聲音通過皮質(zhì)丘腦環(huán)路緩解疼痛

編者按聲音可以緩解疼痛，但其神經(jīng)機制并不清楚，本文作者采用在體多通道、鈣成像結(jié)合光遺傳學和化學遺傳學等技術(shù)對這一機制進行深入研究。研究顯示高于環(huán)境噪音5-dB 的低信噪比 (signal to noise ratio, SNR) 的聲音可顯著提高小鼠的機械和輻射熱痛閾值；5-dB SNR 聲音抑制聽覺皮質(zhì) (ACx) 到丘腦后核 (PO) 和丘腦腹后核 (VP) 的谷氨酸能輸入，并分別通過ACx→PO環(huán)路介導小鼠后爪的鎮(zhèn)痛效應，通過ACx →VP 環(huán)路介導前爪的鎮(zhèn)痛效應。該研究首次清晰地揭示了聲音鎮(zhèn)痛的神經(jīng)環(huán)路和神經(jīng)細胞機制，不僅可以激發(fā)人們探索聲音等不同感覺系統(tǒng)與體感系統(tǒng)的多模態(tài)交互作用機制，而且將會極大促進人們對臨床鎮(zhèn)痛的替代干預措施的探索。

一、研究背景

早在1960 年就有報道稱牙科手術(shù)中音樂和噪音可以產(chǎn)生鎮(zhèn)痛作用。在臨床上，音樂也可作為干預措施減輕術(shù)后痛、術(shù)中痛，甚至臨床的頑固性疼痛。由于不同類型的音樂甚至自然聲音均可減輕疼痛，因此不僅僅是音樂，包括音樂的固有特征或語境因素都被假設(shè)為驅(qū)動鎮(zhèn)痛的作用。但是，其工作原理仍然未知。

功能磁共振成像 (fMRI) 研究表明，人類在聽音樂的過程中，介導疼痛信號處理的多個大腦區(qū)域的活動發(fā)生變化。迄今為止，聽覺-體感跨模態(tài)交互的神經(jīng)機制仍不清楚。丘腦可傳遞多模態(tài)感覺信息（包括聽覺和軀體感覺），并與不同的疼痛相關(guān)區(qū)域連接，通過不同的亞核處理疼痛的感覺分辨和情感動機。值得注意的是，軀體感覺的丘腦活動也會受到音樂和無害的聽覺刺激的影響。因此，丘腦可能是聽覺-體感處理的橋梁。然而，調(diào)節(jié)聲音鎮(zhèn)痛的丘腦環(huán)路的特異性細胞類型和功能仍然未知。

二、研究結(jié)果

1. 小鼠的聲音鎮(zhèn)痛作用依賴相對于環(huán)境噪聲的低信噪比聲音

聲音可緩解人類的疼痛，該研究據(jù)此在小鼠實驗中研究了和諧音（如悅耳的音樂）是否可以減輕完全弗氏佐劑 (CFA) 引起的炎癥性疼痛。因為高噪音（75-dB 以上）會誘發(fā)小鼠的逃跑行為，因此給予CFA 小鼠50-dB 或者60-dB 的音樂（環(huán)境噪音為45-dB）。結(jié)果顯示與僅暴露于環(huán)境噪聲的CFA 小鼠相比，50-dB（非60-dB）的聲音顯著提高小鼠機械痛閾值。值得注意的是，連續(xù)給予50-dB 和諧音3 天（每天20 分鐘）后，鎮(zhèn)痛效應至少持續(xù)2 天。同時研究發(fā)現(xiàn)50-dB 的非和諧音及白噪音均能有效提高小鼠痛閾。

音樂鎮(zhèn)痛可能與治療環(huán)境密切相關(guān)。為了測試50-dB 或不同信噪比聲音是否提高痛閾值，分別給予CFA 小鼠62、67、72 和77-dB 的白噪音（環(huán)境噪音為57-dB），發(fā)現(xiàn)只有62-dB（5-dB 的信噪比）白噪音可以顯著提高機械痛和輻射熱痛閾值。同樣，35-dB 白噪音，非40、45 或50-dB 白噪音緩解疼痛（環(huán)境噪音為30-dB）。此外，5-dB SNR 可緩解坐骨神經(jīng)分支選擇性損傷(SNI)神經(jīng)病理性疼痛和辣椒素誘導的急性痛，且無性別差異。根據(jù)以上的結(jié)果，將5-dB SNR 稱為低信噪比聲音。之后的實驗除非有特殊說明，均采用45-dB 聲壓級的環(huán)境噪聲。

同時通過條件性位置厭惡 (CPA) 和條件性位置偏好 (CPP) 測試發(fā)現(xiàn)5-dB SNR 白噪聲消除了CPA測試中vonFrey (0.04 g) 刺激引起的CPA，并在條件性位置偏好(CPP)實驗中誘導了炎癥痛小鼠對5-dB SNR 環(huán)境的偏好，這一結(jié)果支持了低信噪比聲音可以緩解疼痛。

疼痛感知同時受情緒和壓力的影響。因此采用曠場、明暗箱和高架十字行為學實驗來評價小鼠的情緒反應，結(jié)果表明在急性痛（CFA 第3 天或SNI第7 天）和慢性疼痛（CFA 第21 天或SNI 第42 天）條件下，5-dB 和15-dB SNR 白噪聲均不會引起小鼠的焦慮樣行為。此外，血清皮質(zhì)酮水平不受 5-dB SNR 聲音的影響，μ 阿片受體拮抗劑納洛酮未反轉(zhuǎn)5-dB SNR 聲音的鎮(zhèn)痛效應，說明聲音不是通過誘導小鼠的應激反應來產(chǎn)生鎮(zhèn)痛效應。

2. 聽覺皮質(zhì) (ACx) 的谷氨酸能神經(jīng)元與丘腦后核 (PO) 和丘腦腹后核 (VP)的功能性連接

低信噪比聲音緩解疼痛的神經(jīng)環(huán)路如何？在大腦中，聲音信號由內(nèi)側(cè)膝狀體 (MGB) 門控，然后傳遞到ACx 進行精細編碼和分析。因為這兩個核團主要都是谷氨酸能神經(jīng)元，因此該研究首先觀察了由這兩個核團向痛信號相關(guān)核團的谷氨酸能投射。將AAV-DIO-mGFP-Synaptophysin-mRuby 分別注射在CaMKII-Cre 小鼠的MGB 和ACx 核團，觀察MGB和ACx 谷氨酸能神經(jīng)元的輸出結(jié)構(gòu)。在島葉皮質(zhì)(ICx)中觀察到源自ACxGlu神經(jīng)元的mRuby+末梢，在內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、前、后扣帶皮質(zhì)、初級和次級體感皮質(zhì)、伏隔核、腹外側(cè)導水管周圍灰質(zhì)、中縫背核、延髓頭端腹側(cè)核、臂旁核及基底外側(cè)和中央杏仁核觀察到非常少的信號，而在脊髓中未檢測到陽性信號。在丘腦的PO 和VP 還看到大量的源自ACxGlu神經(jīng)元的mRuby+信號，而丘腦的背內(nèi)側(cè)核及中央內(nèi)側(cè)核則未見陽性信號。值得注意的是，來自MGBGlu陽性mRuby 信號在上述核團均未觀察到。由于PO 和VP 接收來自ACx 的重要輸入，且參與傷害性信息的傳遞，因此將集中研究ACx →PO 和ACx →VP 環(huán)路在聲音緩解疼痛中的作用。

在體多通道記錄發(fā)現(xiàn)，5-dB 而不是15-dB SNR白噪聲可以抑制ACx 中的神經(jīng)元自發(fā)放電。在CaMKII-Cre 小鼠ACx注射AAV-DIO-hM4Di-mCherry病毒，腹腔注射CNO 化學性抑制ACx 神經(jīng)元活動可模擬5-dB SNR 白噪聲的鎮(zhèn)痛作用，即顯著提高CFA 模型小鼠痛閾值和消除其條件性位置厭惡反應。相反，光遺傳學興奮ACxGlu神經(jīng)元（CaMKII-Cre 小鼠ACx注射AAV-DIO-ChR2-mCherry）可反轉(zhuǎn)5-dB SNR 白噪聲誘導的鎮(zhèn)痛作用。

為了進一步研究ACx →PO 和ACx →VP 環(huán)路，在ACx 注射AAV1-Cre-eEGFP 病毒以及同側(cè)PO 和VP 注射DIO-EGFP 進行順行跨單突觸追蹤，結(jié)果顯示在PO 和VP 中有許多EGFP+神經(jīng)元，且EGFP+神經(jīng)元與谷氨酸能而不是GABA 能神經(jīng)元共定位。在PO和VP 分別注射retroAAV-tdTomato 和retroAAV-EGFP病毒進行逆行追蹤，結(jié)果顯示tdTomato+神經(jīng)元主要分布在ACx 的第6 層，而EGFP+神經(jīng)元集中在ACx 的第5 層，且PO 和VP 投射的ACx 神經(jīng)元均與谷氨酸能神經(jīng)元而非GABA 能神經(jīng)元共定位。全細胞膜片鉗記錄結(jié)果顯示，光刺激PO 和VP 核團中來自ACxGlu的ChR2 末梢能可靠地誘發(fā)興奮性突觸后電流 (EPSC)。

3. 抑制ACxGlu →PO 環(huán)路介導聲音對炎癥痛小鼠后爪的鎮(zhèn)痛作用

在體多通道和光纖鈣成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，vonFrey刺激CFA 模型小鼠造模側(cè)后爪迅速激活PO 而不是VP 核團神經(jīng)元。與對照組相比，CFA 組小鼠PO 核團神經(jīng)元活動顯著增強，5-dB SNR 白噪聲可減弱CFA 組小鼠PO 神經(jīng)元的活動。在CaMKII-Cre 小鼠的ACx 注射DIO-eNpHR3.0-EYFP，PO 埋植光纖抑制ACxGlu-PO 環(huán)路，光刺激可抑制PO 神經(jīng)元的活動，與聲音誘導的抑制作用相似。

光遺傳學抑制雙側(cè)ACxGlu→PO 環(huán)路，可產(chǎn)生與聲音（5-dB SNR 的白噪聲）類似的鎮(zhèn)痛效應，即顯著提高CFA 小鼠的機械痛和輻射熱痛閾值，消除CPA 測試中vonFrey (0.04 g) 刺激引起的條件性位置厭惡，并在CPP 實驗中誘導了炎癥痛小鼠對給光側(cè)環(huán)境的偏好。相反，當光遺傳學激活ACxGlu→PO環(huán)路則消除了5-dB SNR 白噪聲對PO 神經(jīng)元的抑制作用和鎮(zhèn)痛效應。

為了觀察單個神經(jīng)元的活動，該研究將逆標病毒retroAAV-Cre 在PO 注 射，同 側(cè)ACx 注 射AAVDIO-GCaMP6m，同時在ACx 核團上方埋植GRIN內(nèi)鏡。結(jié)果顯示5-dB 而不是 15-dB SNR 的白噪聲降低ACx 神經(jīng)元鈣信號。同樣在ACx 核團注射順標跨突觸病毒AAV1-Cre 及同側(cè)PO 注射AAV-DIOGCaMP6m，觀察到接受ACx 投射的PO 神經(jīng)元在vonFrey 機械刺激時鈣信號迅速增加。與對照組相比，CFA 小鼠PO 神經(jīng)元的自發(fā)鈣活動升高，且5-dB 而非15-dB SNR 的白噪聲可減弱PO 神經(jīng)元的鈣信號。

為證實POACx神經(jīng)元參與聲音誘導的鎮(zhèn)痛，AAV1-Cre 病毒注射入ACx，DIO-hM3Dq-mCherry或DIO-hM4Di-mCherry 病毒注射入PO。雙側(cè)抑制POACx神經(jīng)元顯著提高疼痛小鼠的后肢痛閾，雙側(cè)激活POACx神經(jīng)元阻斷了5-dB SNR 的白噪聲誘導的鎮(zhèn)痛效應。

4. 抑制ACxGlu →VP 環(huán)路介導聲音對炎癥痛小鼠前爪的鎮(zhèn)痛作用

VP 參與前肢軀體感覺信號的傳遞。因此該研究進一步研究了ACxGlu→VP 環(huán)路是否參與低SNR聲音誘導的鎮(zhèn)痛。發(fā)現(xiàn)5-dB 而非15-dB 的SNR 白噪聲顯著增加CFA 小鼠前爪的傷害性閾值，減弱其條件性位置厭惡。在體多通道和光纖鈣成像結(jié)果顯示，VP 的神經(jīng)元活動（非PO）在vonFrey 刺激時迅速增強。與對照組小鼠相比，CFA 小鼠的VP神經(jīng)元活動顯著增加，且可被5-dB 而非15-dB 的SNR 白噪聲抑制。

光遺傳學抑制雙側(cè)VP 核團內(nèi)ACxGlu神經(jīng)元末梢可模擬5-dB SNR 白噪聲誘導的VP 神經(jīng)元的抑制效應和鎮(zhèn)痛作用。而光遺傳學激活ACxGlu→VP環(huán)路可以反轉(zhuǎn)5-dB SNR 白噪聲誘導的VP 神經(jīng)元的抑制和鎮(zhèn)痛效應。

顯微內(nèi)鏡鈣成像顯示向VP 核團投射的ACx 神經(jīng)元鈣活動可被5-dB而非15-dB SNR 白噪聲抑制。與POACx神經(jīng)元相比，VPACx神經(jīng)元活動在vonFrey機械刺激前爪而不是后爪時迅速增加。與對照組小鼠相比，CFA 小鼠的VPACx神經(jīng)元自發(fā)鈣活動增強，且5-dB SNR 的白噪聲抑制其增加。

化學遺傳抑制VPACx神經(jīng)元可模擬5-dB SNR白噪聲誘導的前爪傷害性閾值的升高。相反，激活此類神經(jīng)元可逆轉(zhuǎn)5-dB SNR 白噪聲產(chǎn)生的鎮(zhèn)痛效應。同時，后爪傷害性閾值不受ACxGlu→VP 環(huán)路的影響，并且ACxGlu→PO 環(huán)路的光遺傳激活或抑制也不會影響前爪傷害性閾值。

ICx 作為接受音樂信息輸入的高級皮層，且接受ACx 的投射，該研究同時研究了ACxGlu→ICx環(huán)路在聲音誘導鎮(zhèn)痛中的潛在作用。研究結(jié)果顯示光遺傳學激活I(lǐng)Cx 中ACxGlu神經(jīng)末梢不影響5-dB SNR 聲音誘導的鎮(zhèn)痛效應，光遺傳學抑制亦未引起痛敏。綜上所述，該研究探索出5-dB SNR 聲音通過ACx →PO 環(huán)路介導小鼠后爪的鎮(zhèn)痛效應，通過ACx →VP 環(huán)路介導前爪的鎮(zhèn)痛效應。

三、討論

聲音誘發(fā)鎮(zhèn)痛的神經(jīng)環(huán)路一直以來難以捉摸。該研究發(fā)現(xiàn)低信噪比聲音的鎮(zhèn)痛作用是通過抑制聽覺-軀體感覺皮質(zhì)丘腦環(huán)路實現(xiàn)。具體來說，揭示了ACxGlu→VP 和ACxGlu→PO 環(huán)路分別參與聲音對炎癥痛小鼠前爪和后爪的鎮(zhèn)痛作用。

在此研究中，發(fā)現(xiàn)聲音誘導的鎮(zhèn)痛取決于低SNR，與“音樂誘導的鎮(zhèn)痛可歸因于治療的背景因素，而不僅僅是音樂本身”相一致。值得一提的是，低SNR 聲音誘發(fā)的鎮(zhèn)痛效應不是由焦慮或壓力因素所介導，并且不影響疼痛感知注意力的分散，因為鎮(zhèn)痛作用在聲音刺激停止后至少持續(xù)2 天。

在人類中音樂誘發(fā)鎮(zhèn)痛的神經(jīng)機制無疑比小鼠中揭示的神經(jīng)機制更復雜。人類涉及疼痛處理的區(qū)域包括ICx、紋狀體和中腦多巴胺系統(tǒng)，對音樂也有反應。因此，接受ACx 投射的其他大腦區(qū)域（除了PO 和VP）或PO 和VP 的下游投射結(jié)構(gòu)在音樂誘導的鎮(zhèn)痛作用值得進一步研究。

該研究補充了經(jīng)典痛覺調(diào)控通路，且該通路與聲音對疼痛信號處理相關(guān)，促進了音樂誘發(fā)鎮(zhèn)痛的研究，同時該研究激勵了疼痛的替代干預措施的研發(fā)。