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疼痛从一天到四周,脾脏为何出现相反变化?

Nature Neuroscience · 2024-01-30

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Nature Neuroscience · 研究前沿

疼痛从一天到四周,脾脏为何出现相反变化?

雄性小鼠神经损伤后,脾脏TH2相关细胞比例先升后降。研究把不同阶段的变化,联系到感觉皮层、中央杏仁核和脑干通向脾脏的两套调节路线。

小鼠脑与脾脏交流主题的 AI 科学概念插画

疼痛的故事,未必只写在神经系统里。脚对轻触变得敏感的同时,远处脾脏中的免疫细胞也可能改变自己的“站位”。更有趣的是,神经损伤后一天与四周,部分细胞比例的变化方向竟然相反。2024年1月30日发表于 Nature Neuroscience 的研究,沿着这份时间差往脑内追踪:感觉皮层与中央杏仁核的不同输入,汇入脑干的一组细胞,再联系到脾脏。持续的不适,因而呈现出一段随着时间转换的脑—免疫对话。

关键发现

在这一小鼠模型中,早期与较晚阶段的脾脏TH2相关响应,分别联系到增强的皮层兴奋性输入和杏仁核抑制性输入;两份信号在迷走神经背侧运动核汇合,调节方向随痛敏阶段而改变。

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同样持续痛敏,免疫细胞却没有一直朝同方向走

团队在雄性小鼠神经损伤模型中,同时观察感觉反应与脾脏细胞。机械撤足阈值和热刺激撤足等待时间从早期便降低,并持续到四周。对于动物而言,较轻的触压与较短的热刺激,都更容易引出反应;这为比较不同阶段提供了连续的痛敏背景。

脾脏中的变化却分成了两段:带有CD4与IL-4或IL-10标记的TH2相关细胞比例,在损伤后一天升高,四周时降低。其他细胞标记也有自己的节奏,IFN-γ相关比例的早期升高在四周比较中未再显著,IL-17相关比例在两个时点均未显著改变。免疫响应呈现的是特定细胞群的组合,而非整套免疫系统一致起落。

原论文图 1同样持续痛敏,免疫细胞却没有一直朝同方向走
同样持续痛敏,免疫细胞却没有一直朝同方向走
原文图1:持续的机械与热痛敏,以及脾脏中不同标记细胞比例在一天、四周的比较。
来源:Xia Zhu et al. · Nature Neuroscience ·
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从脾脏往回找,脑干中出现一个中转节点

大脑如何把影响送到脾脏?研究将线索指向迷走神经背侧运动核(DMV)。从脾脏回溯得到的标记,在DMV中主要与胆碱能细胞标记重叠;由DMV出发的标记则出现在脾脏组织中。沿两个方向追踪,让脑干与外周器官之间的联系逐渐具体起来。

这份联系还有功能响应:激活与DMV胆碱能细胞相关的脾脏末梢时,记录到的脾神经电活动增强,对照组则没有相应显著变化。研究由此将一组脑干细胞、外周神经活动与脾脏放进同一条观察链。接下来的问题,是这组细胞在疼痛的不同阶段,是否也会换一种活动方式。

原论文图 2从脾脏往回找,脑干中出现一个中转节点
从脾脏往回找,脑干中出现一个中转节点
原文图2:DMV与脾脏的双向标记证据、胆碱能标记重叠,以及末梢激活时的脾神经电活动。
来源:Xia Zhu et al. · Nature Neuroscience ·
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损伤后一天,脑干这组细胞更活跃

在损伤后一天,与脾脏联系的DMV细胞更容易在电流输入下放电,清醒自由活动时记录的相关细胞放电也增多。对同一批可观察细胞的钙信号追踪,同样显示事件更频繁。不同读数在早期阶段汇合到一个方向:这组脑干细胞的活动增强了。

当团队抑制脾脏相关DMV投射细胞时,脾脏中CD4与IL-4、IL-10双标记细胞的比例随之降低。干预把原先同时出现的神经活动与免疫变化,进一步联系起来。脑干输出的变化,因而可以反映到这些免疫标记所描绘的细胞组合中。

原论文图 3损伤后一天,脑干这组细胞更活跃
损伤后一天,脑干这组细胞更活跃
原文图3:早期DMV细胞的兴奋性、在体放电与钙事件,以及投射细胞抑制后的脾脏标记比例。
来源:Xia Zhu et al. · Nature Neuroscience ·
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到了四周,脑干与脾脏的变化一同转向

把时间拉长到四周,同一个脑干节点呈现出相反趋势。相关DMV细胞在电流输入下的放电减少,在体放电降低,钙事件也变得更稀疏。这与早期的活跃状态形成对照,也对应脾脏TH2相关标记比例从升高转为降低的时间差。

此时激活与脾脏联系的DMV投射细胞,能够提高CD4与IL-4、IL-10双标记细胞的比例;在脾脏局部激活相关胆碱能末梢,也得到相同方向的比例变化。从细胞端和外周末梢端分别入手,结果共同指向这份输出的可调节性。持续痛敏的背景相似,脑—免疫联系所处的状态却已经不同。

原论文图 4到了四周,脑干与脾脏的变化一同转向
到了四周,脑干与脾脏的变化一同转向
原文图4:四周时DMV活动降低,以及激活投射细胞或脾脏末梢后特定免疫标记比例的变化。
来源:Xia Zhu et al. · Nature Neuroscience ·
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感觉皮层送来兴奋,杏仁核送来抑制

如果DMV是中转节点,谁在它上游改变信号?研究定位到初级躯体感觉皮层后肢区(S1HL)与中央杏仁核(CeA)。前者的谷氨酸相关细胞向DMV提供兴奋性输入,后者的GABA相关细胞提供抑制性输入。连接标记与局部电流响应,支持两条路线以不同方式影响同一脑干区域。

两条路线也有不同的时间特点。S1HL相关投射细胞的钙信号在损伤后一天增强,四周时的同类比较未见显著差异;CeA相关投射细胞在一天时的钙事件比较不显著,四周时则增强。时间因此成为理解回路的关键:早期更突出的兴奋性输入,与较晚更突出的抑制性输入,可以给相同输出节点带来不同影响。

原论文图 5感觉皮层送来兴奋,杏仁核送来抑制
感觉皮层送来兴奋,杏仁核送来抑制
原文图5:S1HL与CeA到DMV的连接、细胞标记及兴奋性或抑制性电流响应;时间比较见原文图6、7。
来源:Xia Zhu et al. · Nature Neuroscience ·
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松开较晚的抑制,脾脏比例也随之改变

在四周痛敏条件下,抑制CeA送往DMV的末梢,可以提高脾脏中两类TH2相关双标记细胞的比例。这与直接激活DMV投射细胞的结果方向一致:降低上游抑制,或增强中转节点的输出,都能让所测脾脏响应发生变化。疼痛状态下的脑与器官之间,因而呈现出可以被调节的联系。

这项研究最吸引人的地方,是把“痛了多久”带进了脑—免疫机制。同样的神经损伤,不同时间的上游输入与外周细胞比例并不相同;感觉与免疫的联系也不只是单向地越来越强。在雄性小鼠中,研究看到的是痛敏阶段、上游神经活动与选定免疫细胞比例之间的联动。

原论文图 7松开较晚的抑制,脾脏比例也随之改变
松开较晚的抑制,脾脏比例也随之改变
原文图7:四周时CeA相关投射细胞的活动增强,以及抑制其DMV末梢后的脾脏标记比例。
来源:Xia Zhu et al. · Nature Neuroscience ·
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论文信息

Xia Zhu, Ji-Ye Huang, Wan-Ying Dong, Hao-Di Tang, Si Xu, Qielan Wu, Huimin Zhang, Ping-Kai Cheng, Yuxin Jin, Meng-Yu Zhu, Wan Zhao, Yu Mao, Haitao Wang, Yan Zhang, Hao Wang, Wenjuan Tao, Yanghua Tian, Li Bai, Zhi Zhang
Somatosensory cortex and central amygdala regulate neuropathic pain-mediated peripheral immune response via vagal projections to the spleen
Nature Neuroscience · 2024-01-30
DOI: 10.1038/s41593-023-01561-8