Mol Psychiatry︱杨春/曹君利/刘存明团队揭示外侧隔核向下丘脑外侧区GABA能神经元投射在疼痛和焦虑共病调控中的作用
慢性疼痛通常伴随焦虑的产生，而焦虑会加剧疼痛的症状，这很可能导致疼痛和焦虑之间的恶性循环[1-3]。但之前关于疼痛和焦虑的研究大多是独立进行的，仅有少数探讨了疼痛和焦虑之间的相互作用。另一方面，外侧隔核（lateral septum，LS）是调节情感行为的中枢，且LS中的神经元以GABAergic神经元为主[4]。LS的GABA神经元向多个脑区进行投射，其中就包括下丘脑外侧区（lateral hypothalamus，LH）。LH被认为是对疼痛刺激和因慢性疼痛引起的焦虑样行为作出反应的脑区[5,6]。LS和LH都与疼痛和焦虑密切相关，它们很可能参与了疼痛焦虑共病的调控。然而，目前对于LS和LH调控疼痛和焦虑共病确切的神经机制还知之甚少。
2023年01月16日，南京医科大学第一附属医院麻醉与围术期医学科杨春教授、刘存明教授与徐州医科大学江苏省麻醉学重点实验室曹君利教授团队在Molecular Psychiatry上发表了题为“Lateral septum-lateral hypothalamus circuit dysfunction in comorbid pain and anxiety”的文章，发现了LS中GABA能神经元在调节疼痛和焦虑共病中的关键作用，证实了激活LS的GABA能神经元可以诱发痛觉过敏和焦虑样行为，反之则引起痛阈升高和抗焦虑样行为，并进一步发现LS的GABA神经元向LH的投射在疼痛和焦虑共病中的调控作用。该发现为未来疼痛和焦虑共病的基础和临床研究提供了新的视角，并为疼痛和焦虑共病指出了一个潜在的治疗靶点。王娣（南京医科大学第一附属医院博士后）、潘翔宇（徐州医科大学硕士生）、周瑜（现复旦大学博士生）和吴仔峰（南京医科大学硕博连读生）为论文共同第一作者，杨春教授、曹君利教授和刘存明教授为论文共同通讯作者。（拓展阅读：曹君利课题组相关工作，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：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）
作者首先分别通过完全弗氏佐剂（complete Freund’s adjuvant，CFA）和慢性束缚应激（chronic restraint stress，CRS）构建慢性炎性痛和焦虑模型小鼠证实了慢性疼痛和焦虑之间存在着一定的相互作用。接着利用在体电生理、钙成像等技术证实了疼痛和焦虑的共病激活了LS中的GABA神经元。在此基础上，作者通过光遗传学技术和化学遗传学技术特异性的激活LS的GABAergic神经元的活性，小鼠表现出痛觉过敏以及焦虑样行为的增加。这些结果表明：激活LS中的GABA神经元的活性可以引起疼痛和焦虑共病表型的发生。为了进一步探讨疼痛/焦虑相关神经元在焦虑/疼痛中的作用，利用TetTag系统与化学遗传技术相结合只激活LS中与焦虑相关的神经元或者与痛觉相关的神经元，证实了LS中与痛觉/焦虑相关的神经元的激活可以引起焦虑样行为的产生/机械痛阈值的降低。因此，作者推测处理疼痛和焦虑的神经网络可能共用了LS神经元的亚群。
为了进一步明确LS中的GABA神经元在疼痛和焦虑共病中的确切作用，作者于双侧LS注射AAV2/9-DIO-taCasp3病毒，其可以逐渐消除LS中的GABA神经元，与对照组相比，注射taCasp3的CFA模型小鼠机械痛阈值升高伴随抗焦虑样行为增强，并且发现注射taCasp3可以显著阻断CRS模型小鼠的焦虑样行为。在此基础上，作者又分别利用光遗传学技术和化学遗传学技术特异性的抑制LS的GABA神经元的活性，结果在CFA和CRS模型小鼠中都表现出机械痛阈值升高伴随抗焦虑样行为增强的现象。因此，作者认为LS中的GABA神经元的激活是疼痛和焦虑共病的一个重要特征。
图1 LS及其下游投射通路
（图源：Wang D, et al., Mol Psychiatry, 2023）
为了进一步了解LS中的GABA神经元投射在疼痛和焦虑共病中调节作用，作者又追踪了LS中GABA神经元的轴突投射。首先将顺行性的病毒示踪剂（AAV2/9-DIO-EGFP或H129-ΔTK-tdT）注射入Vgat-Cre小鼠的LS内,进而观察LS中GABA神经元的下游靶点。接着又利用化学遗传技术特异性的激活LS中GABAergic神经元向下游不同脑区的投射。结果发现激活LS向斜角带水平支（horizontal limb of the diagonal band，HDB）的投射，焦虑样行为增多；激活LS向下丘脑外侧区（LH）的投射，机械痛阈值降低且伴随焦虑样行为增多；而激活LS向中脑导水管灰质（periaqueductal gray，PAG）的投射，机械痛阈值降低。这些结果进一步证实了LS中GABA神经元向HDB、LH和PAG的投射在调节焦虑和疼痛方面存在显著的功能差异。接下来作者又利用钙信号、光遗传学以及在体电生理等技术从多角度证实了LS中GABA神经元向LH的投射在调控疼痛和焦虑共病中的重要作用。
该研究受国家科技创新2030－重大项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、江苏省双创团队领军人才项目等基金支持。
通讯作者： 杨春教授（左），曹君利教授（中），刘存明教授（右）。
（图片提供自：杨春/曹君利/刘存明团队）
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[1] Yamauchi, N., et al., Chronic pain-induced neuronal plasticity in the bed nucleus of the stria terminalis causes maladaptive anxiety. Sci Adv 2022; 8: eabj5586.
[2] Liang, H. Y., et al., nNOS-expressing neurons in the vmPFC transform pPVT-derived chronic pain signals into anxiety behaviors. Nat Commun 2020; 11: 2501.
[3] Wiech, K. et al., The influence of negative emotions on pain: behavioral effects and neural mechanisms. Neuroimage 2009; 47: 987-994.
[4] Vega-Quiroga, I., et al.，Lateral septum stimulation disinhibits dopaminergic neurons in the antero-ventral region of the ventral tegmental area: Role of GABA-A alpha 1 receptors. Neuropharmacology 2018; 128: 76-85.
[5] Siemian, J. N., et al., An excitatory lateral hypothalamic circuit orchestrating pain behaviors in mice. Elife 2021; 10.
[6] Marcinkiewcz, C. A., et al., Serotonin engages an anxiety and fear-promoting circuit in the extended amygdala. Nature 2016; 537: 97-101.
本文完