Neuron：调控呼吸、疼痛和焦虑的环路机制
呼吸作为基础的生命维持功能，其节律由延髓呼吸中枢产生，受到脑桥的调控。
多种生理和病理状态会改变呼吸节律，如剧烈疼痛和惊恐发作会导致过度通气。但是对于这种躯体感觉和情感状态影响呼吸的神经生物学机制，我们尚不清楚。
过往研究表明脑桥的臂旁核是重要的呼吸调控脑区，而其中的外侧臂旁核（PBL）是向高级中枢投射情感性疼痛信息的重要中转站，且有研究表明m阿片样受体阳性PBL神经元（PBLOprm1）介导阿片类药物引起的呼吸抑制。
Salk生物研究所的Sung Han团队在Neuron发表原著论文，揭示了PBLOprm1存在两群投射特异性的核-壳神经元，在PBL中形成局部相互兴奋网络，差异化协调呼吸与情感性疼痛和焦虑。
欢迎加入
全国痛-痒学术讨论群
全国神经环路学术讨论群
添加小编微信
brainnews_11
-留言痛-痒、神经环路研究群-
首先，研究人员对自由活动小鼠同时进行PBLOprm1神经元钙信号记录和呼吸幅度及频率的测量。结果显示PBLOprm1钙活动与呼吸幅度、频率的变化高度相关。
接着，研究人员发现，利用化学遗传学激活PBLOprm1导致呼吸频率升高，抑制PBLOprm1导致呼吸频率降低。由此说明PBLOprm1对于调控呼吸频率是充分的。
图2：激活或抑制PBLOprm1会改变呼吸频率
进一步，研究人员调查了PBLOprm1的输入和输出连接。输入连接的研究结果显示PBLOprm1接受大量边缘系统和感觉、自主神经系统相关脑区的投射，输出连接的结果表明PBLOprm1投射到大量输入脑区以及preBötC（呼吸节律的中枢模式发生中心）。
用化学遗传学特异性激活PBLOprm1 -> preBötC的神经末梢导致了呼吸频率迅速升高。以上结果表明PBLOprm1整合来自前脑、后脑和边缘系统的多种信息，并通过preBötC调控呼吸。
图3：PBLOprm1的输入和输出神经元图谱
那么，伤害性刺激是否通过PBLOprm1影响呼吸？
在麻醉小鼠中，热痛刺激和机械痛刺激均迅速导致呼吸频率升高、PBLOprm1钙活动升高。对非麻醉小鼠施加热痛刺激也得到了相同结果，且呼吸频率和PBLOprm1钙活动具有相关性。利用光遗传学抑制PBLOprm1降低了热痛或机械痛刺激导致的呼吸频率增加。这表明PBLOprm1的激活对于疼痛导致的过度通气是必要的。
图4：PBLOprm1参与疼痛诱导的过度通气
用化学遗传学抑制PBLOprm1降低了多种伤害性刺激导致的情感性疼痛行为和焦虑样行为；缩短了恐惧条件反射中的freezing时长。光遗传学抑制PBLOprm1诱导了位置偏爱；光激活诱导了位置厌恶。以上结果表明PBLOprm1对于疼痛导致的负性情感是必要的。
图5：抑制PBLOprm1会降低情感性疼痛行为和焦虑样行为
研究人员进一步利用原位杂交研究PBLOprm1可能的分子标志物，发现PBLOprm1在分子表达上高度异质，因此进一步对PBLOprm1进行在体单细胞钙信号记录，发现记录的62%的PBLOprm1，在受到机械痛刺激时，钙活动显著升高，同时钙活动变化与呼吸频率变化高度一致。该结果表明大量PBLOprm1在疼痛时参与调控呼吸。
进一步研究PBLOprm1投射差异，研究人员发现分别投射到边缘系统和呼吸中枢的PBLOprm1在解剖位置上相对分离，PBLOprm1 -> CeA形成“核”， PBLOprm1 -> preBötC形成“壳”，提示这两群PBLOprm1可能发挥不同功能。
分别对核和壳PBLOprm1进行在体钙信号记录，研究人员发现两者在受到热痛刺激时的钙活动变化均与呼吸频率变化高度一致，但只有壳PBLOprm1的钙活动与sniffing行为中的呼吸变化相关。
图7：PBLOprm1 -> CeA和PBLOprm1 -> preBötC形成“核-壳”解剖结构，且差异化地参与呼吸调控
光遗传学分别激活核PBLOprm1和壳PBLOprm1导致了相同的行为学变化：呼吸频率增加、情感性疼痛行为增加、焦虑样行为增加。
但化学遗传学分别抑制这两群神经元导致了差异化结果：两者均降低了疼痛导致的呼吸频率升高，但只有核PBLOprm1的抑制降低了疼痛导致的情感性疼痛行为和焦虑样行为。
Gain-of-function和loss-of-function实验结果的不同促使研究人员进一步研究两群神经元之间的相互影响。离体电生理记录结果显示：激活核PBLOprm1引起42.86%的壳PBLOprm1产生兴奋性突触后电流，激活壳PBLOprm1引起73.33%的核PBLOprm1产生兴奋性突触后电流。
以上结果说明核、壳PBLOprm1神经元之间形成相互兴奋网络。
总 结总结
综上，该研究结合呼吸监测方法、细胞类型特异性和投射特异性的环路研究工具，揭示了存在形成特异性核-壳解剖结构、分别投射到边缘系统和呼吸中枢、但形成相互兴奋网络的两群PBLOprm1神经元参与协调呼吸、疼痛和焦虑。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0896627321009909
参考文献
1. Chamberlin, N.L., and Saper, C.B. (1994). Topographic organization of respi- ratory responses to glutamate microstimulation of the parabrachial nucleus in the rat. J. Neurosci. 14, 6500–6510.
2. Liu, S., Kim, D.-I., Oh, T.G., Pao, G.M., Kim, J.-H., Palmiter, R.D., Banghart, M.R., Lee, K.-F., Evans, R.M., and Han, S. (2021). Neural basis of opioid- induced respiratory depression and its rescue. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118, 23.
编译作者：Hong Chaoli（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）