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“Leaky Gate” 模型：痛覺和癢覺信息編碼的新學說

痛覺和癢覺信息的編碼是科學家們幾十年來極度關(guān)注和討論的話題。然而，目前的編碼理論（包括：強度學說、特異性學說和選擇性學說）都無法解釋實驗中的所有現(xiàn)象。為了闡明疼痛和瘙癢產(chǎn)生的機制，研究者在脊髓中特異性地標記了一類中間神經(jīng)元(胃泌素釋放肽gastrin-releasing peptide, GrP)Grp+神經(jīng)元，他們在研究了這些中間神經(jīng)元的功能和特性后，提出了痛覺和癢覺編碼的“Leaky Gate（門控泄漏）”模型。該模型的主要內(nèi)容：脊髓節(jié)段存在一類Grp+中間神經(jīng)元，該神經(jīng)元直接接受來自初級感覺神經(jīng)元的痛覺和癢覺信息的突觸傳入，Grp+神經(jīng)元對痛覺和癢覺刺激的反應(yīng)表現(xiàn)出不同特性，該類神經(jīng)元只傳導癢和弱痛的信號，在強痛刺激情況下，內(nèi)源性阿片募集并接近Grp+神經(jīng)元，通過并行通路阻止痛的進一步產(chǎn)生。如果Grp+神經(jīng)元缺失，痛覺反應(yīng)增加，而癢覺反應(yīng)減少。這一新模型是脊髓非單一編碼的一個很好范例，也能更好解釋人類心理物理研究中的許多發(fā)現(xiàn)。

研究背景

痛和癢是兩類不同又相互關(guān)聯(lián)的感覺，它們都通過小直徑背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元檢測后傳遞到脊髓的背角，并觸發(fā)不同的行為反應(yīng)。痛覺行為通過逃避反應(yīng)避免組織傷害，而癢覺行為則通過抓撓反應(yīng)清除有害刺激。痛覺能夠壓抑癢覺，通過抓撓產(chǎn)生的機械痛能夠減少或解除癢的感覺，然而，癢很難壓抑痛。在脊髓和背根神經(jīng)節(jié)中，對癢刺激反應(yīng)的神經(jīng)元也能被痛刺激激活。關(guān)于痛覺和癢覺編碼已經(jīng)爭論了幾十年并且還在繼續(xù)。強度學說是目前解釋痛覺和癢覺的一種主要學說，該學說認為：一種多模神經(jīng)元能感受痛和癢的刺激，強刺激產(chǎn)生痛覺，而弱刺激將產(chǎn)生癢覺；然而，弱的痛刺激和強的癢刺激不能轉(zhuǎn)變成另一種不同的感覺，這就給強度學說提出了質(zhì)疑。另一種主要理論就是特異性學說，該學說認為痛和癢的感覺分別通過不同的神經(jīng)編碼；然而，癢覺神經(jīng)元也對痛刺激產(chǎn)生反應(yīng)的研究讓特異性學說無法解釋；因此，在特異性學說的基礎(chǔ)上通過糅合多模感覺神經(jīng)元的特點，提出了選擇性學說，該學說認為：癢覺刺激特異性激活癢覺選擇性神經(jīng)元產(chǎn)生癢覺，痛覺刺激激活癢覺選擇性神經(jīng)元和更多的痛覺選擇性神經(jīng)元，而這類傷害性痛覺神經(jīng)元又可抑制癢覺的產(chǎn)生最終表現(xiàn)出痛的感覺。最近的研究表明：在初級感覺神經(jīng)元(dorsal root gang lion, DRG)中，有“癢覺選擇性”神經(jīng)元（MrgprA3+）的存在，該類神經(jīng)元興奮只產(chǎn)生癢而不產(chǎn)生痛的感覺，剔除這類神經(jīng)元后嚴重影響癢，但對痛的反應(yīng)影響較少?！鞍W覺選擇性”神經(jīng)元在脊髓中也存在，這類神經(jīng)元被稱為GRPR+(gastrinreleasing peptide receptor)神經(jīng)元，如果這類神經(jīng)元丟失將失去大部分癢覺，而對痛覺影響較少。另外，腦納肽(brain natriuretic peptide, BNP)被認為是癢覺神經(jīng)遞質(zhì)，負責外周DRG和脊髓癢覺選擇性神經(jīng)元的信號傳遞。人類心理物理實驗也表明，大多數(shù)化學誘導的癢覺都伴隨著弱的傷害性感覺，這些混合的感覺給癢覺通路提出了一個如何進行“選擇”的問題。

在該研究中，研究人員試圖揭示脊髓背角環(huán)路在痛覺和癢覺中的作用。位于脊髓中的二級神經(jīng)元直接接受來自DRG的突觸傳入，構(gòu)成了脊髓回路中的第一步。他們在脊髓中確定了一類被命名為Grp+的二級神經(jīng)元，這些Grp+神經(jīng)元也直接接受來自初級感覺神經(jīng)元的痛覺和癢覺的突觸傳入；令人驚訝的是，Grp+神經(jīng)元的激活能產(chǎn)生痛和癢的反應(yīng)，且痛覺編碼呈現(xiàn)強度依賴性。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，他們提出了“Leaky Gate（門控泄漏）”模型，該模型是脊髓水平痛覺和癢覺編碼的一個理想模型，也能更好解釋來自人類心理物理實驗的結(jié)果。

主要研究結(jié)果

1. 癢覺二級神經(jīng)元在脊髓中的遺傳標記

研究組的前期工作已經(jīng)表明：MrgprA3+癢覺初級感覺神經(jīng)元的軸突選擇性地終止在脊髓背角的第II層。他們利用Cre技術(shù)標記與MrgprA3+有直接突觸聯(lián)系的第二級神經(jīng)元。通過對脊髓背角所有GENSAT Cre品系的篩選，最后確定Grp-Cre不僅表達在脊髓背角的淺層，而且是一類興奮性中間神經(jīng)元，同時也發(fā)現(xiàn)Grp-Cre標記的神經(jīng)元能與DRG中癢覺選擇性神經(jīng)元MrgprA3+的中樞突形成突觸聯(lián)系。

2. Grp+神經(jīng)元直接接受癢覺選擇性初級神經(jīng)元突觸傳入

為了檢測突觸信號直接傳入到Grp+神經(jīng)元，他們在脊髓切片上電刺激背根并記錄Grp+神經(jīng)元的電特性，發(fā)現(xiàn)所有Grp+神經(jīng)元均接受來自C纖維的單突觸傳入。為了進一步證明Grp+神經(jīng)元直接接受來自MrgprA3+神經(jīng)元的突觸傳入，他們通過分子遺傳的方法將MrgprA3+神經(jīng)元帶上了能被藍光激活的光敏感蛋白，當用1 Hz 100 ms的光刺激時，該小鼠能產(chǎn)生明顯的抓撓行為，光遺傳激活僅產(chǎn)生撓癢行為而不是疼痛行為，這一結(jié)果與化學刺激的結(jié)果相似，且證實了MrgprA3+神經(jīng)元是癢覺選擇性神經(jīng)元。

3. Grp+神經(jīng)元接受來自痛覺和癢覺初級神經(jīng)元的單突觸傳入

為了檢測Grp+神經(jīng)元是否也接受來自傷害性選擇DRG神經(jīng)元的傳入，研究者采用了狂犬病毒單突觸追蹤方法系統(tǒng)地定量分析了輸入到Grp+神經(jīng)元的數(shù)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Grp+神經(jīng)元既接受來自癢覺選擇性初級神經(jīng)元的單突觸傳入，同時也接受來自傷害性初級神經(jīng)元的單突觸傳入；并且，接受傷害性受體神經(jīng)元的數(shù)量多于接受癢覺選擇性神經(jīng)元的數(shù)量。

4.痛覺刺激引起Grp+神經(jīng)元的強烈反應(yīng)，而癢覺刺激則微弱激活Grp+神經(jīng)元

追蹤試驗已經(jīng)表明，脊髓中的Grp+神經(jīng)元均能接受疼痛和瘙癢的信號傳入。研究者想知道當外周痛覺信號和癢覺信號傳入到Grp+神經(jīng)元時，該神經(jīng)元能否區(qū)分這兩種不同的信號，為了回答這一問題，研究者設(shè)計了一個實驗，該實驗制備了一個“DRG-傳入纖維-脊髓切片”標本，在脊髓背角記錄Grp+神經(jīng)元，在DRG上使用化學物質(zhì)模擬痛覺和癢覺刺激外周神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：痛覺模擬刺激引起的Grp+神經(jīng)元放電明顯比癢覺模擬刺激要強很多（即使使用高劑量的癢覺刺激物）。參考其它文獻的報道，脊髓中的中間神經(jīng)元和投射神經(jīng)元對痛覺刺激發(fā)放的頻率比對癢覺刺激發(fā)放的頻率要高，他們的研究結(jié)果與這些報道一致。

5. Grp+神經(jīng)元既編碼痛覺也編碼癢覺

雖然DRG中的癢覺選擇性神經(jīng)元對痛和癢的刺激均能反應(yīng)，但只產(chǎn)生癢覺而不是痛覺；Grp+神經(jīng)元能接受外周痛覺和癢覺初級感覺神經(jīng)元的傳入，如果Grp+神經(jīng)元興奮將產(chǎn)生什么樣的感覺，研究者通過使用Cre技術(shù)獲得了各種標記的小鼠，并利用這些小鼠研究了Grp+神經(jīng)元的功能，Grp+神經(jīng)元興奮時將產(chǎn)生強烈的疼痛和瘙癢反應(yīng)；因此，脊髓中Grp+神經(jīng)元接受來自外周疼痛和瘙癢信息傳入并將兩種感覺信息進行整合。

6. Grp+神經(jīng)元的痛覺編碼具有強度依賴性

Grp+神經(jīng)元能編碼痛覺和癢覺，但對痛覺和癢覺反應(yīng)的行為有明顯的差異。瘙癢行為中，抓撓行為隨刺激強度的增加而增加，當刺激強度達到一定值時抓撓則保持在一個平臺期，其反應(yīng)曲線是典型的Hill方程曲線；而疼痛行為則與瘙癢行為有明顯差異，隨疼痛刺激強度的增加，開始的疼痛反應(yīng)也增加，當增加到一定值后，繼續(xù)增加疼痛刺激強度時，其疼痛反應(yīng)反而減少，反應(yīng)曲線呈現(xiàn)為倒置的“U”型曲線。弱和強的刺激將產(chǎn)生弱的疼痛行為，而中等程度的刺激將產(chǎn)生強烈的疼痛反應(yīng)，這種倒置的“U”型反應(yīng)特性并不是由于脫敏而引起。因此，Grp+神經(jīng)元具有強度依賴的特性，弱刺激產(chǎn)生癢覺而較強的刺激將產(chǎn)生痛覺，這一特性與強度學說一致。

7. Grp+神經(jīng)元形成“Leaky Gate”負向調(diào)節(jié)疼痛傳遞

“閘門學說”是Melzack和Wall為解釋疼痛形成機制提出的一個重要學說，該學說認為：粗纖維和細纖維的傳導均能激活脊髓背角上行的傳遞細胞（T細胞），又同時與背角膠質(zhì)細胞（SG細胞）形成突觸聯(lián)系；粗纖維的沖動只能興奮SG細胞，使該細胞向T細胞發(fā)出抑制性沖動，從而阻斷外周纖維向T細胞傳導傳遞沖動，故閘門關(guān)閉；而細纖維只能抑制SG細胞，使后者不能向T細胞發(fā)出抑制性沖動，因而閘門開放；另外，粗纖維傳導之初，疼痛信號在進入閘門以前先經(jīng)背索向高位中樞投射（快痛），中樞的調(diào)控機制在通過下行的控制系統(tǒng)作用于脊髓閘門系統(tǒng)，也形成關(guān)閉效應(yīng)；細纖維的傳導使閘門開放，則形成慢性鈍痛并持續(xù)增強。該學術(shù)提出后在一定程度上推進了疼痛研究的進展，但由于許多與之矛盾的實驗和臨床事實引起了廣泛的爭議?；诖?，研究者提出了“Leaky Gate”模型，該模型的主要觀點是：Grp+神經(jīng)元是構(gòu)成該模型的重要神經(jīng)元，它直接接受外周疼痛和瘙癢的信息傳入，并將疼痛和瘙癢信息傳導至腦，同時也通過腦啡肽類中間神經(jīng)元抑制痛覺；當強刺激存在時，Grp+神經(jīng)元觸發(fā)腦啡肽釋放，關(guān)閉來自脊髓Grp+神經(jīng)元和其它痛覺敏感神經(jīng)元的痛覺信號。Aβ FLL (Forward feedback loop)和Grp FLL有一些本質(zhì)差異，前者不允許任何信號通過該門，至少在生理狀態(tài)下是這樣，因此，非傷害性輸入并不誘發(fā)痛的感覺；相比之下，Grp FFL則允許弱的痛覺信號通過，同時又可壓制強的信號，所以，命名它為“Leaky Gate”，該模型的優(yōu)點在于，允許弱信號的通過能確保感受弱痛的刺激，同時抑制強的疼痛信號阻止劇痛的產(chǎn)生。

8. Grp+神經(jīng)元缺失后導致痛覺增加、癢覺減少

在“Leaky Gate”模型中，Grp+神經(jīng)元類似“剎車”的作用，能阻止強烈的疼痛信號進一步傳到大腦。研究者為證實Grp+神經(jīng)元在痛覺傳導中的“剎車”作用，他們通過Cre技術(shù)選擇性損毀了這類神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)剔除Grp+神經(jīng)元的疼痛行為較正常動物明顯增加，然而這些動物的抓撓行為則明顯減少，其它行為（如運動行為）沒有明顯改變。這些結(jié)果與研究者的設(shè)想一樣，Grp+神經(jīng)元允許癢覺和痛覺信息傳入，但能夠阻止強烈疼痛信息通過。

9.Grp+神經(jīng)元缺失后的小鼠對強烈疼痛反應(yīng)更加有效

不像閘門學說，Grp+神經(jīng)元的強烈活動會關(guān)閉“Leaky Gate”并抑制疼痛。弱的疼痛刺激會弱刺激或不會觸發(fā)抑制信號，研究者采用不同強度的疼痛刺激證實了這一假設(shè)。Grp+神經(jīng)元沉默的小鼠表現(xiàn)出更嚴重的疼痛行為，而強的瘙癢刺激卻沒有誘導更強烈的瘙癢反應(yīng)，這進一步證明Grp+神經(jīng)元在疼痛和瘙癢編碼中具有不同的作用。

討論

選擇編碼理論描述脊髓痛覺和癢覺編碼是通過分開線路完成，由抑制性中間神經(jīng)元B5-1和NPY抑制癢產(chǎn)生痛。該研究團隊的發(fā)現(xiàn)和提出的“Leaky Gate”模型能夠拓展目前痛覺和癢覺編碼的理論，結(jié)合選擇性理論，該模型能更好地解釋痛覺和癢覺的相關(guān)現(xiàn)象；研究結(jié)果表明，在脊髓中一類具有特殊形態(tài)的二級神經(jīng)元（Grp+神經(jīng)元）參與了痛覺和癢覺的編碼，這也是脊髓中能感受不同感覺傳入的一類比較清楚的神經(jīng)元，并且Grp+神經(jīng)元也具有強度依賴的痛覺編碼特性。Grp+神經(jīng)元具有直接編碼痛的感覺，如果強烈的疼痛刺激又會通過內(nèi)源性阿片物質(zhì)的募集抑制疼痛。

結(jié)合Grp+神經(jīng)元的強度依賴編碼，研究者在Grp+神經(jīng)元丟失狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)行為的劑量依賴也發(fā)生了改變，提示疼痛和瘙癢編碼是非線性的。Grp+神經(jīng)元接受來自外周痛覺敏感和癢覺敏感神經(jīng)元的單突觸傳入，痛覺刺激強烈激活Grp+神經(jīng)元而瘙癢刺激則輕微激活Grp+神經(jīng)元。癢刺激使部分DRG產(chǎn)生弱的反應(yīng)，這種弱信號通過突觸聯(lián)系影響Grp+神經(jīng)元的活動，但并不影響Grp+神經(jīng)元c-fos的活性。不像表達腦啡肽的中間神經(jīng)元，需要強烈的去極化后釋放神經(jīng)肽，瘙癢誘導的Grp+神經(jīng)元弱反應(yīng)也能足夠觸發(fā)一些興奮性中間神經(jīng)元釋放GRP；除了Grp+神經(jīng)元外，一些lamina II層的中間神經(jīng)元也可以接受單突觸的癢覺傳入，lamina I層的投射纖維和GRPR+中間神經(jīng)元也可能直接接受癢覺信息傳入，這些神經(jīng)元在脊髓中的聯(lián)系回路目前也正在研究之中。

疼痛檢測系統(tǒng)需要足夠的敏感，以便保護軀體遭到潛在性傷害，但是當暴露在強烈的疼痛刺激環(huán)境下，高敏感性可能產(chǎn)生劇烈的痛并且會干預(yù)其它正常的行為反應(yīng)，因此，阻止這種信號（“車閘”）的放大是必須的，來自機械敏感的Aβ纖維觸發(fā)了“車閘”可以適當阻止疼痛信號的輸入。在“Leaky Gate”模型中的Grp+神經(jīng)元作為一個“車閘”能夠阻止本身產(chǎn)生的痛和其它并行通路產(chǎn)生的痛，在強烈激活狀態(tài)下觸發(fā)腦啡肽的釋放，大量腦啡肽的釋放能夠完全阻斷來自Grp+神經(jīng)元的痛覺反應(yīng)，通過Grp FFL調(diào)節(jié)的痛覺抑制不能被癢覺觸發(fā)，是因為癢覺刺激只能輕微激活Grp+神經(jīng)元，這也與癢覺很少抑制疼痛的事實相一致。

總之，Grp+神經(jīng)元通過“Leaky Gate”模型正向編碼癢而負向調(diào)節(jié)痛的傳遞。研究者首次通過實驗證明了脊髓中疼痛的強度依賴編碼，并提出了“Leaky Gate”模型，該模型是在目前流行理論基礎(chǔ)上進一步分析提煉而建立起來的痛覺和癢覺編碼理論，它能更好地解釋人類心理物理研究的發(fā)現(xiàn)，也可以作為脊髓水平感覺信息交流和非單一編碼的一個模型。在慢性疼痛和瘙癢狀態(tài)下，對Grp+神經(jīng)元相關(guān)回路的研究，可進一步揭示Grp+神經(jīng)元在這些病理狀態(tài)下的功能特性。

（Sun,et al. Neuron, 2017, 93: 840 ～ 853. 侍昊耿笑 譯 唐宗湘 校）

10.3969/j.issn.1006-9852.2017.06.003