纽约大学Grossman医学院JingWang团队2023年4月5日在Neuron发表 “Oxytocin promotes prefrontal population activity via the PVN-PFC pathway to regulate pain”，揭示了PVN投射到边缘前PFC（PL-PFC）的催产素能神经元通过增强PFC神经元活动发挥镇痛作用。
前额叶皮层 (PFC)中的神经元可以对疼痛等感觉-情感体验进行自上而下的调节。然而，PFC中感觉编码的自下而上调制仍然知之甚少。在本文中作者探究了来自下丘脑的催产素 (OT)信号如何调节PFC中的伤害性编码。自由行为大鼠的体内延时内窥镜钙成像表明，OT选择性地增强前边缘PFC中的群体活动以响应伤害性输入。这种群体反应是由诱发的GABA能抑制减少引起的，表现为涉及疼痛反应神经元的功能连接性升高。来自下丘脑室旁核 (PVN)中释放OT 的神经元的直接输入对于维持这种前额叶伤害性反应至关重要。通过OT或催产素PVN投射的直接光遗传学刺激激活边缘前PFC可减缓急性和慢性疼痛。这些结果表明PVN-PFC回路中的催产素信号构成了调节皮质感觉处理的关键机制。
图一 催产素增加PL-PFC中的群体伤害性反应
为了评估OT对大鼠的抗伤害作用，作者首先使用哈格里夫斯试验(Hargreaves test)测试了对有害热刺激的反应撤退潜伏期。结果发现，在全身递送OT后，大鼠的撤退潜伏期比基线增加，表明OT具有抗伤害作用。接下来，使用延时钙成像在清醒、自由行为的大鼠身上测试了OT对PL-PFC伤害性反应的影响。作者将GCaMP6f注入PL-PFC，并植入带有梯度折射率 (GRIN)透镜的单光子微型显微镜，以跟踪表达CAMKII的锥体神经元内的Ca2+活动。为了测试OT如何调节PL-PFC内的神经元活动，比较了OT给药前后PL-PFC内响应伤害性刺激的峰值荧光，发现在疼痛反应性神经群体中进行OT给药后平均峰值Ca2+活性增加。这种增加表明神经元可能在OT存在的情况下激发更多的动作电位，对照组没有观察到这种情况。
图二 PL-PFC中的OT信号抑制急性疼痛
作者已经证明OT信号增强了PL-PFC中的群体伤害性反应，接下来研究了它如何调节疼痛行为。通过放置在PL-PFC中的插管输送OT并测定撤回延迟时间。注射了两种不同剂量的OT，发现与对照组相比，这两种剂量都延长了戒断潜伏期，剂量越高效果越好。接下来使用完善的两室条件性位置厌恶(CPA)测定法评估OT的抗厌恶作用。在CPA测定之前，先对大鼠进行颅内给与OT，在测试的预处理阶段，允许大鼠在两个腔室之间自由移动。在调节阶段，其中一个腔室与后爪的重复有害刺激(PP)配对，而另一腔室不与任何有害刺激相关。在测试阶段，让大鼠在没有任何外周刺激的情况下再次自由活动。当给与盐水到PL-PFC时，大鼠表现出对PP配对室的厌恶。接受OT的小鼠对与PP配对的腔室没有表现出厌恶，表明PL-PFC中的OT减少了疼痛厌恶。OT通过PL-PFC脑区抑制对伤害性刺激的反应。
图三 PL-PFC中的OT抑制慢性炎症性疼痛
研究人员接下来测试了前额叶OT信号在调节慢性疼痛中的作用。于是将弗氏完全佐剂 (CFA)皮下注射到大鼠后爪以诱导持续性炎症性疼痛。如机械性异常性疼痛所示，OT给与到PL-PFC减少了机械性异常性疼痛。除了外周超敏反应外，慢性疼痛的另一个标志性特征是在外部刺激下自发发生疼痛。因此，作者又对CFA处理的大鼠进行了条件性位置偏爱(CPP)测试，以探究PL-PFC中的 OT如何调节自发性或强直性疼痛。在测试阶段，发现经CFA处理的大鼠更喜欢与OT相关的腔室，而后爪注射盐水的无痛大鼠并未表现出对OT的偏好。这些结果表明PL-PFC中的OT信号抑制了慢性疼痛引起的自发性疼痛。
图四 PVN的化学遗传学抑制降低了PL-PFC中的伤害性反应
虽然从下丘脑释放的OT可以通过全身途径到达PL-PFC，是否存在从PVN到PL-PFC 的直接途径呢。作者首先验证了从PVN到PL-PFC的神经元投射。将催产素启动子(OTp)-Venus注射到大鼠的PVN中，免疫组织化学染色证实了PVN在PL-PFC内的投射。为了评估 PVN-PFC投射的功能，进一步研究化学遗传学失活PVN是否会改变PL-PFC内的伤害性反应。发现抑制PVN的催产素能神经元显著降低了PL-PFC神经元对机械性伤害性刺激的反应。然而，对照大鼠没有表现出这种活动变化。这些结果表明PVN的失活降低了PL-PFC的伤害性反应。因此，PVN中的催产素能神经元可能在维持前额叶伤害性反应的刺激中发挥关键作用。
图五 从PVN神经元的轴突末端释放的OT改变了PL-PFC中的E/I平衡
体内成像实验揭示的前额叶活动减少可能是PVN抑制的直接或间接结果。为了进一步剖析从PVN内的催产素能神经元直接投射到PL-PFC的作用进行了全细胞记录。使用蓝光脉冲刺激PVN神经元导致PL-PFC神经元中的抑制性突触后电流(IPSC)显著减少，但兴奋性突触后电流(EPSC)没有明显减少。IPSC的抑制能被OT受体拮抗剂所抑制。总之，这些结果表明PVN末端的OT释放可以通过减少诱发抑制直接增强PL-PFC神经元的伤害性反应，从而增强诱发兴奋性输入的影响。
图六 催产素增强疼痛反应神经元的功能连接
为了进一步了解OT在网络层面的影响，作者采用图论功能连接分析来检查来自不同功能组的PFC神经元之间的关系。使用从OT治疗前后的二次采样神经元ROI生成的图表中的介数和度中心性度量来评估功能连接性。OT治疗后疼痛反应节点的介数中心性明显增加。在疼痛反应神经元中的度中心性也观察到类似的增加，但在无反应神经元中则没有。这些发现表明，OT改善了局部PFC网络中疼痛反应神经元与其他神经元之间的功能连接，从而增加了网络中疼痛反应神经元的作用。
图七 从PVN中的OT释放神经元直接投射到PFC调节急性疼痛
作者接下来研究了这种投射如何调节疼痛行为。于是在PVN 中注入病毒并使用Hargreaves测试PL-PFC内表达OTp的神经元的光遗传学激活是否可以产生抗伤害感受作用。结果发现 PL-PFC内这些表达OTp的神经元的轴突末端的光激活增加了大鼠的戒断潜伏期，表明感觉疼痛症状得到抑制。利用光遗传学激活PVN投射到PL-PFC的催产素能神经元显著抑制了热痛刺激及机械性伤害性刺激引起的位置厌恶，同时抑制PL-PFC神经元则没有了上述作用，说明PVN通过激活PL-PFC神经元发挥镇痛作用。因此，激活PVN投射到PL-PFC的催产素能神经元能够抑制伤害感受。
图八 催产素PVN-PFC投射调节慢性疼痛
接下来，我们测试了PVN-PFC投射在调节慢性疼痛中的作用。首先测试了来自PL-PFC内PVN的OTp神经元轴突末端的光遗传学激活是否可以减少CFA 治疗大鼠的机械异常性疼痛，并发现大鼠表现出增加的退缩阈值。使用CPP测定研究了PVN-PFC通路的激活如何影响慢性疼痛厌恶，使用CPP测定来研究PVN-PFC通路中的OT信号是否也可以抑制CFA治疗大鼠的自发性疼痛。与对照相比，光遗传学激活后大鼠的更高CPP 评分进一步证实了PVN-PFC通路的激活抑制了自发性疼痛。作者又进行了保留神经损伤 (SNI)手术以模拟神经性疼痛的大鼠重复了这种强直性疼痛试验。接受SNI治疗的ChR2大鼠也更喜欢与PVN-PFC投射的光遗传学激活配对的腔室，进一步验证PVN-PFC通路中OT信号对慢性疼痛调节的影响。利用光遗传学激活PVN投射到PL-PFC的催产素能神经元显著抑制了慢性炎症性大鼠的机械性痛觉超敏和自发性疼痛。激活PVN投射到PL-PFC的催产素能神经元也能够慢性炎症性疼痛。
该研究证实OT信号可以塑造E/I 平衡以调节PL-PFC中的伤害性处理。OT对伤害性处理的影响可以通过来自下丘脑 PVN 的直接投射到PL-PFC的神经元局部介导。这些结果为疼痛调节提供了一个重要的皮层下到皮层通路，下丘脑的PVN通过释放OT增强PL-PFC神经元活动，证明了自下而上的信号传导在塑造感觉-情感行为的高级皮层调节中的重要性。
http://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37023755/
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