Nat Neurosci：疼痛影响大脑中多巴胺活动（fMOST技术再次助力神经环路研究）
多项研究表明疼痛刺激能显著抑制腹侧被盖区(VTA)的多巴胺(DA)神经元的活动，而疼痛的缓解也伴随大脑中DA含量的增加。然而痛觉信号通过何种通路影响VTA的DA神经元的活动尚不清楚。
Nature Neuroscience 于2021年8月9日在线发表研究论文：Pain modulates dopamine neurons via a spinal-parabrachial-mesencephalic circuit。该研究由University of California, Berkeley、浙江大学杨鸿斌博士作为第一作者，在University of California, Berkeley的Stephan Lammel和University of California, San Francisco的Howard L Fields的指导下完成。
该研究揭示了lateral parabrachial(LPB)作为重要的痛觉信号中转中心，将痛觉信号投射到黑质网状部(SNR)，SNR进而通过直接和间接通路调节VTA的DA神经元活动，降低伏隔核lateral shell(NAcLat)中DA的释放。
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在大脑中存在一个主要的上行痛觉通路：起始于脊髓背角，终止于臂旁外侧核（LPB）。已有研究表明臂旁核是多巴胺能神经元伤害性输入的重要来源。LPB是如何调控多巴胺能神经元参与疼痛的呢？
研究人员首先结合顺行非跨突触示踪和全脑成像技术（fMOST技术），对LPB脑区的谷氨酸能神经元及GABA能神经元进行全脑内神经环路成像及空间定位、神经元完整形态成像及空间定位，发现LPB的谷氨酸能神经元(LPBVGLUT2)投射到包括末端纹状核、丘脑、下丘脑外侧、杏仁核中央核核、腹侧中脑在内的许多前脑脑区，而LPB的GABA能神经元(LPBGAD2)投射到背外侧导水管周围灰质。
fMOST技术绘制了LPB的全脑投射分布，为快速筛选重点投射及其脑区提供了助力，为疼痛调控DA神经元的环路研究指明了方向，确定了LPB的谷氨酸能神经元(LPBVGLUT2)大量投射到SNR和lateral VTA，且LPB → SNR和LPB → lateral VTA分别定位于LPB不同亚区，为两条相对独立的通路。
通过光遗传学激活LPBVGLUT2，结合离体脑片电生理记录，研究人员发现LPB与SNR的GABA能神经元形成兴奋性连接，与VTADA → NAcLat神经元也形成兴奋性连接，而VTA的GABA能神经元很少受LPB的支配。值得注意的是，LPB与VTADA形成兴奋性连接，与VTADA在疼痛刺激下活动受抑制的事实相矛盾。
图1.LPB投射到中脑的功能性解剖。
a-c, LPBVGLUT2到VTA、SNR和CeA的纤维投射。d-f, 投射到VTA、SNR和CeA的LPB神经元在LPB的亚区分布。g-j,光遗传学激活LPBVGLUT2 → VTADA或LPBVGLUT2 → SNR时，对VTADA → NAcLat神经元或SNR神经元的电生理记录。k, 光遗传学激活LPBVGLUT2 → VTA的GABA能神经元时，对VTA的GABA能神经元的电生理记录。l-m, 光遗传学激活LPBVGLUT2时，VTADA → NAcLat神经元或SNR神经元的放电频率变化。
为了解开这一谜团，研究人员首先发现了脊髓后角的上行纤维主要投射到LPB → SNR神经元，且电生理记录显示该投射形成兴奋性连接。
图2.脊髓后角神经元投射到LPB → SNR神经元。
a-c, 脊髓后角投射到LPB的ChR2阳性神经元（绿色）主要位于LPB → SNR神经元所在亚区（LPBd）。d, 光遗传学激活脊髓后角 → LPB神经元时，对LPB → SNR或LPB → VTA神经元的电生理记录。
进一步，研究人员研究了LPB → SNR是否被伤害性刺激激活。利用在体光纤钙信号和在体电生理记录，研究人员发现大量LPB → SNR能被机械性和热痛刺激激活。
图3.LPB → SNR神经元被多种疼痛刺激激活。
a-h, LPB → SNR神经元在四种不同刺激（tail shock, tail brush, tail pinch, heat）下的钙信号记录。i-p, ChR2标记的LPB → SNR神经元在热痛或tail shock的刺激下的在体电生理记录。
接下来，研究人员发现抑制LPB → SNR通路能缓解疼痛。在炎症性疼痛和神经病理性疼痛模型中，利用光遗传学抑制LPB → SNR或特异性消融这一通路均能显著缓解疼痛的行为学反应。
图4.抑制LPB → SNR降低疼痛的行为学反应。
a-f, 光遗传学抑制LPBVGLUT2 → SNR对福尔马林试验中lick相关行为学和机械性痛阈的影响。g-m, 光遗传学抑制LPBVGLUT2 → SNR对神经结扎模型动物的机械痛阈、热痛阈和条件性位置偏爱的影响。
接下来，研究人员解析了当LPB → SNR通路被激活时，SNR的GABA能神经元的下游通路如何影响VTADA神经元。
首先，研究人员利用在体电生理记录发现，当光激活LPB → SNR时，所记录的57%的SNR神经元增加了放电。并且这些神经元在pinch、heat或shock刺激下也增加了放电。
图5.接受LPB投射的SNR神经元被多种伤害性刺激所激活。
然后，利用顺行跨突触示踪技术，研究人员发现接受LPB投射的SNR神经元不仅投射到VTA，而且大量回返投射到LPB中LPB → lateral VTA所在亚区。
基于这一解剖学特征，研究人员提出问题：SNR的GABA能神经元是否直接抑制VTADA神经元，以及是否通过抑制LPB → lateral VTA从而间接抑制VTADA神经元？
结合光遗传学和离体电生理记录，研究人员发现SNR与VTA → NAcLat神经元形成抑制性突触连接，与LPB → VTA神经元也形成抑制性突触连接。SNR的GABA能神经元的激活能够抑制LPB → VTA神经元的自发性放电。因此，实验结果验证了SNR能够直接和间接抑制VTA神经元。
研究人员还验证了利用光遗传学激活LPB → VTA神经元能够缓解炎症性疼痛模型诱导的疼痛行为学反应。
图6.接受LPB投射的SNR神经元直接和间接支配VTA的DA神经元。
a-b, 接受LPB投射的SNR神经元投射到VTA和LPB中LPB → VTA所在亚区。c-f, 对接受SNR投射的VTA → NAcLat和LPB → VTA神经元的电生理记录。g-i, 光遗传学激活SNR的GABA能神经元时，对接受SNR投射的LPB → VTA神经元的电生理记录。j-l, 光遗传学激活LPB → VTADA神经元对福尔马林试验的lick相关行为学的影响。
最后，研究人员解答了疼痛是否通过LPB介导的通路抑制NAcLat中DA的释放。利用在体光纤钙信号记录，当用光遗传学激活SNR → LPB时，研究人员记录到了NacLat中的DA神经元的活动显著降低。并且，选择性消融LPB → SNR显著缓解了疼痛诱导的DA释放减少。
图7.LPB参与疼痛诱导的体内DA释放的减少。
a-e, 光遗传学激活SNR → LPB的神经纤维时，对VTADA投射到NAcLat和NAcMed的神经纤维的钙信号记录。f-i, 选择性消融LPB → SNR对tail shock和tail pinch引起的NAcLat中DA荧光指示剂（dLight1.2）信号的影响。
综上所述，该研究揭示了痛觉信号通过脊髓-臂旁-中脑环路抑制伏隔核中多巴胺的释放，加深了我们对于疼痛影响大脑中多巴胺活动的理解。
图8.通路模型图。
痛觉信号经脊髓后角、脑桥投射到中脑，抑制投射到伏隔核的DA神经元。
原文链接：
http://doi.org/10.1038/s41593-021-00903-8
参考文献
Verssimo J, Verhaeghen P, Goldman N, Weinstein M, Ullman MT. Evidence that ageing yields improvements as well as declines across attention and executive functions. Nat Hum Behav. 2021 Aug 19. doi: 10.1038/s41562-021-01169-7. Epub ahead of print. PMID: 34413509.
编译作者：Hong CL（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）