清醒大鼠丘脑-皮层通路神经元群痛觉编码的初步研究rev.ppt

清醒大鼠丘脑皮层通路 神经元群痛觉编码研究,博士生 王锦琰 导师 韩济生 罗非,研究背景,大脑皮层与疼痛,“损毁皮层不引起痛感觉的改变” Head and Holmes (1911) 切除皮层治疗顽固性痛 Prefrontal lobotomy (Freeman Barber 1959) Cingulotomy (Foltz & White 1962),疼痛的多层面理论 Melzack R and Casey KL, 1968,感觉辨别 性质, 定位, 强度 情绪动机 厌恶，逃避 认知评价,1991年PET诞生 痛刺激激活ACC (Jones et al. 1991) ACC：自主反应、情绪、注意、反应选择、运动 ACC是编码痛情绪的脑区 Rainville P, et al. (1997) Pain affect encoded in human anterior cingulate but not somatosensory cortex.,Rainville P et al. Science, 1997,Hypnotic suggestion,PET,Innocuous stim.,Noxious stim.,Reference image,Chang C 897: 71-81,大鼠fMRI痛相关脑区,大鼠ACC也编码痛情绪(Johanson JP et al. PNAS 2001) 评价情绪：formalin induced conditioned place avoidance (F-CPA) 评价感觉：抬脚、舔注射部位 损毁ACC，影响情绪，不影响感觉,ACC的伤害性反应起源于丘脑内侧核群,来自多个种属的证据 与伤害有关的丘脑内侧核群 CL, CM, Pf, MD (VMpo, MDvc),Craig AD & Dostrovsky JO, 1999,Sikes RW Wang CC & Shyu BA, 2004,Musil SY & Olson CR, 1988,Wall PD & Melzack R, Text book of pain 2001,痛感觉传导通路明确,解剖示踪 (Gingold, 1991; Kenshalo, 1980) 电生理 (Lamour, 1983; Kenshalo, 1988) 损毁和阻断 (Sweet 1982) 脑功能成像 (Talbot 1991; Coghill 1999),内、外侧痛觉系统假说,Treede RD. Pain 1999; 79: 105-111,多通道记录技术 Multi-channel single-unit recordings,在脑内植入微电极阵列(microelectrode array)，以细胞外记录的方式同步记录多个脑区神经元群的单位放电。 a technique for simultaneous, multi-site, many-single neuron recording,A microelectrode,C experimental chamber,D spike sorting,E waveform,B surgery,A. 运动“脑机接口” Wessberg J, Nature 2000,B. 感觉“遥控鼠” Talwar SK, Nature 2002,C. 认知学习记忆、药物成瘾机制研究 Chang JY et al. J Neurosci 1998,多通道记录技术在国际上的应用,多通道记录用于研究疼痛的优势,研究目的 I,通过观察不同脑区神经元的电反应，解释内、外侧系统在痛觉编码中所表现的功能差异。,临床研究证实： 电针能够有效地缓解疼痛,Hamza, M.A. et al. (1999) Effect of the frequency of transcutaneous electrical nerve stimulation on the postoperative opioid analgesic requirement and recovery profile. Anesthesiology 91, 1232-8 Wang, B.G. et al. (1997) Effect of the intensity of transcutaneous acupoint electrical stimulation on the postoperative analgesic requirement. Anesth. Analg. 85, 406-13 El-sayed, A. et al. (1999) Percutaneous electrical nerve stimulation for low back pain. A randomized crossover study. JAMA 281, 818-823 Hamza, M.A. et al. (1999) Effect of the duration of electrical stimulation on the analgesic response in patients with low back pain. Anesthesiology 91, 1622-7 Hamza, M.A., et al. (2000) Percutaneous electrical nerve stimulation: a novel analgesic therapy for diabetic neuropathic pain. Diabetic Care 23, 365-370,电针镇痛机制的既往研究,Evidence from neurochemistry,Evidence from fMRI,1997,1976,1975,1979,研究目的 II,电针对内、外侧系统的痛相关活动有何影响？ 抑制痛情绪 (许淑莲等, 1980; 杨治良等, 1979; Goldberger SM & Tursky B, 1976) 抑制痛感觉？,材料与方法,雄性Sprague-Dawley rats: 300-350g 感兴趣脑区：,*Wang CC & Shyu BA, Brain Res 2004 Marini G et al. Neurosci Lett 1996,实验装置：多通道电生理记录系统,DSP,实验设计,伤害性刺激 辐射热，电脉冲，机械压力 电针 辐射热测痛,伤害性刺激,电针实验,电针部位：双后肢足三里和三阴交穴 参数： 强度：123 mA 递增 频率： 2/100 Hz 实验流程： 电针30min测痛(辐射热) 束缚30min测痛,数据分析,滑行窗口技术 Surprise - ln P 聚类分析 交互相关分析 主成分分析 线性判别分析 定向相干分析,阳极直流电(10-20A，20s) 5亚铁氰化钾灌流 蓝色沉淀,ACC,SI,电极尖端组织学定位,结 果,辐射热刺激,各脑区痛反应神经元的比例,辐射热,外侧系统神经元的痛反应,辐射热,sec,Spike/sec,内侧系统神经元的痛反应,辐射热,Second pain, long-lasting, poor localized, unpleasantness,Spike/sec,sec,Ploner M et al. PNAS 2002,Second pain,Spikes/sec,内侧系统预期性反应,不是对痛的直接编码 PWL: 3 s 假刺激也会引起 是动机的体现,辐射热,Noxious stimuli,Sham stimuli,内、外侧痛觉系统的平均反应强度不同,辐射热,聚类分析显示 全体神经元的时间反应模式,辐射热,内侧脑区： 弱，预期性 外侧脑区： 强，无预期性,辐射热,内、外侧系统神经元的感受野,外侧脑区： 感受野以对侧为主， 小， 定位能力强 内侧脑区： 感受野为双侧， 大， 定位能力差,小结辐射热刺激1,辐射热,Wang JY et al., Brain Res 2003; 992(2): 263-271,神经元群体编码效能优于单个神经元,辐射热,中枢编码刺激有赖于神经元群的协作,Percent of correct discrimination (100),Time (sec),对痛与非痛刺激的判别能力,辐射热,外侧系统内侧系统,对痛与非痛刺激的判别能力 外侧系统内侧系统,辐射热,-,-,交互相关分析 神经元放电之间的同步性,辐射热,痛刺激使皮层与丘脑活动的同步性增强，共同参与痛觉编码。,定向相干分析显示信息流动,辐射热,SI Hz,痛刺激使皮层和丘脑之间双向信息传递增加 痛刺激既加强上行传导，又调动了下行调制。,Relative directed coherence,Time (sec),*, P0.01, compared with control in the same period.,痛刺激使皮层向丘脑的信息传递增加,MD-ACC,ACC-MD,VPL-SI,SI-VPL,control,pain,control,pain,Post-sti,Pre-sti,辐射热,皮层对丘脑活动的下行易化作用,Glu,GABA,ACC,MD,Spinal dorsal corn,?,+,-,+,+,ACCMD之间形成正反馈调节，易化MD的活动 生理意义：加速信息上传，促使躲避 慢性痛：敏化机制？,Cornwall J & Phillipson OT, Neuroscience 1988,*,*,Noxious stimuli,辐射热,小结辐射热刺激2,对痛刺激的编码能力：神经元群单个神经元; 外侧系统内侧系统。 痛刺激使皮层与丘脑活动的同步性增强。 痛刺激使皮层至丘脑的信息流动增多。,辐射热,电脉冲刺激,单个神经元的反应,电脉冲,神经元反应比例的变化,电脉冲,E, excitatory response I, inhibitory response,ACC,Surprise (-ln P),Pf,VPL,Time (sec),SI,伤害性刺激使神经元反应强度增加,电脉冲,内侧脑区神经元反应潜伏期,平均潜伏期：痛与非痛无明显差别 非痛A fiber 痛A, C fiber 潜伏期分布：ACC100 ms，C纤维激活,电脉冲,外侧脑区神经元反应潜伏期,平均潜伏期：痛与非痛无明显差别 潜伏期分布：25 ms以内多，A和A纤维激活 部分VPLSI，不参与信号上传，下行激活,电脉冲,Percent of correct discrimination (100),Time (sec),对痛与非痛刺激的判别能力,电脉冲,外侧 内侧，与辐射热结果一致,痛刺激使皮层向丘脑的信息流动增多,电脉冲,小 结电脉冲刺激,与热刺激相同 痛与非痛电刺激的分辨能力：外侧内侧。 痛刺激使皮层至丘脑的信息流动增多。 潜伏期 外侧：粗纤维激活，快痛 内侧：细纤维激活，慢痛,电脉冲,机械压力刺激,单个神经元的反应,机械,机械,神经元反应比例的变化,E, excitatory response I, inhibitory response,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,ACC,Pf,SI,VPL,Time (sec),机械,非痛刺激,痛刺激,机械,对痛与非痛刺激的判别能力,内侧 外侧，与热和电刺激结果不一致 机械刺激强度高 引起的情绪反应强烈。 束缚状态下接受痛刺激 对于强烈的伤害，反应和回避更重要,痛刺激使神经元之间的相关性增强,机械,小结机械压力刺激,与热和电刺激不同，机械伤害刺激下，对痛与非痛的辨别能力：外侧内侧 这可能与刺激造成的伤害程度有关,机械,总结内、外侧系统对伤害性刺激的编码,三种形式(热、电、机械)的伤害性刺激反应共同点 反应强度和比例显著增加 脑区之间联系增强：同步性、信息流动 证实外侧系统负责编码感觉辨别，内侧系统编码情绪动机 辐射热刺激中神经元的反应模式、感受野大小、有无预期性反应、对痛与非痛刺激的判别能力。 电刺激中潜伏期长短。 机械刺激中的判别结果。 证实神经元群体编码效能优于个体编码,电针对痛相关反应的调制作用,Restriction,EA,Spikes / sec,Time (sec),电针,电针的行为学效应,单个神经元的反应,神经元反应比例的变化,电针,比例：内(ACC)、外侧都 抑制 强度：外侧抑制，内侧 (MD)增强,神经元反应强度的变化,电针,一只大鼠全部脑区神经元的反应,电针,电针改变了MD的基础活动状态MD介导电针镇痛？,神经元放电频率与PWL相关性,大鼠MD神经元的传入传出联系,Prefrontal cortex (including ACC),Insular,Motor cortex,Rt,Amygdala,Hypothalamus,VTA,Substantia nigra,Raphe nuclei,Ventral pallidum,Kuroda M et al. Prog Neurobiol 1998,Cornwall J & Phillipson OT, Neuroscience 1988,电针,MD,电针对神经元之间相关性的影响,电针,脑区之间同步性活动减少，电针阻碍了痛觉信息的上传,小结电针,电针,Wang JY et al., Brain Res, accepted 16 April 2004,结 论,多通道记录技术用于研究疼痛在国际上尚属首次 证实：内、外侧痛觉系统存在功能差别 证实：