持續(xù)性痛相關(guān)的海馬結(jié)構(gòu)突觸聯(lián)系和功能空間與時間可塑性：平面微電極陣列記錄技術(shù)

持續(xù)性痛相關(guān)的海馬結(jié)構(gòu)突觸聯(lián)系和功能空間與時間可塑性：

平面微電極陣列記錄技術(shù)

 

趙曉艷¹ 劉明剛¹ 袁東亮² 王燕² 何瑩¹ 王丹丹¹ 陳雪峰² 張�？�¹ 李華¹ 賀小生² 陳軍^{1，2 *}（*通訊作者）

¹首都醫(yī)科大學(xué)疼痛生物醫(yī)學(xué)研究所，北京100069

²第四軍醫(yī)大學(xué)疼痛生物醫(yī)學(xué)研究所，西安710038

 

 

研究背景：眾所周知，疼痛是由腦內(nèi)存在的一個復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（神經(jīng)基質(zhì)）介導(dǎo)處理的。在病理性痛的狀態(tài)下，持續(xù)或慢性疼痛會影響到諸多高級腦功能，進(jìn)而造成疼痛的伴隨癥狀如焦慮、失眠、運動功能障礙、遺忘、抑郁和失能等。遺憾的是，有關(guān)病理性痛到底對高級腦功能有何影響?大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能在痛苦時有何變化? 迄今為止該類研究甚少，大大阻礙了疼痛以及并發(fā)癥的治療進(jìn)展。在本研究中，我們首次應(yīng)用平面微電極陣列記錄技術(shù)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平觀察了持續(xù)性痛刺激可導(dǎo)致海馬結(jié)構(gòu)突觸聯(lián)系和功能時間與空間兩個層面的可塑性變化。

 

實驗結(jié)果:將預(yù)先體驗兩個小時持續(xù)性痛的成年大鼠麻醉，斷頭取腦制備海馬腦片。采用的持續(xù)性痛模型是蜜蜂毒試驗和福爾馬林試驗兩個持續(xù)性痛模型。應(yīng)用日本松下Alpha-Med Science研制的64個平面微電極按8X8陣列排列的數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)（MED64系統(tǒng)）進(jìn)行多點同步記錄。已知，海馬齒狀回與CA1區(qū)可接受來自前穿皮質(zhì)發(fā)出的直接傳入纖維并形成直接突觸聯(lián)系。在海馬溝前穿皮質(zhì)纖維束通路上通過1個電極給予試驗電刺激，可以在海馬結(jié)構(gòu)內(nèi)記錄到兩種類型場電位：在齒狀回是波峰向上的正向波，而在CA1區(qū)則是波峰向下的負(fù)向波，正常情況下均為單相波。經(jīng)藥理學(xué)驗證這兩類場電位均是興奮性氨基酸（谷氨酸）離子門控型受體介導(dǎo)的興奮性突觸后場電位。在本實驗中，我們觀察到持續(xù)性痛經(jīng)歷可引起海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生空間和時間兩個方面的可塑性改變。在空間突觸可塑性方面，外周持續(xù)性痛可引起齒狀回和CA1區(qū)內(nèi)突觸聯(lián)系增多，如在65個記錄電極記錄到的有效興奮性突觸后電位數(shù)目顯著增加，提示持續(xù)性痛狀態(tài)下海馬結(jié)構(gòu)通過空間募集形成了新的突觸連結(jié)，這個結(jié)果用單電極是無法記錄獲得的。在細(xì)胞水平上，通過比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點刺激強(qiáng)度-突觸后場電位幅度曲線分析，發(fā)現(xiàn)有持續(xù)性痛經(jīng)歷大鼠的功能曲線較無持續(xù)性痛經(jīng)歷大鼠（如無任何處理組和外周注射鹽水生理痛組）的明顯左移，提示在相同刺激參數(shù)下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸傳遞效能顯著同步增強(qiáng)。在時間突觸可塑性方面，一般在正常情況下，一種與乙酰膽堿釋放相關(guān)的θ節(jié)律條件刺激可在齒狀回和CA1區(qū)引發(fā)出突觸傳遞的長時程增強(qiáng)效應(yīng)，這就是所謂LTP（long-term potentiation）。我們發(fā)現(xiàn)外周有持續(xù)性痛刺激時，同樣參數(shù)下LTP的誘出率較無持續(xù)性痛刺激組增高了10%（從60%-70%增至80%以上），LTP的強(qiáng)度也增大了100%（從160%-170%增至260%以上）。更有趣的是，在持續(xù)性痛的條件下，給予θ節(jié)律刺激可以在50%左右海馬腦片上觀察到興奮性突觸后場電位的形狀從平滑單相波轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃蔚膹?fù)相波，提示海馬結(jié)構(gòu)局部突觸環(huán)路水平有重構(gòu)。為了回答海馬結(jié)構(gòu)的空間與時間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸可塑性改變是否與外周持續(xù)性痛有關(guān)，我們預(yù)先在大鼠外周足底浸潤局麻藥布比卡因，然后再在該部位注射致痛化學(xué)物質(zhì)，結(jié)果顯示阻斷外周痛信息上傳可以完全消除上述的突觸可塑性現(xiàn)象，明確了疼痛對海馬的作用。

 

結(jié)  論: 外周持續(xù)性或慢性痛經(jīng)歷可以對高位腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸聯(lián)系和功能發(fā)生改變，如在空間上增加突觸連結(jié)，在時間上增強(qiáng)突觸效能。疼痛導(dǎo)致的空間可塑性變化比時間可塑性更為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平上突觸連結(jié)范圍擴(kuò)大，局部突觸環(huán)路重構(gòu)。