“Leaky Gate” 模型：痛覺和癢覺信息編碼的新學(xué)說

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“Leaky Gate” 模型：痛覺和癢覺信息編碼的新學(xué)說

痛覺和癢覺信息的編碼是科學(xué)家們幾十年來極度關(guān)注和討論的話題。然而，目前的編碼理論（包括：強(qiáng)度學(xué)說、特異性學(xué)說和選擇性學(xué)說）都無法解釋實(shí)驗(yàn)中的所有現(xiàn)象。為了闡明疼痛和瘙癢產(chǎn)生的機(jī)制，研究者在脊髓中特異性地標(biāo)記了一類中間神經(jīng)元(胃泌素釋放肽gastrin-releasing peptide, GrP)Grp+神經(jīng)元，他們?cè)谘芯苛诉@些中間神經(jīng)元的功能和特性后，提出了痛覺和癢覺編碼的“Leaky Gate（門控泄漏）”模型。該模型的主要內(nèi)容：脊髓節(jié)段存在一類Grp+中間神經(jīng)元，該神經(jīng)元直接接受來自初級(jí)感覺神經(jīng)元的痛覺和癢覺信息的突觸傳入，Grp+神經(jīng)元對(duì)痛覺和癢覺刺激的反應(yīng)表現(xiàn)出不同特性，該類神經(jīng)元只傳導(dǎo)癢和弱痛的信號(hào)，在強(qiáng)痛刺激情況下，內(nèi)源性阿片募集并接近Grp+神經(jīng)元，通過并行通路阻止痛的進(jìn)一步產(chǎn)生。如果Grp+神經(jīng)元缺失，痛覺反應(yīng)增加，而癢覺反應(yīng)減少。這一新模型是脊髓非單一編碼的一個(gè)很好范例，也能更好解釋人類心理物理研究中的許多發(fā)現(xiàn)。

研究背景

痛和癢是兩類不同又相互關(guān)聯(lián)的感覺，它們都通過小直徑背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元檢測(cè)后傳遞到脊髓的背角，并觸發(fā)不同的行為反應(yīng)。痛覺行為通過逃避反應(yīng)避免組織傷害，而癢覺行為則通過抓撓反應(yīng)清除有害刺激。痛覺能夠壓抑癢覺，通過抓撓產(chǎn)生的機(jī)械痛能夠減少或解除癢的感覺，然而，癢很難壓抑痛。在脊髓和背根神經(jīng)節(jié)中，對(duì)癢刺激反應(yīng)的神經(jīng)元也能被痛刺激激活。關(guān)于痛覺和癢覺編碼已經(jīng)爭論了幾十年并且還在繼續(xù)。強(qiáng)度學(xué)說是目前解釋痛覺和癢覺的一種主要學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為：一種多模神經(jīng)元能感受痛和癢的刺激，強(qiáng)刺激產(chǎn)生痛覺，而弱刺激將產(chǎn)生癢覺；然而，弱的痛刺激和強(qiáng)的癢刺激不能轉(zhuǎn)變成另一種不同的感覺，這就給強(qiáng)度學(xué)說提出了質(zhì)疑。另一種主要理論就是特異性學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為痛和癢的感覺分別通過不同的神經(jīng)編碼；然而，癢覺神經(jīng)元也對(duì)痛刺激產(chǎn)生反應(yīng)的研究讓特異性學(xué)說無法解釋；因此，在特異性學(xué)說的基礎(chǔ)上通過糅合多模感覺神經(jīng)元的特點(diǎn)，提出了選擇性學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為：癢覺刺激特異性激活癢覺選擇性神經(jīng)元產(chǎn)生癢覺，痛覺刺激激活癢覺選擇性神經(jīng)元和更多的痛覺選擇性神經(jīng)元，而這類傷害性痛覺神經(jīng)元又可抑制癢覺的產(chǎn)生最終表現(xiàn)出痛的感覺。最近的研究表明：在初級(jí)感覺神經(jīng)元(dorsal root gang lion, DRG)中，有“癢覺選擇性”神經(jīng)元（MrgprA3+）的存在，該類神經(jīng)元興奮只產(chǎn)生癢而不產(chǎn)生痛的感覺，剔除這類神經(jīng)元后嚴(yán)重影響癢，但對(duì)痛的反應(yīng)影響較少?！鞍W覺選擇性”神經(jīng)元在脊髓中也存在，這類神經(jīng)元被稱為GRPR+(gastrinreleasing peptide receptor)神經(jīng)元，如果這類神經(jīng)元丟失將失去大部分癢覺，而對(duì)痛覺影響較少。另外，腦納肽(brain natriuretic peptide, BNP)被認(rèn)為是癢覺神經(jīng)遞質(zhì)，負(fù)責(zé)外周DRG和脊髓癢覺選擇性神經(jīng)元的信號(hào)傳遞。人類心理物理實(shí)驗(yàn)也表明，大多數(shù)化學(xué)誘導(dǎo)的癢覺都伴隨著弱的傷害性感覺，這些混合的感覺給癢覺通路提出了一個(gè)如何進(jìn)行“選擇”的問題。

在該研究中，研究人員試圖揭示脊髓背角環(huán)路在痛覺和癢覺中的作用。位于脊髓中的二級(jí)神經(jīng)元直接接受來自DRG的突觸傳入，構(gòu)成了脊髓回路中的第一步。他們?cè)诩顾柚写_定了一類被命名為Grp+的二級(jí)神經(jīng)元，這些Grp+神經(jīng)元也直接接受來自初級(jí)感覺神經(jīng)元的痛覺和癢覺的突觸傳入；令人驚訝的是，Grp+神經(jīng)元的激活能產(chǎn)生痛和癢的反應(yīng)，且痛覺編碼呈現(xiàn)強(qiáng)度依賴性。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，他們提出了“Leaky Gate（門控泄漏）”模型，該模型是脊髓水平痛覺和癢覺編碼的一個(gè)理想模型，也能更好解釋來自人類心理物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

主要研究結(jié)果

1. 癢覺二級(jí)神經(jīng)元在脊髓中的遺傳標(biāo)記

研究組的前期工作已經(jīng)表明：MrgprA3+癢覺初級(jí)感覺神經(jīng)元的軸突選擇性地終止在脊髓背角的第II層。他們利用Cre技術(shù)標(biāo)記與MrgprA3+有直接突觸聯(lián)系的第二級(jí)神經(jīng)元。通過對(duì)脊髓背角所有GENSAT Cre品系的篩選，最后確定Grp-Cre不僅表達(dá)在脊髓背角的淺層，而且是一類興奮性中間神經(jīng)元，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)Grp-Cre標(biāo)記的神經(jīng)元能與DRG中癢覺選擇性神經(jīng)元MrgprA3+的中樞突形成突觸聯(lián)系。

2. Grp+神經(jīng)元直接接受癢覺選擇性初級(jí)神經(jīng)元突觸傳入

為了檢測(cè)突觸信號(hào)直接傳入到Grp+神經(jīng)元，他們?cè)诩顾枨衅想姶碳け掣⒂涗汫rp+神經(jīng)元的電特性，發(fā)現(xiàn)所有Grp+神經(jīng)元均接受來自C纖維的單突觸傳入。為了進(jìn)一步證明Grp+神經(jīng)元直接接受來自MrgprA3+神經(jīng)元的突觸傳入，他們通過分子遺傳的方法將MrgprA3+神經(jīng)元帶上了能被藍(lán)光激活的光敏感蛋白，當(dāng)用1 Hz 100 ms的光刺激時(shí)，該小鼠能產(chǎn)生明顯的抓撓行為，光遺傳激活僅產(chǎn)生撓癢行為而不是疼痛行為，這一結(jié)果與化學(xué)刺激的結(jié)果相似，且證實(shí)了MrgprA3+神經(jīng)元是癢覺選擇性神經(jīng)元。

3. Grp+神經(jīng)元接受來自痛覺和癢覺初級(jí)神經(jīng)元的單突觸傳入

為了檢測(cè)Grp+神經(jīng)元是否也接受來自傷害性選擇DRG神經(jīng)元的傳入，研究者采用了狂犬病毒單突觸追蹤方法系統(tǒng)地定量分析了輸入到Grp+神經(jīng)元的數(shù)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Grp+神經(jīng)元既接受來自癢覺選擇性初級(jí)神經(jīng)元的單突觸傳入，同時(shí)也接受來自傷害性初級(jí)神經(jīng)元的單突觸傳入；并且，接受傷害性受體神經(jīng)元的數(shù)量多于接受癢覺選擇性神經(jīng)元的數(shù)量。

4.痛覺刺激引起Grp+神經(jīng)元的強(qiáng)烈反應(yīng)，而癢覺刺激則微弱激活Grp+神經(jīng)元

追蹤試驗(yàn)已經(jīng)表明，脊髓中的Grp+神經(jīng)元均能接受疼痛和瘙癢的信號(hào)傳入。研究者想知道當(dāng)外周痛覺信號(hào)和癢覺信號(hào)傳入到Grp+神經(jīng)元時(shí)，該神經(jīng)元能否區(qū)分這兩種不同的信號(hào)，為了回答這一問題，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)制備了一個(gè)“DRG-傳入纖維-脊髓切片”標(biāo)本，在脊髓背角記錄Grp+神經(jīng)元，在DRG上使用化學(xué)物質(zhì)模擬痛覺和癢覺刺激外周神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：痛覺模擬刺激引起的Grp+神經(jīng)元放電明顯比癢覺模擬刺激要強(qiáng)很多（即使使用高劑量的癢覺刺激物）。參考其它文獻(xiàn)的報(bào)道，脊髓中的中間神經(jīng)元和投射神經(jīng)元對(duì)痛覺刺激發(fā)放的頻率比對(duì)癢覺刺激發(fā)放的頻率要高，他們的研究結(jié)果與這些報(bào)道一致。

5. Grp+神經(jīng)元既編碼痛覺也編碼癢覺

雖然DRG中的癢覺選擇性神經(jīng)元對(duì)痛和癢的刺激均能反應(yīng)，但只產(chǎn)生癢覺而不是痛覺；Grp+神經(jīng)元能接受外周痛覺和癢覺初級(jí)感覺神經(jīng)元的傳入，如果Grp+神經(jīng)元興奮將產(chǎn)生什么樣的感覺，研究者通過使用Cre技術(shù)獲得了各種標(biāo)記的小鼠，并利用這些小鼠研究了Grp+神經(jīng)元的功能，Grp+神經(jīng)元興奮時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的疼痛和瘙癢反應(yīng)；因此，脊髓中Grp+神經(jīng)元接受來自外周疼痛和瘙癢信息傳入并將兩種感覺信息進(jìn)行整合。

6. Grp+神經(jīng)元的痛覺編碼具有強(qiáng)度依賴性

Grp+神經(jīng)元能編碼痛覺和癢覺，但對(duì)痛覺和癢覺反應(yīng)的行為有明顯的差異。瘙癢行為中，抓撓行為隨刺激強(qiáng)度的增加而增加，當(dāng)刺激強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)抓撓則保持在一個(gè)平臺(tái)期，其反應(yīng)曲線是典型的Hill方程曲線；而疼痛行為則與瘙癢行為有明顯差異，隨疼痛刺激強(qiáng)度的增加，開始的疼痛反應(yīng)也增加，當(dāng)增加到一定值后，繼續(xù)增加疼痛刺激強(qiáng)度時(shí)，其疼痛反應(yīng)反而減少，反應(yīng)曲線呈現(xiàn)為倒置的“U”型曲線。弱和強(qiáng)的刺激將產(chǎn)生弱的疼痛行為，而中等程度的刺激將產(chǎn)生強(qiáng)烈的疼痛反應(yīng)，這種倒置的“U”型反應(yīng)特性并不是由于脫敏而引起。因此，Grp+神經(jīng)元具有強(qiáng)度依賴的特性，弱刺激產(chǎn)生癢覺而較強(qiáng)的刺激將產(chǎn)生痛覺，這一特性與強(qiáng)度學(xué)說一致。

7. Grp+神經(jīng)元形成“Leaky Gate”負(fù)向調(diào)節(jié)疼痛傳遞

“閘門學(xué)說”是Melzack和Wall為解釋疼痛形成機(jī)制提出的一個(gè)重要學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為：粗纖維和細(xì)纖維的傳導(dǎo)均能激活脊髓背角上行的傳遞細(xì)胞（T細(xì)胞），又同時(shí)與背角膠質(zhì)細(xì)胞（SG細(xì)胞）形成突觸聯(lián)系；粗纖維的沖動(dòng)只能興奮SG細(xì)胞，使該細(xì)胞向T細(xì)胞發(fā)出抑制性沖動(dòng)，從而阻斷外周纖維向T細(xì)胞傳導(dǎo)傳遞沖動(dòng)，故閘門關(guān)閉；而細(xì)纖維只能抑制SG細(xì)胞，使后者不能向T細(xì)胞發(fā)出抑制性沖動(dòng)，因而閘門開放；另外，粗纖維傳導(dǎo)之初，疼痛信號(hào)在進(jìn)入閘門以前先經(jīng)背索向高位中樞投射（快痛），中樞的調(diào)控機(jī)制在通過下行的控制系統(tǒng)作用于脊髓閘門系統(tǒng)，也形成關(guān)閉效應(yīng)；細(xì)纖維的傳導(dǎo)使閘門開放，則形成慢性鈍痛并持續(xù)增強(qiáng)。該學(xué)術(shù)提出后在一定程度上推進(jìn)了疼痛研究的進(jìn)展，但由于許多與之矛盾的實(shí)驗(yàn)和臨床事實(shí)引起了廣泛的爭議?；诖?，研究者提出了“Leaky Gate”模型，該模型的主要觀點(diǎn)是：Grp+神經(jīng)元是構(gòu)成該模型的重要神經(jīng)元，它直接接受外周疼痛和瘙癢的信息傳入，并將疼痛和瘙癢信息傳導(dǎo)至腦，同時(shí)也通過腦啡肽類中間神經(jīng)元抑制痛覺；當(dāng)強(qiáng)刺激存在時(shí)，Grp+神經(jīng)元觸發(fā)腦啡肽釋放，關(guān)閉來自脊髓Grp+神經(jīng)元和其它痛覺敏感神經(jīng)元的痛覺信號(hào)。Aβ FLL (Forward feedback loop)和Grp FLL有一些本質(zhì)差異，前者不允許任何信號(hào)通過該門，至少在生理狀態(tài)下是這樣，因此，非傷害性輸入并不誘發(fā)痛的感覺；相比之下，Grp FFL則允許弱的痛覺信號(hào)通過，同時(shí)又可壓制強(qiáng)的信號(hào)，所以，命名它為“Leaky Gate”，該模型的優(yōu)點(diǎn)在于，允許弱信號(hào)的通過能確保感受弱痛的刺激，同時(shí)抑制強(qiáng)的疼痛信號(hào)阻止劇痛的產(chǎn)生。

8. Grp+神經(jīng)元缺失后導(dǎo)致痛覺增加、癢覺減少

在“Leaky Gate”模型中，Grp+神經(jīng)元類似“剎車”的作用，能阻止強(qiáng)烈的疼痛信號(hào)進(jìn)一步傳到大腦。研究者為證實(shí)Grp+神經(jīng)元在痛覺傳導(dǎo)中的“剎車”作用，他們通過Cre技術(shù)選擇性損毀了這類神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)剔除Grp+神經(jīng)元的疼痛行為較正常動(dòng)物明顯增加，然而這些動(dòng)物的抓撓行為則明顯減少，其它行為（如運(yùn)動(dòng)行為）沒有明顯改變。這些結(jié)果與研究者的設(shè)想一樣，Grp+神經(jīng)元允許癢覺和痛覺信息傳入，但能夠阻止強(qiáng)烈疼痛信息通過。

9.Grp+神經(jīng)元缺失后的小鼠對(duì)強(qiáng)烈疼痛反應(yīng)更加有效

不像閘門學(xué)說，Grp+神經(jīng)元的強(qiáng)烈活動(dòng)會(huì)關(guān)閉“Leaky Gate”并抑制疼痛。弱的疼痛刺激會(huì)弱刺激或不會(huì)觸發(fā)抑制信號(hào)，研究者采用不同強(qiáng)度的疼痛刺激證實(shí)了這一假設(shè)。Grp+神經(jīng)元沉默的小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的疼痛行為，而強(qiáng)的瘙癢刺激卻沒有誘導(dǎo)更強(qiáng)烈的瘙癢反應(yīng)，這進(jìn)一步證明Grp+神經(jīng)元在疼痛和瘙癢編碼中具有不同的作用。

討論

選擇編碼理論描述脊髓痛覺和癢覺編碼是通過分開線路完成，由抑制性中間神經(jīng)元B5-1和NPY抑制癢產(chǎn)生痛。該研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)和提出的“Leaky Gate”模型能夠拓展目前痛覺和癢覺編碼的理論，結(jié)合選擇性理論，該模型能更好地解釋痛覺和癢覺的相關(guān)現(xiàn)象；研究結(jié)果表明，在脊髓中一類具有特殊形態(tài)的二級(jí)神經(jīng)元（Grp+神經(jīng)元）參與了痛覺和癢覺的編碼，這也是脊髓中能感受不同感覺傳入的一類比較清楚的神經(jīng)元，并且Grp+神經(jīng)元也具有強(qiáng)度依賴的痛覺編碼特性。Grp+神經(jīng)元具有直接編碼痛的感覺，如果強(qiáng)烈的疼痛刺激又會(huì)通過內(nèi)源性阿片物質(zhì)的募集抑制疼痛。

結(jié)合Grp+神經(jīng)元的強(qiáng)度依賴編碼，研究者在Grp+神經(jīng)元丟失狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)行為的劑量依賴也發(fā)生了改變，提示疼痛和瘙癢編碼是非線性的。Grp+神經(jīng)元接受來自外周痛覺敏感和癢覺敏感神經(jīng)元的單突觸傳入，痛覺刺激強(qiáng)烈激活Grp+神經(jīng)元而瘙癢刺激則輕微激活Grp+神經(jīng)元。癢刺激使部分DRG產(chǎn)生弱的反應(yīng)，這種弱信號(hào)通過突觸聯(lián)系影響Grp+神經(jīng)元的活動(dòng)，但并不影響Grp+神經(jīng)元c-fos的活性。不像表達(dá)腦啡肽的中間神經(jīng)元，需要強(qiáng)烈的去極化后釋放神經(jīng)肽，瘙癢誘導(dǎo)的Grp+神經(jīng)元弱反應(yīng)也能足夠觸發(fā)一些興奮性中間神經(jīng)元釋放GRP；除了Grp+神經(jīng)元外，一些lamina II層的中間神經(jīng)元也可以接受單突觸的癢覺傳入，lamina I層的投射纖維和GRPR+中間神經(jīng)元也可能直接接受癢覺信息傳入，這些神經(jīng)元在脊髓中的聯(lián)系回路目前也正在研究之中。

疼痛檢測(cè)系統(tǒng)需要足夠的敏感，以便保護(hù)軀體遭到潛在性傷害，但是當(dāng)暴露在強(qiáng)烈的疼痛刺激環(huán)境下，高敏感性可能產(chǎn)生劇烈的痛并且會(huì)干預(yù)其它正常的行為反應(yīng)，因此，阻止這種信號(hào)（“車閘”）的放大是必須的，來自機(jī)械敏感的Aβ纖維觸發(fā)了“車閘”可以適當(dāng)阻止疼痛信號(hào)的輸入。在“Leaky Gate”模型中的Grp+神經(jīng)元作為一個(gè)“車閘”能夠阻止本身產(chǎn)生的痛和其它并行通路產(chǎn)生的痛，在強(qiáng)烈激活狀態(tài)下觸發(fā)腦啡肽的釋放，大量腦啡肽的釋放能夠完全阻斷來自Grp+神經(jīng)元的痛覺反應(yīng)，通過Grp FFL調(diào)節(jié)的痛覺抑制不能被癢覺觸發(fā)，是因?yàn)榘W覺刺激只能輕微激活Grp+神經(jīng)元，這也與癢覺很少抑制疼痛的事實(shí)相一致。

總之，Grp+神經(jīng)元通過“Leaky Gate”模型正向編碼癢而負(fù)向調(diào)節(jié)痛的傳遞。研究者首次通過實(shí)驗(yàn)證明了脊髓中疼痛的強(qiáng)度依賴編碼，并提出了“Leaky Gate”模型，該模型是在目前流行理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析提煉而建立起來的痛覺和癢覺編碼理論，它能更好地解釋人類心理物理研究的發(fā)現(xiàn)，也可以作為脊髓水平感覺信息交流和非單一編碼的一個(gè)模型。在慢性疼痛和瘙癢狀態(tài)下，對(duì)Grp+神經(jīng)元相關(guān)回路的研究，可進(jìn)一步揭示Grp+神經(jīng)元在這些病理狀態(tài)下的功能特性。

（Sun,et al. Neuron, 2017, 93: 840 ～ 853. 侍昊耿笑 譯 唐宗湘 校）

10.3969/j.issn.1006-9852.2017.06.003