Science：揭秘吗啡镇痛机制，RVM神经元集群发挥关键作用
Science：揭秘吗啡镇痛机制，RVM神经元集群发挥关键作用
吗啡是一种广泛使用的有效镇痛药，可以缓解严重的急性和慢性疼痛。然而，由于成瘾性滥用的泛滥，吗啡已受到了严格的审查。尽管吗啡作用于多个中枢和外周的疼痛通路，但其镇痛机制的神经解剖基础并未完全阐明。
脑干的腹内侧延髓（rostral ventromedial medulla, RVM）是影响疼痛体验的复杂大脑网络的最终共同输出节点。RVM损伤可以消除吗啡镇痛作用，而电刺激RVM则可以产生强大的镇痛效果。这些镇痛效果依赖于从RVM投射到脊髓的轴突束，激活从RVM投射到脊髓背角（dorsal horn）的神经元进而引起机械性镇痛，影响疼痛信息的加工，从而调节了逃避反射的增强或抑制。这些脊髓投射神经元还控制上行传递的加工，从而影响疼痛的情感和感知维度。
图1 RVM中的吗啡抗疼痛集合体
8月30日，卡罗林斯卡医学院的Patrik Ernfors团队在Science杂志上发表论文Morphine-responsive neurons that regulate mechanical antinociception，探究吗啡诱导的机械性止痛在小鼠中的神经机制，发现了一组特定的神经元集群在RVM中对吗啡有反应，并在调节机械性疼痛敏感性中起关键作用。
研究团队通过转基因小鼠实验发现了一组位于RVM中的神经元RVMBDNF，它们在调节机械性疼痛方面起着关键作用，并且对吗啡刺激具有反应。这些神经元属于一个特定的神经回路（RVM-脊髓回路），该回路可以调节机械性疼痛的感知，并赋予吗啡其镇痛特性。通过强制激活或抑制这些RVMBDNF神经元，研究人员可以模拟吗啡诱导的机械性镇痛效果，而抑制它们则可以完全逆转吗啡诱导的机械性镇痛，这一过程依赖于BDNF/TrkB信号通路，并且是通过激活脊髓上的抑制性神经元（galanin-positive neurons）来实现。研究人员通过，发现激活RVM中的吗啡反应性神经元可以增加脊髓背角浅层的神经元活性，而抑制这些脊髓神经元则可以完全消除RVM神经元激活或吗啡导致的机械性镇痛效果。
图5 吗啡在脊髓中的止痛机理
在该项研究中，该团队采用了多种实验手段，包括基因操控、行为学测试、病毒注射和组织学分析等，旨在从神经元活动的角度深入探究疼痛机制。首先，研究人员使用了多种转基因小鼠模型，包括Arc-CreERT2、Vglut2-Cre和BDNF-2A-Cre小鼠，通过基因操控标记和操控特定神经元群体，同时使用Gal-Cre转基因小鼠和C57BL/6J野生型小鼠作为对照。为了评估小鼠对热刺激和机械性刺激的反应，研究人员采用了Hargreaves热刺激实验、热板实验和胡椒素注射实验等行为学测试。此外，研究人员还进行了病毒注射实验，包括脑内注射、脊髓注射和静脉注射，利用不同病毒载体（AAV、EnvA-pseudotyped等）转染特定神经元群体，以操控和标记它们。为了检测和定量特定蛋白（如Arc、NeuN）在脑区和脊髓中的表达情况，研究人员采用了免疫荧光染色和定量分析实验，以评估神经元的活性和分布。最后，研究人员利用FAST技术测量神经元释放谷氨酸的动力学特征，以探究神经元活动与疼痛感知的关系；并采用免疫荧光染色和定量分析实验，以评估神经元的活性和分布。
热板实验是一种常用于评估小鼠对热刺激的反应的行为学实验方法。在这个实验中，小鼠被放置在一个正方形的透明塑料箱中，直接放在一个设定温度为48°C的热板上。实验人员会记录小鼠在2分钟内出现舔舐、咬咬、抖动等逃避反应的次数。这种热刺激可以引起小鼠的疼痛感知反应，从而评估其热觉敏感性。除了热板实验，研究人员还使用了Hargreaves热刺激实验来评估小鼠的热觉敏感性。研究团队利用Hargreaves装置刺激小鼠的一只后爪，直到其出现逃避反应，重复5次，每次间隔10分钟，并在20分钟后，小鼠也被注射50 mg/kg的4-OHT。通过热板实验和Hargreaves实验，研究人员可以了解小鼠对热刺激的行为反应，为进一步探究疼痛感知的神经机制提供重要依据。这些行为学实验方法是神经科学研究中常用的工具，有助于揭示疼痛调控的神经生物学基础。
研究发现，RVM区域存在一群特定的神经元，它们对吗啡的刺激能作出镇痛反应。通过单细胞转录组学分析，研究者鉴定出这些神经元的分子特征，并发现其中部分兴奋性神经元表达BDNF。进一步的实验证明，强制激活这些RVMBDNF神经元可以模拟吗啡诱导的机械性镇痛效果，而抑制它们则可以完全逆转这一效果。这些结果表明，RVMBDNF神经元通过释放BDNF，激活脊髓抑制性神经元，从而调节机械性疼痛信号的传递,是吗啡镇痛的关键神经回路。此外，这项研究还采用了多种先进的技术手段，如单细胞转录组学、光遗传学、快速电化学检测等，为探索复杂神经系统功能提供了新的研究范式。例如，通过单细胞转录组学分析RVM区域的神经元亚群，得以成功鉴定出调控机械性镇痛的关键神经元群体。利用光遗传学技术可以精准地操控这些神经元的活性，从而揭示其在吗啡镇痛中的作用。此外，快速电化学检测技术还能实时监测脊髓内谷氨酸的动态变化，为理解神经递质调控机制提供了新的研究手段。这些创新性的技术手段为神经科学研究开辟了新的可能性。
这一发现不仅丰富了我们对吗啡镇痛机制的理解，也为开发新的镇痛药物提供了新的靶点。通过精准调控RVM-脊髓这一关键神经回路，有望设计出新一代更加有效且安全的镇痛药物，减少吗啡等传统阿片类药物的副作用。
本文原文来自Science