光遺傳系統(tǒng)在研究疼痛影響大腦中多巴胺活動(dòng)的應(yīng)用

       在大腦中存在一個(gè)主要的上行痛覺通路：起始于脊髓背角，終止于臂旁外側(cè)核（LPB）。已有研究表明臂旁核是多巴胺能神經(jīng)元傷害性輸入的重要來源。LPB是如何調(diào)控多巴胺能神經(jīng)元參與疼痛的呢？

       通過光遺傳學(xué)激活LPBVGLUT2，結(jié)合離體腦片電生理記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)LPB與SNR的GABA能神經(jīng)元形成興奮性連接，與VTADA → NAcLat神經(jīng)元也形成興奮性連接，而VTA的GABA能神經(jīng)元很少受LPB的支配。值得注意的是，LPB與VTADA形成興奮性連接，與VTADA在疼痛刺激下活動(dòng)受抑制的事實(shí)相矛盾。

圖1.LPB投射到中腦的功能性解剖。

a-c, LPBVGLUT2到VTA、SNR和CeA的纖維投射。d-f, 投射到VTA、SNR和CeA的LPB神經(jīng)元在LPB的亞區(qū)分布。g-j,光遺傳學(xué)激活LPBVGLUT2 → VTADA或LPBVGLUT2 → SNR時(shí)，對(duì)VTADA → NAcLat神經(jīng)元或SNR神經(jīng)元的電生理記錄。k, 光遺傳學(xué)激活LPBVGLUT2 → VTA的GABA能神經(jīng)元時(shí)，對(duì)VTA的GABA能神經(jīng)元的電生理記錄。l-m, 光遺傳學(xué)激活LPBVGLUT2時(shí)，VTADA → NAcLat神經(jīng)元或SNR神經(jīng)元的放電頻率變化。
 

       為了解開這一謎團(tuán)，研究人員首先發(fā)現(xiàn)了脊髓后角的上行纖維主要投射到LPB → SNR神經(jīng)元，且電生理記錄顯示該投射形成興奮性連接。

圖2.脊髓后角神經(jīng)元投射到LPB → SNR神經(jīng)元。
a-c, 脊髓后角投射到LPB的ChR2陽性神經(jīng)元（綠色）主要位于LPB → SNR神經(jīng)元所在亞區(qū)（LPBd）。d, 光遺傳學(xué)激活脊髓后角 → LPB神經(jīng)元時(shí)，對(duì)LPB → SNR或LPB → VTA神經(jīng)元的電生理記錄。
 

       進(jìn)一步，研究人員研究了LPB → SNR是否被傷害性刺激激活。利用在體光纖鈣信號(hào)和在體電生理記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)大量LPB → SNR能被機(jī)械性和熱痛刺激激活。
 

a-h, LPB → SNR神經(jīng)元在四種不同刺激（tail shock, tail brush, tail pinch, heat）下的鈣信號(hào)記錄。i-p, ChR2標(biāo)記的LPB → SNR神經(jīng)元在熱痛或tail shock的刺激下的在體電生理記錄.
 

       接下來，研究人員發(fā)現(xiàn)抑制LPB → SNR通路能緩解疼痛。在炎癥性疼痛和神經(jīng)病理性疼痛模型中，利用光遺傳學(xué)抑制LPB → SNR或特異性消融這一通路均能顯著緩解疼痛的行為學(xué)反應(yīng)。
 

圖4.抑制LPB → SNR降低疼痛的行為學(xué)反應(yīng)。
a-f, 光遺傳學(xué)抑制LPBVGLUT2 → SNR對(duì)福爾馬林試驗(yàn)中l(wèi)ick相關(guān)行為學(xué)和機(jī)械性痛閾的影響。g-m, 光遺傳學(xué)抑制LPBVGLUT2 → SNR對(duì)神經(jīng)結(jié)扎模型動(dòng)物的機(jī)械痛閾、熱痛閾和條件性位置偏愛的影響。
 

       接下來，研究人員解析了當(dāng)LPB → SNR通路被激活時(shí)，SNR的GABA能神經(jīng)元的下游通路如何影響VTADA神經(jīng)元。

       首先，研究人員利用在體電生理記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光激活LPB → SNR時(shí)，所記錄的57%的SNR神經(jīng)元增加了放電。并且這些神經(jīng)元在pinch、heat或shock刺激下也增加了放電。

圖5.接受LPB投射的SNR神經(jīng)元被多種傷害性刺激所激活。
 

       然后，利用順行跨突觸示蹤技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)接受LPB投射的SNR神經(jīng)元不僅投射到VTA，而且大量回返投射到LPB中LPB → lateral VTA所在亞區(qū)。

       基于這一解剖學(xué)特征，研究人員提出問題：SNR的GABA能神經(jīng)元是否直接抑制VTADA神經(jīng)元，以及是否通過抑制LPB → lateral VTA從而間接抑制VTADA神經(jīng)元？

       結(jié)合光遺傳學(xué)和離體電生理記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)SNR與VTA → NAcLat神經(jīng)元形成抑制性突觸連接，與LPB → VTA神經(jīng)元也形成抑制性突觸連接。SNR的GABA能神經(jīng)元的激活能夠抑制LPB → VTA神經(jīng)元的自發(fā)性放電。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SNR能夠直接和間接抑制VTA神經(jīng)元。

       研究人員還驗(yàn)證了利用光遺傳學(xué)激活LPB → VTA神經(jīng)元能夠緩解炎癥性疼痛模型誘導(dǎo)的疼痛行為學(xué)反應(yīng)。

圖6.接受LPB投射的SNR神經(jīng)元直接和間接支配VTA的DA神經(jīng)元。

a-b, 接受LPB投射的SNR神經(jīng)元投射到VTA和LPB中LPB → VTA所在亞區(qū)。c-f, 對(duì)接受SNR投射的VTA → NAcLat和LPB → VTA神經(jīng)元的電生理記錄。g-i, 光遺傳學(xué)激活SNR的GABA能神經(jīng)元時(shí)，對(duì)接受SNR投射的LPB → VTA神經(jīng)元的電生理記錄。j-l, 光遺傳學(xué)激活LPB → VTADA神經(jīng)元對(duì)福爾馬林試驗(yàn)的lick相關(guān)行為學(xué)的影響。
 

       最后，研究人員解答了疼痛是否通過LPB介導(dǎo)的通路抑制NAcLat中DA的釋放。利用在體光纖鈣信號(hào)記錄，當(dāng)用光遺傳學(xué)激活SNR → LPB時(shí)，研究人員記錄到了NacLat中的DA神經(jīng)元的活動(dòng)顯著降低。并且，選擇性消融LPB → SNR顯著緩解了疼痛誘導(dǎo)的DA釋放減少。

圖7.LPB參與疼痛誘導(dǎo)的體內(nèi)DA釋放的減少。

a-e, 光遺傳學(xué)激活SNR → LPB的神經(jīng)纖維時(shí)，對(duì)VTADA投射到NAcLat和NAcMed的神經(jīng)纖維的鈣信號(hào)記錄。f-i, 選擇性消融LPB → SNR對(duì)tail shock和tail pinch引起的NAcLat中DA熒光指示劑（dLight1.2）信號(hào)的影響。
 

綜上所述，該研究揭示了痛覺信號(hào)通過脊髓-臂旁-中腦環(huán)路抑制伏隔核中多巴胺的釋放，加深了我們對(duì)于疼痛影響大腦中多巴胺活動(dòng)的理解。

圖8.通路模型圖。

 

痛覺信號(hào)經(jīng)脊髓后角、腦橋投射到中腦，抑制投射到伏隔核的DA神經(jīng)元。

 

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