全球首次跨领域钙成像全息两光子显微镜合作技术,使初级体感皮层的神经元之间的功能连接性增加了。


疼痛是由于周围神经元受损或由于周围组织侵犯引起的炎症等损伤而导致的。关于中枢神经系统异常与疼痛发作和持续疼痛的关系的研究发现已经发表。大脑皮层中的主要体感皮层在确定疼痛的强度和位置方面起着重要作用。使用功能磁共振成像和双光子显微镜进行的研究表明,当遇到急性疼痛时,大脑这一部分的活动会加速。然而,尚未揭示神经元之间的功能连接性和同步性如何随时间变化,以及这些变化对疼痛产生什么样的影响。


全息显微镜发现神经网络随疼痛强弱而发生的变化


研究人员使用炎性疼痛模型小鼠进行了实验,结果表明,在急性疼痛期间,神经元种群的自发活动和初级体感皮层神经元之间的同步活动都增加了。


此外,他们发现,当全息光刺激单个神经元时,周围神经元的反应就会增强。随着疼痛的减轻,神经元逐渐恢复到原始状态。研究人员还表明,N型钙离子通道中的表达水平与这种机制有关,这表明当施用阻断这些通道的抑制剂时,疼痛阈值可以恢复。希望这些发现可以为慢性疼痛患者的治疗做出贡献。


当经历急性疼痛时,初级体感皮层神经元的自发活动和同步活动都会增加。此外,当用全息光刺激单个神经元时,在这种急性疼痛中,周围神经元的反应也会增加。研究人员还证明,当疼痛减轻时,神经元恢复到其原始状态。


在急性疼痛期间,初级体感皮层中N型钙离子通道的表达水平升高,研究人员表明,可以通过施用通道抑制剂(以脑室内注射或以软膏的形式使用)来缓解这种疼痛。


希望这些结果将有助于开发慢性疼痛患者的治疗方法。


疼痛是由于周围神经元受损或由于周围组织侵犯引起的炎症等损伤而导致的。每个人都经历过这种不可避免的感觉,但是尚未阐明疼痛发作和持续的详细机制。对疼痛的重要研究已经集中在脊髓背角神经元和神经胶质细胞的激活上。随着成像技术的发展,近年来对疼痛与大脑区域之间的关系的研究越来越多。


大脑皮层的主要体感皮层(S1)是大脑的一个区域,在区分疼痛方面起着重要作用。使用fMRI和双光子显微镜等成像技术进行的研究表明,S1中的神经元在急性疼痛中会加重,但是S1中与疼痛的产生和维持有关的详细的基础神经网络尚未弄清。


全息显微镜发现神经网络随疼痛强弱而发生的变化


该研究小组使用两光子显微镜对钙进行成像,以追踪已识别的神经元,从而阐明急性疼痛期间自发性神经元活动和S1神经元之间同步性的增加。此外,他们发现当全息光刺激单个神经元时,周围神经元的反应增强,并且随着疼痛的减轻,神经元逐渐恢复到原始状态。此外,发现N型钙离子通道的表达在此机制中起作用,研究人员表明,纠正该表达后,可以有效恢复疼痛阈值。


研究方法和发现


研究人员使用两光子显微镜进行了钙成像。这种方法使他们能够监视活着的大脑中神经元的活动。通过将完全弗氏佐剂(CFA)注射到后爪中来开发炎性疼痛模型小鼠。在急性疼痛期间,S1的2/3层中神经元的自发活动增加,神经元之间的同步也增加。该研究小组还表明,一旦疼痛得到缓解,神经元就会恢复其原始状态。此外,他们发现神经元之间的同步程度越高,疼痛阈值越低。


为了验证上述结果,结合使用了两个光子显微镜钙成像和全息刺激进行了实验。发现当刺激炎性疼痛模型小鼠中的单个S1神经元时,在急性疼痛期间来自周围神经元的反应增加。相反,当疼痛减轻时,周围神经元的反应下降。总之,研究表明,由于急性疼痛中S1中神经元之间功能连接性的增强,神经元之间的同步性增加,并且当这种疼痛得到缓解时,这种同步性也降低了。


为了验证S1 / 2/3层神经元自发活动增加与疼痛阈值之间的关系,使用一种由氯氮平-N-氧化物(CNO)激活的修饰的人类毒蕈碱受体(hM3Dq)来人工诱导神经元增加在小鼠的S1中的活性。然后研究人员比较了CNO给药前后小鼠的神经元活动和疼痛阈值。这些结果表明,当在小鼠中人工诱导S1神经元活性时,神经元之间的同步性增加而疼痛阈值降低。


将经历急性疼痛的炎性疼痛模型小鼠的S1神经元中每个离子通道的表达水平与未暴露于疼痛的野生型小鼠的S1神经元中的每个离子通道的表达水平进行了比较。结果表明,在炎性疼痛模型小鼠中,N型钙通道中的表达增加,并且通过施用钙通道抑制剂(作为心室内注射或作为S1表面的药膏),疼痛阈值可以恢复。


图1:正常情况下,初级体感皮层的神经元活动分散。然而,当经历急性疼痛时,同步神经元活动增加。


图2:正常情况下,初级体感皮层神经元之间的功能连接性较弱,但这种连接性会随着急性疼痛而增强。


进一步的研究


主要的体感皮层(S1)是在区分疼痛中起重要作用的大脑区域,迄今为止的研究表明,诱发急性疼痛时,S1中的神经元种群活动会加速。当前的研究表明,这种活动不仅可以响应急性疼痛而加速,而且神经元之间的功能连接性和同步活动也有所增加。


接下来,研究小组将通过全息刺激检查神经元活动与疼痛之间的因果关系。他们将首先确定并确定在疼痛中起重要作用的S1神经元的特征,然后对识别出的细胞进行全息刺激以研究因果关系,从而做到这一点。此外,研究人员计划研究急性疼痛的可能治疗方案,例如防止神经元之间功能连接性的增加。


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