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FVMPE-RS显微镜助力发现一条新的传导痛觉的脊髓-皮层直接通路

2023-08-25     来源:本站     点击次数:1088

广东省智能院张旭院士研究团队发现一条传导痛觉的脊髓-皮层直接通路
 
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本文作者:张旭院士研究团队

广东省智能科学与技术研究院 

摘要作者:蔡冰博士

广东省智能科学与技术研究院 

2023年6月13日,广东省智能科学与技术研究院(简称:广东省智能院)张旭院士研究团队在国际著名学术期刊《Cell Research》(细胞研究)上发表了题为“A direct spino-cortical circuit bypassing the thalamus modulates nociception”的论文,该研究综合利用神经环路示踪、电镜、钙成像、行为学等实验方法,发现了一条新的传导痛觉的脊髓-皮层直接通路,为理解大脑处理痛觉等感觉信息提供了新的神经传导通路机制。
 
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神经科学经典理论认为,外周伤害性信息由背根神经节(DRG)中的初级感觉神经元传递至脊髓背角,经整合后由脊髓投射神经元(SPNs)经脊髓丘脑束(STT)传递至丘脑核团,再换神经元向上传递至大脑躯体感觉皮层4层神经元。大脑感觉皮层5层锥体神经元接收皮层浅层神经元的输出信号,并沿皮质脊髓束(CST)向脊髓下行投射,从而调节基本的感觉运动功能。以往研究没有直接证据表明SPNs能够直接联接大脑皮层神经元。
 
在此项研究中,研究者利用多种新的环路示踪剂发现初级感觉皮层和相邻的初级运动皮层中存在一群神经元可以直接接受SPNs的投射,并将这群神经元定义为脊髓-皮层接受神经元(SCRNs)。神经环路示踪显示脊髓上行轴突分支与来自SCRNs的下行轴突在脑桥基底核(BPN)的内侧形成一种盘状结构(SCCD)。他们进一步通过免疫组化、电镜和脑片钙成像观察到SCCD中SPNs上行纤维末梢和SCRNs下行纤维末梢形成了功能性突触,形成脊髓上行STT与皮层下行CST的直接连接。行为学实验显示BPN中的脊髓-皮质直接连接参与痛觉传导,在体钙成像结果显示SCRNs对外周伤害性刺激有特异性反应,皮层第5层的SCRNs对外周伤害性刺激的反应显著快于第4层神经元,表明SCRNs对伤害性刺激的反应不依赖于经典的脊髓-丘脑-皮层通路。此外,SCRNs还参与了急性痛和神经损伤慢性痛的调控。
 
综上所述,该研究揭示了一条新的且不通过丘脑的脊髓-皮层直接通路,并阐明了此通路在痛觉调控中起重要作用。该研究不仅为深入理解大脑皮层如何处理痛觉等感觉信息提供了新的神经传导通路,而且为慢性痛治疗提供了潜在的新靶点。
 
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图:在体钙成像结果显示SCRNs对外周伤害性刺激有特异性反应,皮层第5层的SCRNs对外周伤害性刺激的反应显著快于第4层神经元。
 
文章中清醒小鼠活体神经元GCaMP6s标记的钙信号成像以及400um厚度的脑组织切片,均采用Olympus双光子显微镜FVMPE-RS进行图像采集。FVMPE-RS特殊的光路设计、大空间的龙门架机型以及深焦模式,适合进行小鼠等活体动物的深层成像,并适合搭载气浮笼等可进行清醒动物成像的第三方设备。FVMPE-RS的扫描单元带有进行高分辨率扫描成像的普通振镜和进行高速成像的共振振镜,成像速度可达全幅30幅/秒,最快438幅/秒。
 
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图:SPN的上行神经纤维和SCRN的下行神经纤维在脑桥基底核形成突触连接。


广东省智能院蔡冰博士、中国科学院大学吴丹博士和中科院上海高等研究院谢红副研究员(现任上海理工大学特聘研究员)为本文共同第一作者,广东省智能院张旭院士和李昌林研究员为共同通讯作者。这项工作得到了中科院深圳先进技术研究院徐富强研究员、华中科技大学苏州脑空间信息研究院龚辉教授和李安安教授、中科院分子细胞卓越中心鲍岚研究员的大力支持。该工作得到了国家基金委、广东省高水平创新研究院项目和中国医学科学院项目的资助。
 

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文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41422-023-00832-0
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