中间神经元在慢性疼痛及其所致认知功能损伤中的作用及机制

Role and mechanisms of interneurons in chronic pain and pain-induced cognitive impairment

摘要

慢性疼痛是一种常见的慢性病，除了躯体症状以外，常伴随认知功能损伤，严重影响患者生活质量。中间神经元是一种多极性神经元，大多属于抑制性神经元，在神经传导网络中发挥桥梁作用，连接其他神经元以行使信号转导和精细调控功能。近年来，越来越多的研究表明中间神经元参与慢性疼痛及认知功能损伤。探讨中间神经元异常与慢性疼痛及其所致认知功能损伤的关系具有重要意义，可为探索新型药物及治疗方法提供新的靶点和思路。

Abstract

Chronic pain, a prevalent chronic disease, frequently manifests not only in physical symptoms but also in cognitive impairment, which seriously affects patients’ quality of life. Interneurons are multipolar neurons, most of which are inhibitory, serving as crucial connectors within neural networks. They play key roles in signal transmission and fine-tuning of neural activity. In recent years, growing evidence has shown that interneurons are involved in the development of chronic pain and its associated cognitive dysfunction. Investigating the relationship between interneuron dysfunction and chronic pain-related cognitive impairment is of great significance, offering new potential targets and insights for the development of novel therapeutic approaches.

Graphical abstract

关键词

中间神经元 / 疼痛 / 认知功能损伤 / 信号转导 / 发病机制

Key words

interneurons / pain / cognitive impairment / signal transmission / pathogenesis

疼痛是与现存或潜在的组织损伤相关的不愉快的躯体感觉和情感体验。慢性疼痛是指持续3~6个月或更长时间的疼痛^[1]，全球大约20%的人群正在经历慢性疼痛^[2]。慢性疼痛常引起抑郁、焦虑等情绪障碍以及认知功能损伤。研究^[3]表明疼痛的持续存在与认知障碍风险的增加有关，疼痛干扰每持续2年，认知功能受损的概率增加21%。中间神经元属于多级神经元，与锥体神经元共同构成了抑制和去抑制信息传递结构，是神经网络的重要组成单位。近年来研究^[4-7]发现：中间神经元的数量、结构和功能变化在慢性疼痛的发生与发展中发挥重要作用，且与慢性疼痛导致的认知功能损伤密切相关。本文旨在总结中间神经元在慢性疼痛及其所致认知功能损伤中的作用及相关机制，以期为揭示疼痛及相关认知功能损伤的发病机制及治疗提供理论依据。

1 中间神经元

中间神经元占神经元总数的10%~30%，以γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能中间神经元为主，是抑制性通路的主要组成部分^[8-9]。GABA能中间神经元通过特定的信号传递机制，即释放GABA来激活靶神经元上的GABA_A受体，增加氯离子内流，从而发挥抑制作用^[10]。不同脑区的GABA能中间神经元在神经网络构建中发挥不同的核心作用，不仅可以抑制其他神经元，同时还能相互抑制甚至自我抑制，这种多层次抑制机制构成了复杂而精密的抑制与去抑制神经网络体系。目前，采用神经元特定分子标志物对中间神经元进行分类是应用较为广泛的一种分类方式，主要分为小清蛋白(parvalbumin，PV)、生长抑素(somatostatin，SST)、5-羟色胺受体亚基3a(5-hydroxytryptamine 3a receptor，5-HT3aR)3个亚组，而目前关于5-HT3aR中间神经元的研究多聚焦于其中的血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)中间神经元^[8]。

1.1 PV中间神经元

PV中间神经元是构成皮质中间神经元群体中最大的亚群，约占中间神经元总数的40%。形态学上，PV中间神经元可被分为2种亚型：篮状细胞和枝状细胞。篮状细胞的轴突主要分布在第IV层和第V层，在大脑皮层的抑制性输入中发挥重要作用^[11]。电生理特性方面，PV中间神经元输入电阻低、放电频率高而强烈，且突触传递高度准确，其中最显著的特征为可快速产生高尖峰的动作电位，且比其他类型的神经元更快地复极化和放电，主要原因是PV可与细胞质中的Ca²⁺结合，这不仅防止了Ca²⁺超载，同时也可以增加Ca²⁺内流^[12-13]。PV中间神经元在增强大脑信号传导中扮演至关重要的角色，主要功能是作为“门控”，调控传递至锥体细胞的信号，屏蔽无效信号，接收有效信号传递，因此在诸如学习和记忆等高级认知功能中发挥不可或缺的作用^[6]。

1.2 SST中间神经元

SST中间神经元主要来源于内侧神经节隆起(medial ganglion eminence，MGE)，约占中间神经元总数的30%，是一种常规放电中间神经元。形态学上，SST中间神经元由Martinotti细胞和非Martinotti细胞组成，Martinotti细胞约占皮层SST中间神经元的60%，在新皮层中主要位于L2~3与L5~6^[14]。SST中间神经元通过突触释放GABA，并靶向其他中间神经元的顶端树突(但很少靶向其他SST中间神经元)，通过GABA_A和GABA_B受体介导的抑制作用直接调节兴奋输入^[15]。抑制能力上，大脑皮层内部SST中间神经元的抑制作用比PV中间神经元弱，这使得SST中间神经元对感知信息调节更精准^[16]。此外，SST中间神经元还具备分泌SST的能力，SST作为神经递质和神经调节剂，可控制突触传递效率，调节神经元功能^[17]。

1.3 VIP中间神经元

VIP中间神经元是5-HT3aR中间神经元的一种亚型，主要分布在大脑皮层L2~3^[18]。VIP中间神经元是输入电阻最高的中间神经元之一，因此也具有极高的兴奋性^[19]。形态学上，VIP中间神经元可分为双极细胞和多极细胞2种亚型。与其他皮质中间神经元不同，具有垂直定向轴突的双极VIP细胞主要靶向抑制SST中间神经元或PV中间神经元，在局部环路的去抑制中发挥重要作用^[20-21]。双极细胞通常显示连续的适应性放电模式，同时也表达另一种特征性标志物：钙视网膜蛋白(calretinin，CR)。多极细胞则显示适应性或爆发性放电模式，支配中间神经元或投射神经元的胞体，同时共表达神经肽胆囊收缩素(cholecystokinin，CCK)^[7]。

2 中间神经元在慢性疼痛中的作用

2.1 PV中间神经元在慢性疼痛中的作用

PV中间神经元在疼痛的发生和发展过程中均发挥重要作用，不同脑区的PV中间神经元参与疼痛调控的机制不同。前扣带皮层(anterior cingulate cortex，ACC)的过度兴奋与慢性疼痛的发生有关，而ACC过度兴奋的重要原因之一可能是PV中间神经元的功能障碍导致ACC锥体神经元去抑制^[22]。研究^[4]表明：在神经病理性疼痛模型小鼠中，ACC脑区PV中间神经元的数量显著减少，使用电针治疗可以显著增加ACC中PV中间神经元的数量，同时缓解疼痛。此外，坐骨神经分支选择损伤(spared nerve injury，SNI)诱导的周围神经损伤也会通过诱导活化的小胶质细胞吞噬PV中间神经元来减少ACC中PV中间神经元的数量^[23]。在SNI模型小鼠中，内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex，mPFC)L5中的PV中间神经元兴奋性上调^[24]。而另有研究^[5]采用光遗传学方法发现，用蓝光刺激mPFC区的PV中间神经元时，小鼠疼痛反应增强；用黄光抑制该区PV中间神经元时，小鼠疼痛反应减轻。以上研究表明PV中间神经元在疼痛调控中发挥作用，且不同脑区PV中间神经元对疼痛的影响也不同。

2.2 SST中间神经元在慢性疼痛中的作用

SST中间神经元是初级躯体体感皮层(primary somatosensory cortex，S1)的主要疼痛调节神经元，其激活或抑制可以缓解或加剧疼痛。研究^[25]采用双光子钙成像技术对SNI术后神经元活性进行检测，发现S1中L5锥体神经元活性增强，SST中间神经元活性下降，短暂刺激SST中间神经元，不仅降低S1中L5锥体神经元活性，同时可缓解触诱发痛，持续刺激SST中间神经元，可阻止触诱发痛的发生。神经病理性疼痛中，S1内神经元环路改变，SST中间神经元抑制作用降低，引起锥体神经元兴奋性增加，促进神经病理性疼痛，而激活SST中间神经元则抑制神经病理性疼痛。该研究还表明：正常状态下大脑皮质S1区L2/3层的VIP-SST/PV-锥体神经元去抑制环路能有效维持锥体神经元兴奋与抑制的动态平衡，外周神经损伤后，S1区VIP中间神经元兴奋性增强，对SST和PV中间神经元的抑制加强，锥体神经元去抑制而被过度激活，痛觉信号随之放大，采用化学或光遗传学技术提高SST和PV中间神经元活性可恢复此环路，从而阻断痛觉信号的传递与整合。在SNI模型小鼠中，mPFC的L5中PV中间神经元兴奋性上调，但SST中间神经元兴奋性下降，特异性激活SST中间神经元可显著缓解机械痛^[24]。

2.3 VIP中间神经元在慢性疼痛中的作用

VIP中间神经元可以选择性地抑制其他类型中间神经元，从而对局部锥体神经元提供去抑制作用，比如通过抑制局部回路中的PV和SST中间神经元，VIP中间神经元起到放大和调节局部锥体细胞活性的关键作用^[7]。研究^[26]表明，mPFC输出谷氨酸能投射到ACC中的GABA能神经元上，为ACC局部回路提供前馈抑制；而在神经病理性疼痛模型小鼠中，mPFC的锥体神经元以及投射到ACC的谷氨酸能神经元活性显著下降，ACC去抑制，同时伴随着局部回路中VIP中间神经元的抑制性突触输出减少；使用化学遗传方法激活mPFC的VIP中间神经元可恢复mPFC-ACC通路的神经元反应，并减轻小鼠的疼痛样行为，同时还能逆转神经损伤介导的ACC过度激活。这些发现揭示了与神经病理性疼痛相关的mPFC回路变化，并提示VIP中间神经元可能成为疼痛治疗的潜在靶细胞。

3 中间神经元在疼痛所致认知功能损伤中的作用

3.1 PV中间神经元在疼痛所致认知功能损伤中的作用

PV中间神经元参与维持皮层神经网络中兴奋性/抑制性(excitability/inhibition，E/I)的动态平衡，调节突触可塑性以及海马振荡的形成等，与大脑的学习记忆、恐惧反射等认知功能密切相关。慢性疼痛模型小鼠中ACC脑区PV中间神经元数量减少，PV中间神经元的功能下降可能介导了慢性疼痛所致的认知功能损伤。长时程增强(long-term potentiation，LTP)被认为是学习记忆的神经基础之一，是突触可塑性的功能指标^[27]。SNI模型大鼠、慢性头痛模型大鼠中均有海马区LTP受损^[28-29]，而PV中间神经元可通过前馈抑制调控LTP^[30]，因而笔者推测PV中间神经元介导的LTP损伤可能参与疼痛所致的认知功能损伤。γ振荡是反映脑内大量神经元同步放电的一种节律，参与感知、注意力和记忆的调节，γ振荡异常与认知功能损伤密切相关^[31-32]。研究^[33]表明PV中间神经元活性对于体内γ振荡的产生是必要的，因此，PV中间神经元介导的γ振荡紊乱可能参与疼痛所致的认知功能损伤。刺激PV中间神经元、调控LTP及恢复γ振荡可能是治疗疼痛所致认知功能损伤的新思路。

3.2 SST中间神经元在疼痛所致认知功能损伤中的作用

SST中间神经元对θ振荡的传播至关重要^[17]，θ振荡是频率范围在4~12 Hz的一种脑内神经元同步化活动，是学习记忆、注意力等高级认知过程中的一种神经信息处理机制^[34-35]。学习和记忆恢复阶段，鼠类海马θ振荡显著增强；执行工作记忆时，前额叶皮层(prefrontal cortex，PFC)中θ振荡加强^[36]。疼痛状态下，SST中间神经元兴奋性下降，可能导致θ振荡减弱，因此SST中间神经元介导的θ振荡紊乱可能参与了疼痛导致的认知功能损伤。STT中间神经元在神经元环路的调节中发挥关键作用，神经元环路是记忆痕迹形成的基础^[37-38]，在神经病理性疼痛中，S1内部的神经元环路发生改变，SST中间神经元的抑制作用降低，因而SST中间神经元介导的神经环路异常可能参与疼痛导致的认知功能损伤。SST中间神经元可能通过调节海马齿状回(dentate gyrus，DG)的颗粒细胞在精确编码记忆方面及随后的海马依赖性记忆巩固过程发挥关键作用^[39-41]。以上结果表明，维持适当的SST中间神经元活性和激活θ振荡对改善疼痛所致认知功能损伤至关重要。

3.3 VIP 中间神经元在疼痛所致认知功能损伤中的作用

VIP中间神经元可以选择性地抑制其他类型中间神经元，如通过抑制局部回路中的PV和SST中间神经元，发挥放大和调节局部锥体细胞活性的关键作用。研究^[42]表明，VIP中间神经元通过局部抑制，在不同的空间记忆任务中提高锥体细胞的活动，有助于空间学习和记忆的形成。神经病理性疼痛模型小鼠PFC中VIP中间神经元的活性下降^[26]。而Kamigaki等^[43]证实刺激VIP中间神经元增强PFC兴奋性神经元的神经编码，并增强工作记忆，因此VIP中间神经元活性下降可能介导了神经病理性疼痛所致认知功能损伤。另外，海马CA1中的VIP中间神经元与海马体依赖性目标学习有关^[43]；CA2中至少有1个VIP中间神经元的子集似乎与社会记忆的编码有关^[44]。研究^[45]表明，来自PFC的远程投射(long-range projection，LRP)中间神经元在记忆编码期间靶向CA1 VIP中间神经元，促进海马回路的灵活变化。尽管目前尚缺乏直接证据，但现有研究提示VIP中间神经元很可能在疼痛所致认知功能损伤中发挥了重要作用。

4 结语与展望

中间神经元参与慢性疼痛的发生、发展和调控，并且可能通过参与神经环路形成、调节突触可塑性、影响神经振荡等介导慢性疼痛所致认知功能损伤 (图1)。目前对慢性疼痛介导的中间神经元异常改变的研究大多集中于大脑皮质水平上，但慢性疼痛具体是通过何种机制引起大脑中间神经元的改变，以及除皮质外其他脑区中间神经元的变化是否也对认知功能产生影响尚不清楚，有待进一步研究。今后的研究可从分子递质水平探究慢性疼痛导致大脑中间神经元改变的具体机制，结合化学遗传和光遗传学调控、电生理、在体双光子成像及三维重建等技术探究各类型中间神经元的放电特性及具体形态变化对认知功能的影响。

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