中科院青年学者最新发表Science文章

中科院神经科学研究所，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室的研究人员利用光遗传学、药理遗传学、在体光纤钙成像、脑片电生理等技术手段解析了痒觉信息传递的神经环路机制，首次揭示了痒觉从脊髓传递到大脑的一条重要环路，从而为深入揭示痒觉信息加工的脑内环路机制及探索慢性痒的治疗方案提供了重要基础。

　　

生物通报道：来自中科院神经科学研究所，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室的研究人员发表了题为“A central neural circuit for itch sensation”的文章，利用光遗传学、药理遗传学、在体光纤钙成像、脑片电生理等技术手段解析了痒觉信息传递的神经环路机制，首次揭示了痒觉从脊髓传递到大脑的一条重要环路，从而为深入揭示痒觉信息加工的脑内环路机制及探索慢性痒的治疗方案提供了重要基础。

这一研究成果公布在今日（北京时间8月18日）Science杂志上，文章的通讯作者是神经科学研究所孙衍刚研究员，第一作者为博士研究生穆迪和邓娟。

据报道，痒是一种令人不愉快的感觉，通常引起抓挠行为。皮肤病、肝病等患者经常出现慢性瘙痒症状，并且与其相伴的难以克制的长期搔抓行为可导致严重的皮肤和组织损伤。慢性瘙痒还经常引起睡眠障碍等，严重影响患者的生活质量。

痒的机制尚不清楚，致使针对慢性痒治疗的药物开发严重滞后。因此，痒觉机制的研究已经成为目前医学与神经科学领域的热点之一。近年来，我们对脊髓水平的痒觉信息处理的分子和细胞机制已经有了较为深入的认识。然而，痒觉信息如何从脊髓传递到大脑并不清楚。这是痒觉研究领域的核心问题之一。

为解决这一核心问题，孙衍刚研究组研究了脊髓水平的痒觉细胞是如何将痒觉信息传递到大脑的。以往的研究发现脊髓中的一类痒觉细胞表达胃泌素释放肽受体（gastrin-releasing peptide receptor，GRPR）。孙衍刚研究组发现这类神经元并不直接将痒觉信息传递到大脑。

由于臂旁核在痒觉信息处理过程中被激活，他们推测，脊髓水平这些GRPR阳性的神经元可能通过与一类直接投射到臂旁核的神经元形成突触联系，从而间接地将痒觉信息传递到大脑。为了验证这一假说，他们构建了GRPR神经元转基因小鼠，并表达光敏感通道。光激活脊髓中的GRPR阳性神经元可以在投射到臂旁核的细胞中诱导产生兴奋性突触后电流（图1A，B）。这提示脊髓水平GRPR阳性神经元可以通过激活投射到臂旁核的神经元间接地向臂旁核传递痒觉信息。

图1 脊髓-臂旁核环路参与痒觉信息传递。（A）脊髓电生理记录示意图。（B）电生理记录显示光诱发的兴奋性突触后电流，上图黑色为加药前，红色为加入拮抗剂后电流减小，下图为统计图。（C, D）光遗传学抑制脊髓到臂旁核投射降低组胺引起抓挠行为。C图为36分钟抓挠行为，黄色区域数据点为给予黄色激光抑制的抓挠行为，eNpHR3.0实验组明显低于对照组，D图为统计结果。（E）在组胺模型中，光纤钙成像记录臂旁核神经元的兴奋性与抓挠行为有相关性。（F）在臂旁核中注射实验组与对照组腺相关病毒的表达情况。（G）药理遗传学抑制臂旁核对痒觉诱发的抓挠行为的影响。上图为实验流程图，下图为抑制臂旁核明显降低组胺与氯喹诱发的抓挠行为。

那么脊髓到臂旁核的通路是否真正参与痒觉信息处理呢？通过光遗传学技术操控脊髓到臂旁核环路的活性，他们发现抑制该环路可以减少痒觉诱发的抓挠行为（图1 C，D）。孙衍刚研究组进一步研究了臂旁核在痒觉信息处理中的作用。通过在体光纤钙成像、胞外电生理记录等技术，他们发现臂旁核细胞的活性在痒觉诱发抓挠行为的过程中显著升高（图1E）。此外，他们也从行为学水平证实了抑制臂旁核同样可以减少痒觉抓挠行为（图1F，G）。这说明臂旁核的确对痒觉诱发抓挠行为是必要的。

这项项研究工作首次揭示了一条从脊髓向大脑传递痒觉信息的长程神经环路（图2），证明了臂旁核是痒觉信息处理环路中的关键节点，并且进一步阐明了该脑区在慢性痒和过敏性痒中的重要作用。该研究为深入解析痒觉信息在大脑中如何进行加工处理奠定了基础，并为寻找潜在治疗靶点提供了新的方向。

图2 痒觉信息从脊髓到大脑传递通路示意图。脊髓中介导痒觉信息的GRPR神经元通过兴奋性突触将痒觉信息传递给脊髓投射神经元，再由这些兴奋性投射神经元传递到臂旁核脑区。
 

作者简介：

孙衍刚

青年****/****/研究员

1995-1999年就读于北京大学生命科学学院，获生理学及生物物理学学士学位。1999-2004年就读于北京大学生命科学学院，获生理学博士学位。2004-2008年和2008-2012年期间分别在美国圣路易斯华盛顿大学和德州大学健康医学中心从事博士后研究工作。2012年8月起任中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所研究员，研究组组长。孙衍刚博士的研究兴趣主要在于感觉信息处理的神经环路机制。2012年入选青年****。

研究方向：

    揭示感觉信息处理和产生相应的动物行为的神经环路机制是神经科学研究的一个重要主题。快速准确的感觉信息处理对于动物的生存至关重要，同时也是动物学习能力、社会行为等的重要基础。感觉信息处理的功能障碍也是许多主要临床问题的根源。我们实验室长期的研究兴趣是在综合运用药理学、遗传学、光遗传学、电生理学和动物行为学等技术来揭示感觉信息处理的神经环路机制。
丘脑神经环路内感觉信息处理和调制

    丘脑是重要的感觉信息传递的中继站。感觉信息通过丘脑到达大脑皮层。同时，皮层神经元发送反馈性投射到丘脑，并动态调节丘脑的感觉信息处理。我们实验室的主要方向之一是研究丘脑神经环路的功能、可塑性和调制，进而研究丘脑神经环路造成感觉信息处理障碍是否是精神疾病如自闭症和精神分裂症等的病因。

痒觉的神经环路

我们还将通过研究痒觉的环路机制进而揭示神经环路的基本组构原则。痒觉是一种不愉快的感觉，并引发抓挠的欲望，它具有感觉和情绪两种成份。近年来痒觉的分子机制研究方面已取得了突破性的进展，但对痒的神经环路的研究还十分有限。我们最近所发现的脊髓内痒觉特异神经元为破译中枢神经系统内痒觉神经通路提供了一个重要基础。我们将研究以下几个根本问题：痒的感觉和其情绪成份的神经环路是什么？痒觉在中枢神经系统中是如何编码的？介导痒觉的情绪成份的神经环路与介导其他信息处理的环路之间有怎样的相互关系？

原文标题：

A central neural circuit for itch sensation