【Inscopix应用】Science：什么造成了疼痛的不愉快感？

如果你踩到了一个大头钉，你大脑中的神经元会发出两个指令：一是你的脚上有刺痛的物理感觉，二是它令人不愉快的。现在，斯坦福大学的一组科学家已经发现了对不愉快负责的神经细胞，也就是对疼痛产生的负面情绪。

2019年1月18日，来自斯坦福大学医学院的Mark J. Schnitzer和Grégory Scherrer团队的研究人员在SCIENCE发表题为“An amygdalar neural ensemble that encodes the unpleasantness of pain”的研究论文，该论文通过使用美国Inscopix公司的nVista自由活动钙成像系统发现了在杏仁核基底外侧有一个独特的编码了疼痛的负面情感价值的神经元集合，揭示了伤害性刺激在杏仁核上的表征，对解释疼痛影响的机制提供了非常重要的线索，极力地提供了一个改善慢性疼痛痛苦的新的治疗策略。

疼痛研究传统上聚焦于疼痛感知第一线的神经元和分子——处理刺痛、割伤、烧伤等的神经细胞——并最终传递出一种物理威胁的信息。斯坦福大学医学院麻醉学和神经外科助理教授Gregory Scherrer博士和生物学和应用物理学副教授Mark Schnitzer的研究将疼痛的研究往前推进了一步。“我们正在研究大脑是如何处理这些信息的，”Scherrer说。“虽然疼痛的刺激是由神经探测到的，但在到达大脑之前，这些信息在情感上没有任何意义，所以我们开始寻找大脑中隐藏在痛苦不快背后的细胞。”

在使用美国Inscopix公司的nVista自由活动钙成像系统对动物大脑成像和分子测试的支持下，研究人员在杏仁核中发现了一组细胞，杏仁核是大脑中一个典型的与情绪和恐惧有关的区域，它似乎专门作为疼痛厌恶的开关。尽管这一发现是在小鼠身上发现的，但我们有理由相信，终有一天它会成为治疗人类疼痛的靶点，因为老鼠和人类杏仁核的功能并没有太大的不同。科学家们希望，对这组细胞的研究能够揭示一种治疗慢性疼痛的潜在方法。

其理念是患者遭受的是痛苦带来的情感上的不愉快，而不是疼痛感本身。如果有一种方法可以减轻情感上的伤害，而不是身体上的疼痛感，那么对于慢性疼痛患者来说，这将是一个很大的问题。

窥视疼痛神经元

在研究人员看来，选择杏仁核进行疼痛的研究似乎是一个合理的起点，因为它是大脑中公认的情感中枢。在杏仁核内，研究人员通过寻找在短暂的疼痛刺激中活跃的神经元来缩小研究范围，比如在爪子上滴一滴热但不烫伤的水。这些活跃的神经元表达更多的是一种叫做c-Fos的特定基因，事实上，在这种刺激之后，大量表达c-Fos的神经元活跃起来。

 “但这只能告诉你这些神经元在某一时刻是活跃的，这还不够具体。” Scherrer说，“我们想要的是观察自由活动动物的神经元。”

为了观察小鼠大脑的深层结构，Scherrer和Schnitzer使用美国Inscopix公司的nVista自由活动钙成像系统记录大脑的活动。他们将GRIN Lens放置在杏仁核上。这只小鼠可以自由活动，nVista自由活动钙成像系统则记录了神经元的钙变化，这是细胞活动的一个指标。

科研人员用nVista神经元超微成像系统观察小鼠的大脑，追踪小鼠发现不舒服的东西时的厌恶行为反应，然后检查哪些神经元是活跃的。Schnitzer说： “通过nVista系统，我们识别了杏仁核中的一组神经元，这些神经元选择性地编码了与痛苦经历的情绪相关的信号。”

图1， BLA中的对不同的疼痛刺激进行编码的痛觉神经系统

当小鼠接触到一滴令人不舒服的热水或冷水(这两种水都不足以伤害老鼠)时，它们就会离开，向科学家们发出信号，老鼠们不高兴了。在这一过程中，nVista系统记录显示，杏仁核(尤其是基底外侧区域)中有一些神经元在放电，这表明这些神经元对疼痛的情绪负有特殊的责任。

然而，这种基底外侧的神经放电仍然有可能只是简单地传递一般的情感，而不是具体地传递痛苦的不快。因此，研究人员给老鼠喂糖水——一种已知能给任何老鼠带来快乐的甜味饮料——并观察可能传递不快情绪的神经元的集合。不出所料，这些神经元保持沉默。

Scherrer说： “疼痛和烦恼之间也有区别，所以我们想进一步测试在疼痛时活跃的杏仁核神经元是否也与整体消极情绪有关，而不是与疼痛有关。”

什么使老鼠生气了?同样的事情可能会困扰这些神经元：轻微的空气吹到脸上，令人倒胃口的苦味或难闻的气味。在干扰小鼠时，研究人员再次监测了基底外侧杏仁核疼痛的整体情况，而神经元仍然处于抑制状态。

追踪疼痛的感觉

“在经历了所有这些之后，我们得出结论，这些神经元在疼痛时有选择性地做出反应，” Scherrer说。“但这仍然不能完全证明它们是情绪反应的基础。”

为了更深入地研究这个问题，研究人员设置了三条跑道：最左边是一条冷的跑道，右边是一条热的跑道；在这两者之间是一个温和的中间地带。(从上下文来看，在两条外车道上行走，分别相当于在冬天或夏天的人行道上赤脚行走——虽然不舒服，但不会造成永久性的伤害。)

在跑道上行走的正常小鼠逐渐了解到中间的跑道是可以忍受的，而外面的两条跑道是不舒服的。但在一组选定的老鼠中，研究人员暂时关闭了被认为传递身体不适感觉的杏仁核疼痛神经元。这些老鼠——没有疼痛和不愉快的刺激——在外围区域蹦蹦跳跳，没有被极端的温度吓到。

图2  慢性疼痛过程中无害和有害信息的BLA神经系统集成表示的收敛性。

Scherrer说，有趣的是，这些小鼠并没有丧失身体上的感觉。“疼痛对他们来说不再是不愉快的了，”他说。啮齿类动物仍然能够感觉到并对身体的感觉作出反应，但它们曾经认为不愉快的刺激(热的或冷的水滴)不再令人厌恶。例如，当接触到一滴热水时，关闭了杏仁核基底外侧神经元的小鼠会把爪子从滴管移开，这意味着它们感觉到了刺激——但是它们还会把爪子移回到原来的位置，而这是正常的小鼠不会去做的。Scherrer说，这是利用这个系统作为疼痛治疗工具的关键部分，无论是动物还是人类，如果没有任何身体上的感觉，就很容易受伤。

长期来看，Scherrer的目标是确认小鼠杏仁核基底外侧系统的功能与人相同，然后在不干扰其他神经元的情况下，找到一种安全有效的方法来抑制系统的功能。

Scherrer说: “对人类的慢性疼痛确实没有很好的治疗方法，这是阿片类药物流行的主要原因。”“但你会注意到，服用阿片类药物治疗疼痛的患者报告说，他们仍然能感觉到疼痛，但不那么厌恶——疼痛的情绪是不同的。”我们未来最大的希望是，基底外侧系综中的细胞可以成为一种策略，在不引起成瘾的情况下抑制疼痛，因此，理想情况下，它可以作为阿片类药物治疗的可能替代品。

参考文献：

Corder G, Ahanonu B, Grewe BF, Wang D, Schnitzer MJ, Scherrer G. (2019) An amygdalar neural ensemble that encodes the unpleasantness of pain. Science. 363(6424):276-281.

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