蓝斑核微环路解析腹外侧中脑导水管周围灰质输入对疼痛与焦虑的差异性调控机制

《Cell Reports》：Locus coeruleus microcircuitry processes periaqueductal gray inputs into distinct outputs for regulation of pain and anxiety

本研究针对蓝斑核（LC）在疼痛与焦虑调控中的矛盾报道，通过细胞类型特异性光遗传学、电生理记录及行为学分析，揭示了腹外侧中脑导水管周围灰质（vlPAG）的谷氨酸能与GABA能输入经LC/peri-LC微环路分流的机制：vlPAGGlu→LC通路通过脊髓去甲肾上腺素能投射介导镇痛作用，同时经由非mPFC依赖通路引发焦虑样行为；而vlPAGGABA→peri-LC→LC的抑制性微环路通过解除GABA能神经元对LC的抑制，选择性产生抗焦虑效应。该研究为LC功能异质性提供了环路层面的直接证据，为慢性疼痛共病焦虑的精准干预提供了新靶点。

　　

当我们感到疼痛或焦虑时，大脑中一个名为蓝斑核（Locus Coeruleus, LC）的小小核团正悄然扮演着关键角色。作为中枢去甲肾上腺素（Norepinephrine, NE）的主要来源，LC通过其广泛的投射网络调控着从觉醒、注意力到疼痛感知和情绪状态等多种生理过程。然而，关于LC在慢性疼痛中的作用，科学界一直存在矛盾：有的研究发现LC激活可缓解疼痛，另一些研究却显示它可能加剧疼痛症状。这种分歧提示LC并非一个均质的结构，而是由功能各异的神经元亚群组成的“模块化”核团。更关键的是，LC如何整合来自上游脑区（如中脑导水管周围灰质）的输入信号，进而差异性调控疼痛与焦虑行为，仍是未解之谜。

为了解决这一难题，加拿大卡尔加里大学的研究团队在《Cell Reports》上发表了一项研究，他们聚焦于腹外侧中脑导水管周围灰质（ventrolateral periaqueductal gray, vlPAG）向LC的投射通路。已知vlPAG是调控防御行为（如僵直、焦虑和疼痛抑制）的关键节点，但其通过LC影响行为的具体机制尚不明确。研究团队结合了细胞类型特异性的病毒追踪、光遗传学操控、在体钙成像、电生理记录以及多种行为学测试，首次系统阐明了vlPAG中谷氨酸能（Glutamatergic）和GABA能（GABAergic）神经元如何通过LC微环路分工合作，分别调控疼痛与焦虑。

研究主要采用了以下关键技术：

1. 1.
   细胞类型特异性光遗传学：在Vglut2-Cre或Vgat-Cre转基因小鼠的vlPAG区注射Cre依赖性病毒，选择性在谷氨酸能或GABA能神经元中表达光敏感通道（ChR2或NpHR），并在LC或peri-LC区植入光纤，通过光刺激精准操控特定神经通路的活动。
2. 2.
   病毒追踪与环路功能解析：结合逆向跨单突触病毒（AAVrg）与Cre/loxP系统，标记特定投射路径的神经元（如脊髓投射的LC神经元），并通过免疫组化（c-Fos）和双光子钙成像记录神经元活动。
3. 3.
   电生理学分析：在脑片上进行膜片钳记录，验证vlPAG与LC/peri-LC神经元之间的单突触连接强度及突触特性。
4. 4.
   行为学评估：在神经病理性疼痛模型（ spared nerve injury, SNI）小鼠中，通过动态足底测痛仪（DPA）、丙酮蒸发试验、场所逃避/回避范式（PEAP）评估疼痛行为，通过高架十字迷宫（EPM）和旷场试验（open field）评估焦虑样行为。
5. 5.
   药理学环路阻断：使用神经毒素DSP4特异性损毁脊髓或前额叶皮层（mPFC）投射的LC神经元，验证下游通路的功能必要性。

Optogenetic activation of glutamatergic vlPAG to LC projections produces analgesia

研究人员首先在Vglut2-Cre小鼠的vlPAG表达ChR2，并通过LC区的光纤给予光刺激。结果发现，激活vlPAG^Glu→LC通路能显著提高SNI模型小鼠患侧和对侧爪子的机械缩足阈值，且该效应在假手术组小鼠中同样存在，表明这一通路具有独立于神经损伤的双侧镇痛作用。此外，该通路激活还能缓解SNI小鼠的冷诱发性异常性疼痛（acetone test）和疼痛相关的负性情绪（PEAP测试中的逃避行为）。

Optogenetic activation of glutamatergic vlPAG to LC projections is anxiogenic

然而，该通路的激活并非全然有益。在旷场试验中，光刺激vlPAG^Glu→LC通路减少了小鼠的运动总距离、中心区域停留时间和直立次数；在高架十字迷宫中，小鼠在开放臂停留时间也显著缩短，这些均是焦虑样行为增强的表现。通过脊髓内注射DSP4选择性损毁去甲肾上腺素能投射后，该通路的镇痛作用消失，但焦虑样行为不受影响，提示镇痛与焦虑效应由LC的不同下游通路介导。

Optogenetic activation of GABAergic vlPAG to LC projections is anxiolytic without affecting pain behavior

相反，当在Vgat-Cre小鼠中激活vlPAG^GABA→LC通路时，小鼠的机械痛阈并无变化，却在旷场和高架十字迷宫测试中表现出明显的抗焦虑效应（运动增加、开放臂停留时间延长）。这表明GABA能通路专司焦虑调控，而不参与基础痛觉调节。

The vlPAG sends GABAergic and glutamatergic projections to peri-LC GABAergic interneurons

为何抑制性的GABA能输入反而引起LC神经元c-Fos表达增加？电生理记录发现，vlPAG的GABA能输入在peri-LC区的GABA能神经元上诱发的抑制性突触后电流（oIPSC）强度显著高于在LC去甲肾上腺素能神经元上的反应，而谷氨酸能输入则在LC神经元上诱发更强的兴奋性电流（oEPSC）。这提示vlPAG^GABA→peri-LC通路可能通过抑制局部GABA能中间神经元（即“去抑制”机制）间接激活LC神经元。

GABAergic vlPAG to LC to mPFC projections mediate anxiolytic behavior

为进一步验证下游通路，研究者在mPFC内注射DSP4损毁LC→mPFC投射。结果显示，vlPAG^GABA→LC通路的抗焦虑效应被完全阻断，而vlPAG^Glu→LC的致焦虑效应不受影响，表明LC→mPFC通路特异性介导抗焦虑作用。

The peri-LC pathway modulates pain and anxiety-like behavior

最后，研究者通过双病毒交联技术特异性激活vlPAG^GABA→peri-LC通路（避开直接输入LC的纤维），发现该操作不仅能增加LC神经元c-Fos表达，还可诱导SNI小鼠的镇痛效应，并在高架十字迷宫中产生抗焦虑作用。这说明peri-LC微环路是vlPAG输入信号分流的的关键节点：激活vlPAG^GABA→peri-LC可通过去抑制机制同时缓解疼痛与焦虑，而直接激活vlPAG^GABA→LC则因同时激活直接抑制与间接去抑制通路而仅表现抗焦虑效应。

讨论与意义

本研究首次揭示了vlPAG通过并行输入至LC核心区与周边peri-LC区，经由不同的微环路机制实现对疼痛与焦虑的差异性调控。其中，谷氨酸能输入直接兴奋LC脊髓投射神经元产生镇痛，同时通过非mPFC通路引发焦虑；GABA能输入则通过peri-LC的去抑制环路间接调控LC活动，其行为效应取决于激活的精确靶点（LC本体或peri-LC）。这些发现不仅澄清了LC在疼痛-焦虑共病中的复杂角色，更提示未来针对特定神经环路的精准干预策略可能为慢性疼痛及其情感并发症提供新的治疗思路。研究结果强调了脑干微环路的精细分工，为理解大脑如何通过有限核团协调多种行为输出提供了重要范式。