The neural mechanisms of pain percention in primar somatosensory cortex

大脑皮层在加工疼痛信息中的编码过程对我们了解痛觉产生机制，发现疼痛的客观指标至关重要。其中大脑皮层中的初级体感皮层(Primary somatosensory cortex, S1)接收来自脊髓、脑干和丘脑神经元的大量投射，是产生感觉意识、加工疼痛感知的关键脑区。S1中的锥体神经元和中间神经元在疼痛诱发脑响应中扮演重要角色，并对疼痛感知的编码有着不同的贡献。本研究采用多种实验技术进行研究，包括硅电极电生理记录、钙离子荧光成像、光遗传学调控、药物调控和动物行为学检测，旨在揭示S1编码疼痛感知的神经机制，探索S1不同神经元对疼痛感知的编码，并为镇痛的潜在靶点与疼痛的客观指标提供了新的证据。 研究首先对大鼠足底使用激光刺激诱发热痛，使用电刺激诱发触觉。通过硅电极电生理记录其s1脑响应发现，s1中疼痛感知的编码模式与触觉感知截然不同。低频事件相关电位(Event-related potentials, ERPs)在疼痛刺激的位置和强度编码中起到作用，而高频伽马振荡(Gamma band oscillations, GBOs)仅与疼痛刺激的强度有关;而触觉的低频ERPs与高频GBOs都仅与刺激的位置有关。进一步计算神经元放电的结果显示，疼痛诱发的ERPs和GBOs主要与S1的锥体神经元和中间神经元活动高度相关，其中编码强度和空间位置属性的神经元活动与ERPs同步性较高，而编码强度属性的中间神经元活动与GBOs同步性较高;触觉诱发的ERPs和GBOs则主要与S1中编码位置信息的锥体神经元活动有关，编码位置属性的锥体神经元与ERPs与GBOs的同步性都最高。 为了进一步探究s1不同类别神经元对疼痛感知编码的差异，研究利用自由活动钙成像记录手段观测并记录了小鼠s1中锥体和中间神经元对激光诱发疼痛束d激的响应模式。结果显示，s1中的锥体神经元主要对疼痛感知中的位置属性有更强的响应，而中间神经元主要对疼痛感知中的强度属性有更强的响应。 为了揭示疼痛诱发脑响应的神经特异性机制，研究利用光遗传学调控，药理学调控和光电极等实验手段来探究s1中神经元对疼痛诱发行为及脑响应的调控机制。首先通过光遗传调控分别激活或抑制小鼠s1中的锥体神经元与中间神经元，观察其对动物疼痛行为包括激光热痛评分与机械痛阂。结果表明，只有在调控中间神经元时，动物的疼痛行为发生了变化，而锥体神经元的调控则对动物疼痛行为没有影响。然后使用药物调控结合电生理记录以及光遗传结合电生理记录实验进一步验证了调控这两种神经元对s1疼痛诱发脑响应的影响。电生理结果显示，s1中的低频ERPs成分受到锥体神经元和中间神经元的共同调控，而高频GBOs成分仅受到中间神经元的调控。 综上所述，这项研究揭示了s1对疼痛信息的编码方式，以及其中神经元调控疼痛感知和疼痛诱发脑响应的神经机制。研究结果既与以往研究具有一致性，又通过因果性的研究验证了s1的中间神经元活动与GBOs及疼痛行为的高度相关。这些发现对于进一步理解疼痛感知的神经编码原理并开发相关治疗方法具有重要意义