Trends in Neurosci：孙衍刚团队综述躯体感觉信息上行通路研究进展

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躯体感觉系统处理来自外界环境的机械、温度和化学等信息。它首先需要检测各种躯体感觉刺激并区分不同的感觉。除此之外，躯体感觉还包括情感维度，例如疼痛令人厌恶，而母亲轻拍婴儿后背则令人愉悦。这对于动物监测外界环境潜在的危险，做出适当的反应，以及各种社交行为都是至关重要的。

处理躯体感觉信息的神经网络包括多个关键节点，其中脊髓投射神经元将来自外周的躯体感觉信息传递到大脑，是躯体感觉信息处理的核心节点。以往的研究描述了脊髓上行通路的解剖学特征和部分功能的神经机制，但脊髓上行通路处理躯体感觉信息的机制还不完全了解。近期的研究逐步揭示了脊髓上行通路投射模式和分子特征的多样性。鉴于这种异质性，不同的脊髓投射神经元亚群和脊髓上行通路可能参与了躯体感觉不同亚模态及其多个组分的编码和处理。近日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心孙衍刚研究员在Trends in Neurosciences发表了题为 “Spinal ascending pathways for somatosensory information processing” 的综述论文，从解剖、分子和功能等角度总结了参与躯体感觉信息处理的脊髓上行通路的研究进展。

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脊髓背角的投射神经元具有高度的异质性。根据胞体和树突形态特征，投射神经元可分为纺锤形、锥形和多极神经元的3种亚型 ^[1-3]。根据不同分子特征区分，脊髓投射神经元已被鉴定出包括神经激肽1受体 (neurokinin 1 receptor, NK1R) 阳性，前速激肽原-1 (Preprotachykinin , Tac1) 阳性，Gpr83阳性等亚群 ^[9]。然而，由于这些分子标记物也在脊髓中间神经元中较高水平表达，因此对脊髓投射神经元亚群进行特异性标记仍然具有挑战性。绘制全面的脊髓投射神经元分子图谱，将帮助我们进一步解析和理解脊髓投射神经元的功能。此外，在投射模式上，脊髓投射神经元也呈现出高度异质性。早期示踪研究发现大多数脊髓投射神经元的轴突穿过中线至前外侧索，并终止于包括脑干、脑桥、中脑和前脑的多个脑区 ^[4-5]（图1）。近年来，研究人员还发现脊髓上行通路也存在对侧和双侧投射模式，扩大了我们对躯体感觉系统组织的理解。

▲图1. 脊髓投射神经元的解剖学特征。

脊髓投射神经元在解剖和分子层面的多样性为脊髓上行通路编码和处理多模态躯体感觉信息的功能多样性提供了基础。研究脊髓投射神经元的模式编码特性对于理解躯体感觉系统至关重要。近年来在解析脊髓投射神经元的功能方面已经取得了很大进展。早期在小鼠、大鼠、猫以及非人灵长类上的电生理研究揭示了脊髓上行通路在化学、机械和温度等信息处理中的作用（图2）。目前的证据表明，一些脊髓投射神经元可以被某些类型的躯体感觉刺激选择性地激活，例如特异响应冷觉的脊髓-丘脑束神经元 (spinothalamic tract neuron, STT neuron) ^[6]、脊髓-臂旁核神经元 (spinoparabrachial neuron, SPB neuron) ^[7]、特异响应痒觉的脊髓-丘脑束神经元 ^[8]，这些神经元表现出特定感觉模态的编码特性，符合经典的“labeled-line”理论。但是也有大量证据显示一些脊髓投射神经元响应多种躯体感觉刺激，表明躯体感觉在脊髓投射神经元中是以群体编码模式表征的。因此，脊髓投射神经元处理躯体感觉信息的一般原则还有待进一步探究。值得注意的是，之前的研究大多是在麻醉的动物上进行的，这些规律在清醒的动物上是否同样适用有待进一步探索。因此在后续的研究中，我们还需要在清醒的动物中通过群体记录等手段来继续解析脊髓投射神经元的编码特性。此外，越来越多的脊髓投射神经元的分子标记物被鉴定出来，这大大促进了解析脊髓投射神经元不同亚群在躯体感觉信息处理中的功能作用方面的进展。转录组测序技术的发展也可以帮助我们绘制全面的脊髓投射神经元分子图谱，为深入研究脊髓上行通路和理解躯体感觉系统奠定基础。

▲图2. 处理躯体感觉的感觉成分的主要脊髓上行通路。

从行为和认知的角度来看，躯体感觉中的情感成分可以帮助动物和人类对外部环境产生快速、适当的反应，这对于生存和社会行为都是至关重要的。在躯体感觉中，越来越多的证据，特别是来自触觉研究的证据，支持了编码情绪价值的信号传播到中枢神经系统的渠道与感觉成分的渠道不同这一假说。目前的研究发现，激活投射到臂旁核的脊髓投射神经元可以诱发小鼠的条件位置厌恶行为，提示脊髓-臂旁核环路可能介导躯体感觉中的负面情绪成分 ^[9] （图3）。然而我们在很大程度上仍然不知道躯体感觉中的感觉成分和情感成分是如何区分的，以及这两种成分在脊髓上行通路中是如何相互作用的，以及情感成分是以何种模式进行编码的。解析躯体感觉的情感成分的神经机制，并了解感知和情绪如何相互作用是至关重要的。开发新的范式来区分和评估躯体感觉的感觉和情感成分将是解决这些问题的关键。

▲图3. 处理躯体感觉的情绪成分的主要脊髓上行通路。

最后，脊髓上行通路的功能失调与慢性病之间的关系仍有待进一步探讨。最近，在脊髓水平上对慢性疼痛的突触前和突触后机制进行了研究。解析脊髓上行通路的突触可塑性可以帮助我们更好地理解慢性疼痛和瘙痒的机制。此外，外周损伤引起的染色质结构的变化可以改变脊髓神经元的基因表达和功能，引发慢性疼痛。因此，进一步研究脊髓上行通路的表观遗传调控，对理解慢性疼痛和瘙痒等疾病也有十分重要的意义，并有助于指导开发新的躯体感觉功能障碍的治疗方法。

本文参考文献（上线划动查看）

[1] Lima, D. et al. (1991) The spino-latero-reticular system of the rat: projections from the superficial dorsal horn and structural characterization of marginal neurons involved. Neuroscience 45, 137–152

[2] Lima, D. and Coimbra, A. (1986) A Golgi study of the neuronal population of the marginal zone (lamina I) of the rat spinal cord. J. Comp. Neurol. 244, 53–71

[3] Zhang, E.T. et al. (1996) Morphological classes of spinothalamic lamina I neurons in the cat. J. Comp. Neurol. 367, 537–549

[4] Gauriau, C. and Bernard, J.F. (2004) A comparative reappraisal of projections from the superficial laminae of the dorsal horn in the rat: the forebrain. J. Comp. Neurol. 468, 24–56

[5] Bernard, J.F. et al. (1995) Organization of the efferent projections from the spinal cervical enlargement to the parabrachial area and periaqueductal gray: a PHA-L study in the rat. J. Comp. Neurol. 353, 480–505

[6] Dostrovsky, J.O. and Craig, A.D. (1996) Cooling-specific spinothalamic neurons in the monkey. J. Neurophysiol. 76, 3656–3665

[7] Hachisuka, J. et al. (2020) Selective-cold output through a distinct subset of lamina I spinoparabrachial neurons. Pain 161, 185–194

[8] Andrew, D. and Craig, A.D. (2001) Spinothalamic lamina I neurons selectively sensitive to histamine: a central neural pathway for itch. Nat. Neurosci. 4, 72–77

[9] Choi, S. et al. (2020) Parallel ascending spinal pathways for affective touch and pain. Nature 587, 258–263

论文作者介绍

孙衍刚

研究员

孙衍刚，中国科学院脑科学与智能卓越创新中心高级研究员。2004年毕业于北京大学，获生理学博士学位。曾在美国圣路易斯华盛顿大学和德州大学健康科学中心从事博士后研究工作。2012年起任中国科学院神经科学研究所研究员。长期从事痛觉、痒觉信息处理的神经机制研究。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Neurosciences，

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▌论文标题：

Spinal ascending pathways for somatosensory information processing

▌论文网址：

https://www.cell.com/trends/neurosc-iences/fulltext/S0166-2236(22)00099-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tins.2022.05.005

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