Neurosci Bull︱李云庆课题组揭示前扣带回内神经可塑性改变与慢性胰腺炎的痛觉过敏和焦虑有关
重 要 说 明
希望广大读者朋友继续喜欢、支持、认可“逻辑神经科学”。“逻辑神经科学”也期待更多读者朋友的建议、指导与反馈。我们将继续与大家一起严谨地学习、启发、进步，一起汇百家争鸣，促求真明理。
“逻辑神经科学”：聚焦神经科学，报道最新进展，启发学术思维”。
撰文︱任丹，白杨
责编︱王思珍
反复发作或持续性腹痛是慢性胰腺炎（chronic pancreatitis，CP）最显著的症状之一，严重影响CP患者的生活质量。近年来对慢性胰腺炎痛的研究重点已从胰腺的解剖学机制转移到神经生物学机制，可以概括为以下三个过程：外周敏化，胰腺神经病变和中枢疼痛环路[1]的神经可塑性改变。内脏信息可通过双侧迷走神经传递到孤束核（nucleus tractus solitarius，NTS）[2,3]，进而传递到更高级的中枢，如蓝斑、臂旁核、延髓头端腹内侧核、杏仁核和丘脑[4,5]，并最终到达边缘系统和大脑认知中心，参与痛相关情绪的调控[2]。前扣带回（anterior cingulate cortex，ACC）是肠道相关内脏感觉传递和内脏运动调控的关键枢纽，还参与痛觉感知和痛觉负性情绪的调控。ACC内兴奋性突触传递的长时程增强（long-term potentiation）被认为可维持病理性痛和痛相关的焦虑。然而，在CP痛状态下，ACC内是否存在神经可塑性变化仍不清楚。此外，ACC相关参与内脏痛信息传递或调控的神经通路很少受到关注。
2021年12月15日，中国人民解放军空军军医大学的李云庆教授团队联合广西医科大学人体解剖学教研室在Neuroscience Bulletin上发表了题为“Anterior Cingulate Cortex Mediates Hyperalgesia and Anxiety Induced by Chronic Pancreatitis in Rats”的研究论文。任丹、李佳妮、邱欣桐和万法萍为论文共同第一作者，李云庆教授与白杨主治医师为通讯作者。此项研究阐述了前扣带回内的神经可塑性变化参与了慢性胰腺炎所致的痛觉过敏和焦虑的维持CP痛的治疗中ACC是一个潜在的神经调节干预靶点。
该课题组先前的研究表明，NTS是因CP和心绞痛引起的内脏痛的重要传入中枢[6]。由此提出ACC可能直接接收来自NTS的内脏痛信息的传入，且ACC内的神经可塑性改变与CP的痛觉过敏和焦虑有关。
课题组利用三硝基苯磺酸（trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）经大鼠胰管内注射建立CP模型，通过行为学和形态学观察，CP引起大鼠内脏痛行为学改变，NTS和ACC内FOS阳性神经元显著增加，且具有时间相关性。通过NTS内注射顺标病毒，结合ACC内注射荧光金（fluorogold，FG）逆标示踪术（图1 A），观察到ACC接收来自NTS的直接投射（图1 D-F），终末与ACC内CaMKII阳性神经元的接触联系较多且FOS表达阳性。这些形态学数据提示，在CP相关痛觉信息的传递或调控中，ACC内突触后锥体神经元可能起主要作用。
图1 TNBS诱发的CP大鼠ACC内VGluT1高表达
（图源：Ren, D., et al., Neurosci. Bull. 2021）
囊泡膜谷氨酸转运体1（vesicular glutamate transporter 1，VGluT1）是兴奋性突触传递所必需的，谷氨酸需要转运到突触囊泡内并在大脑皮层内进行胞吐释放，故VGluT1的表达量不仅能够代表谷氨酸的含量，而且能影响神经传递的功效[7] 。研究团队采用免疫组织化学双重染色和分子生物学方法，检测了在ACC中VGluT1的表达。其中VGluT1和NeuN的双重免疫染色显示，在术后14天，与对照组（sham组）相比，TNBS组中VGluT1阳性的轴突终末数目较多，且与神经元接触更为紧密（图2 A1-4）。同时，通过蛋白印迹（western blot）检测ACC内VGluT1在TNBS诱发CP疼痛模型中表达上调（图2 B, C）。这些数据表明TNBS诱发的慢性胰腺炎内脏痛刺激谷氨酸释放，为ACC内的突触传递增强提供了突触前证据。
图2 TNBS诱发的CP大鼠ACC内VGluT1高表达
（图源：Ren, D., et al., Neurosci. Bull. 2021）
N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4 -异恶唑丙酸受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor，AMPAR）介导谷氨酸兴奋性突触传递。研究人员分离ACC的膜蛋白与胞浆蛋白，通过western blot法在CP大鼠的ACC内，检测到NR2B的膜蛋白表达明显上调（图3 B, H），而胞浆蛋白含量显著下调（图3 C, I）。另外，pNR2B的膜蛋白表达随着TNBS诱发CP的时间延长显著性上升（图3 B, J），TNBS组胞浆蛋白pNR2B表达虽有下降的趋势，但没有观察到明显的差异（图3 C, K）。作为AMPAR的关键亚基，GluR1在突触膜内产生AMPAR运输和整合，GluR1的过度表达与躯体性和内脏性的慢性疼痛的维持相关[8]。研究团队观察到在TNBS组膜蛋白中GluR1的表达明显高于sham组（图3 B, D），而且胞浆蛋白GluR1没有显著的变化（图3 C, E）。此外，磷酸化GluR1的含量也在CP的过程中增加（图3 C, F），而胞浆蛋白pGluR1的含量保持不变（图3 C, G）。这些结果表明TNBS诱发的CP引起ACC突触后传递增强可能与GluR1亚基及NR2B亚基的膜转运和磷酸化修饰有关。
图3 TNBS诱发的CP大鼠ACC内谷氨酸受体亚单位及其磷酸化受体向膜上转运
（图源：Ren, D., et al., Neurosci. Bull. 2021）
最后，研究团队将NMDAR和AMPAR拮抗剂CNQX与AP-5微量注射到ACC内以阻断兴奋性突触传递，显著减轻CP大鼠的腹部机械痛敏，这与在ACC内给予内吗啡肽的镇痛作用相似（图4）。通过化学遗传学方法抑制 ACC 锥体神经元的兴奋性，可减少痛觉过敏和焦虑（图5）；而通过光遗传学方法激活这些神经元，未能加重上述行为学改变。这些结果提示在CP状态下，ACC兴奋性神经元的激活在CP状态下已达到峰值，因而进一步增强其活性并不能引起更多的疼痛感。但抑制ACC内锥体神经元活动可以缓解了慢性胰腺炎的疼痛和及其相关的焦虑情绪。
（图源：Ren, D., et al., Neurosci. Bull. 2021）
图5 化学遗传学抑制双侧ACC锥体神经元可减轻CP大鼠内脏痛反应与焦虑样行为
（图源：Ren, D., et al., Neurosci. Bull. 2021）
在CP模型大鼠中，ACC内的锥体神经元突触前谷氨酸释放增加，突触后谷氨酸受体和磷酸化表达增加，提示在CP疼痛状态下存在中枢敏感化，通过抑制ACC内锥体神经元的兴奋性有显著的镇痛作用，与局部给予阿片类药物的作用相当。由此可见，ACC是CP痛治疗中神经调控干预的潜在靶点。
本研究结果为进一步研究ACC相关环路参与CP引起的痛觉过敏和焦虑的机制奠定了基础。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs12264-021-00800-x
中国人民解放军空军军医大学梁銶琚脑研究中心的李云庆教授为本文通讯作者，白杨主治医师为共同通讯作者，研究生任丹、李佳妮、邱欣桐和万法萍为共同第一作者。该研究受国家自然科学基金项目（No . 81620108008, No . 31971112）；陕西省创新能力支撑计划项目（No . 2021TD-57）等基金支持。
通讯作者李云庆教授
（照片提供自李云庆实验室）
【1】EMBO Rep｜康九红课题组发现lncRNA SOX1-OT调控人ESC神经元发生的新机制
【2】Neuron︱李毓龙实验室开发新型荧光探针用于检测胞外ATP的时空动态变化
【3】Neurosci Bull丨徐广银课题组揭示通过DNA甲基化靶向脊髓星形胶质细胞中GATA1与P2x7r结合以缓解内脏痛的新机制
【4】Nat Rev Neurosci 观点文章︱阿尔茨海默症概率模型：淀粉样级联假说的修正
【5】J Neurosci︱万小红课题组揭示大脑对决策不确定性的任务一般性与特异性的神经表征
【6】eLife︱黄志力课题组发现觉醒新核团下丘脑室旁核调控觉醒和嗜睡
【7】Nat Commun︱女性更容易酗酒？缓解男女酗酒和焦虑行为的神经环路新发现：丘脑室旁核-终纹床核
参考文献（上下滑动查看）
[1] Olesen SS, Krauss T, Demir IE, Wilder-Smith OH, Ceyhan GO, Pasricha PJ, et al. Towards a neurobiological understanding of pain in chronic pancreatitis: Mechanisms and implications for treatment. Pain Rep 2017, 2: e625.
[2] Berthoud HR, Neuhuber WL. Functional and chemical anatomy of the afferent vagal system. Auton Neurosci 2000, 85: 1-17.
[3] Hermes SM, Colbert JF, Aicher SA. Differential content of vesicular glutamate transporters in subsets of vagal afferents projecting to the nucleus tractus solitarii in the rat. J Comp Neurol 2014, 522: 642-653.
[4] Breit S, Kupferberg A, Rogler G, Hasler G. Vagus nerve as modulator of the brain-gut axis in psychiatric and inflammatory disorders. Front Psychiatry 2018, 9: 44.
[5] Okada S, Katagiri A, Saito H, Lee J, Ohara K, Iinuma T, et al. Functional involvement of nucleus tractus solitarii neurons projecting to the parabrachial nucleus in trigeminal neuropathic pain. J Oral Sci 2019, 61: 370-378.
[6] Li J, Zhang M M, Tu K, et al. The excitatory synaptic transmission of the nucleus of solitary tract was potentiated by chronic myocardial infarction in rats. PLoS One, 2015, 10(3): e118827
[7] Wojcik S M, Rhee J S, Herzog E, et al. An essential role for vesicular glutamate transporter 1 (VGLUT1) in postnatal development and control of quantal size. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004, 101(18): 7158-7163.
[8] Zhang J, Abdullah J M. The role of GluA1 in central nervous system disorders. Rev Neurosci, 2013, 24(5): 499-505.
制版︱王思珍
本文完