持續性痛相關的海馬結構突觸聯系和功能空間與時間可塑性：

平面微電極陣列記錄技術

 

趙曉艷¹ 劉明剛¹ 袁東亮² 王燕² 何瑩¹ 王丹丹¹ 陳雪峰² 張福康¹ 李華¹ 賀小生² 陳軍^{1，2 *}（*通訊作者）

¹首都醫科大學疼痛生物醫學研究所，北京100069

²第四軍醫大學疼痛生物醫學研究所，西安710038

 

 

研究背景：眾所周知，疼痛是由腦內存在的一個復雜的神經網絡（神經基質）介導處理的。在病理性痛的狀態下，持續或慢性疼痛會影響到諸多高級腦功能，進而造成疼痛的伴隨癥狀如焦慮、失眠、運動功能障礙、遺忘、抑郁和失能等。遺憾的是，有關病理性痛到底對高級腦功能有何影響?大腦神經網絡的結構與功能在痛苦時有何變化? 迄今為止該類研究甚少，大大阻礙了疼痛以及并發癥的治療進展。在本研究中，我們首次應用平面微電極陣列記錄技術，在神經網絡水平觀察了持續性痛刺激可導致海馬結構突觸聯系和功能時間與空間兩個層面的可塑性變化。

 

實驗結果:將預先體驗兩個小時持續性痛的成年大鼠麻醉，斷頭取腦制備海馬腦片。采用的持續性痛模型是蜜蜂毒試驗和福爾馬林試驗兩個持續性痛模型。應用日本松下Alpha-Med Science研制的64個平面微電極按8X8陣列排列的數據采集與記錄系統（MED64系統）進行多點同步記錄。已知，海馬齒狀回與CA1區可接受來自前穿皮質發出的直接傳入纖維并形成直接突觸聯系。在海馬溝前穿皮質纖維束通路上通過1個電極給予試驗電刺激，可以在海馬結構內記錄到兩種類型場電位：在齒狀回是波峰向上的正向波，而在CA1區則是波峰向下的負向波，正常情況下均為單相波。經藥理學驗證這兩類場電位均是興奮性氨基酸（谷氨酸）離子門控型受體介導的興奮性突觸后場電位。在本實驗中，我們觀察到持續性痛經歷可引起海馬結構神經網絡發生空間和時間兩個方面的可塑性改變。在空間突觸可塑性方面，外周持續性痛可引起齒狀回和CA1區內突觸聯系增多，如在65個記錄電極記錄到的有效興奮性突觸后電位數目顯著增加，提示持續性痛狀態下海馬結構通過空間募集形成了新的突觸連結，這個結果用單電極是無法記錄獲得的。在細胞水平上，通過比較神經網絡每個節點刺激強度-突觸后場電位幅度曲線分析，發現有持續性痛經歷大鼠的功能曲線較無持續性痛經歷大鼠（如無任何處理組和外周注射鹽水生理痛組）的明顯左移，提示在相同刺激參數下神經網絡突觸傳遞效能顯著同步增強。在時間突觸可塑性方面，一般在正常情況下，一種與乙酰膽堿釋放相關的θ節律條件刺激可在齒狀回和CA1區引發出突觸傳遞的長時程增強效應，這就是所謂LTP（long-term potentiation）。我們發現外周有持續性痛刺激時，同樣參數下LTP的誘出率較無持續性痛刺激組增高了10%（從60%-70%增至80%以上），LTP的強度也增大了100%（從160%-170%增至260%以上）。更有趣的是，在持續性痛的條件下，給予θ節律刺激可以在50%左右海馬腦片上觀察到興奮性突觸后場電位的形狀從平滑單相波轉變為變形的復相波，提示海馬結構局部突觸環路水平有重構。為了回答海馬結構的空間與時間神經網絡突觸可塑性改變是否與外周持續性痛有關，我們預先在大鼠外周足底浸潤局麻藥布比卡因，然后再在該部位注射致痛化學物質，結果顯示阻斷外周痛信息上傳可以完全消除上述的突觸可塑性現象，明確了疼痛對海馬的作用。

 

結  論: 外周持續性或慢性痛經歷可以對高位腦結構產生巨大影響，導致海馬結構神經網絡突觸聯系和功能發生改變，如在空間上增加突觸連結，在時間上增強突觸效能。疼痛導致的空間可塑性變化比時間可塑性更為復雜，主要體現在神經網絡水平上突觸連結范圍擴大，局部突觸環路重構。