【Neuron】痒并快乐着！徐天乐研究组揭示抓痒引起愉悦感的中枢神经环路机制
“快读醒人意，垢痒逢爬梳。”
——南宋·陆游《寄酬曾学士学宛陵先生体比得书云所寓广教僧》
痒觉是一种区别于触觉、温觉、痛觉的躯体感觉，可在多种生物中引起保守性抓挠行为。痒觉分为化学痒与机械痒，化学痒即化学物质产生的痒觉，如蚊虫叮咬、花粉过敏引起的瘙痒等；机械痒为轻触带来的痒觉，如用毛刷轻拭皮肤带来的痒觉。本文中的痒觉，单指化学痒。
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抓挠瘙痒可带来如释重负的轻松感，开篇中爱国诗人陆游的这句诗词，正是以抓挠瘙痒产生的舒爽感形容快速阅读带来的愉悦感。然而，对于慢性痒患者而言，长时间抓挠会导致皮肤破损，痛苦万分。为解决慢性痒相关疑难杂症，我们需了解介导与调控痒觉的神经环路，晓其机理，方能开发出针对性治疗策略。
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那么，痒觉是如何从外周传递到中枢神经环路呢？组胺等化学物质可作用于位于表皮中的相关受体，经由背根神经节中表达Nppb的痒觉感受器将痒觉信号传递到脊髓中[1]，上述痒觉感受器可在脊髓中释放Nppb以激活表达GRP的兴奋性中间神经元[1]，然后此类神经元释放的GRP作用于脊髓背角I层中表达其受体的GRPR兴奋性中间神经元[2, 3]，再经由投射性神经元将痒觉信号传递到脑干臂旁核[4]，进一步传递到更高级脑区。
图片来源：Science[1]
高级认知功能方面，痒觉可引起厌恶感，抓挠瘙痒则会带来比拟畅读的愉悦感。然而，对于大脑中调控此两种相反情绪的脑区及其相关神经环路机制，我们知之甚少。近期研究显示，中脑腹侧被盖区（VTA）中多巴胺能（DA）神经元是介导奖赏性行为的核心神经元，而VTA中γ-氨基丁酸能（GABA）神经元调控厌恶性行为[5, 6]，那么VTA是否与痒觉带来的情绪相关呢？
VTA介导的奖赏环路
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2019年04月15日，《Neuron》杂志在线刊登了上海交通大学医学院徐天乐研究组的最新重要工作[7]，他们发现VTA中γ-氨基丁酸能神经元编码痒觉带来的厌恶感，多巴胺能神经元介导抓痒引起的愉悦感。该研究阐释了介导痒觉-抓挠循环相关情绪的中枢神经环路机制，极大提高人们对痒觉领域的认知。
徐天乐教授
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急性痒模型中VTA GABA与DA神经元被差异性激活
过去的研究表明，VTA脑区中存在GABA神经元与DA神经元[8]。为研究这两类神经元是否参与抓挠行为，作者使用光纤钙信号记录方法，以组胺或氯喹作为急性致痒剂，在急性痒模型中记录两种神经元的激活水平。其中组胺通过组胺通路引起痒觉，氯喹通过非组胺通路引起痒觉[9]，均为常用致痒剂。
他们在Vgat-Cre或Dat-Cre小鼠的VTA中注射AAV-DIO-GCaMP6m以记录GABA或DA神经元钙信号，并在VTA上方植入光纤（图1A-C），发现组胺或氯喹引起的急性痒均可激活VTA脑区GABA与DA神经元。有趣的是，GABA神经元在抓挠起始时即被激活，而DA神经元在抓挠开始后5秒左右才被激活（图1D-K），表明这两类神经元可能会介导不同功能。
图1 急性痒以时间差异性激活VTA GABA与DA神经元
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痒觉激活VTA DA神经元依赖于抓挠行为
在上文中我们曾介绍过，VTA DA神经元参与奖赏性行为，GABA神经元参与厌恶性行为。由此，作者推测痒觉-抓挠循环引起的相反情绪分别由上述两类神经元编码。
为证实上述推测，作者让小鼠戴上一种自制的脖套（collar）以阻断小鼠的抓挠行为，并记录VTA DA或GABA神经元钙信号（图2A-C）。发现阻断小鼠抓挠行为后，组胺或氯喹引起的急性痒仍可激活VTA GABA神经元，但不再激活VTA DA神经元（图2D-K），表明VTA DA神经元的激活依赖于抓痒行为，暗示VTA DA神经元可能编码抓痒行为带来的愉悦感。
图2 痒觉激活VTA DA神经元依赖于抓挠行为
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急性痒模型中VTA GABA神经元正向调控抓挠行为
为进一步证实上述推测，作者通过光遗传操控方法探究VTA GABA神经元对急性痒引起抓挠行为的调控。他们在Vgat-Cre小鼠的VTA中双侧注射AAV-DIO-eNpHR并双侧植入光纤（图3A-B），发现光抑制VTA GABA神经元后，组胺或氯喹引起的抓挠行为显著减少（图3C-G）。
接着，他们在Vgat-Cre小鼠的VTA中双侧注射AAV-DIO-ChR2并双侧植入光纤（图3H-I），发现光激活VTA GABA神经元后，组胺或氯喹引起的抓挠行为显著增加（图3C-G），但并不引起自发性抓挠行为（图3M）。
以上结果表明，VTA GABA神经元正向调控小鼠在急性痒模型中的抓挠行为。
图3 急性痒模型中VTA GABA神经元促进抓挠行为
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急性痒模型中VTA DA神经元促进抓挠行为
上文结果暗示（图2），VTA DA神经元可能编码抓痒行为带来的愉悦感，因为阻断抓挠可阻断VTA DA神经元的激活。若此假设为真，激活VTA DA神经元可以促进进一步的抓挠行为；而抓挠时抑制VTA DA神经元，则会阻断抓挠行为，因为得不到应有的愉悦感。
为验证此，作者在Dat-Cre小鼠的VTA中双侧注射AAV-DIO-eNpHR并双侧植入光纤（图4A-B），发现光抑制VTA DA神经元后，组胺或氯喹引起的抓挠行为显著减少（图4C-G）。
如法炮制，他们在Dat-Cre小鼠的VTA中双侧注射AAV-DIO-ChR2并双侧植入光纤（图4H-I），发现光激活VTA DA神经元后，组胺或氯喹引起的抓挠行为显著增加（图4C-G），激活VTA DA同样不引起自发性抓挠行为（图4M）。
以上结果表明，VTA DA神经元也正向调控小鼠在急性痒模型中的抓挠行为。
图4 急性痒模型中VTA DA神经元促进抓挠行为
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VTA GABA与DA神经元差异性调控急性痒引起的抓挠行为
从上两部分结果中，我们得知VTA GABA促进抓挠行为，VTA DA神经元也促进抓挠行为。于是顺理成章，我们轻松得出推论，这两类神经元在急性痒模型中调控相同功能。然而，在这复杂纷扰的世界里，事情的真相永远比我们想象的更复杂。接下来，年轻、单纯的我们来看看作者如何探究VTA中两类神经元的功能差异。
作者认为，虽然VTA GABA与DA神经元均可正向调控抓挠行为，然而VTA DA神经元的激活具有时间延迟而且依赖于抓挠行为，由此两类神经元很可能差异性调控急性痒引起的抓挠行为。他们得出以下推论：倘若VTA DA神经元编码抓挠带来的愉悦感并促进进一步抓挠行为，光遗传操控效应会产生于抓挠行为起始之后，具有累积性；另一方面，VTA GABA神经元的光遗传操控效应会与之前的抓挠不相关，具有瞬时性。
为证实上述推论，作者光遗传操控VTA DA或GABA神经元并分析抓挠间隔与记录时间间之间的相关性，他们发现在组胺与氯喹模型中，光抑制VTA DA神经元引起抓挠间隔的累积式增加，而光抑制VTA GABA神经元后，抓挠间隔与再次抓挠延迟时间毫不相关（图5A-D）；另一方面，虽然光激活VTA DA或GABA神经元均减少抓挠间隔，但是光激活VTA DA后，抓挠间隔的与再次抓挠延迟时间的相关性更低（图5E-H）。此外，光激活VTA GABA神经元在给光时域早期增加了抓挠的可能性，而光激活VTA DA神经元或光抑制VTA GABA神经元无影响（图5I-L）。
图5 VTA GABA与DA神经元差异性调控急性痒引起的抓挠行为
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VTA GABA和DA神经元分别参与痒觉带来的厌恶感和抓痒带来的愉悦感
为直接探究VTA GABA、DA神经元在痒觉-抓挠循环引起的正、负面情绪中的功能，作者在Vgat-Cre或Dat-Cre小鼠的VTA中注射AAV-DIO-eNpHR，发现光抑制VTA GABA神经元后，小鼠对氯喹引起的厌恶性行为[10]显著降低；而光抑制VTA DA神经元后，小鼠对抓痒引起的偏好性显著降低（图6）。表明VTA GABA和DA神经元编码痒觉-抓挠循环中的不同情绪成分，验证了上文中提出的假设。
图6 VTA GABA和DA神经元分别参与痒觉带来的厌恶感和抓痒带来的愉悦感
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慢性痒模型中VTA GABA与DA神经元参与并调控抓挠行为
最后，为研究VTA GABA、DA神经元是否同样参与并调控慢性痒引起的抓挠行为，作者通过二苯基环丙烯酮（DCP）诱导慢性痒模型并记录VTA GABA与DA神经元的钙信号，发现与急性痒相似，VTA GABA神经元被抓挠行为瞬时激活，而VTA DA神经元在5秒左右的延迟后被激活（图7A-F）。此外，光激活VTA GABA神经元显著增加慢性痒引起的抓挠行为，光抑制VTA GABA、DA神经元均显著减少慢性痒引起的抓挠行为（图7G-J）。表明VTA GABA与DA神经元在慢性痒模型中编码相似功能。
图7 DCP诱导的慢性痒模型中VTA GABA与DA神经元参与并调控抓挠行为
结论
痒觉是一种躯体感觉，可在多种生物中引起保守性抓挠行为。痒觉会带来负面情绪，抓痒可引起愉悦感，然而对于编码上述两种相反情绪的神经环路机制，我们尚未可知。本篇文章结合光纤钙信号记录、光遗传、电生理、行为学等多种方法发现VTA脑区中GABA神经元编码痒觉带来的负面情绪，DA神经元编码抓痒引起的愉悦感，这两类神经元均正向调控痒觉引起的抓挠行为。这项研究揭示了介导痒觉-抓挠循环相关情绪的中枢神经环路机制（图8），为临床治疗慢性痒提供了有力支持！
图8 介导痒觉-抓挠循环相关情绪的神经环路示意图
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参考文献
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