2022年8月10日，廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院（以下簡稱廣東省智能院）張旭院士實(shí)驗(yàn)室（軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究組）與李昌林研究員實(shí)驗(yàn)室（軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育與疾病研究組）在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院報(bào)》（Proceeding of the National Academy of Sciences）在線發(fā)表題為“Distinct neural networks derived from galanin-containing nociceptors and neurotensin-expressing pruriceptors”的研究論文。該研究利用單純皰疹病毒（HSV，Herpes simplex virus）神經(jīng)示蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從初級感覺神經(jīng)元到大腦感覺皮層的整體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)了傳遞痛覺和癢覺神經(jīng)元大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的差異，并進(jìn)一步揭示了差異核團(tuán)與痛覺和癢覺傳遞的相關(guān)性。
痛覺和癢覺是兩種截然不同的感覺，但都起到保護(hù)機(jī)體免受傷害的作用。痛覺由環(huán)境中的傷害性刺激引發(fā)，導(dǎo)致動(dòng)物的避讓行為；癢覺由致癢源激發(fā)，引起動(dòng)物的抓撓欲望。參與編碼痛覺和癢覺的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否相同，目前尚不十分清楚。研究人員首先建立了HSV順行跨多級神經(jīng)元的示蹤方法，利用免疫抑制劑增強(qiáng)了HSV在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的感染，成功實(shí)現(xiàn)了從特定類群背根節(jié)（DRG, Dorsal root ganglia）神經(jīng)元到初級感覺皮層的軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光標(biāo)記，從而可以對痛覺和癢覺相關(guān)的軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異同進(jìn)行研究。
表達(dá)甘丙肽（Gal，Galanin）的DRG神經(jīng)元是一種傷害性感受器，表達(dá)神經(jīng)降壓素（Nts，Neurotensin）的DRG神經(jīng)元是一種癢覺感受器，它們具有相似的末梢結(jié)構(gòu)，共用脊髓丘腦束將痛覺或癢覺傳遞至初級感覺皮層，卻分別編碼痛覺和癢覺，引發(fā)截然不同的行為反應(yīng)。利用重組HSV示蹤技術(shù)，研究人員對Gal陽性（Gal+）DRG神經(jīng)元和Nts陽性（Nts+）DRG神經(jīng)元的下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了示蹤。通過全腦掃描、三維重構(gòu)和腦圖譜比對，完成了對兩類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定量分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，全腦有近1/3核團(tuán)參與到這兩類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中近半數(shù)核團(tuán)在兩類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)記水平存在差異。在上行傳導(dǎo)通路中，脊髓延髓束同時(shí)參與Gal+傷害性感受器和Nst+癢覺感受器的下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。兩類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，病毒標(biāo)記中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)（PAG, periaqueductal gray matter）的神經(jīng)元數(shù)量相當(dāng)，但亞核團(tuán)分布卻不盡相同。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，控制軀體運(yùn)動(dòng)的初級運(yùn)動(dòng)皮層（M1，Primary motor cortex）和紅核（RN，Red nucleus）在Gal+傷害性感受器下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)記水平較高，而參與情感運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的孤束核（NST，Nucleus of the solitary tract）和迷走神經(jīng)背側(cè)運(yùn)動(dòng)核（DMX，Dorsal motor nucleus of vagus nerve）則在Nts+癢覺感受器下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)記水平較高。
研究人員進(jìn)一步用c-Fos實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傷害性熱刺激能激活RN的神經(jīng)元，而組胺誘導(dǎo)癢刺激能激活NST/DMX的神經(jīng)元。用化學(xué)遺傳學(xué)方法抑制RN的活性降低了動(dòng)物對傷害性熱刺激的敏感性，而抑制NST/DMX的活性則減少了注射組胺后動(dòng)物的抓撓行為。以上結(jié)果揭示了Gal+傷害性感受器和Nts+癢覺感受器的下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核團(tuán)分別在傳遞痛覺或癢覺中的作用。
綜上所述，該研究建立了基于HSV的順行跨多級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示蹤方法，系統(tǒng)地比較了痛覺和癢覺相關(guān)軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異同，揭示了大腦區(qū)分痛覺和癢覺信息的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。
Gal+傷害性感受器和Nts+癢覺感受器下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異同
廣東省智能院陳琰副研究員、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心博士研究生宋玉冉、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院王華東博士為本文共同第一作者，廣東省智能院的張旭院士和李昌林研究員為論文的共同通訊作者，廣東省智能院為第一通訊單位。該項(xiàng)工作得到了中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐富強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院李安安教授和龔輝教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院上海高等研究院研究團(tuán)隊(duì)的合作和支持，并獲得廣東省科技廳、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院和上海市科委等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2118501119
