2023年5月23日，上海科技大学生命科学与技术学院胡霁课题组和上海交通大学基础医学院徐天乐课题组合作在Neuron上发表题为Representation and control of pain and itch by distinct prefrontal neural ensembles的研究论文。该研究探索内侧前额叶皮层不同的神经元集群对痛觉和痒觉信息的独立表征，并提出这两个神经元集群通过优先投射到特定的下游区域以调节疼痛或瘙痒相关的感觉和情绪行为。
疼痛和瘙痒作为机体躯体感觉的重要组成部分，可以帮助人们防御外界伤害性刺激避免组织损伤。虽然这两者具有相似的信息解剖通路，但本质上它们依旧是两种截然不同的感觉，会引起不同的脑内感知和行为反应。然而，疼痛和瘙痒的信息是如何在大脑中编码以产生不同的感知区分并进行处理的，这仍然是一个有待研究的科学问题。
本研究首次利用单细胞精度的活体显微钙成像技术在大脑的高级皮层——内侧前额叶皮层探究了在接受疼痛和瘙痒刺激输入之后神经元的不同响应规律。研究发现两种刺激皆可导致PL亚区兴奋性神经元呈现复杂多样的钙信号活动变化。
【资料图】
深入的数据分析提示，疼痛与瘙痒激活的PL神经元虽然在解剖位置上混杂在一起，但在对伤害性痛觉和痒觉刺激的反应特性上却可以明显区分开来，提示痛觉和痒觉分别由PL区两群不同的神经元编码和处理。利用领域内广泛认可的面颊部模型，结合超微型显微镜钙成像，本工作进一步证实了痛痒觉信息在不同的皮层神经元集群分类表征处理的论断。
本研究进一步利用活性细胞群的靶向标记和操控技术阐明了急性痛或急性痒特异性标记的神经元集群对小鼠痛痒觉行为的双向调控作用。相关结果表明PL存在两个分离的神经元集群可以独立表征痛觉和痒觉，并且它们以相反的方式调控疼痛和瘙痒的行为输出。研究人员绘制了PL区疼痛与瘙痒激活的两类神经元集群的全脑输入输出投射图谱，进一步阐明这两类神经元集群的异质性特点并探讨其调控痛痒觉行为的神经环路。
实验结果提示，这两类神经元集群接受的输入在部分脑区存在显著的差异。同样，两者的输出环路也不尽相同。研究人员进一步利用投射特异的化学遗传学操控，证明PL至背内侧丘脑投射可以负向调节疼痛行为，而PL至基底外侧杏仁核投射则正向调控瘙痒相关的感觉和情绪行为。
综上所述，这些发现揭示了PL不同的神经元集群对痛觉和痒觉的分离表征，并从解剖位置、功能特性、全脑连接网络、对痛/痒刺激的反应规律以及行为学输出等不同的层面解析了痛觉与痒觉激活的皮层神经元的异质性特点。这种不同层次异质性的存在奠定了痛觉和痒觉在同一部位区别加工处理的物质基础。
图：前额叶皮层神经元集群痛痒觉分类表征和差异调控的神经机制模式图
本研究成果为最终阐明痛痒觉分类编码进而导致不同感受体验的神经机制提供了新知识，为理解大脑中的体感信息处理构建了新的理论框架，也为疼痛或瘙痒异常相关的疾病治疗提供了新思路。
上海科技大学生命科学与技术学院博士研究生潘倩、上海交通大学基础医学院博士研究生郭素珊和上海科技大学生命科学与技术学院副研究员陈明（现为复旦大学脑科学研究院研究员）为文章的共同第一作者。上海科技大学生命科学与技术学院胡霁研究员、上海交通大学基础医学院刘明刚研究员和徐天乐教授为文章的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重大项目、科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目、上海市市级科技重大专项、上海市教委创新团队等项目的支持。该研究还得到了中科院生物物理研究所王晓群教授等的合作支持。
论文链接：
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00342-2
来源于：上海科技大学生命学院公众号
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