Neuron︱陈涛/李云庆/卓敏课题组合作揭示疼痛共情的突触和分子机制
撰文︱陈 琨
责编︱王思珍
共情（empathy）是一种能够理解以及分享他人感受以及情感的能力[1]。而对于疼痛的共情（empathic pain）在促进亲社会行为，抑制攻击性行为，提供社会发展的道德规范，发动和团结民众对抗灾害等方面均具有尤其重要的作用[2-4]。已经有许多文献证实了疼痛共情的存在。前额叶皮层和糖皮质激素是共情痛所必需的。前额叶皮层的病变[5]或糖皮质激素的抑制作用[6]会损害共情痛的形成。据报道，在大鼠前扣带回皮层（ACC）中，镜像神经元在目睹其他动物的疼痛时会增加放电[7]。最近的报道表明ACC伏隔核（NAc）通路在快速移情疼痛训练后被激活。ACC-NAc通路的光遗传学抑制可减轻小鼠的行为移情疼痛[8]。然而，我们对共情痛背后的神经机制的理解尚不清楚，并且共情痛背后的突触机制和分子机制仍然未知。
2022年4月19日，第四军医大学（空军军医大学）基础医学院人体解剖与组织胚胎学教研室陈涛、李云庆教授以及青岛院士港脑研究中心卓敏教授团队合作在Neuron上发表了题为“Glutamatergic synapses from the insular cortex to the basolateral amygdala encode observational pain”的研究论文，提出疼痛共情发生的神经环路机制。作者发现同窝小鼠更容易在观察疼痛模型小鼠后产生共情痛，大脑右侧岛叶（IC）向右侧杏仁核基底外侧部（BLA）发出的谷氨酸能投射通路参与共情痛的发生和维持，并且这条通路中的Synaptotagmin 2和RIM3分子在突触前、后对共情痛发挥了重要调节作用。张明明副教授、耿安奇副教授、陈琨讲师和王舰医师为论文共同第一作者，陈涛教授、李云庆教授和卓敏教授为论文共同通讯作者。
作者首先建立了小鼠的慢性疼痛共情模型：对成年小鼠左腿建立神经病理性痛模型后，将它与同窝的观察者小鼠放置在一中间有透明隔板的观察箱内。同窝观察者小鼠在第一次观察后就出现了后足的痛敏现象，并且在3-5天后达到峰值，该现象可持续1个月以上。然而，非同窝的陌生观察者小鼠只有在连续观察2周以上才逐渐出现后足的痛敏（图1）。
图1 小鼠慢性疼痛共情模型
（图源：Zhang MM et al., Neuron, 2022）
为了研究脑内是哪些核团和通路介导了疼痛共情的发生。作者通过FOScreER::Ai9小鼠筛查了脑内FOS蛋白在熟悉/陌生观察者小鼠之间表达模式的差异。发现右侧岛叶（IC）和右侧杏仁核基底外侧部（BLA）的FOS阳性神经元的表达差异最大。而作为痛觉信息传入的关键门户——脊髓背角的FOS阳性神经元——在产生疼痛共情的小鼠中并没有明显增加，这进一步证实了疼痛共情的发生机制可能在于高位脑组织的改变而与脊髓等低位脑结构无关，且右侧IC和BLA可能对于疼痛共情的产生存在着最为关键的调控效应。接着，作者结合神经束路示踪和全细胞膜片钳技术确定了IC内的锥体细胞向同侧BLA发出谷氨酸能投射，这条投射通路可以同时激活BLA内的兴奋性锥体细胞以及抑制性GABA神经元，激活的GABA神经元又抑制局部的锥体细胞，从而形成了典型的前馈抑制效应（feed-forward inhibition）。并且在同窝观察者小鼠中，IC向BLA内的锥体细胞及GABA神经元的谷氨酸能兴奋性投射均显著增强（图2）。以上结果说明IC-BLA增强的谷氨酸能投射通路与疼痛共情的产生和调控关系密切。
图2 基于光遗传病毒的全细胞膜片钳记录IC-BLA增强的谷氨酸能投射
（图源：Zhang MM et al., Neuron, 2022）
作者进一步通过结合cre逆标病毒以及含光/化学遗传学基团或者含Caspase3的DIO病毒，在C57小鼠和GAD2-Cre转基因小鼠特异性地增强或者减弱IC-BLA通路的活性，观察对于疼痛共情行为影响的程度和时程。结果显示：抑制向BLA投射的IC内谷氨酸能神经元活性，或者条件性凋亡BLA内通路后的谷氨酸能神经元均能够显著缓解同窝小鼠的共情痛；而增强这条通路的活性，或条件性凋亡BLA内通路后的GABA能神经元则会加剧共情痛的发生和维持。为了找到IC-BLA通路调控共情痛的关键分子，作者通过pTRAP技术，分别在突触前和突触后筛选出这条通路中的关键分子Synaptotagmin 2和RIM3（图3）。通过特异性地敲减两个分子在IC-BLA通路中突触前、后的表达，可以观察到共情痛被翻转或者显著抑制。与此同时，Synaptotagmin 2和RIM3的敲减也逆转了共情痛小鼠IC-BLA内增强的突触传递效应。
图3 pTRAP法筛选疼痛共情关键调控分子
（图源：Zhang MM et al., Neuron, 2022）
最后，鉴于早前ACC被证实参与了疼痛共情的发生，作者还进一步分析了IC与ACC脑区在共情痛发生和维持过程中的区别。通过离体和在体电生理记录，观察到在同窝小鼠疼痛共情发生的早期阶段，ACC和IC神经元兴奋性均增强。然而，只有IC神经元在疼痛共情的晚期阶段活性仍继续增强（图4）。这些结果表明：ACC更有可能与疼痛共情的形成和诱导有关，而IC在疼痛共情的形成和巩固阶段均发挥重要作用。此外，陌生观察者小鼠ACC和IC的神经元都没有明显激活，提示熟悉程度可能会增加IC神经元对共情训练刺激的敏感度。
图4 在体电生理记录显示ACC和IC在不同时间段的放电情况
（图源：Zhang MM et al., Neuron, 2022）
图5 文章总结图：疼痛共情发生的神经环路机制
（图源：Zhang MM et al., Neuron, 2022）
人类作为群体性动物，共情的产生与社交和情绪密切相关，动物实验中简单的痛觉刺激可能不足以对人类共情进行模拟，复杂的环境刺激、不同的社交范式和神经内分泌调节都可能参与了共情的发生和维持，未来的研究应当考虑多种因素的复合交互。并且，基于ACC和IC的神经纤维投射特点，它们与其他感觉、认知和情绪相关脑区的脑网络关系也值得更多的关注。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.03.030
第一作者从左至右：张明明、耿安奇、陈琨、王舰。
（照片提供自：空军军医大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学教研室）
通讯作者从左至右：卓敏、李云庆、陈涛。
（照片提供自：空军军医大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学教研室）
【1】Aging Cell 综述︱张宏/陈颖志/田梅合作评述肠道菌群调节小胶质细胞功能参与认知老化的作用机制
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【3】Trends Neurosci 综述︱生物钟与血糖昼夜代谢节律研究进展
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【5】Front Aging Neurosci 综述︱星形胶质细胞在脑缺血后神经血管单元中的双刃剑作用
【6】HBM︱基于区域的大脑核磁共振影像空间标准化方法，实现脑区的精确配准
【7】J Neuroinflammation︱彭英课题组揭示小胶质细胞线粒体自噬在吗啡所致中枢神经系统炎性抑制中的调控作用
【8】Curr Biol︱灵长类大脑中新颖性检测和惊奇与新近性的关系
参考文献（上下滑动阅读）
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制版︱王思珍
本文完