Nature Communications | 调控社交传递疼痛模型中疼痛抵抗表型的关键环路

临床研究表明，某些人群易受疼痛影响，而另一些人则对疼痛有抵抗性。疼痛过程涉及周围和中枢神经系统的双重调控，然而疼痛易感和抵抗背后的大脑机制仍未阐明，这在一定程度上是因为缺乏可靠的实验范式。

 

为了阐明疼痛背后的机制，2024年6月10日，徐州医科大学江苏省麻醉学重点实验室张红星、曹君利教授团队与深圳理工大学韩明虎教授合作在《Nature Communications》杂志上发表文章揭示通过社交传递的疼痛模型中调控疼痛抵抗的神经环路机制。作者采用社交疼痛转移模型（STA， socially transferred allodynia）的标准范式，通过检测疼痛的两个临界标准机械爪缩阈值（PWT，paw withdrawal thresholds）和PWT 比率将 STA小鼠分为疼痛敏感型和疼痛抵抗型。STA 抵抗小鼠的 VTA 中谷氨酸能神经元的活性升高，这是一个参与介导疼痛和社会行为的常见大脑区域，此外，作者还确定了与这些神经元相关的下游神经环路在发展和维持对STA 抵抗方面的功能。

 

01 STA后易感和抵抗小鼠的特征

作者让旁观者小鼠BY（bystander）与STA疼痛小鼠进行社交互动后发现雄性C57BL / 6J旁观者（BY）小鼠表现出PWTs的显着降低（von Frey测量值），其中~70%的BY小鼠表现出减少的PWT（BY-S易感鼠），而剩余~30%的PWTs表现出与对照小鼠相当的PWT（BY-R抵抗鼠），这种社交传递的疼痛敏感和抵抗表型可稳定存在1到2周（图1）。

 

图1. 疼痛模型存在易感小鼠和抵抗小鼠两种表型

 

02 抵抗小鼠的VTA^Glu的神经元激活

接下来，作者寻找与STA抵抗相关的大脑区域。为此，作者对小鼠进行社交接触和von Frey测试后，在小鼠的大脑中用c-Fos蛋白抗体进行免疫荧光，发现腹侧被盖区VTA中的c-Fos蛋白表达水平仅在BY-R小鼠中特异性增加。VTA核团存在多种神经元类型，通过在局部表达Cre诱导型rAAV-DIO-EGFP的Vgat-IRES-Cre或Vglut2-IRES-Cre小鼠中进行的进一步免疫组织化学实验表明，BY-R小鼠中VTA谷氨酸能神经元（兴奋性神经元）中被显著激活，为了进一步确认BY-R小鼠中VTA谷氨酸能神经元的过度活跃，作者在Vglut2-IRES-Cre小鼠中用携带mCherry的Cre病毒标记这些神经元后进行膜片钳检测。功能验证结果表明，与对照组或BY-S组相比，BY-R小鼠中VTA mCherry阳性神经元的放电频率增加。这些数据表明，VTA谷氨酸能神经元可能参与大脑中对STA的抵抗。

 

03 通过激活VTA^Glu神经元促进小鼠STA的抵抗

 为了测试VTA谷氨酸能神经元的过度活跃是否足以促进小鼠疼痛抵抗的发生，作者首先将rAAV2 / 9-EF1α-DIO-hM3D（Gq）注射到Vglut2-IRES-Cre小鼠的VTA中以化学遗传学激活这些神经元，所有BY小鼠都接受了腹膜内给药的CNO，激活表达Gq的VTA谷氨酸能神经元后小鼠疼痛抵抗的比例明显上升，相比之下，在接受CNO注射的对照小鼠中没有观察到任何影响（图2）。

图2.VTA谷氨酸能神经元的激活促进STA的抵抗

 

04 VTA谷氨酸能神经元的抑制促进STA的易感性

接下来作者做了反转实验：将rAAV2/9-EF1α-DIO-hM4D（Gi）注射到Vglut2-IRES-Cre小鼠的VTA中以化学遗传学抑制这些神经元,在进行亚阈值范式前30分钟， VTA谷氨酸能神经元中表达Gi的小鼠接受CNO或生理盐水治疗。正如预期的那样，与接受生理盐水的小鼠相比，这些神经元的化学遗传学抑制足以诱导CNO处理的小鼠PWT的显著降低。与化学遗传学激活研究相比较可知，VTA 谷氨酸能神经元是对 STA 抵抗的特定神经元靶标（图3）。

图3.VTA谷氨酸能神经元的抑制促进对STA的易感性

 

05 VTA^Glu环路以不同方式调节小鼠疼痛抵抗表型的形成

作者探讨了VTA谷氨酸能神经元如何在环路水平上调节小鼠疼痛模型。首先，将表达EGFP的Cre诱导型rAAV示踪病毒显微注射到Vglut2-IRES-Cre小鼠的VTA中，来标记接受VTA谷氨酸能传入的下游脑区域。全脑示踪结果显示，VTA中神经元EGFP表达在多个下游脑区，如NAc，而丘脑、海马和脑干的几个亚区也表达了相对密集的EGFP染色（图4）。

图4.投射到NAc和LHb的VTA谷氨酸能神经元来自不同的亚群

 

VTA 已被充分证明与 NAc 和 LHb 相互作用，以调节与社会行为相关的精神疾病和病理性疼痛，作者假设这两个投射环路可能调控 STA 疼痛的个体差异。于是在 Vglut2-IRES-Cre 小鼠中用编码 EGFP 和 mCherry 的 Cre - rAAV2/R 逆行标记了投射到 NAc 和 LHb 的不同 VTA 谷氨酸能神经元亚群；行为测试发现，在建模过程中VTA→NAc谷氨酸能投射的化学遗传学激活促进了抵抗行为表型并产生了更多的BY-R小鼠，而同一环路的特异性抑制阻止了抵抗的发生，使所有BY小鼠都对疼痛敏感，这些结果表明，VTA→NAc谷氨酸能投射是小鼠疼痛抵抗的特定神经环路（图5）。

图5：VTA-NAc谷氨酸能环路参与调节STA抵抗的发展和维持

 

总结 

作者利用标准的社会疼痛转移范式STA将雄性小鼠分为疼痛敏感（S）和疼痛抵抗（R）类型。脑部筛选结果显示，与对照组和疼痛易感小鼠相比，腹侧被盖区VTA谷氨酸能神经元在疼痛抵抗小鼠中被选择性激活。原位和环路的化学遗传学干预表明，腹侧被盖区VTA^Glu-NAc谷氨酸能神经元的激活和抑制双向调节对社会疼痛转移模型的抵抗表型。 

参考来源：

Han Y, Ai L, Song L, et al. Midbrain glutamatergic circuit mechanism of resilience to socially transferred allodynia in male mice.Nat Commun. 2024;15(1):4947. Published 2024 Jun 10. doi:10.1038/s41467-024-49340-8