Neuron | 段波组解密机械痒的脊髓编码机制
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小草轻轻划过皮肤，小虫慢慢爬过手臂，都会产生轻微的痒觉。我们往往会通过轻轻地挠抓去消除这种痒。但是，这种痒和被蚊虫叮咬过后的那种奇痒难耐的感觉相比，则显得温和了许多。前者为机械痒，后者为化学痒。虽同为痒觉，机械痒和化学痒发生的机制却截然不同，它们分别由不同的神经环路所介导。机械痒是由低阈值机械刺激所引起的痒觉，非伤害性机械刺激（如轻轻挠抓）即可抑制。而化学痒则由化学物质例如组胺、氯喹等所引起，伤害性刺激（如用力挠抓）才能抑制。被蚊虫叮咬过后，我们经常抓破皮肤也不觉得痛，反而觉得很舒服。从进化的角度来说，生理状态下的急性痒被认为是机体消除潜在伤害性刺激的自我保护机制，例如寄生虫接触皮肤导致的机械痒或蚊虫叮咬在皮肤内引起致痒剂释放而引发的化学痒【1】。
在过去的十年里，已有许多关于化学痒的研究，目前已知化学痒主要由外周表达Mas相关的G蛋白偶联受体A3 （MrgprA3）、MrgprD以及利钠肽B（Nppb）的 C类痒觉感受器来接收致痒剂的信号，进而将化学信号传递至脊髓背角【2,3】。脊髓背角浅层表达利钠肽A受体（Npra）或胃泌素释放肽受体（GRPR）的兴奋性中间神经元在传递化学痒中起着重要的作用【3-5】。脊髓背角表达转录因子Bhlhb5和强啡肽的抑制性中间神经元则负性调控着化学痒的传递【6,7】。然而，与化学痒相比，我们对于传递机械痒的脊髓神经环路目前仍知之甚少。
2019年7月16日，美国密歇根大学段波教授课题组在Neuron杂志上发表了最新的重要研究成果Identification of a spinal circuit for mechanical and persistent spontaneous itch（机械痒和持续性自发痒的脊髓神经环路的鉴定），系统解析了机械痒和持续性自发痒的脊髓神经环路机制，填补了机械痒研究领域的知识空白。南昌大学生命科学研究院青年教师潘海莉博士为本论文第一作者，密歇根大学分子细胞发育生物学系段波教授为本论文通讯作者。
在本研究中，实验人员首先借助各类转基因小鼠和独创的机械痒行为范式，发现敲除或特异性失活脊髓中的尿皮质素3（Urocortin 3, Ucn3+）神经元，可消除小鼠的机械痒，而激活Ucn3+ 神经元则可诱发小鼠的机械痒行为。表明脊髓 Ucn3+ 神经元在机械痒的发生中起着重要介导作用。
接着，研究人员对Ucn3+ 神经元的化学性质和电生理特性进行了深入研究。形态学结果显示，Ucn3+ 神经元是一类兴奋性中间神经元，大部分Ucn3+ 神经元位于脊髓背角II-III层之间（1类），只有一小部分Ucn3+ 神经元位于脊髓背角II层（2类）。为了进一步研究Ucn3+ 神经元的电生理特性，作者建立了带背根的脊髓切片电生理记录技术，给予背根Ab 低阈值刺激，同时记录脊髓切片中Ucn3+ 神经元的电活动。结果显示，位于脊髓背角II-III层之间的1类Ucn3+ 神经元主要接收Ab纤维介导的低阈值机械信号输入。
接下来的问题是：究竟是哪类Ab纤维介导的低阈值机械感受器 (Ab-Low threshold Mechanoreceptor, Ab-LTMR) 将这类痒觉信号传递至脊髓中的Ucn3+ 神经元呢？
首先，实验人员通过病毒逆行示踪法检测到 Ucn3+ 神经元和外周Toll样受体5 (TLR5+) 阳性的Ab-LTMRs之间存在单突触联系。接着，研究人员利用电生理实验进一步验证TLR5+ 神经元和Ucn3+ 神经元功能上的联系。结果显示，抑制TLR5+ 神经元后，Ab 刺激诱发的Ucn3+ 神经元的反应被阻断。最后，行为学实验显示，抑制TLR5+ 神经元可阻断机械痒的发生。以上结果提示，Ucn3+ 神经元接收外周TLR5+ 神经元传导的低阈值机械信号而介导机械痒。
接下来显而易见的问题是：为何正常情况下在我们机体的大部分皮肤上，轻触并不能引起痒觉呢？研究人员发现，Ab 刺激虽然能引起Ucn3+ 神经元产生兴奋性突触后电流 (EPSC)，但并不能诱发动作电位。因为Ab刺激在兴奋Ucn3+ 神经元的同时，也兴奋了另一类抑制性神经元，从而通过前馈抑制机制阻断了Ucn3+ 神经元动作电位的发生。段波教授2015年发表在Science上的文章显示，神经肽Y（NPY）神经元门控机械痒的发生，敲除NPY神经元可诱发小鼠的机械痒行为【8】。于是研究人员提出假设：正是因为Ucn3+ 神经元被NPY神经元所抑制，正常状态下轻触才不能诱发机械痒。为验证该假设，研究人员首先利用转基因小鼠脊髓切片进行形态学检测，发现神经肽Y (NPY) 神经元和Ucn3+ 神经元之间存在抑制性突触联系。
研究人员进一步利用光遗传学的方法证实Ucn3+ 神经元和NPY神经元之间功能上的联系。在NPY神经元上表达光敏感通道蛋白ChR2，蓝光激活NPY神经元，同时记录Ucn3+ 神经元的反应。结果表明，所有Ucn3+ 神经元均能被1毫秒蓝光刺激诱发IPSC，证实了Ucn3+ 神经元和神经肽Y神经元存在功能上的联系。最后，行为学实验表明，急性激活NPY神经元可抑制机械痒的发生，敲除NPY神经元则诱发机械痒行为，而同时敲除NPY神经元和Ucn3+ 神经元则不影响小鼠的机械痒行为。以上实验结果从形态到功能全面证实了NPY神经元对Ucn3+ 神经元介导的机械痒行为的门控作用。
最后，研究人员检测了该神经环路在慢性痒中所发生的变化。实验人员在小鼠上建立了由组胺引起的痒觉异化模型 (Histamine alloknesis) 及干性皮肤 (dry skin)、变态反应性接触性皮炎 (Allergic contact dermatitis)、过敏性皮炎 (Atopic dermatitis) 等三个慢性痒模型。行为学实验结果表明，敲除Ucn3+ 神经元或抑制TLR5+ 感觉神经元均可显著减轻上述模型中机械痒易化现象和慢性痒模型中持续性自发痒挠抓行为。电生理实验结果显示，在慢性痒中，Ucn3+ 神经元的自身兴奋性降低，且同样强度刺激诱发的IPSC降低，说明Ucn3+ 神经元受到的抑制作用减弱。基于以上两方面的原因，在慢性痒模型中，Ab刺激诱发Ucn3+ 神经元产生动作电位的比例大大增加。以上实验结果提示，Ucn3+ 神经元自身兴奋性的增强以及所接收的抑制作用的减弱，共同导致了慢性痒模型中机械痒易化和持续性自发痒的发生。
瘙痒是让机体产生挠抓欲望的一种不愉快的感觉，是临床上诸多皮肤科疾病和某些系统性疾病常见的不良症状，严重地困扰着广大患者。过去的研究让我们对化学痒产生的神经机制已有一定的认识，然而对于机械痒产生的神经机制的相关研究则相对滞后。这篇重要的研究论文首次揭示了机械痒产生的脊髓神经环路，为机械痒的研究带来了全新的认识。
研究人员鉴定了脊髓内一类特异表达 Ucn3+ 的兴奋性中间神经元在机械痒信息传递中起着关键作用。Ucn3+ 神经元接收外周TLR5-Ab低阈值机械感受器的支配，同时被脊髓NPY阳性的抑制性中间神经元所门控。突触抑制的降低和Ucn3+ 神经元自身兴奋性的增强共同导致了慢性痒条件下机械痒易化和持续性自发痒的发生。文中大量使用遗传学工具小鼠，结合带背根的脊髓切片电生理记录技术、光遗传学、钙成像、分子学及行为学等方法，从形态到功能首次全方位地解析机械痒产生的脊髓神经环路，为加深理解机械痒的神经机制提供了新思路，也为临床开发治疗慢性痒的药物提供了重要的理论依据。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.06.016
参考文献
1. Dong, X., and Dong, X. (2018). Peripheral and Central Mechanisms of Itch. Neuron 98, 482-494.
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3. Mishra, S.K., and Hoon, M.A. (2013). The cells and circuitry for itch responses in mice. Science 340, 968-971.
4. Sun, Y.G., and Chen, Z.F. (2007). A gastrin-releasing peptide receptor mediates the itch sensation in the spinal cord. Nature 448, 700-703.
5. Sun, Y.G., Zhao, Z.Q., Meng, X.L., Yin, J., Liu, X.Y., and Chen, Z.F. (2009). Cellular basis of itch sensation. Science 325, 1531-1534.
6. Kardon, A.P., Polgar, E., Hachisuka, J., Snyder, L.M., Cameron, D., Savage, S., Cai, X., Karnup, S., Fan, C.R., Hemenway, G.M., et al. (2014). Dynorphin acts as a neuromodulator to inhibit itch in the dorsal horn of the spinal cord. Neuron 82, 573-586.
7. Ross, S.E., Mardinly, A.R., McCord, A.E., Zurawski, J., Cohen, S., Jung, C., Hu, L., Mok, S.I., Shah, A., Savner, E.M., et al. (2010). Loss of inhibitory interneurons in the dorsal spinal cord and elevated itch in Bhlhb5 mutant mice. Neuron 65, 886-898.
8. Bourane, S., Duan, B., Koch, S.C., Dalet, A., Britz, O., Garcia-Campmany, L., Kim, E., Cheng, L., Ghosh, A., Ma, Q., and Goulding, M. (2015). Gate control of mechanical itch by a subpopulation of spinal cord interneurons. Science 350, 550-554.