多通道光纤记录系统在揭示面部痛觉感受和触摸介导镇痛新机制中的应用

当身体的某个部位在受到伤害感到疼痛时，我们会本能地对它进行揉搓或按摩，以此减轻疼痛程度，这种现象被称为触摸介导的镇痛，这也是“闸门学说”形成的理论基础。对于触摸介导的镇痛机制，已有的研究认为，脊髓中的广动力范围（wide dynamic range, WDR）神经元能够同时接受来自脊髓背角的触摸和伤害性信号输入，可能是触摸介导镇痛的基础。而进一步在人身上的研究则表明，触摸介导的镇痛机制不止存在于脊髓层面，还与脊髓之上的大脑环路有关，包括大脑皮质等一些区域，然而目前尚不清楚哪些皮质区域会受到影响。

2022年11月16日，来自麻省理工学院麦戈文脑科学研究所的王帆教授团队在Science Advances杂志上发表题为“Somatosensory cortical signature of facial nociception and vibrotactile touch–induced analgesia”的文章，在该研究中，作者观察到小鼠胡须拂动产生触觉信号能够显著缓解面部疼痛，而阻断这一触觉信号传递所依赖的丘脑到桶状皮层（barrel cortex, S1B）环路，则导致该疼痛缓解作用消失。通过对S1B神经元的钙信号进行分析，作者发现胡须拂动改变了S1B神经元对痛觉信号的处理，并推动由伤害性刺激引起的神经状态向非伤害性的行为结果过渡。该研究表明，S1B整合了面部触觉和痛觉信号，实现了触摸介导的镇痛。
 

振动触觉信息主要由初级躯体感觉皮层（somatosensory cortex, S1）处理，但S1在痛觉中的确切作用仍有争议。啮齿类动物利用胡须作为它们面部主要的触觉传感器。在探索环境的过程中，啮齿类动物会通过不同频率的来回移动它们的胡须（这一过程被称为“拂动”）来收集不同环境下的感官信息。众所周知，S1B能够专门处理小鼠胡须产生的触觉信息，比如胡须接触到的物体的位置、大小和纹理等。相对而言，对于S1B是否以及如何处理面部的痛觉信息目前仍然知之甚少。

为了建立一个啮齿类动物的触觉镇痛模型，作者假设，小鼠胡须拂动可能会本能地抑制面部在急性有害刺激下的痛觉感受，如果是这样，这将提供一个模型来研究S1B在触摸、痛觉以及它们相互作用的机制。在该研究中，作者验证了这一假设：小鼠自发的胡须拂动可以抑制其胡须皮垫对伤害性的热或机械刺激的痛觉感受，该痛觉抑制需要依赖胡须的存在，剔除胡须后单纯的面部肌肉运动无法缓解疼痛，表明胡须拂动产生的触觉信号对于面部痛觉的缓解十分关键。考虑到S1B是专门处理胡须触觉信息的脑区，而该区域是否能够感知痛觉信号仍然未知，因此作者利用宽场钙成像技术对小鼠大脑皮质表面进行了成像，证实S1B能够被相关的伤害性刺激所激活，表明S1B同样能够感知面部的痛觉信号。
 

图1.小鼠自发胡须拂动能够抑制其面部痛觉感受
 

图2. VPM^Ntng1神经元主要向S1B传递触觉信号，而非伤害性信号

图3.胡须拂动能够降低S1B神经元对热和机械刺激的反应

综上，该研究建立了一个触摸介导的痛觉抑制的行为模型。利用该模型，作者证实小鼠自发的胡须拂动所产生的触觉信号可以减少面部的痛觉感受，这一效应依赖于触觉信号传递的VPM^ntng1- S1B通路。进一步的研究结果表明，胡须拂动使得S1B神经元对痛觉信号响应降低，促使其动力学特征向非疼痛状态转变，从而抑制疼痛反应。该研究结果支持S1B神经元对面部痛觉信号的感知，以及通过整合触觉和痛觉信号来缓解疼痛的作用。

研究方法亮点
这项工作揭示了S1B神经元在面部痛觉感受以及触摸介导镇痛中的作用。研究用到了脑立体定位手术、光纤记录、化学遗传学、在体钙成像、免疫组化以及行为学评估等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域20年，一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中，研究人员采用了瑞沃德公司生产的光纤记录系统，为实验的顺利开展提供了助力。此外，瑞沃德还可提供该研究所涉及的脑立体定位手术、化学遗传学、在体钙成像、免疫组化以及行为学评估等实验的完整解决方案。截至目前，瑞沃德产品及服务覆盖海内外100多个国家和地区，客户涵盖全球700+医院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人员发表SCI文章14500+，获得行业广泛认可。
 

论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn6530