Nat Neurosci：杨光等发现睡眠参与慢性疼痛形成与维持的神经通路

疼痛是包括人类和动物在内的生命体最基本的神经生理功能之一。当机体遭遇由外界环境因素或内在病理反应引起的伤害性事件时，遍布全身的感觉神经系统的神经末梢会立即把这些有害的信息转化成疼痛信号，并第一时间触发神经肌肉反射（reflection），使得受伤部位迅速远离危害源，从而使机体躲避和避免进一步伤害。例如，当手指不小心碰到火苗时，我们会下意识地缩手、远离灼烧，随后大脑才会意识到刚刚经历了被火烧的疼痛。这种疼痛被称之为“急性疼痛” (acute pain)。急性疼痛是漫长的进化过程中赋予具有神经系统的生命体的一种独特的保护性机制，对机体“趋利避害”起到关键性作用。因此，虽然我们都讨厌、畏惧疼痛，但急性疼痛却是一种有益的和必不可少的保护性生理机能。

然而，与急性疼痛相对的另一类疼痛，慢性疼痛 (chronic pain)，却是一种病理性的神经系统综合征。顾名思义，慢性疼痛是一种缓慢的、长期存在的临床症状，动辄以月计，甚至以年计。慢性疼痛的存在形式多种多样，常见的症状包括：肌肉骨骼疼痛(fibromyalgia)、慢性腰痛 (lower back pain)、三叉神经痛 (migraine)、化疗疼痛 (chemotherapy pain)、神经损伤导致的神经病理疼痛 (neuropathic pain)，等等。尽管疼痛发生部位和原发病因各异，但其共同特点是：持续时间漫长、给病人身体和精神造成的累积伤害极大。

目前，在全球范围内，慢性疼痛已经成为一项重大公共卫生难题。例如，根据美国疾病控制与预防中心 (CDC) 2018年的数据，仅美国就有超过5000万人具有不同程度的慢性疼痛，这个数字比罹患心脏病、癌症及糖尿病的患者总和还要多。然而，不幸的是，目前医学界和制药界并没有有效治疗慢性疼痛的药物。究其原因，可能主要是由于其发病机理极其复杂，除了外周感觉神经系统的参与之外，近年来的一系列临床和动物实验研究还提示，大脑内的一些脑区也关键性地参与了慢性疼痛的形成和维持。因此，普通的、作用于外周感觉神经系统的药物，例如阿片类药物（如吗啡），并不能有效打破慢性疼痛的长期性 (chronicity)。总的来说，科学界迫切需要找到慢性疼痛的病因学基础 (etiology)，从而给制药界提供新的药物研发思路和靶点、给医生提供新的临床治疗方法。

睡眠，作为一种关键的生理机能，对于维持生命的存在、机体的健康状态、修复机体损伤等等方面有着不可替代的作用。它与慢性疼痛之间似乎也存着千丝万缕的关联。很多人可能会有这样的直观感受：一方面，如果身体疼痛，睡眠质量往往会急剧下降；另一方面，如果连续一段时间睡眠质量欠佳，例如失眠、睡眠中频繁醒来，那么随之而来地，会感觉身体“不舒服”，甚至感觉浑身疼痛。这些直观感受其实反映了睡眠和慢性疼痛之间深刻的内在关联【1,2】。那么，是否慢性疼痛可以通过跟睡眠相关的疗法进行有效预防和治疗呢？

早在1975年，美国约翰霍普金斯大学医学院的Harvey Modolfsky博士和同事们就研究了罹患肌肉骨骼慢性疼痛 (fibromyalgia) 的病人的睡眠状况 【3】。他们首次利用脑电和肌电记录的方法比较了慢性疼痛病人和健康对照人群的差别，发现病人的“非快速眼动睡眠“（nonrapid eye movement sleep，缩写为NREM）质量显著下降。这项研究首次用实验数据定量地展示，慢性疼痛会导致睡眠质量下降。随后，在1976年，他们又进一步研究了是否干扰睡眠质量会诱发慢性疼痛症状【4】。与预期一致，健康的志愿者在经历一段时间NREM睡眠干扰后，普遍出现了慢性疼痛的症状。这两项先驱性临床研究揭示了慢性疼痛和睡眠质量之间可能存在“因果关系”。

然而，这种可能的“因果关系”是否确实存在？如果存在，它背后的神经线路、细胞及分子机理是什么呢？【1,2】 这些难题从最初现象在临床实践中被发现和定量描述开始（1975年），已经困扰了该领域长达近半个世纪（1975-2023）。

2023年1月23日，美国哥伦比亚大学医学中心的周航博士（第一作者）和杨光博士（通讯作者）及其同事们在Nature Neuroscience杂志上发表了文章A sleep-active basalocortical pathway crucial for development and maintenance of chronic pain【5】，首次明确揭示了睡眠参与慢性疼痛的形成与维持的大脑神经线路基础。该线路从外周感觉神经纤维的损伤端起始，途经中脑臂旁核、基底前脑核团，抵达初级感觉皮层，形成了一条整合疼痛信号、睡眠调控核团和皮层神经调制的通路。这项研究是近半个世纪以来，首次为理解睡眠质量和慢性疼痛之间的内在关联提供了明确的神经生物学证据，可能对治疗慢性疼痛、开发相关疗法和靶向药物具有潜在的重要提示意义。

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从2016年夏季开始，周航等人对于上述的未解之谜产生了浓厚的兴趣。哥伦比亚大学麻醉系终身副教授、实验室主任杨光博士谈到，“我的实验室一直对睡眠在学习与记忆中的关键作用保持高度兴趣，我们和合作者的一系列研究揭示了睡眠在动物学习活动后关键性地参与相关记忆的形成，并且发现了一系列神经突触机理【6,7】。” 周航博士表示，“我对各种有趣的动物行为背后的神经线路基础着迷，其中就包括睡眠、学习与记忆，这也是最初我决定加入杨光博士的实验室开展博士后研究工作的初衷。她的实验室有着最好的学术氛围和世界一流的活体动物双光子显微成像技术。这些条件都为解决睡眠与慢性疼痛之间的因果关系和背后机理打下了必要基础。”

为了解决这个难题，找到神经线路和细胞分子基础，周航和杨光最初的灵感源于非快速眼动睡眠 (NREM) 对于记忆巩固 (memory consolidation) 的重要作用。大量研究发现，NREM睡眠在长期记忆形成的过程中，尤其是记忆巩固阶段，发挥着关键作用；通过记忆巩固，大脑就可以把记忆长期存储起来。这种长期记忆存储似乎与“慢性疼痛”的长期持续性特征存在相似性，即二者都会作为特定“信息”被机体长期存储。基于这种想法，一些科学家们提出了一种猜想【8】：是否慢性疼痛也是一种“记忆”？大脑是否因为“记住”了慢性疼痛相关的信息，从而长期保持这种“疼痛记忆”，进而在症状上表现为持续疼痛？实际上，这种猜想被动物实验和临床证据所支持。例如，动物实验证实大脑扣带皮层 (anterior cingulate cortex) 神经突触可塑性与慢性疼痛的形成密切关联【8】。又如，很多外周神经损伤患者在损伤痊愈后很长一段时间仍然感到疼痛，这种疼痛不能够被作用于外周靶点的止痛药有效缓解；再如，一些截肢患者，虽然患肢不复存在，仍会感觉到肢体疼痛（所谓“幻肢痛”），等等。基于这些线索，周航和杨光猜测：是否NREM睡眠也会巩固“疼痛记忆”，从而参与了慢性疼痛的形成和维持？

为了验证这个假说，他们决定使用一种叫做SNI (spared nerve injury) 的神经病理性慢性疼痛动物模型；SNI模型的原理是，通过手术造成单侧大腿坐骨神经分枝的损伤（如图所示），模拟因外周神经损伤导致的神经病理性慢性疼痛。该研究团队之前的论文展示，小鼠在接受SNI手术后，大脑初级感觉皮层 (primary somatosensory cortex, 简称S1) 中兴奋性神经元的自发性钙活动在清醒时显著增强，进而参与形成慢性疼痛【9】。在本研究中，周航等人全新发现，从SNI手术三天开始，S1兴奋性神经元的自发性钙活动在NREM睡眠时显著增强，且其增强幅度明显高于大脑在清醒时或其他睡眠阶段的钙活动变化。这个有趣的现象提示，NREM睡眠过程中，S1兴奋性神经元放电活动的增强可能与外周神经损伤导致的慢性疼痛的形成过程有紧密关联。进一步研究发现，S1兴奋性神经活动的加强是由一类叫做“VIP中间神经元”的细胞活动增强而导致的。那么，是否可以通过在睡眠（尤其是NREM睡眠）过程中，抑制S1皮层VIP神经元活动实现缓解慢性疼痛的形成呢？令人振奋的是，根据实验结果，答案是肯定的。

进一步地，他们试图找到这种与NREM睡眠密切相关的慢性疼痛形成过程背后的神经线路基础。他们发现，一个调控睡眠活动的关键脑区—基底前脑区 (basal forebrain) —内的一个亚核团—基底前核团 (anterior nucleus basalis, 简称aNB)，可以通过单突触连接直接投射到S1的VIP神经元上，并且在NREM睡眠中加强突触递质的释放，从而使得VIP神经元活动在NREM时显著增强。值得一提的是，aNBS1投射神经元中绝大多数是乙酰胆碱能神经元；在没有外周神经损伤的健康动物大脑中，这些乙酰胆碱神经元在NREM睡眠时表现为较低（与清醒和其他睡眠阶段相比）的放电活动。这些发现（同时结合行为学、化学遗传、光遗传、药理学、基因敲除等实验证据）表明，外周神经损伤会导致aNBS1乙酰胆碱的释放在NREM睡眠时异常增强，使得VIP神经元活动加强，从而促进兴奋性神经元活动加强，最终形成慢性疼痛

那么，外周神经损伤又是如何导致基底前脑aNB核团的乙酰胆碱神经元在NREM睡眠时异常增强的呢？该研究进一步发现，位于中脑的臂旁核 (parabrachial nucleus) 介导了外周初级感觉神经元 (位于背根神经节，dorsal root ganglion，简称DRG) 向中枢神经系统传递的疼痛信号，并且直接传递给基底前脑aNB核团的乙酰胆碱神经元，从而促使这些神经元活动在NREM睡眠时异常加强，最终引起大脑初级感觉皮层S1神经元的兴奋性电活动增强，进而参与大脑中慢性疼痛相关的“记忆”的形成与维持。

(图片由周航博士提供)

总之，该项研究综合运用双光子显微成像术、自聚焦透镜 (GRIN lens) 深脑成像术、脑电/肌电图记录、行为学、化学遗传学、光遗传学、神经线路示踪、药理学、基因编辑等多种实验技术，全新地发现了一条由外周神经损伤引起的、在NREM睡眠中异常活跃的PBaNBS1神经通路，并详细阐释了该通路对慢性疼痛的形成与维持起到关键性作用。这一神经通路的发现，是近半个世纪以来首次翔实地揭示了睡眠参与慢性疼痛形成与维持的一种神经机理，该机理包括神经线路解剖学、细胞类型特异性及神经调制分子机制在内的多个方面，为彻底解决“睡眠与慢性疼痛”这个谜题，提供了新的线索。同时，该研究也为临床和制药领域开发治疗慢性疼痛的新型疗法和新型药物提供了一种值得探索的思路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-022-01250-y

部分参考文献：

[1] Finan, P.H., Goodin, B.R. & Smith, M.T. The association of sleep and pain: an update and a path forward. J Pain 14, 1539-1552 (2013).

[2] Haack, M., et al. Sleep deficiency and chronic pain: potential underlying mechanisms and clinical implications. Neuropsychopharmacology 45, 205-216 (2020).

[3] Moldofsky, H., et al. Musculoskeletal symptoms and non-REM sleep disturbance in patients with "fibrositis syndrome" and healthy subjects. Psychosom Med 37, 341-351 (1975).

[4] Moldofsky, H. & Scarisbrick, P. Induction of neurasthenic musculoskeletal pain syndrome by selective sleep stage deprivation. Psychosom Med 38, 35-44 (1976).

[5] Zhou, H., et al. A sleep-active basalocortical pathway crucial for generation and maintenance of chronic pain. Nat Neurosci (2023). https://www.nature.com/articles/s41593-022-01250-y

[6] Yang, G., et al. Sleep promotes branch-specific formation of dendritic spines after learning. Science 344, 1173-1178 (2014).

[7] Li, W., et al. REM sleep selectively prunes and maintains new synapses in development and learning. Nat Neurosci 20, 427-437 (2017).

[8] Bliss, T.V., Collingridge, G.L., Kaang, B.K. & Zhuo, M. Synaptic plasticity in the anterior cingulate cortex in acute and chronic pain. Nat Rev Neurosci 17, 485-496 (2016).

[9] Cichon, J., et al. Activation of cortical somatostatin interneurons prevents the development of neuropathic pain. Nat Neurosci 20, 1122-1132 (2017).