撰文 | Qi
责编 | Yan
前外侧途径（anterolateral pathway）由上升的脊髓神经束组成，负责将疼痛，温度和触碰信息从脊髓传递到大脑，该途径的投射神经元是针对疼痛而言颇具吸引力的治疗目标。尽管已经识别并表征了响应一系列作用于皮肤的无害或有害刺激的初级感觉神经元【1-3】，但人们对其信号如何在脊髓内整合和处理并通过脊髓投射神经元（projection neurons, PNs）进行传递的了解较少，而这恰是躯体感觉和行为的基础。
2020年10月28日，来自哈佛医学院的David D. Ginty团队在Nature杂志上发表了一篇题为“Parallel ascending spinal pathways for affective touch and pain”的文章，这项研究揭示出两组表达结构相关的G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptors, GPCR）TACR1和GPR83的投射神经元形成平行上升的回路模块，协同工作以将热，触觉和有害的皮肤信号从脊髓传递到脑桥臂旁外侧核（lateral parabrachial nucleus of the pons, PBNL）。在该核内，表达Tacr1或Gpr83的脊髓臂旁（spinoparabrachial, SPB）神经元的轴突支配不同的亚核集，强烈的光遗传学刺激轴突末端诱导了独特的逃避行为和自主反应。这些发现对SPB束进行了解剖，生理和功能上不同的细分，而这些细分正是触觉和痛觉方面的基础。
首先，为了定义前外侧途径PNs的大脑靶点，作者使用交叉遗传策略，结合PN CreERT2小鼠系（Tacr1CreERT2，Gpr83CreERT2或Robo3IRES-CreERT2），脊髓选择性Flp小鼠系（Lbx1FlpO或Cdx2–NSE–FlpO）以及双重组酶依赖性报告基因Rosa26FSF-LSL-tdTomato小鼠系，以将Tacr1+，Gpr83+或Robo3+三种脊髓PNs的轴突对大脑的投射可视化。作者观察到，PBNL是受到Tacr1+和Gpr83+脊髓PNs最密集支配的大脑区域；在丘脑中，Tacr1+和Gpr83+脊髓PNs以部分重叠的方式支配丘脑内侧和后侧核，而Robo3+脊髓PNs则支配丘脑腹后外侧核等。随后，使用双病毒标记方法进行的解剖学分析显示，投射到丘脑后部的Tacr1+和Gpr83+神经元的轴突穿过脊髓白质的腹侧外侧束，并形成终止于腹侧脑干的MAO和LRN的侧支。值得注意的是，这些丘脑和中脑投射的Tacr1+或Gpr83+ PNs均未形成终止于PBNL的侧支。这些发现表明，支配丘脑，中脑和PBNL的Tacr1+和Gpr83+脊髓PNs是不同的细胞群。
图1，Tacr1+和Gpr83+神经元的分布和支配区域
PBNL包含几个结构不同的亚核，这些亚核与其他大脑区域具有不同的输入输出连接方式。Tacr1+ SPB神经元主要在中央外侧（PBNCL）和内部外侧（PBNIL）亚核内形成突触；而除了PBNIL以外，Gpr83+ SPB神经元还独特地在背外侧（PBNDL）和外部外侧（PBNEL）亚核内形成突触。由此可见，不同的SPB细胞群组以区域分隔的方式在PBNL内形成突触末端。
Tacr1+和Gpr83+ SPB神经元支配不同的PBNL亚核集的发现，使得作者猜测这两个SPB群组是否是机体可以对体感刺激产生不同行为反应的细胞基础。通过双向光遗传选择性的激活PBNL中Tacr1+或Gpr83+ SPB神经元的轴突末端，作者发现即早基因Fos的表达在其对应的PBNL亚核中有强烈的上调。在行为方面，高强度激活Tacr1+或Gpr83+ SPB神经元可诱使小鼠产生剧烈疼痛反应行为，例如刺激Tacr1+ SPB的轴突末端会引起小鼠眯眼和眨眼；刺激Gpr83+末端促使小鼠向前运动，而刺激Tacr1+末端促使小鼠显着的向后“退缩”以及跳跃，可以联想到对有害刺激的逃避行为。
随后，为了确定Gpr83+和Tacr1+ SPB亚群的反应特性，作者使用皮肤-脊髓的离体（ex vivo）模型对这两个神经元群体进行全细胞膜片钳记录（whole-cell patch-clamp recordings），并且发现在整体水平（the population level）上，这两个亚群对机械和热刺激表现出完全不同的响应：Gpr83+ SPB神经元对机械刺激高度敏感，而Tacr1+ SPB神经元对无害的温度刺激（尤其是低温如15℃）和辣椒素的反应更敏感。值得注意的是，Gpr83+和Tacr1+ SPB神经元对有害的温度刺激（0°C和54°C）都有反应，这些结果表明这两个SPB分支都能传达有害的温度信号。
为了定义说明Tacr1+和Gpr83+ SPB神经元的刺激反应特性差异的脊髓回路机制，作者接下来使用视紫红通道蛋白（Channelrhodopsin）辅助的回路映射，在急性脊髓切片中检查了感觉神经元在这些SPB神经元上的输入信号。使用新生成的BAC转基因小鼠品系Calca–FlpE标记的CGRP +肽能伤害感受器末端（peptidergic nociceptor terminals）的光刺激（473 nm），可以在大多数Tacr1+ SPB中引起较大的兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic currents, EPSC）和动作电位放电，但在Gpr83+ SPB神经元中却几乎没有。相比之下，Mrgprb4+机械感觉神经元末端或Ntrk2+（也称为TrkB）Aδ低阈值机械感受器（LTMR）末端的激活在大多数Gpr83+SPB神经元中引起较大的EPSC和动作电位激发，但在Tacr1+ SPB神经元中则几乎没有。差异性感觉神经元输入的形态关联在于Tacr1+ SPB神经元的树突被限制在最浅的脊髓板，其中有大多数CGRP +肽能伤害性感受器终止于此；而Gpr83+ SPB神经元的树突通常延伸到脊髓板IIid，即非肽能感觉神经元突触的部位（包括Mrgprb4+机械感觉神经元的突触），甚至进入IIiv和III层，即Aδ-LTMR和Aβ-LTMR突触的部位。因此，Gpr83+和Tacr1+ SPB神经元对触觉和热刺激的独特生理反应可以通过其树突形态的差异以及来自不同类别的机械感觉神经元和伤害感受器的突触输入来解释。
在这项研究中，作者还证明Gpr83+和Tacr1+ SPB神经元的的组织性质不同于前外侧脊髓的其他上升途径: （1）与其他仅受脊髓对侧受轴突支配的脑区相比，PBNL接受Gpr83+和Tacr1+ SPB神经元的双侧输入；（2）大多数SPB神经元是专用于PBNL的前外侧途径PN而不会形成支配其他大脑区域的侧支，相比之下，带有轴突支配下橄榄复合体的前外侧通路PNs的侧支分支延伸到其他大脑区域；（3）与前外侧途径的其他大脑目标（例如下橄榄复合体）不同，PBNL中没有SPB轴突末端的躯体定位组构等。
图2，代表后肢（GFP），胸腔（BFP）和前肢（tdTomato）区域的SPB神经元混杂在PBNL目标亚核内
总的来说，先前报道的前外侧途径的研究主要集中于其在疼痛和温度感觉中的作用，而对于可能介导情感触觉的前外侧途径的细分却知之甚少。在这项研究中，作者发现Gpr83+ SPB神经元对机械刺激高度敏感，低强度刺激Gpr83+ SPB神经元可以增添愉悦感，而高强度刺激则增加厌恶感。此外，Tacr1+和Gpr83+ SPB神经元能够形成平行的上升回路，可以协同将伤害感受信号传递到大脑，然而这两种分支接受输入和输出的部位不同但有所重叠。在研究中也确实观察到，Tacr1+和Gpr83+ SPB神经元的激活会产生躲避运动，自主（瞳孔）反应和位置厌恶的时空差异模式，从而说明这两个SPB回路可以介导个体对有害刺激产生不同的疼痛感知和行为反应。有趣的是，TACR1和GPR83是GPCR家族中结构高度相关的成员，都与Gq信号通路偶联，表明它们可能分别调节Tacr1+和Gpr83+ SPB神经元的活性。未来针对TACR1和GPR83 GPCR蛋白，以及表达它们的脊髓PNs的研究，可能有助于发现疼痛和情感触觉相关的疾病的新治疗方法。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2860-1
制版人：Kira
参考文献
1. Abraira, V. E. & Ginty, D. D. The sensory neurons of touch.Neuron79, 618–639 (2013).
2. Basbaum, A. I., Bautista, D. M., Scherrer, G. & Julius, D. Cellular and molecular mechanisms of pain.Cell139, 267–284 (2009).
3. Owens, D. M. & Lumpkin, E. A. Diversification and specialization of touch receptors in skin.Cold Spring Harb. Perspect. Med.4, a013656 (2014).