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已有研究表明，大腦皮層對脊髓感覺處理過程具有下行調控作用。然而，關于皮層-腦干投射在感覺和運動調節中的功能角色，目前仍研究較少。

基于此，2025年7月3日，復旦大學張玉秋研究團隊在Nature communications雜志發表了“Descending projection neurons in the primary sensorimotor cortex regulate neuropathic pain and locomotion in mice”，揭示了初級感覺運動皮層中的下行投射神經元調節小鼠的神經病理性疼痛和運動。

本研究中，作者在初級感覺運動皮層（SM1）中鑒定出兩個神經元亞群，這兩個亞群在解剖結構和電生理特性上有所不同，但功能上相似，分別投射至中腦導水管周圍灰質（PAG）和延髓頭端腹內側區（RVM）。這些PAG中的谷氨酸能神經元進一步投射到藍斑核（LC）中的去甲腎上腺素能（NA）神經元以及RVM中的5-HT神經元，從而驅動脊髓中由NA和5-HT介導的抗痛覺反應；而接受SM1投射的RVM中強啡肽能神經元則直接介導脊髓阿片類鎮痛效應。有趣的是，沉默這兩個SM1亞群會導致運動行為受損并影響運動誘導的鎮痛效應，但對皮膚感覺刺激的行為反應沒有明顯影響。作者的研究結果表明，這些向腦干投射的SM1神經元亞群在皮層下行鎮痛調控中起著關鍵作用，未來可能成為優化疼痛干預策略的重要靶點。

圖一 感覺運動皮層中投射至中腦/延髓神經元的鑒定

本研究通過在初級感覺皮層（S1）和初級運動皮層（M1）注射表達突觸素-mRuby的腺相關病毒，發現S1和M1神經元在PAG和RVM的軸突末梢分布相似。為進一步定位這些投射神經元的胞體位置，作者在PAG和RVM分別注射逆行病毒，結果顯示PAG投射神經元和RVM投射神經元主要分布于S1、M1及M2區域，尤其集中在S1和M1皮層。其中，SM1PAG神經元多位于S1和M1后部，而SM1RVM神經元則更多分布于前囟前方區域，兩者主要定位于第5、6層，且SM1RVM神經元位置更深。結合CTB逆行示蹤結果，表明SM1PAG和SM1RVM是兩個解剖上分離的神經元亞群。RNAscope熒光原位雜交進一步顯示，超過95%的這兩類神經元表達vGlut1，表明其為谷氨酸能神經元。作者發現SM1PAG和SM1RVM神經元均廣泛投射至多個與感覺和運動調控相關的腦區，包括紋狀體、丘腦、下丘腦和延髓等，但其在特定區域的投射密度存在差異。此外，兩類神經元均有軸突側支直接投射至脊髓，提示其可能參與脊髓層面的感覺-運動整合。為進一步比較其功能特性，作者通過全細胞膜片鉗記錄技術分析了它們的內在電生理屬性，發現SM1RVM神經元的動作電位發放頻率更高、激發閾值更低、半峰寬更窄、幅度略高，表明其內在興奮性高于SM1PAG神經元，而在其他參數如靜息膜電位、輸入阻抗等方面無顯著差異。綜上所述，SM1PAG和SM1RVM是位于初級感覺運動皮層深部、具有解剖與電生理差異的兩類谷氨酸能神經元亞群，可能在皮層下行鎮痛調控中發揮不同作用。

圖二 激活SM1PAG與SM1RVM神經元亞群在神經病理性疼痛小鼠中產生相似的鎮痛效應

鑒于PAG和RVM是下行鎮痛系統中的關鍵核團，作者進一步研究了這兩類SM1神經元亞群在疼痛處理中的作用。作者在PAG或RVM中注射AAV2/retro-Cre-EGFP病毒，在SM1中注射hM3D或hM4Di病毒以分別激活或抑制SM1PAG和SM1RVM神經元。隨后通過腹腔注射CNO。在基礎生理狀態及神經病理性疼痛模型下，作者檢測了von Frey機械痛閾和Hargreaves熱痛反應的變化。免疫熒光染色證實mCherry在GFP標記的SM1PAG和SM1RVM神經元中特異性表達。化學遺傳學抑制SM1PAG或SM1RVM神經元并未顯著改變正常生理條件或神經病理性疼痛狀態下的機械或熱刺激閾值。然而，激活這兩類神經元可顯著緩解坐骨神經慢性壓迫損傷（CCI）所誘導的機械性異常痛和熱痛過敏，且無性別差異；而在基礎狀態下則未見明顯影響。這一結果提示，SM1PAG和SM1RVM神經元主要參與病理狀態下傷害性敏感反應的調控，而非基礎鎮痛機制。為進一步評估其是否具有協同或疊加的鎮痛效應，作者在同一動物的PAG和RVM中同時注射逆行Cre病毒并在SM1中注射AAV-DIO-hM3Dq病毒，從而同步激活SM1PAG和SM1RVM神經元。結果顯示，雙激活顯著增強了對CCI小鼠機械性異常痛和熱痛過敏的抑制作用，表明這兩個神經元亞群在抗傷害感受中具有等效且疊加的效應。此外，為了排除非投射至PAG/RVM的SM1神經元可能產生的干擾，作者采用“Cre-off”策略，在SM1中注射AAV-DO-hM3Dq-eGFP病毒并在PAG和RVM中注射逆行Cre病毒，從而選擇性激活除SM1PAG和SM1RVM以外的SM1神經元。有趣的是，這類非特異性激活反而引發了小鼠后爪的痛覺過敏和自發性疼痛樣行為，而前爪和胡須墊區域未受影響，進一步表明SM1對后肢區域的感覺支配特性。

圖三 脊髓單胺類與阿片類信號通路分別參與由SM1PAG和SM1RVM神經元介導的下行鎮痛調控

腹側PAG輸出神經元投射到RVM和藍斑核進而投射到脊髓背角，以調節傷害性傳遞。因此，作者通過病毒示蹤技術評估了接受SM1輸入的PAG神經元的下行投射。接受SM1突觸后輸入的PAG神經元直接投射到RVM和藍斑核，但不投射到脊髓。接下來，作者通過病毒注射追蹤SM1–PAG–藍斑核/RVM通路，mRuby+突觸小泡出現在藍斑核去甲腎上腺素能神經元和RVM 5-HT神經元的胞體和樹突上?；瘜W遺傳學激活這些PAG神經元顯著增加了藍斑核去甲腎上腺素能神經元和RVM 5-HT神經元中的c-Fos表達，這表明由這些PAG神經元驅動的抗傷害效應可能通過RVM 5-HT和藍斑核去甲腎上腺素能神經元介導，部分RVM神經元直接投射到脊髓背角。先前的研究發現多種亞型的5-HT受體參與疼痛的下行調節，例如5-HT7受體和5-HT3受體。因此，作者分別阻斷了5-HT7、5-HT3和α2A-腎上腺素受體以評估5-HT和NA下行系統在這些PAG和RVM神經元驅動的抗傷害效應中的作用。鞘內注射5-HT7受體拮抗劑、5-HT3受體拮抗劑和α2A-腎上腺素受體拮抗劑顯著逆轉了激活CCI小鼠中PAG神經元引起的抗傷害效應，但對RVM神經元的效應無影響。這一結果表明由SM1–PAG通路驅動的抗傷害效應是通過藍斑核去甲腎上腺素能和RVM 5-HT神經元介導的。此外，作者還研究了阿片系統在這兩種通路驅動的抗傷害效應中的作用。鞘內注射非選擇性阿片受體拮抗劑或μ阿片受體拮抗劑有效阻止了RVM而非PAG介導的抗傷害效應，進一步支持相關RVM神經元在這一過程中的參與。這些發現表明，由這兩類神經元驅動的抗傷害效應是通過不同的分子、細胞和回路機制實現的。

圖四 沉默SM1PAG和SM1RVM神經元會損害與運動相關的行為，而非感覺相關的行為

接下來，作者在正常生理條件下評估了SM1PAG和SM1RVM神經元在運動和感覺調節中的作用，在PAG或RVM中注射了AAV2/retro-Cre病毒并在SM1中注射了AAV-DIO-hM4Di病毒，以特異性抑制這些神經元。接著測試了一系列與運動相關的行為以及對觸覺和有害刺激的行為反應?；瘜W遺傳學抑制SM1PAG或SM1RVM神經元并未改變小鼠對點狀機械刺激、無害的動態刷觸、足底膠帶刺激或有害熱刺激的行為反應，這表明在正常狀態下，這些神經元并不參與調節由觸覺或傷害性刺激引發的行為反應。在運動行為測試中發現，沉默SM1PAG和SM1RVM神經元會損害加速轉棒實驗中的整體運動協調能力，表現為從轉棒上跌落的平均潛伏時間縮短。在平衡木測試中，僅SM1PAG神經元的沉默會導致滑倒次數顯著增加，表明SM1PAG神經元在精細運動控制中具有重要作用。作者還通過水平梯測試評估了小鼠的熟練運動行為，結果顯示，SM1PAG或SM1RVM神經元的沉默顯著降低了前肢和后肢正確放置的可能性。然而，在曠場測試中，沉默這些神經元并未影響小鼠的總移動距離，說明它們不參與調控基本的自主運動功能。此外，在以上行為測試中這些神經元的沉默也未影響小鼠的運動速度。綜合這些結果表明，在正常生理條件下，SM1PAG和SM1RVM神經元可能在精細運動控制和協調中發揮重要作用。

總結

作者根據SM1神經元在腦干中的投射靶點區分了兩個不同的神經元亞群。激活這兩個亞群及其下行投射通路，能夠獨立且協同地緩解CCI引發的行為過敏反應。這種復雜而具有冗余性的神經系統組織對于維持功能彈性至關重要，對生存具有重要意義。從進化的角度來看，這類系統可能通過幫助動物完成關鍵的運動行為并抑制疼痛為它們提供安全上的優勢。本研究揭示了運動與感覺系統之間的相互作用，并提示以SM1-腦干通路以及5-HT、去甲腎上腺素和阿片類信號為靶點的治療策略，可能為慢性疼痛的干預提供新的方向。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61164-8