丘脑底核-腹侧苍白球投射靶向胆碱能环路调控慢性疼痛

《PLOS Biology》：The subthalamic nucleus-ventral pallidum projection targeting cholinergic circuits modulates chronic pain

　　

胆碱能系统显示出用于疼痛管理的潜力。尽管腹侧苍白球（VP）中的胆碱能神经元参与神经病理性疼痛，但贡献于急性和慢性疼痛处理的胆碱能环路的解剖学组织与药理学特征仍未知。研究人员证明，在生理与神经病理性疼痛条件下，VP胆碱能神经元接收来自丘脑底核（STN）谷氨酸能（Glu）神经元的疼痛信号，并介导疼痛调制。VP胆碱能神经元是疼痛刺激下VP内乙酰胆碱释放的主要来源，α4与α7是VP胆碱能、GABA能及谷氨酸能神经元上功能性烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）的主要亚基。在神经病理性疼痛小鼠模型中，VP胆碱能神经元过度兴奋并在VP释放更多乙酰胆碱，α4与α7 nAChRs在VP GABA能及Glu神经元上发生差异性修饰，伴随VP GABA能神经元过度兴奋与VP Glu神经元活动低下。逆转VP GABA能神经元上上调的α4 nAChRs（而非VP Glu神经元上下调的α4与α7 nAChRs）可减轻神经病理性疼痛中的痛觉过敏严重度。因此，STNGlu-VPChAT通路通过增强VP胆碱能环路参与神经病理性疼痛，VP GABA能神经元上的α4 nAChRs可能是治疗神经病理性疼痛的潜在靶点。

研究背景与立项依据

慢性疼痛影响全球约10%–15%人口，现有阿片类与非甾体抗炎药难以兼顾疗效与耐受性。胆碱能系统被视为有潜力的镇痛靶标，但乙酰胆碱受体（AChR）亚型、分布及生理效应异质性强，需解析内源性胆碱能环路以精准定位。既往研究提示STN神经元与VP胆碱能神经元均参与痛觉调制且对伤害性刺激反应增强，但STN谷氨酸能神经元是否单突触支配VP胆碱能神经元并贡献于痛信号传递尚未经细胞特异性环路验证。该研究发表于《PLOS Biology》，旨在明确STN^Glu-VP^ChAT通路在生理与神经病理性疼痛中的解剖、突触与受体机制，并评估α4/α7 nAChR亚型作为治疗靶点的可行性。

主要关键技术方法

研究人员使用雄性C57BL/6J背景ChAT-Cre、Vgat-Cre、Vglut2-Cre小鼠，构建保留坐骨神经分支损伤（SNI）神经病理性疼痛模型与辣椒素炎症痛模型。采用细胞类型特异性顺向/逆向病毒示踪（狂犬病病毒单突触追踪、Flp依赖载体）、光遗传（ChR2）与化学遗传（hM3Dq/hM4Di）调控、光纤光度法（GCaMP6s、GACh3.0传感器）记录VP胆碱能神经元钙信号与乙酰胆碱释放、脑片全细胞膜片钳（检测兴奋性突触后电流与ACh诱导电流）、激光捕获显微切割联合qRT-PCR定量神经元亚群受体亚基mRNA、颅内微量注射nAChR亚型选择性激动剂/拮抗剂（RJR-2403、PNU-282987、DHβE、MLA）及shRNA/过表达AAV调控VP GABA能或谷氨酸能神经元α4/α7亚基，并以机械缩足阈值（PWT）与热缩足潜伏期（PWL）行为学评估。

研究结果

The subthalamic projection to VP cholinergic neurons signals and modulates pain

通过狂犬病病毒追踪确认STN为VP胆碱能神经元上游；光遗传刺激STN→VP投射诱发VP胆碱能神经元AMPA受体依赖性单突触EPSC；化学遗传抑制VP胆碱能神经元阻断光遗传激活STN-VP投射所致的机械痛觉过敏与c-Fos激活；光纤记录显示SNI下后爪机械刺激引发VP胆碱能神经元反应增强，抑制STN神经元（hM4Di）取消该增强。结论：STN^Glu单突触驱动VP^ChAT传递生理与病理痛信号。

Mechanical stimulation-induced ACh release from VP cholinergic neurons is enhanced in neuropathic pain mice

GACh3.0光度法显示SNI小鼠VP乙酰胆碱释放对机械刺激反应放大；抑制VP胆碱能神经元取消该释放。膜片钳证实VP三类神经元均表达nAChR（MEC可逆），SNI下胆碱能神经元兴奋性与GABA能神经元兴奋性上升，谷氨酸能神经元兴奋性下降。

α4 and α7 subunits in VP neurons are differentially modified in VP neurons

qRT-PCR与药理学显示VP神经元nAChR以α4、α7为主。SNI下VP GABA能神经元α4 mRNA上调、α7不变；VP谷氨酸能神经元α4与α7均下调；VP胆碱能神经元α7下调、α4不变。脑片电流实验与行为学（RJR-2403致机械/热过敏，PNU-282987致机械过敏）吻合亚基重分布功能。

Downregulation of α4 nAChR subunit in VP GABAergic neurons distinctly reduces pain thresholds but attenuates hyperalgesia in neuropathic pain

VP GABA能神经元敲低α4（shRNA）使基础痛阈轻度降低，但SNI后痛觉过敏显著减轻，且α4激动剂不再加深过敏；DHβE在SNI下仍镇痛但部分作用来自非GABA能α4位点。结论：VP GABA能α4 nAChR上调是神经病理性痛觉过敏的核心驱动。

Downregulation of α4 nAChR subunit in VP glutamatergic neurons may not contribute to hyperalgesia in neuropathic pain

VP谷氨酸能过表达α4不改变基础或SNI痛阈，但增强DHβE在SNI机械痛的镇痛幅度，提示谷氨酸能α4下调为代偿性改变，非致病主因。

Upregulation of α7 nAChR subunit in VP glutamatergic neurons enhanced analgesic effect of α7 nAChR antagonist in the VP on neuropathic pain

VP谷氨酸能过表达α7不改变痛阈，但放大MLA在SNI的镇痛效应，同样支持α7下调为代偿。

Contralateral projections from VP glutamatergic and GABAergic neurons contribute to ipsilateral hypersensitivity following activation of VP cholinergic neurons

示踪显示VP胆碱能神经元无对侧投射，而VP GABA能/谷氨酸能神经元发出对侧VP投射；光遗传激活单侧VP胆碱能神经元引起双侧非胆碱能神经元兴奋，化学遗传阻断对侧VP谷氨酸能或GABA能投射后，同侧痛觉过敏消失。结论：同侧过敏由VP胆碱能→同侧非胆碱能→对侧VP环路中介。

讨论与结论翻译

讨论指出，研究确立STN谷氨酸能神经元至VP胆碱能神经元的单突触谷氨酸能通路，为基底节—前脑痛调制通路补入关键环节。生理状态下阻断α4/α7 nAChR不影响痛阈，但神经病理状态下VP胆碱能亢进释放ACh，选择性激活VP GABA能神经元上调的α4 nAChR导致GABA能过度兴奋，构成痛觉过敏；VP谷氨酸能α4/α7下调起代偿。单侧VP胆碱能激活经同侧非胆碱能神经元对侧投射实现双侧调制。局限在于未解析α4/α7与β亚基具体五聚体组装及长期病毒操控的神经适应。

研究结论部分译文：

综上，该研究证明VP胆碱能神经元受STN-VP谷氨酸能投射控制并参与痛觉表征与调制。通过激活α4与α7 nAChRs，VP胆碱能神经元支配VP内谷氨酸能与GABA能神经元。在神经病理性疼痛中，这些nAChRs发生细胞类型特异性修饰，其中VP GABA能神经元上α4 nAChRs上调显著促进痛觉过敏。因此，STN^Glu-VP^ChAT-VP^nonChAT通路可能在神经病理性疼痛中发挥重要作用，VP GABA能神经元上的α4 nAChRs可作为神经病理性疼痛治疗的潜在靶点。