J Neurosci︱曹君利课题组揭示前扣带回皮质调控镜像痛的环路机制

撰文︱曹君利，胡苏皖

责编︱王思珍

镜像痛（ mirror-image pain，MIP） 是一种与实际损伤部位相对的完整躯体痛觉敏感性增加的现象。临床研究在复杂区域疼痛综合征、类风湿性关节炎、牙痛、慢性偏头痛等慢性疼痛患者中常见MIP症状，主要表现为对侧部位的痛觉过敏或触诱发痛。MIP常被原发部位疼痛掩盖。用封闭治疗缓解原发部位疼痛后，患者仍然主诉对侧躯体疼痛，提示MIP可能独立于原发部位【1】。MIP可能增加慢性疼痛的治疗难度，因此预防MIP的产生具有重要的临床意义。

针对MIP的机制，研究人员提出胶质细胞激活等炎症因素和中枢敏化相关神经因素可能共同参与MIP的发生发展过程【2】。但目前大部分研究仍然集中在炎症因素上，针于神经因素的研究明显不足。在慢性疼痛过程中，疼痛信息是如何通过中枢机制传递到对侧从而引起MIP的仍不清楚。

2021年10月12日，徐州医科大学的曹君利教授课题组在Journal of Neuroscience上发表了题为“Contralateral Projection of Anterior Cingulate Cortex Contributes to Mirror-Image Pain”的研究论文，揭示前扣带回皮质（anterior cingulate cortex，ACC）环路对MIP的调控作用。胡苏皖和张琪为论文共同第一作者，曹君利教授为论文通讯作者。在此项研究中，作者发现，单侧慢性坐骨神经结扎（chronic constrictive injury of the sciatic nerve，CCI）损伤对侧ACC中跨胼胝体投射锥体神经元兴奋性增高，介导CCI对侧MIP，而对CCI引起的原发痛无影响；损伤对侧ACC中非跨胼胝体投射锥体神经元参与调控CCI引起的原发痛，而对CCI对侧MIP无影响。该研究揭示了一个新的ACC跨胼胝体投射环路参与调控慢性疼痛状态下MIP行为，丰富了我们对提供了慢性疼痛状态下MIP中枢机制的认识。

研究人员首先对小鼠进行单侧后爪CCI造模并观察疼痛行为。在造模7-14天后，手术对侧后爪痛阈明显降低，即出现MIP现象。以往一项研究报道了MIP现象伴随发现4个体感皮层双侧脑血流的增加，其中包括ACC【3】。ACC是一个与调控疼痛密切相关的脑区【4】。研究人员对小鼠ACC脑片进行免疫荧光染色后发现，表达MIP的CCI小鼠两侧ACC内c-Fos阳性神经元数量明显增多，并且多数与锥体神经元标记物CaMKIIα共标。这一结果提示CCI引起的慢性疼痛状态下，双侧ACC神经元兴奋性增加，且以锥体神经元为主。

接着，利用化学遗传学的方法分别特异性抑制两侧ACC中锥体神经元，发现抑制CCI同侧ACC锥体神经元可缓解CCI小鼠MIP行为；抑制CCI对侧ACC锥体神经元对MIP行为无影响（图1）。当特异性毁损CCI对侧ACC锥体神经元后，CCI小鼠MIP得到明显缓解。研究人员推测以上差异可能是因为CCI对侧ACC锥体神经元调控MIP的作用是一个缓慢过程。为了进一步判断，研究人员重复多次抑制这部分神经元，发现CCI小鼠MIP得到缓解（图2）。这些结果说明，CCI对侧ACC锥体神经元能够调控CCI引起的对侧MIP行为。

图1 分别抑制两侧ACC锥体神经元对疼痛行为的影响

（图引自：Hu et al., J Neurosci 2021）

图2 特异性毁损和重复多次抑制CCI对侧ACC锥体神经元对疼痛行为的影响

（图引自：Hu et al., J Neurosci 2021）

为了探索CCI对侧ACC锥体神经元调控MIP的下游环路机制，研究人员利用缺陷型单纯疱疹病毒（herpes simplex virus，HSV）介导的顺行跨单突触示踪策略【5】对CCI对侧ACC锥体神经元的下游脑区进行示踪。结果提示CCI同侧ACC内存在部分神经元接受来自对侧ACC锥体神经元的单突触投射，并且这种投射为跨胼胝体投射（图3）。随后，研究人员在标记CCI对侧ACC内跨胼胝体投射锥体神经元的前提下，对ACC脑片进行了免疫荧光染色，发现表达MIP的CCI小鼠被标记的锥体神经元中，c-Fos阳性比例明显增高。这一结果提示，CCI对侧ACC内跨胼胝体投射的锥体神经元兴奋性增高。

图3 HSV介导的对CCI对侧ACC锥体神经元下游脑区的示踪

（图引自：Hu et al., J Neurosci 2021）

进一步特异性抑制这部分锥体神经元并对小鼠的疼痛行为进行检测。结果表明，CCI小鼠两侧后爪痛敏现象并未受到影响。当重复多次抑制这部分神经元后，CCI小鼠MIP得到明显缓解，而CCI侧痛敏未受影响。特异性凋亡CCI对侧ACC内跨胼胝体投射的锥体神经元同样得到相似的结果（图4）。这些结果说明，CCI对侧ACC内跨胼胝体投射的锥体神经元能够介导CCI引起的MIP，而对原发痛无作用。

图4 重复多次抑制和特异性毁损CCI对侧ACC内跨胼胝体投射的锥体神经元对疼痛行为的影响

（图片引自：Hu et al., J. Neurosci. 2021）

为了进一步探究CCI对侧ACC内另一部分非跨胼胝体投射的锥体神经元在调控MIP中的作用，研究人员引入了“cre-off”系统【6】，并结合化学遗传学，特异性抑制这部分非跨胼胝体投射的锥体神经元。随后发现，单次或重复多次抑制CCI对侧ACC内非跨胼胝体投射的锥体神经元均不改变CCI引起的MIP，但能缓解CCI侧痛敏行为（图5）。这一结果提示，CCI对侧ACC内非跨胼胝体投射的锥体神经元介导CCI引起的原发痛，而对MIP无作用。

图5 单次和重复多次抑制CCI对侧ACC内非跨胼胝体投射的锥体神经元对疼痛行为的影响

（图引自：Hu et al., J Neurosci 2021）

图6 CCI对侧ACC锥体神经元介导原发痛和MIP机制示意图

（图引自：Hu et al., J Neurosci 2021）

文章结论与讨论，启发与展望以往研究认为原发痛和继发的MIP均由脊髓中胶质细胞激活所致【7】。胶质细胞可能通过缝隙连接、钙波和炎性因子释放等机制与其他胶质细胞交流，从而将疼痛信息传递到对侧【7】。然而，MIP的产生不太可能完全归因于脊髓中的炎性因素。如果没有来自神经系统精细的控制，MIP可能出现于不确定的躯体部位而不是精确的镜像位置【2】。因此，来自高级中枢的神经控制可能在MIP的发生发展中发挥十分重要的作用。在本项工作中，研究人员证明了ACC跨胼胝体投射在MIP产生中的调控作用。

目前该研究还存在一些有待解决的问题，比如，重复多次抑制CCI对侧ACC内锥体神经元才能达到MIP缓解的作用，这一情况是否与MIP相较原发痛延迟出现有关，即CCI对侧ACC介导MIP的作用是否是一种缓慢过程。另外，CCI对侧ACC内跨胼胝体投射发挥调控MIP作用的下游机制目前仍不清楚。此外，神经系统其他具有对侧投射（如其他皮质、脊髓等）的核团/区域是否对MIP具有类似的调控作用，这一问题仍需进一步探索。

总之，该研究揭示了慢性疼痛下，损伤对侧ACC内跨胼胝体投射和非跨胼胝体投射的两群锥体神经元分别介导CCI引起的MIP和原发痛（图6）。该研究可能将为进一步探索慢性疼痛下疼痛转移的中枢机制提供新方向。

原文链接：https://www.jneurosci.org/content/early/2021/10/11/JNEUROSCI.0881-21.2021

胡苏皖（左），第一作者，徐州医科大学博士研究生；张琪（中），第一作者，徐州医科大学博士研究生；曹君利（右），通讯作者，徐州医科大学教授。

（照片提供自：曹君利实验室）

课题组介绍：曹君利，教授，江苏省麻醉临床医学中心主任，江苏省麻醉学重点实验室主任，国家药监局麻醉精神药物研究与评价重点实验室主任。教育部长江学者特聘教授，国家“百千万人才工程”入选者，国家有突出贡献中青年专家入选者，国务院特殊津贴专家，江苏省“333”人才工程第一层次。长期从事慢性疼痛及疼痛-抑郁共病的神经生物学机制研究，研究论文发表在Biological Psychiatry、PNAS、Current Biology、Neuropsychopharmacology、Journal of Neuroscience、Anesthesiology、Pain等国际学术期刊上。我们诚挚邀请有志于慢性疼痛神经生物学机制研究的同学、博士后和研究人员加盟。联系方式：[e-mail]。

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【1】 C. J. Sinnott, J. M. Garfield, G. R. Strichartz, Differential efficacy of intravenous lidocaine in alleviating ipsilateral versus contralateral neuropathic pain in the rat. Pain 80, 521-531 (1999).

【2】 D. Huang, B. Yu, The mirror-image pain: an unclered phenomenon and its possible mechanism. Neurosci Biobehav Rev 34, 528-532 (2010).

【3】 P. E. Paulson, T. J. Morrow, K. L. Casey, Bilateral behavioral and regional cerebral blood flow changes during painful peripheral mononeuropathy in the rat. Pain 84, 233-245 (2000).

【4】 K. K. Kummer, M. Mitric, T. Kalpachidou, M. Kress, The Medial Prefrontal Cortex as a Central Hub for Mental Comorbidities Associated with Chronic Pain. Int J Mol Sci 21, 3440 (2020).

【5】 L. Lo, D. J. Anderson, A Cre-dependent, anterograde transsynaptic viral tracer for mapping output pathways of genetically marked neurons. Neuron 72, 938-950 (2011).

【6】 A. Saunders, C. A. Johnson, B. L. Sabatini, Novel recombinant adeno-associated viruses for Cre activated and inactivated transgene expression in neurons. Front Neural Circuits 6, 47 (2012).

【7】 E. D. Milligan et al., Spinal glia and proinflammatory cytokines mediate mirror-image neuropathic pain in rats. J Neurosci 23, 1026-1040 (2003).

制版︱王思珍

本文完