上海交大团队揭示慢性瘙痒导致焦虑的神经环路机制
上海交大团队揭示慢性瘙痒导致焦虑的神经环路机制
慢性瘙痒不仅影响患者的皮肤健康，还常常伴随着焦虑、抑郁等情绪障碍。这种瘙痒与焦虑之间的相互作用形成了一个恶性循环，使得治疗变得复杂。2024年8月16日，上海交通大学刘明刚、徐天乐教授团队在Science Advances上发表重要研究成果，揭示了丘脑核团再联合神经核（Re）、侧隔区（LS）与外侧下丘脑（LH）之间的神经回路在慢性瘙痒引发的焦虑行为中的关键作用。
2007年，陈宙峰教授等人发现了第一个痒觉受体GRPR，解析了痒觉产生的分子机制，并将痒觉和痛觉区分出来[1]。而慢性瘙痒不仅影响患者的皮肤健康，还常常伴随着焦虑、抑郁等情绪障碍。这种瘙痒与焦虑之间的相互作用形成了一个恶性循环，使得治疗变得复杂。因此，了解瘙痒与焦虑共病的神经机制，对于开发新的治疗策略至关重要。那么痒导致焦虑的神经环路是什么呢？
慢性瘙痒引起的焦虑样行为的时间依赖性
研究团队首先使用二苯环丙烯酮（DCP）处理小鼠，以诱导慢性瘙痒行为。结果显示，DCP处理组小鼠在所有时间点上抓挠次数显著增加，表明瘙痒行为的成功诱导。
通过开放场实验（OFT）评估焦虑行为：DCP处理的小鼠在开放区域的停留时间和移动距离显著减少，特别是在第2周和后续时间点，表明焦虑行为的时间依赖性。
之后又通过高架十字迷宫实验（EPM）评估焦虑行为：DCP处理组小鼠在开放臂的停留时间和进入次数显著减少，尤其是在第2周，进一步支持了慢性瘙痒引发的焦虑行为与时间的关联性。
LS 的GABA能神经元影响痒介导的焦虑行为
研究团队对小鼠侧隔区（LS）GABA能神经元的记录及分析。首先利用全细胞膜片钳的技术展示慢性瘙痒模型下，LS区域神经元的动作电位发放率显著增加。DCP处理小鼠的LS神经元在自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）幅度上显著增加，进一步确认了这些神经元的高兴奋性状态。
之后通过光纤记录了LS神经元在高架十字迷宫实验中从封闭臂向开放臂移动时的活动情况。DCP处理的小鼠显示出明显的钙信号增加，表明这些神经元在焦虑状态下的高活跃性。
之后通过化学遗传学抑制LS神经元的活动，显著缓解了DCP处理小鼠的焦虑行为，而不影响其抓挠行为。这表明LS神经元的过度活跃性与焦虑行为密切相关，但不直接影响瘙痒行为。
Re脑区参与瘙痒行为
为了研究该环路的上游，研究团队在LS注射逆向示踪病毒，并且用cfos染色展示了在瘙痒过程中兴奋的脑区，结果发现再联合神经核Re既能投射到LS，也在瘙痒时兴奋。
因此研究团队在Re进行光纤记录，结果显示，在抓挠行为发生时，Re区域神经元的钙信号显著增加，表明其在瘙痒反应中的重要作用。但在高架十字迷宫实验中，Re区域神经元没有表现出显著的钙信号变化，说明Re主要与瘙痒行为相关，而非焦虑行为。
通过化学遗传学抑制Re神经元的活性，发现这种抑制显著减少了DCP处理小鼠的抓挠行为，但对焦虑行为没有明显影响。这进一步表明Re主要参与瘙痒行为的调控，而非直接介入焦虑行为。
Re→LS投射在慢性瘙痒引发的焦虑行为中的作用
研究团队通过膜片钳记录慢性瘙痒模型下，投射到LS的Re神经元的动作电位发放率。发现DCP处理小鼠的这些神经元显示出更高的兴奋性。
通过电生理记录发现，慢性瘙痒增强了Re→LS投射的突触传递效率（AMPA/NMDA ratio增加），主要通过后突触机制起作用（PPR不变）。
在之后又通过化学遗传学方法抑制LS中接收Re投射的神经元后，DCP处理小鼠的抓挠行为显著减少，焦虑行为也有所缓解。这表明Re→LS回路在瘙痒与焦虑共病中的重要作用。
Re→LS回路不参与应激诱导的焦虑行为
为了进一步说明该通路的特异性，研究团队首先利用急性束缚应激模型的实验范式，发现小鼠表现出的典型焦虑行为，该行为则是单纯的焦虑样行为，与瘙痒相关的焦虑不同。
之后又采用了膜片钳技术，记录显示，在束缚应激模型下，LS投射的Re神经元的兴奋性并没有增加，表明该回路主要与瘙痒相关，而非应激相关。
进一步通过化学遗传学抑制Re→LS投射，结果显示这种抑制对急性应激诱导的焦虑行为没有显著影响，进一步支持了Re→LS回路与瘙痒相关的专一性。
LS→外侧下丘脑（LH）回路在慢性瘙痒引发的焦虑行为中的作用
之前有工作表明LH脑区在应对环境变化时产生适应性行为和焦虑行为中发挥重要作用，因此研究团队通过逆行示踪法，确认了LS区域的GABA能神经元向LH的投射，约有10%的LS神经元投射到LH。
通过光遗传学和电生理记录，确认了LS→LH投射是单突触的抑制性连接，且主要通过GABA_A受体发挥作用。
通过c-Fos染色，显示在DCP诱导的慢性瘙痒模型中，LS→LH回路被显著激活。
之后通过化学遗传学抑制LS→LH投射，结果显示，这种抑制显著缓解了DCP处理小鼠的焦虑行为，但对抓挠行为没有影响。这表明LS→LH投射主要参与调控瘙痒引发的焦虑行为。
LS投射到LH gaba能神经元介导慢性瘙痒引起的焦虑样行为
为了更精确的解释该环路的功能，研究者向LS注射了单突触顺向示踪病毒AAV1-hSyn-Flpo，同时向LH注射AAV-fDIO-mCherry，并在Vgat-Cre::H2B-GFP小鼠中进行标记。作者在LH中观察到大量的mCherry表达神经元，其中59.3%与GFP共定位，表明LS对LH GABA能神经元具有广泛的支配作用。
为了进一步确认这一点，研究者向Vgat-Cre::H2B-GFP小鼠的LS注射了Cre依赖性的ChR2-mCherry，并在3-4周后进行全细胞膜片钳记录。在同一切片中，对LH中的GABA能（GFP+）和非GABA能（GFP-）细胞进行记录，结果发现光刺激LS GABA能输入在LH中86.2%的GABA能细胞（GFP+）和47.8%的非GABA能细胞（GFP-）中引发了IPSCs（抑制性突触后电流），虽然IPSCs的幅度在GABA能和非GABA能神经元之间没有显著差异。这些发现证实了LS GABA能神经元主要在LH中的GABA能神经元上形成突触连接。
研究者进一步测试了选择性操纵LS支配的LH GABA能神经元对DCP诱导的共病焦虑样行为的影响。考虑到这一通路的抑制性质，研究者向LS注射了AAV1-DIO-Flpo，并向LH注射了AAV-fDIO-hM3Dq-mCherry，以选择性激活接收LS抑制性输入的LH GABA能神经元。结果显示，化学遗传学激活接收LS投射的LH GABA能神经元能够缓解DCP诱导的焦虑样行为（通过OFT和EPM测试），而不影响抓挠次数。这些结果表明，LS神经元通过向LH GABA能神经元发送抑制性投射来介导慢性瘙痒引发的共病焦虑。
Re→LS→LH通路的连接与功能
为了研究Re→LS→LH回路的连接性，研究者向Re注射了顺向病毒AAV1-hSyn-Cre，向LH注射了逆行病毒AAV-retro-Flpo，并向LS注射了AAV-fDIO-mCherry和AAV-DIO-EGFP。在这种设计下，接收Re神经元输入的LS GABA能神经元会被EGFP标记，而向LH投射的LS神经元会被mCherry标记。研究发现，有42.7%接收Re输入的LS GABA能神经元投射到LH。这表明Re→LS→LH回路在解剖上是存在的，并且有相当一部分LS神经元在此回路中发挥作用。
为了功能验证这一双突触连接，研究者在LH注射CTB555标记LH投射的LS神经元，并在Vgat-Cre::H2B-GFP小鼠的Re区域注射AAV–CaMKIIα–ChR2–EYFP。通过这种组合策略，LH投射的LS GABA能神经元会被CTB555和GFP共标记，在切片中呈现黄色，便于膜片钳记录的选择。蓝光刺激LS中表达ChR2的Re神经末梢，诱发了CTB555+/H2B-GFP+ LS神经元中的CNQX敏感的EPSC，证明了Re→LS→LH回路的直接功能连接。
为了确定该通路是否调节慢性瘙痒引发的焦虑样行为，研究者特异性表达hM4Di在接收Re输入并向LH输出的LS神经元中。具体而言，他们向Re注射了顺向跨突触突触AAV1-hSyn-Flpo，向LH注射了逆行AAV-retro-hSyn-Cre，并在LS中注射了Cre和Flpo依赖的AAV-Con-Fon-hM4Di-EGFP。这样，hM4Di-EGFP仅在同时接收Re和向LH投射的LS神经元中选择性表达。在这些表达hM4Di的动物中，腹腔注射CNO对DCP诱导的抓挠行为没有影响，但显著减轻了DCP诱导的行为回避（焦虑样行为），通过OFT和EPM（测试得到了验证。这些结果表明，Re→LS→LH回路在慢性瘙痒引发的焦虑样行为中的选择性作用，而不影响抓挠行为。
总结
本研究揭示了再联合神经核（Re）→侧隔区（LS）→外侧下丘脑（LH）回路在慢性瘙痒引发的焦虑样行为中的关键作用。研究发现，慢性瘙痒激活了LS中的GABA能神经元，并通过抑制性投射至LH来调节焦虑行为。Re→LS的兴奋性投射增强了这一过程，而抑制这一回路可以显著减轻瘙痒引发的焦虑样行为。该回路专门调控瘙痒相关的焦虑，而对其他类型的焦虑无显著影响。这一发现不仅深化了我们对瘙痒和焦虑共病神经机制的理解，也为未来的治疗策略提供了潜在的靶点。
参考文献：
[1]Sun, Yan-Gang., & Chen, Zhou-Feng.. (2007). A gastrin-releasing peptide receptor mediates the itch sensation in the spinal cord. Nature, 448(7154), 700-3.
本文原文来自163.com