后标记的配对比例下降。研究据此提出,异常增强的突触成分吞噬参与了去抑制过程;小胶质细胞为什么偏向这些成分,仍是值得追问的机制。

原论文图 5抑制性突触与小胶质细胞的联系
抑制性突触与小胶质细胞的联系
图5将VGAT成分减少、抑制性电流减弱与小胶质吞噬相关观察联系起来。
来源:Hong-Rui Wei et al. · Cell Reports · CC BY-NC-ND 4.0; © 2024 The Author(s).
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后爪的敏感改善,并未覆盖所有读出

在抑制小胶质细胞相关活动的比较中,后肢皮层兴奋性细胞的刺激相关钙响应降低,前肢皮层对应钙响应未显著改变。抑制性电流频率提高,但幅度没有显著提高。不同指标的变化,描绘的是部分环节得到改善的图景。

行为也保持了这种部位差别:同侧后爪阈值提高,残余前爪的比较未达显著。它与前面的局部细胞和受体干预相互呼应,让继发性敏感的调节与残余损伤部位的反应分开呈现。

原论文图 6相关抑制后的活动与行为
相关抑制后的活动与行为
图6中,后肢皮层钙响应降低、抑制性电流频率升高及后爪阈值提高;前肢钙响应、抑制性电流幅度和残余前爪比较未达显著。
来源:Hong-Rui Wei et al. · Cell Reports · CC BY-NC-ND 4.0; © 2024 The Author(s).
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小胶质细胞,把跨区联系补上了一层

研究还观察到后肢皮层通向ACC的相关输出参与后爪敏感,抑制后阈值部分提高;通向另一处脑区lPAG的末梢抑制,则未显著改变两处肢体阈值。这提示不同输出的贡献并不相同,局部细胞变化仍要放回整个网络理解。

这项研究揭示的,是小鼠未受伤后爪的继发性机械敏感,与人类主观幻肢痛并不相同。它让“伤在一处,敏感出现在另一处”的问题有了皮层细胞层面的解释,也提出新的问题:哪些信号控制这种跨区过程,又如何在保留正常功能的同时减轻异常变化?

论文信息

Hong-Rui Wei, Lan Tang, Xin-Lu Yang, Chang-Mao Chen, Le-Xian Li, Yu Mao, Di Wang, Fang Kang, Sen Qun, Zhi Zhang, Peng Cao, Yan Jin
A microglial activation cascade across cortical regions underlies secondary mechanical hypersensitivity to amputation
Cell Reports · 2024-02-17
DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113804