2023年6月13日，廣東省智能科學與技術研究院（簡稱：廣東省智能院）張旭研究團隊在國際著名學術期刊《Cell Research》(細胞研究)上發表了題為“A direct spino-cortical circuit bypassing the thalamus modulates nociception”的論文，該研究綜合利用神經環路示蹤、電鏡、鈣成像、行為學等實驗方法，發現了一條新的傳導痛覺的脊髓-皮層直接通路，為理解大腦處理痛覺等感覺信息提供了新的神經傳導通路機制。
神經科學經典理論認為，外周傷害性信息由背根神經節（DRG）中的初級感覺神經元傳遞至脊髓背角，經整合后由脊髓投射神經元（SPNs）經脊髓丘腦束（STT）傳遞至丘腦核團，再換神經元向上傳遞至大腦軀體感覺皮層4層神經元。大腦感覺皮層5層錐體神經元接收皮層淺層神經元的輸出信號，并沿皮質脊髓束(CST)向脊髓下行投射，從而調節基本的感覺運動功能。以往研究沒有直接證據表明SPNs能夠直接聯接大腦皮層神經元。
在此項研究中，研究者利用多種新的環路示蹤劑發現初級感覺皮層和相鄰的初級運動皮層中存在一群神經元可以直接接受SPNs的投射，并將這群神經元定義為脊髓-皮層接受神經元（SCRNs）。神經環路示蹤顯示脊髓上行軸突分支與來自SCRNs的下行軸突在腦橋基底核(BPN)的內側形成一種盤狀結構（SCCD）。他們進一步通過免疫組化、電鏡和腦片鈣成像觀察到SCCD中SPNs上行纖維末梢和SCRNs下行纖維末梢形成了功能性突觸，形成脊髓上行STT與皮層下行CST的直接連接。行為學實驗顯示BPN中的脊髓-皮質直接連接參與痛覺傳導，在體鈣成像結果顯示SCRNs對外周傷害性刺激有特異性反應，皮層第５層的SCRNs對外周傷害性刺激的反應顯著快于第4層神經元，表明SCRNs對傷害性刺激的反應不依賴于經典的脊髓-丘腦-皮層通路。此外，SCRNs還參與了急性痛和神經損傷慢性痛的調控。
綜上所述，該研究揭示了一條新的且不通過丘腦的脊髓-皮層直接通路，并闡明了此通路在痛覺調控中起重要作用。該研究不僅為深入理解大腦皮層如何處理痛覺等感覺信息提供了新的神經傳導通路，而且為慢性痛治療提供了潛在的新靶點。
廣東省智能院蔡冰博士、中國科學院大學吳丹博士和中科院上海高等研究院謝紅副研究員（現任上海理工大學特聘研究員）為本文共同第一作者，廣東省智能院張旭研究員和李昌林研究員為共同通訊作者。這項工作得到了中科院深圳先進技術研究院徐富強研究員、華中科技大學蘇州腦空間信息研究院龔輝教授和李安安教授、中科院分子細胞卓越中心鮑嵐研究員的大力支持。該工作得到了國家基金委、廣東省高水平創新研究院項目和中國醫學科學院項目的資助。
文章連接：https://www.nature.com/articles/s41422-023-00832-0
