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痛为何迟迟不散?脑内一条越转越强的反馈环

Nature Neuroscience · 2024-01-03

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Nature Neuroscience · 研究前沿

痛为何迟迟不散?脑内一条越转越强的反馈环

前扣带皮层与腹侧被盖区之间,两个抑制环节接成正反馈,连接小鼠持续痛敏与情绪相关行为;调低这条循环,部分改善还能延续到干预结束之后。

围绕小鼠疼痛反馈环主题的 AI 科学概念插画

轻轻碰一下,就急忙缩脚;面对可以探索的空间,也更愿意待在边缘。神经损伤后的疼痛与情绪变化,常常像两个彼此牵动的齿轮:一个转起来,另一个也跟着转。伤害从身体传来,大脑是否会在反复响应中,形成让不适继续盘旋的回路?2024年1月3日发表于 Nature Neuroscience 的研究,在小鼠前扣带皮层与腹侧被盖区之间找到了一条往返联系。它的特别之处,是两次“踩刹车”接在一起,反而能把整套系统推向越来越敏感的状态。

关键发现

前扣带皮层的兴奋性输出,经腹侧被盖区局部抑制性细胞压低多巴胺活动;多巴胺回传减弱,又松开了对原始皮层输出的约束。研究把持续痛敏与情绪相关行为,联系到这一不断自我加强的循环。

阅读目录 · 6个部分

疼痛留下来时,两个脑区的活动走向不同

研究从神经损伤小鼠开始。撤足所需的触压力变小,意味着轻刺激也更容易引发反应;到损伤后六周,动物在开放空间与高架迷宫中的探索也发生改变。团队由此追问:长期痛敏与这些情绪相关行为,是否有一份共同的脑内背景?

前扣带皮层(ACC)通向腹侧被盖区(VTA)的兴奋性细胞,在六周时自发放电增多,一周时的比较却未见显著差异。另一边,VTA多巴胺细胞的放电减少,伏隔核中的多巴胺释放也降低。同一个损伤背景下,一条皮层输出更活跃,一套多巴胺信号更安静,提示变化并非全脑一起升高。

原论文图 1疼痛留下来时,两个脑区的活动走向不同
疼痛留下来时,两个脑区的活动走向不同
原文图1:长期神经损伤后的感觉与行为变化,以及ACC输出、VTA多巴胺细胞和相关释放信号的比较。
来源:Qian Song et al. · Nature Neuroscience ·
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多巴胺回到皮层,给输出加上一道约束

多巴胺并不只是从VTA出发、一路向前。研究发现,VTA多巴胺细胞还能把信号送回ACC,并联系到原先通向VTA的那群兴奋性细胞。两条方向相反的路线,在这里接上了头:从皮层出发的信息,有机会再回到自己的起点。

这种回传具有抑制作用。多巴胺让被记录的ACC投射细胞放电减少,D2受体相关药理阻断则干扰这一效应。在神经损伤小鼠中,ACC接收到的多巴胺释放减少;增强当地多巴胺末梢活动,可以提高撤足阈值、改变开放场探索,并产生与干预配对场景的偏好。正常小鼠中,压低这份回传则出现相反方向的感觉与回避变化。

原论文图 2多巴胺回到皮层,给输出加上一道约束
多巴胺回到皮层,给输出加上一道约束
原文图2:VTA向ACC的多巴胺回传、对投射细胞的抑制,以及局部末梢干预后的行为响应。
来源:Qian Song et al. · Nature Neuroscience ·
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两次抑制,为什么会让循环越来越强?

关键在于两道刹车踩在谁身上。ACC的兴奋性输出先招募VTA局部的GABA抑制性细胞,后者压低多巴胺细胞的活动;多巴胺细胞原本又会约束那群ACC输出细胞。于是,皮层输出越强,多巴胺回传越弱;回传越弱,皮层输出受到的约束又越少。

这就是正反馈的含义:一个变化经过一圈传递后,回过头来加强自己。连接示踪与细胞记录支持这些环节确实相互接续;在清醒动物中,抑制VTA多巴胺末梢还能提高相关ACC细胞的钙信号。把环内多巴胺末梢重新激活,则能减轻神经损伤模型中的感觉与回避表现。循环因此既有连接依据,也有功能与行为层面的响应。

原论文图 3两次抑制,为什么会让循环越来越强?
两次抑制,为什么会让循环越来越强?
原文图3:往返路线的连接与功能检验,以及环内多巴胺末梢激活后的模型行为。
来源:Qian Song et al. · Nature Neuroscience ·
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反复推动循环,变化可以留下更久

如果这条回路只是跟着疼痛走,改变它也许只会带来短暂响应。团队进一步在正常小鼠中反复增强ACC通向VTA的输出,或反复压低VTA送回ACC的多巴胺联系。两种做法从不同位置推动同一个循环,之后都能看到撤足阈值降低与探索行为改变。

更有意思的是,反复干预结束后,部分变化仍能维持数周,相关细胞的自发放电也呈现持续改变。短暂输入能够留下较长的状态影响,使这条回路与疼痛的持续性联系得更紧。不过,这份结果来自特定小鼠干预条件,持续数周的行为与电活动变化,仍有别于所有痛觉记忆永久固定。

原论文图 4反复推动循环,变化可以留下更久
反复推动循环,变化可以留下更久
原文图4:正常小鼠反复接受环路干预期间及之后的阈值、探索和细胞放电变化。
来源:Qian Song et al. · Nature Neuroscience ·
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外周处理之后,大脑里的敏感还在延续

神经损伤模型中,持续增强ACC的多巴胺回传,或抑制ACC送往VTA的输出,都能改善机械痛敏。研究还设置了一个特别的情境:解除原来的神经结扎后,小鼠的撤足阈值仍未马上回到假手术水平。这让外周处理与脑内持续状态,有了分别观察的机会。

在这一情境下,重复进行两周的环路干预后,即使停止干预,阈值改善仍可延续到后续观察时点;三周后的开放场与高架迷宫行为也朝改善方向变化。图中的阈值提升并非所有指标都完整恢复到假手术水平,却显示脑内反馈有一定可塑性:长期敏感形成之后,这套循环仍能够被调节。

原论文图 5外周处理之后,大脑里的敏感还在延续
外周处理之后,大脑里的敏感还在延续
原文图5:持续干预,以及解除神经结扎后重复干预与停止干预的时间线;后者提供改善延续的观察。
来源:Qian Song et al. · Nature Neuroscience ·
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同一种受体,所在的位置改变了干预方向

D2受体相关结果又给这套循环补上一个有趣细节。在ACC局部使用D2受体激动剂,可以压低相关皮层细胞的放电,并改善神经损伤小鼠的感觉与探索表现;在VTA局部使用D2受体拮抗剂,则能提高多巴胺细胞的放电,同样让行为结果朝改善方向变化。

看起来方向相反的药理操作,因发生在不同环节,可能把同一个反馈循环向减弱方向推动。研究还在解除结扎后的模型中观察到,VTA局部重复干预的部分收益延续到停用之后。这些脑区局部、动物模型中的结果,为定位环路的可调节节点提供了线索;将它们转化为面向人的治疗,仍需要剂量、作用位置与长期效果等进一步证据。

原论文图 6同一种受体,所在的位置改变了干预方向
同一种受体,所在的位置改变了干预方向
原文图6:ACC与VTA两处的局部D2相关干预,以及VTA重复干预后的持续观察。
来源:Qian Song et al. · Nature Neuroscience ·
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论文信息

Qian Song, Anqi Wei, Huadong Xu, Yuhao Gu, Yong Jiang, Nan Dong, Chaowen Zheng, Qinglong Wang, Min Gao, Suhua Sun, Xueting Duan, Yang Chen, Bianbian Wang, Jingxiao Huo, Jingyu Yao, Hao Wu, Hua Li, Xuanang Wu, Zexin Jing, Xiaoying Liu, Yuxin Yang, Shaoqin Hu, Anran Zhao, Hongyan Wang, Xu Cheng, Yuhao Qin, Qiumin Qu, Tao Chen, Zhuan Zhou, Zuying Chai, Xinjiang Kang, Feng Wei, Changhe Wang
An ACC–VTA–ACC positive-feedback loop mediates the persistence of neuropathic pain and emotional consequences
Nature Neuroscience · 2024-01-03
DOI: 10.1038/s41593-023-01519-w