2023年7月13日广东省智能科技研究院张旭团队在Nature子刊Cell Research发表论文“A direct spino-cortical circuit bypassing the thalamusmodulates nociception”。揭示了一条绕过丘脑的直接脊髓皮质回路调节伤害感受。

伤害感受信号通常通过脊髓丘脑-丘脑皮质通路传递至体感皮层的第4层神经元。感觉运动皮层中的第5层皮质脊髓神经元接收浅层神经元的输出；它们的下行轴突支配脊髓以调节基本的感觉运动功能。在这里展示了第5层神经元的子集通过绕过丘脑的直接脊髓皮质回路接收脊髓输入，从而将这些神经元定义为脊髓皮质受体神经元（SCRN）。形态学研究表明，脊髓上升轴突的分支与基底脑桥核（BPN）中SCRN的下降轴突形成一种盘状结构。电子显微镜和钙成像进一步证实，脊髓上行神经元和SCRN的轴突末端在BPN中形成功能性突触接触，将上行感觉通路与下行运动控制通路连接起来。行为测试表明BPN中的脊髓皮质连接参与伤害性反应。体内钙成像显示，清醒小鼠中SCRN对外周有害刺激的反应速度比邻近的第4层皮质神经元更快。操纵SCRN的活动可以调节伤害性行为。这种直接的脊髓皮质回路代表了一种非规范途径，允许大脑响应有害刺激而快速进行感觉运动转换。

识别从腰脊髓到大脑皮层的直接投射

为了探究由DRG神经元产生的大脑中的体感神经网络，将表达增强型绿色荧光蛋白的1型单纯疱疹病毒 (HSV-1) H129株顺行注射到DRG。既往研究报道臂旁核（PB）、导水管周围灰质（PAG）、室旁核（PVN）和丘脑腹后外侧核（VPL）是SPN的主要靶点。在上述脑区观察了EGFP标记的神经元，发现标记神经元的数量与传播阶段呈正相关，且H129-EGFP可以传播到大脑的三级核。在对侧MOp和SSpll中观察到零星表达的第5层神经元，而在传播阶段1对侧VPL中未检测到标记的神经元。在第2阶段没有观察到表达的皮质第4层神经元，第5层中的标记神经元也可能接收来自脊髓的直接输入。作者观察到VPL和皮质第5层中EGFP阳性神经元的数量增加，并且在皮质第4层中可以检测到表达EGFP的神经元，这表明EGFP标记的VPL神经元和皮质第5层神经元是第二级神经元，而表达EGFP的皮质第4层神经元是SPN的三级神经元。因此，MOp和SSpll中的第5层神经元群体有可能绕过丘脑从SPN接收直接输入。除对侧SSpll和MOp中的标记神经元外，还观察同侧大脑次级体感皮层和VPL；发现一组标记的SPN位于腰脊髓对侧IV至VI层的内侧部分，这些数据表明SPN和SCRN之间存在直接连接。

BPN中来自SPN和SCRN的轴突之间的突触接触

将病毒注射到对侧SSpll以追踪来自第5层神经元的轴突，在靠近腹侧脑桥中线的BPN中确定了它们的共同神经支配。将带有霍乱毒素亚基B488(CTB488)的逆行非跨突触狂犬病病毒注射到野生型小鼠的BPN中，发现在同侧感觉运动皮层第5层和对侧脊髓深层中观察到标记的神经元。进一步使用荧光微光学断层扫描系统来精确绘制SPN的脊髓上升轴突和皮质层SCRN的下降轴突。结果显示SCRN的下降轴突是CST的一部分。来自SPN和SCRN的轴突纤维形成了盘状结构，该结构源自BPN中的脊髓上升轴突和皮质下降轴突束。免疫组化染色显示，SSpll的EGFP标记的轴突投射到SCCD的内侧，mCherry标记的MOp下降轴突支配SCCD的外侧部分。这些结果表明，脊髓上升轴突与皮层下降轴突在BPN中直接接触，并与SCCD的特定结构相联系。

SCCD上的STT和CST分支形成脊髓皮质回路

作者通过应用稀疏标记神经元及其轴突，探索SCCD上SPN和SCRN的解剖回路。将slAAV注射到SSpll中，BPN前后CST中SSpll第5层神经元的降轴突数量没有表现出显著差异。下降轴突的一部分分支到SCCD并终止于SCCD，这表明从SSpll第5层神经元支配SCCD的轴突纤维是CST的分支，作者通过将slAAV注射到腰脊髓中来标记脊髓神经元，神经追踪显示脊髓上升轴突位于CST的背侧和侧面分支至SCCD并终止于SCCD。这些脊髓上升轴突最终终止于VPL，表明支配SCCD的脊髓上升轴突是起源于脊髓中SPN的STT分支。STT和CST通过脊髓皮质回路连接，这可能导致响应外周刺激的快速感觉运动转换。

BPN中的脊髓皮质连接调节伤害性反应

为了探索BPN在伤害性反应中的作用，将陶瓷纤维植入大脑来破坏双侧 BPN。与对照小鼠相比，BPN损伤的小鼠表现出显著升高的伤害性机械阈值，并且增加了对有害热刺激的反应潜伏期，这表明BPN调节伤害性反应。除伤害性反应外，BPN还可能影响运动行为，因为小脑是BPN投射神经元的主要下游目标。作者进一步行为测试BPN在运动调节中的作用，转杆和横梁行走试验表明BPN的损伤。SCCD脊髓升轴突末端的光遗传学激活降低了伤害性机械阈值和对有害热刺激的反应潜伏期，而光遗传学抑制则增加了伤害性机械阈值。这些数据表明BPN SCCD中的直接脊髓皮质连接调节伤害性反应。有毒的足部电击会导致快速逃跑行为，BPN的损伤延长了小鼠的反应潜伏期，表明BPN参与了足部电击诱导的快速逃避行为。SCCD脊髓升轴突末端光遗传学激活减少了小鼠对有害电足电击的反应潜伏期，而光遗传学抑制则增加了反应潜伏期。BPN局部神经元的化学遗传学操作并不影响反应潜伏期。综上，BPN中的直接脊髓皮质连接调节伤害性反应，包括对意外伤害性刺激的快速逃避行为。

脊髓皮质回路中的SCRN有助于快速调节疼痛

为了探索这种直接脊髓皮质回路的功能，对小鼠的SSpll和MOp进行了体内钙成像，使用病毒注射来监测神经元活动。后爪上的足底表面电刺激引起第5层SCRN子集中GCaMP6信号的强烈增加。相比之下，低压电刺激或声音刺激不会引起SCRN中GCaMP6s信号的增加或仅引起很少的增加。这表明第5层SCRN相对更容易接受外周伤害性电刺激。5层SCRN对足底表面电刺激的反应速度比第4层神经元快29%。第5层SCRN和第4层神经元的响应延迟均表现出类量子分布。大多数第5层SCRN在40 ms 和70 ms处响应两个峰值，而第4层神经元主要在70 ms处响应一个峰值，这表明SCRN的较早响应不太可能是由于通过第4层神经元激活而导致的。第5层 SCRN通过脊髓皮质回路直接快速地对外周刺激做出反应，而第4层神经元则接收丘脑神经元传递的信息。

有害刺激诱发反应需要皮质5层SCRN

作者进一步研究SCRN在小鼠伤害性反应中的作用。有毒电足电击诱导的逃避行为表明，SSpll和MOp中第5层神经元的化学遗传学激活减少了小鼠的逃避潜伏期，化学遗传学抑制增加了逃避潜伏期。光遗传学激活降低了小鼠的伤害性机械阈值和对有害热刺激的反应潜伏期，而光遗传学抑制则增加了这些伤害性反应。对第5层SCRN进行光遗传学抑制，消除了小鼠SCCD上的脊髓上升轴突末端引起的伤害性机械超敏反应。数据表明直接脊髓皮质回路中的SCRN参与伤害性反应。SCRN中表达EYFP或NpHRE-YFP的小鼠在没有光遗传学刺激的基础条件下出现类似的持久机械性异常性疼痛。接受表达NpHR-EYFP的第5层SCRN光遗传学抑制的小鼠显著缓解了SNI诱导的机械异常性疼痛，对SCRN活性的化学遗传学抑制也获得了类似的效果。在表达NpHR-mCherry的SCC处接受SPN上行轴突末端光遗传学抑制的小鼠在很大程度上减弱SNI诱导的机械异常性疼痛。这些数据表明由SPN、BPN中的SCCD和SCRN组成的直接脊髓皮质回路参与疼痛调节。

综上所述，BPN神经元接收来自脊髓上升轴突末端和皮质下降轴突末端的输入。SCCD处SPN的上行轴突与SCRN的下行轴突之间的直接突触接触为以下概念提供了结构和功能基础：BPN可以作为皮层下中心，快速整合感觉和运动反应以响应有害刺激。