2023年5月3日李云庆、董玉琳团队在Nature Communications杂志上发表“Central medial thalamic nucleus dynamically participates in acute itch sensation and chronic itch-induced anxiety-like behavior in male mice”，（DOI： 10.1038/s41467-023-38264-4；）揭示了与瘙痒相关的两条神经环路：CM→mPFC-PN 神经元参与调控急性瘙痒，CM→mPFC-IN神经元参与调控慢性瘙痒的神经环路机制。
瘙痒是一种引起搔抓欲望的不愉快的皮肤感觉，是机体生理状态下自我保护的反应机制。急性瘙痒（持续不到6周）被认为是周围环境的有害伤害（如蚊虫叮咬）一种保护机制。慢性瘙痒可持续6周或更长时间，并诱发一系列负面情绪（焦虑），严重影响患者的生活质量。臂旁核(PBN)是编码痒觉信息中发挥关键作用：瘙痒刺激可激活PBN，在抑制该脑区兴奋性神经元活性后可阻碍瘙痒行为的出现。中央内侧丘脑(CM)作为“边缘丘脑”的一部分，编码伤害信号和慢性疼痛引起的负面情绪，且在痒信息传递研究较少。PET成像显示在急性和慢性瘙痒患者中CM脑区是处于激活态的。该研究表明CM作为丘脑中瘙痒信号的传输节点，它动态地参与具有不同刺激性的瘙痒的感觉和引起的情绪变化。
图一 CM参与瘙痒感传递
作者首先运用组胺和氯喹分别建立急性组胺依赖性和组胺非依赖性瘙痒模型。对于慢性瘙痒模型，将1-氟-2,4-二硝基苯(DNFB)用于诱导小鼠瘙痒，DNFB模型不影响小鼠体重和运动能力，但造成明显的皮肤损伤。结果发现CM内FOS+神经元的数量随着有效的瘙痒刺激而明显增加。由于在DNFB应用后第14天观察到动物抓痕增加，因此该时间点用于DNFB诱导的慢性瘙痒模型的所有后续行为学测定。电损毁CM后，组胺和氯喹刺激动物的搔抓次数降低，且慢性痒诱发的小鼠焦虑样行为得到明显改善，表明CM参与瘙痒感的信息传递。
图二 急性瘙痒模型PBN-CM环路神经元活性增强
作者运用光纤钙成像技术发现组胺和氯喹诱发的急性瘙痒模型中CM脑区神经元活性增加。电损毁CM脑区后急性和慢性瘙痒模型中小鼠抓挠行为减少，并能缓解慢性疼痛模型中的焦虑行为。顺行示踪病毒发现PBN主要投射到CM脑区，免疫荧光实验在慢性瘙痒模型中该神经环路（PBN-CM）神经元激活数量显著增加。光纤钙成像技术发现组胺和氯喹诱发的急性瘙痒模型中PBN-CM环路神经元活性增强，在光抑制该神经环路后可减少瘙痒引起的抓挠行为。
图三 PBN-CM-内侧前额叶皮层通路传输瘙痒信号
为进一步探究PBN-CM环路下游脑区，作者通过病毒示踪技术发现PBN-CM环路纤维主要输出到前额叶皮层（mPFC)，在mPFC脑区注射逆行示踪病毒投射到CM脑区，证实了存在PBN-CM-mPFC神经环路的存在。激活CM-mPFC神经环路不影响急性和慢性瘙痒模型中小鼠抓挠行为，而抑制该神经环路后可明显减少瘙痒模型中的抓挠行为，并缓解慢性瘙痒模型小鼠的焦虑情绪。电生理实验发现在慢性瘙痒模型中CM-mPFC环路神经元自发性兴奋性突触后电流增强，但在急性瘙痒模型中并不出现这种变化。急性和慢性瘙痒模型CM-mPFC环路神经元放电活动均增加，但慢性瘙痒模型更为显著，表明急慢性瘙痒参与的神经环路并不完全相同。
图四 沉默CM-mPFC通路可减轻抓挠和慢性瘙痒引起的焦虑样行为
mPFC参与体感信息和情感变化的调节。因此，作者测试了CM-mPFC通路的激活或抑制是否会改变瘙痒和瘙痒相关的情感行为。运用逆行追踪病毒注入右侧mPFC，自发、组胺和氯喹注射组以及DNFB诱导的慢性瘙痒模型中的抓痕数量保持不变。CM-mPFC通路的化学基因组学沉默显著减弱了自发的、组胺和氯喹注射组以及DNFB模型中的抓挠行为。在mPFC中抑制从CM到PNs的投射也缓解了急性瘙痒。表明CM-mPFC通路在瘙痒感中的必要性。由于慢性瘙痒模型会诱发负面情绪，如焦虑样行为，因此还进行了旷场（OFT）和高架十字迷宫（EPM）实验，结果发现小鼠瘙痒诱发的焦虑样行为得到改善。表明CM-mPFC通路也参与慢性瘙痒诱发的焦虑样行为。
图五CM在急性和慢性瘙痒模型中的神经元兴奋性
接下来使用电生理技术验证mPFC投射CM神经元的特性，首先注入逆行病毒示踪，蓝光刺激时，诱发的兴奋性突触后电流（eEPSC）与刺激频率一致，并证明PBN-CM-mPFC通路的存在。eEPSC可被CNQX（AMPA受体的拮抗剂）阻断，这表明CM从PBN接收谷氨酸能投射。在探究mPFC投射CM神经元响应急性和慢性瘙痒刺激的电生理学特征发现，自发性 EPSC (sEPSC)的振幅和频率在DNFB组中显著增加，但在组胺组中没有明显增加。在使用急性和慢性瘙痒模型的小鼠中，由去极化阶跃电流引起的尖峰数增加。DNFB组中的尖峰数明显高于组胺组，表明在组胺和DNFB刺激下，投射到mPFC的CM神经元的兴奋性存在不同程度升高。
图六 不同CM→mPFC亚型神经元在急、慢性瘙痒中电生理特点
研究人员通过病毒示踪实验发现CM脑区投射到mPFC区域兴奋性锥体神经元和抑制性中间能神经元，分别简称为CM→mPFC-PN和CM→mPFC-IN神经元。离体实验发现光激活CM-mPFC环路神经元后，急性瘙痒动物模型中主要mPFC脑区锥体神经元激活，慢性瘙痒动物模型中主要mPFC脑区中间能神经元激活。进一步电生理实验发现慢性瘙痒动物模型mPFC-IN神经元NMDA电流明显增强，mPFC脑区注射NMDA受体拮抗剂后能够明显减少抓挠行为，并能够缓解焦虑情绪。这些结果表明CM→mPFC-PN神经元参与调控急性瘙痒，CM→mPFC-IN神经元参与调控慢性瘙痒。
图七 慢性瘙痒模型中增强的前馈抑制
使用类似的病毒策略进一步验证可能的机制，当记录PN或IN时，蓝色激光可以诱导eEPSC。eEPSC可被河豚毒素（TTX；钠通道阻滞剂）阻断，然后通过应用4-氨基吡啶（4-AP；钾通道阻滞剂）抑制该阻断，这可能导致钙流入，从而在光激活时促进囊泡释放。这些结果表明PN和IN都从CM接收单突触输入。PN 中的诱发eIPSC在TTX应用后消失，表明由INs介导的PNs中的突触前馈抑制。eIPSC的起始潜伏期明显长于eEPSC，也证明了前馈抑制。虽然在eIPSC/eEPSC比率中未观察到生理盐水组和组胺组之间的差异，但DNFB组中该比率明显增加，表明慢性瘙痒条件下CM投射引起E/I失衡。同时，在组胺和DNFB组中观察到配对脉冲比(PPR)的变化，该指数与神经递质释放概率成反比。结果表明，组胺诱导了从CM到PN mPFC的更高连通性。此外，在DNFB模型中，eEPSC和eIPSC的PPR均显著降低，这表明CM-PNmPFC投射的释放概率更高，以及来自具有慢性瘙痒刺激的IN mPFC的前馈抑制输入增强。在记录mPFC中标记的IN时，DNFB 组中eEPSC明显较低的 PPR也表明慢性瘙痒模型中CM-INmPFC连接增强。这些数据表明急性瘙痒刺激诱导从CM突触前末端到PN mPFC的释放概率升高，而慢性瘙痒模型增强了CM与IN mPFC的连接。
图八 NMDA受体作为慢性瘙痒行为和情感调节的潜在靶点
据报道，NMDA受体拮抗剂在mPFC中表现出镇痛和抗抑郁作用。由于 NMDA电流仅在慢性瘙痒模型中增强，作者探究NMDA受体的抑制是否会逆转抓挠行为和慢性瘙痒引起的焦虑样行为。于是利用NMDA受体拮抗剂拉尼西明（AZD6765）进行药理学干预，将双侧插管植入mPFC，并建立急慢性瘙痒模型。AZD6765对组胺和氯喹组的划痕数量没有影响，但它显著减弱了DNFB组的抓挠行为。在行为学测试中发现运用AZD6765后慢性瘙痒引起的焦虑样行为得到改善。
综上所述，本文揭示了慢性瘙痒引起焦虑情绪的神经环路：PBN-CM环路投射到下游mPFC中间能神经元活性增强，引起局部前馈抑制作用增强，最终导致锥体神经元兴奋性/抑制性失衡，这可能与慢性瘙痒引起的焦虑样行为有关。这项研究阐明了CM投射与PNmPFC和INmPFC分别与急性和慢性瘙痒刺激的动态联系。mPFC中MDA受体有望作为慢性瘙痒行为和情感调节的潜在靶点。
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38264-4
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