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慢性疼痛会导致睡眠障碍，临床上高达88%的慢性疼痛患者患有睡眠障碍，约50%的失眠患者报告有疼痛症状。通过这种合并症，慢性疼痛和睡眠障碍会相互加剧，导致症状逐渐恶化。然而，证实这种合并症的神经基础仍然知之甚少，阻碍了临床干预的发展。
基于此，近日徐州医科大学安述明研究团队在Nature communications发表论文“A common neuronal ensemble in nucleus accumbens regulates pain-like behaviour and sleep”，揭示了伏隔核中一个常见的神经元集合同时调节疼痛样行为和睡眠。
在该研究中作者发现了一个双功能系统，它可以调节小鼠伏隔核中由坐骨神经慢性压迫损伤模型或完全弗氏佐剂引起的疼痛样行为和睡眠清醒。一群特定的伏隔核（NAc）神经元在伤害性刺激或清醒时表现出更多的活动。集合神经元的激活加剧了疼痛样反应，减少了非快速眼动睡眠，而这些神经元的失活会产生相反的效果。此外，NAc集合主要由D1神经元组成，并发散地指向腹侧被盖区和视前区。沉默支配VTA神经元会选择性地增加伤害性反应而不影响睡眠，而抑制神经支配POA神经元会减少非快速眼动睡眠而不影响伤害性睡眠。这些结果表明，一个共同的NAc集合编码慢性疼痛和控制睡眠，并通过其不同的下游回路靶点实现了模态的特异性。
图一 双功能的NAc集成
作者首先利用坐骨神经慢性压迫损伤模型（CCI）使小鼠表现出持续疼痛过敏，CCI术后3周，NAc中c-Fos的表达水平显著高于假手术小鼠。tTA-Tre的病毒系统标记瘙痒和疼痛特异性神经元，作者在c-Fos-tTA小鼠中使用了Tet-Off系统来识别和操纵与疼痛和睡眠相关的NAc神经元。接下来进行了光遗传记录监测睡眠-清醒周期中表达NAc神经元。机械性异位痛是一种由无害的机械刺激引起的诱发性伤害性反应，是神经性疼痛动物中最常见的行为反应。为了检测这些CCI激活的NAc神经元是否对非有害的机械刺激敏感，作者在CCI或假手术后3周对c-Fos tTA小鼠进行了记录。非有害刺激可诱导CCI小鼠伤害性反应，增加NAc神经元激活，CCI激活的NAc神经元在伤害性反应时表现出活动增加。接下来检测到CCI激活的NAc神经元在睡眠-清醒周期中表现出节律性的活动变化。在CCI小鼠中，CCI-ChR2神经元在清醒时的平均峰值率比非快速眼动睡眠更高。此外，在清醒或快速眼动睡眠时，CCI小鼠中这些神经元的峰值率高于CCI未识别神经元或假体识别神经元。分析表明，CCI-ChR2 NAc神经元在清醒时活性升高，当小鼠过渡到清醒状态时，非快速眼动睡眠中这些神经元的低峰值率急剧增加。在假手术小鼠或CCI小鼠中NAc神经元中均未检测到这种觉醒-睡眠的活动变化。CCI激活的NAc神经元在清醒状态下会优先被激活，这可能是CCI诱导的慢性疼痛条件下非快速眼动睡眠减少和清醒状态增加的原因。基于神经元调节痛觉和睡眠/觉醒时神经元活动的变化特征，CCI-ChR2 NAc神经元可能在CCI小鼠中形成双功能神经元集合，同时处理疼痛和睡眠/觉醒信息。
图二 NAc集合的激活加剧疼痛样行为并增加清醒
接下来作者进一步探究NAc集合在调节疼痛样行为和睡眠/觉醒中的因果作用。在CCI小鼠中，光遗传刺激NAc集合神经元，降低了CCI小鼠的缩爪潜伏期(PWL)和缩爪阈值(PWT)，表明该集合调节了慢性疼痛条件下的伤害性反应。另一方面，光遗传刺激触发了从非快速眼动睡眠到清醒的过渡，增加了清醒的百分比，减少了非快速眼动睡眠。作者随后的结果显示，NAc非集合神经元并不调节睡眠或痛觉，0Hz光遗传刺激不影响CCI小鼠的痛觉或睡眠觉醒。这些结果表明，在NAc中，双功能集合仅限于疼痛激活的神经元。
图三 在炎症性疼痛中形成的NAc集合
为了进一步验证NAc集合是否在不同的慢性疼痛条件下形成，作者检测了在完全弗氏佐剂（CFA）诱导的慢性炎症性疼痛过程中被激活的NAc集合。在后爪注射两次CFA，建立了慢性炎症性疼痛小鼠模型。注射CFA后3-20天，小鼠的机械性疼痛阈值降低，而接受生理盐水注射的对照组小鼠没有出现这种降低。注射CFA后24天，与生理盐水小鼠相比，CFA小鼠表现出正常样的PWT，表明慢性炎症性疼痛的恢复。作者随后应用10 Hz的蓝色激光刺激来激活NAc集合，NAc集合的激活显著降低了CFA小鼠的PWT和NREM睡眠，并增强了小鼠清醒度。接下来，作者研究了慢性炎症疼痛引起的NAc集合是否也可以被睡眠剥夺激活，在CFA小鼠中，大多数被标记的NAc集合神经元在睡眠剥夺后表达c-Fos，而在生理盐水小鼠中，少数标记的神经元在睡眠剥夺后表达c-Fos。行为测试显示，睡眠剥夺重新诱导了从慢性炎症性疼痛中恢复的CFA小鼠的机械性PWT和热PWL的降低。
图四 失活NAc集合可改善疼痛样行为并增加睡眠
与激活NAc相比，NAc整体失活改善了疼痛样行为，增加了非快速眼动睡眠。在CCI治疗21天后，NAc集合的光遗传抑制使CCI小鼠的机械和热疼痛阈值恢复到基线水平。NAc集合的光遗传抑制导致非快速眼动睡眠增加，从而导致清醒程度的减少。进一步分析表明，这些变化是由于在CCI小鼠上增加唤醒→非快速眼动和非快速眼动→非快速眼动过渡，以及减少唤醒→觉醒和非快速眼动→觉醒。随着活动的增加或减少，疼痛定义的NAc集合会双向调节伤害感受和睡眠/觉醒。
图五 D1神经元形成NAc集合
NAc主要由两种亚型的神经元组成，一种表达多巴胺D1受体，另一种表达D2受体。作者发现大多数CCI诱导的NAc集合表达多巴胺D1受体，少数CCI诱导的NAc集合表达多巴胺D2受体，表明D1神经元以集合神经元为主。低频刺激可以增加NAc D1R神经元的放电率，而高频刺激可以抑制这些神经元的放电率。然后通过光遗传激活D1-Cre小鼠的D1神经元，这种激活降低了CCI小鼠中的PWL和PWT。此外，NAc D1神经元的光遗传刺激增加了清醒的百分比，减少了非快速眼动和快速眼动睡眠，导致清醒增加。D1神经元选择性抑制也增加了非快速眼动睡眠的百分比，降低了清醒状态。
图六 NAc-D2和NAc-集合-D2神经元激活在调节疼痛和清醒方面的差异
为了检测NAc D2神经元在调节痛觉和睡眠中的作用，作者通过光遗传激活D2-Cre小鼠的D2神经元，这种激活改变了PWL和PWT。此外，NAc D2神经元的光遗传刺激增加非快速眼动睡眠的百分比，降低清醒和快速眼动睡眠，导致非快速眼动睡眠整体上调。即NAc D2神经元的激活可以改善疼痛样行为，并增加NREM睡眠。接下来，作者使用“Tet-Off”和“Cre-On”组合来激活NAc-集合-D2神经元，这些NAc-集合-D2神经元在清醒状态下优先活跃。10Hz的光刺激NAc-集合-D2神经元可以增加小鼠清醒度，减少非快速眼动睡眠。在CCI治疗21天后，CCI小鼠的PWL和PWT中对这些NAc-集合-D2神经元的相同光遗传刺激均降低。这些结果表明D1和D2神经元都含有NAc集合，这些集合神经元持续地调节痛觉和睡眠。
图七 NAc集合神经元同时投射到POA和VTA
作者通过病毒注射追踪CCI小鼠的集合神经元，检测到一系列已知调节睡眠/清醒或痛觉的下游脑区域，包括视前区、下丘脑外侧区、腹侧被盖区、血管上区、腹外侧导水管周围灰质、中缝背侧和蓝斑等，并发现通过GABA能传递影响下游脑区。GABA能神经元的激活可以通过抑制睡眠促进神经元来减少睡眠，并通过灭活镇痛神经元来加重疼痛样行为。在集合神经元的下游投射区域中，POA和VTA、均在调节睡眠和痛觉的神经元类型中富集。且部分NAc集合神经元分散地投射到POA和VTA上。
图八 抑制NAc集合神经支配的POA或VTA神经元
作者选择性地抑制整体神经支配的POA或VTA神经元， 5周后，这些POA神经元的光遗传抑制没有改变PWL和PWT。然而，这些POA神经元类似的光遗传抑制诱导了从非快速眼动睡眠到清醒的瞬时转变。在假手术小鼠中，由NAc神经元支配的POA神经元的相同的光遗传刺激并没有改变伤害性反应和睡眠/觉醒节律。光遗传抑制降低伤害性反应的阈值测量PWL和PWT，但不影响睡眠/清醒节律。在假手术组小鼠中，由NAc神经元支配的VTA神经元的相同抑制并没有改变伤害性感受阈值和睡眠/觉醒状态。结果表明，POA和VTA神经元是两个下游靶点，它们分别区分了NAc集合对痛觉和睡眠/清醒的调节功能。
NAc只是大脑中疼痛-睡眠相互作用的环路表示的一部分，研究结果并不排除其他大脑区域，这些区域也可能表现出类似整体的环路动力学模式，从而调节类似疼痛的行为和睡眠。作者对双功能集成的研究可以提供一个概念来探索调节不同模式行为相互作用的共同环路基础。
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https://doi.org/10.1038/s41467-023-40450-3
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