2022年8月10日，廣東省智能科學與技術研究院（以下簡稱廣東省智能院）張旭院士實驗室（軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡研究組）與李昌林研究員實驗室（軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育與疾病研究組）在國際權威學術期刊《美國科學院院報》（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，實現(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)絡標記，發(fā)現(xiàn)了傳遞痛覺和癢覺神經(jīng)元大腦神經(jīng)網(wǎng)絡的差異，并進一步揭示了差異核團與痛覺和癢覺傳遞的相關性。
痛覺和癢覺是兩種截然不同的感覺，但都起到保護機體免受傷害的作用。痛覺由環(huán)境中的傷害性刺激引發(fā)，導致動物的避讓行為；癢覺由致癢源激發(fā)，引起動物的抓撓欲望。參與編碼痛覺和癢覺的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡是否相同，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了HSV在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)內的感染，成功實現(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)絡的熒光標記，從而可以對痛覺和癢覺相關的軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡的異同進行研究。
表達甘丙肽（Gal，Galanin）的DRG神經(jīng)元是一種傷害性感受器，表達神經(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構，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。利用重組HSV示蹤技術，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)絡進行了示蹤。通過全腦掃描、三維重構和腦圖譜比對，完成了對兩類神經(jīng)網(wǎng)絡的定量分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，全腦有近1/3核團參與到這兩類神經(jīng)網(wǎng)絡，其中近半數(shù)核團在兩類神經(jīng)網(wǎng)絡中的標記水平存在差異。在上行傳導通路中，脊髓延髓束同時參與Gal+傷害性感受器和Nst+癢覺感受器的下游神經(jīng)網(wǎng)絡。兩類神經(jīng)網(wǎng)絡中，病毒標記中腦導水管周圍灰質（PAG, periaqueductal gray matter）的神經(jīng)元數(shù)量相當，但亞核團分布卻不盡相同。在運動系統(tǒng)中，控制軀體運動的初級運動皮層（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)絡中的標記水平較高，而參與情感運動系統(tǒng)的孤束核（NST，Nucleus of the solitary tract）和迷走神經(jīng)背側運動核（DMX，Dorsal motor nucleus of vagus nerve）則在Nts+癢覺感受器下游神經(jīng)網(wǎng)絡中的標記水平較高。
研究人員進一步用c-Fos實驗驗證了傷害性熱刺激能激活RN的神經(jīng)元，而組胺誘導癢刺激能激活NST/DMX的神經(jīng)元。用化學遺傳學方法抑制RN的活性降低了動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物的抓撓行為。以上結果揭示了Gal+傷害性感受器和Nts+癢覺感受器的下游神經(jīng)網(wǎng)絡核團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)絡示蹤方法，系統(tǒng)地比較了痛覺和癢覺相關軀體感覺神經(jīng)網(wǎng)絡的異同，揭示了大腦區(qū)分痛覺和癢覺信息的神經(jīng)環(huán)路機制。
Gal+傷害性感受器和Nts+癢覺感受器下游神經(jīng)網(wǎng)絡的異同
廣東省智能院陳琰副研究員、中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心博士研究生宋玉冉、中國科學院深圳先進技術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。該項工作得到了中國科學院深圳先進技術研究院徐富強研究員團隊、華中科技大學蘇州腦空間信息研究院李安安教授和龔輝教授團隊、中國科學院上海高等研究院研究團隊的合作和支持，并獲得廣東省科技廳、國家自然科學基金委、中國科學院、中國醫(yī)學科學院和上海市科委等多個項目的支持。
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2118501119
