疼痛是一种有意识的主观体验，包含了疼痛感觉和情感体验两个维度，通常由伤害性感受器（Nociceptor）和伤害性通路激活引起。大量证据表明，伤害性感受器的激活并不一定引发痛觉，痛觉的发生需要负性情感体验的存在[1]。然而，在已报导的动物疼痛模型中，评估动物疼痛情感体验的行为学指标仍然十分缺乏。另一方面，前扣带回皮层（Anterior Cingulate Cortex，ACC）是负性情绪记忆储存的重要脑区，它接受来自蓝斑（Locus Coeruleus，LC）的广泛投射。LC与警觉性及敏锐度调节高度相关，在疼痛记忆的建立中起到了重要作用[2]。然而，LC-ACC神经环路通过何种神经递质参与疼痛记忆的形成和巩固，ACC内星形胶质细胞在疼痛记忆中扮演了何种角色，目前仍所知甚少。为了解决上述难题，近日香港城市大学（City University of Hong Kong）李婴教授课题组在Communications Biology上发表题为“Adrenergic signaling to astrocytes in anterior cingulate cortex contributes to pain-related aversive memory in rats”的研究论文，报道了ACC星形胶质细胞肾上腺素能信号参与了大鼠疼痛相关厌恶记忆形成。他们通过建立大鼠疼痛相关厌恶记忆行为学范式、LC-ACC神经环路调控、星形胶质细胞化学遗传调控，去甲肾上腺素β2受体敲低等方法深入研究这一课题。首先，李婴教授团队建立了一种评估大鼠疼痛厌恶记忆的行为学范式。他使用结直肠扩张（Colorectal Distention, CRD）诱发内脏疼痛，并与条件位置回避（Conditioning Place Avoidance, CPA）行为结合。大鼠在持续四天的训练后，将习得内脏疼痛与特定位置的记忆联系，对接受CRD训练的场所产生厌恶并予以回避。在这一基础上，作者使用光遗传技术调控LC-ACC神经环路，观察特异性投射至ACC的LC神经元在疼痛厌恶记忆中起到的作用。首先，作者于ACC注射AAV2-retro-Cre病毒，其可以逆行回到LC，并通过Cre-DIO系统，于LC内注射的AAV2/9-Dio-ChR2-EYFP病毒结合，表达EYFP荧光蛋白，标记了投射至ACC的LC神经元。此时，使用光遗传特异性激活或抑制这一群投射至ACC的LC神经元，可以显著增强或降低大鼠的疼痛厌恶记忆，以及LC和ACC内神经元活性标记蛋白c-fos的表达。提示LC-ACC神经环路特异性调控大鼠疼痛厌恶记忆的建立和巩固（图1）。图1：光遗传激活LC投射至ACC神经元增强大鼠疼痛厌恶记忆
（图源：Iqbal Z, et al., Commun Biol, 2023）LC至ACC的投射为去甲肾上腺素能神经元（Noradrenergic neuron，NEergic Neuron），已知星形胶质细胞内广泛存在去甲肾上腺素肾上腺素β2受体（β2 adrenergic receptor，β2AR），那么ACC内星形胶质细胞是如何参与大鼠疼痛厌恶记忆呢？接下来，作者在大鼠ACC中注射了GFAP-hM4Di病毒，通过化学遗传技术特异性激活星形胶质细胞Gi通路，抑制星形胶质细胞活性。结果显示，抑制ACC星形胶质细胞不仅可以有效降低大鼠疼痛厌恶记忆，还可以抵消光遗传激活LC-ACC投射神经元的记忆增强作用，提示ACC内的星形胶质细胞是疼痛厌恶记忆形成的关键靶点（图2）。图2：化学遗传激活星形胶质细胞Gi通路可抑制LC神经元激活引起的疼痛厌恶记忆增强（图源：Iqbal Z, et al., Commun Biol, 2023）为了进一步探讨星形胶质细胞β2AR在疼痛厌恶记忆中的机制，作者使用基于microRNA的RNA干扰(miRNAi)技术选择性敲低星形胶质细胞表达的β2AR。免疫荧光染色结果显示，89%表达于GFAP的星形胶质细胞β2AR已被成功敲低，而当与神经元细胞核标记NeuN共染色时，其在ACC神经元中的脱靶表达仅为1.84%。上述结果证实miRNAi特异性敲低星形胶质细胞β2AR，而对神经元细胞几乎没有影响。大鼠行为学结果显示，敲低ACC星形胶质细胞β2AR后，大鼠的疼痛厌恶记忆显著下降。揭示了去甲肾上腺素结合与ACC星形胶质细胞去甲肾上腺素β2受体是疼痛厌恶记忆产生的必要条件（图3）。图3：在ACC星形胶质细胞中特异性敲低β2ARs可抑制疼痛厌恶记忆（图源：Iqbal Z, et al., Commun Biol, 2023）文章结论与讨论，启发与展望综上所述，李婴教授建立了一种评估大鼠疼痛负性记忆的行为学范式，在此基础上，他们进一步发现了前扣带回皮层（ACC）星形胶质细胞在疼痛厌恶记忆中不可或缺的作用，它通过去甲肾上腺素β2受体，结合蓝斑（LC）投射至ACC神经元所释放的去甲肾上腺素，调控临近的ACC神经元突触可塑性，从而影响疼痛厌恶记忆的形成和巩固。过去对疼痛记忆的研究多集中于神经元，而忽视了星形胶质细胞对神经元的影响和调节。星形胶质细胞不仅通过糖酵解代谢乳酸为神经元细胞提供能量，也作为“第三突触”释放谷氨酸等神经递质，星形胶质细胞-神经元交互作用的机制将在未来进一步阐述。
原文链接：https://doi.org/10.1186/s12974-023-02690-4 通讯作者：李婴教授（左）；团队成员：Dr. Zafar IQBAL（左）、Liu Shu（右）
（照片提自：香港城市大学李婴教授团队）
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参考文献（上下滑动查看）
[1] Baliki MN, Apkarian AV. Nociception, Pain, Negative Moods, and Behavior Selection. Neuron 87, 474-491 (2015).[2] Wang J, Zhang X, Cao B, Liu J, Li Y. Facilitation of synaptic transmission in the anterior cingulate cortex in viscerally hypersensitive rats. Cereb Cortex 25, 859-868 (2015).