关于经皮神经电刺激缓解神经病理性疼痛神经基础的研究报告
一、 研究团队与发表信息 本研究的主要作者为刘帅、龙莎莎、李凡飞、杨欢、蒲少锋、杜东平、罗鑫、张玉秋和韩庆健。研究团队主要来自复旦大学上海医学院附属口腔医院、口腔医学院、医学神经生物学国家重点实验室、脑科学前沿科学中心和复旦大学脑科学研究院，合作单位包括上海交通大学附属第六人民医院疼痛中心以及南方医科大学粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心。该研究成果于2025年11月5日发表在顶尖神经科学期刊《Neuron》上。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于神经科学与疼痛医学的交叉领域，聚焦于慢性疼痛，特别是神经病理性疼痛的非药物干预机制。慢性疼痛是全球性的健康挑战，现有药物治疗常伴有耐受、依赖和成瘾等副作用，因此迫切需要开发更有效、安全的镇痛方法。经皮神经电刺激（Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation, TENS）作为一种非侵入性、副作用小的物理疗法，在临床上被广泛用于缓解疼痛，但其确切的神经机制，尤其是其在神经环路层面的作用原理，长期以来并不完全清楚。传统的“闸门控制理论”主要从脊髓水平解释TENS的镇痛作用，但越来越多的证据提示，其作用可能涉及更高级的中枢神经系统。
研究背景知识指出，TENS通常采用高频（50-100 Hz）、低强度的电刺激，被认为能够选择性地激活皮肤中的Aβ低阈值机械感受器（Aβ-LTMRs），而不激活伤害性感受的Aδ或C纤维。Aβ-LTMRs的神经元胞体位于背根神经节（DRG），其中枢突触分支同时投射到脊髓背角（SDH）和背柱核团（Dorsal Column Nuclei, DCN）。DCN是处理振动、精细触觉和本体感觉的关键脑干中继站。有趣的是，诸如皮肤振动等能够激活DCN的刺激已被证明可以缓解临床和实验性疼痛，这暗示DCN可能参与了TENS的镇痛过程。
基于此，本研究旨在深入探究TENS缓解神经病理性疼痛的具体神经环路机制，特别是明确Aβ-LTMRs-DCN通路及其下游环路在其中的关键作用，并比较TENS在神经损伤早期和晚期干预效果的差异，从而为优化TENS临床应用提供新的科学依据和治疗靶点。
三、 详细研究流程与方法 本研究采用了多层次的系统性实验策略，结合了行为学、神经环路示踪、光遗传学、化学遗传学、在体钙成像和电生理学等多种先进技术。
流程一：建立模型与评估TENS镇痛效果 首先，研究人员在小鼠身上建立了经典的保留神经损伤（Spared Nerve Injury, SNI）模型，以模拟神经病理性疼痛。随后，他们评估了不同TENS干预模式的镇痛效果。在SNI手术后第1天（早期）或第7天（晚期），对小鼠损伤侧后肢大腿区域（受L1-L3 DRG支配）施加TENS刺激。他们采用了两种方案：单次TENS（sTENS，30分钟）和重复TENS（rTENS，每天一次，连续7天）。通过Von Frey纤维丝测量小鼠的足爪缩足阈值和反应概率来量化机械痛敏。结果显示，早期sTENS能显著缓解疼痛，但效果短暂；而早期开始的rTENS则能产生强大且持续的镇痛效应，效果在治疗结束后仍能维持至少21天。相比之下，晚期开始的TENS（无论是单次还是重复）只能产生短暂的镇痛作用。此外，刺激对侧未损伤后肢或下背部等远程区域也能产生镇痛效果，提示TENS的作用具有中枢整合性。
流程二：探究TENS激活的初级神经通路 为了探究TENS作用的初级靶点，研究人员在正常小鼠施加TENS后，检测了脑干DCN（包括接受下肢输入的薄束核，Gracile Nucleus, GR）和脊髓背角（SDH）中神经元活动标志物c-Fos的表达。他们发现TENS能显著激活同侧GR和SDH的神经元，但未激活主要接受上肢输入的楔束核（Cuneate Nucleus, CU）。这证实了TENS激活了下肢对应的Aβ-LTMRs-GR通路。进一步的实验排除了TENS激活伤害性感受器或脊髓背角浅层NK1R阳性伤害性投射神经元的可能性，支持TENS参数选择性激活Aβ-LTMRs的结论。通过逆向示踪结合免疫染色，他们确认了投射至DCN的DRG神经元主要是Aβ-LTMRs。
流程三：验证Aβ-LTMRs-GR通路在镇痛中的必要性与充分性 为验证该通路的必要性，研究团队在新生小鼠腹腔注射了一种特异性感染神经节神经元的AAV9病毒，使其在DRG神经元中表达抑制性光敏感蛋白eNpHR3.0。随后，在SNI小鼠早期rTENS治疗期间，用黄光抑制GR区域的DRG Aβ-LTMRs中枢末梢。结果显示，抑制该通路显著削弱了rTENS的镇痛效果。 为验证其充分性，研究人员使用了Advillin-Cre; Ai27小鼠，该小鼠的初级感觉神经元（包括DRG和投射至GR的神经元）特异性表达兴奋性光敏感蛋白ChR2。在生理状态和SNI疼痛模型下，用蓝光激活GR区域的DRG Aβ-LTMRs中枢末梢，均能显著提高机械痛阈值，降低疼痛反应，并减轻条件性位置厌恶（CPA），诱导条件性位置偏好（CPP），证明激活该通路本身足以产生镇痛效应。重复光遗传学激活该通路也能模拟rTENS的持续镇痛效果。化学遗传学激活GR神经元也产生了类似的镇痛作用。
流程四：解析GR的下游投射与关键中继站 通过病毒示踪技术，研究人员发现GR神经元主要投射到对侧丘脑腹后外侧核（Ventral Posterolateral nucleus, VPL）、中脑导水管周围灰质（PAG）、下丘（ZI）和下丘（IC）。通过在这些靶区分别进行光遗传学激活，他们发现只有激活GR到VPL的投射（GR-VPL通路）能在生理和病理状态下产生显著的镇痛效果，而激活GR到PAG、IC或ZI的投射则无效。逆向示踪结合免疫染色证实，GR中投射至VPL的神经元主要是谷氨酸能（Glutamatergic, Glu）神经元。 进一步的实验证明，在TENS治疗期间，用光遗传学抑制GR到VPL的投射，会显著减弱TENS的镇痛效果，表明GR-VPL通路是TENS镇痛所必需的。
流程五：阐明VPL内不同输入来源的神经元群及其功能 VPL是感觉信息上传至皮层的重要中继站。本研究通过双病毒策略（将携带Cre和Flpo的顺向跨单突触病毒分别注射到DCN和SDH，并在VPL注射报告病毒）清晰地揭示，VPL中存在两个空间上分离的、分别接受DCN输入（VPL_DCN）和SDH输入（VPL_SDH）的神经元群体，且两者绝大多数都是谷氨酸能神经元。 功能上，光遗传学激活来自SDH的输入会诱发机械痛敏，而抑制该通路则能缓解SNI引起的痛敏。这表明VPL_SDH通路主要负责传递伤害性信息，促进疼痛。相反，激活来自DCN的输入（即VPL_DCN神经元）则产生镇痛作用。在体双光子钙成像进一步证实，TENS能有效且强烈地激活投射至VPL的GR神经元（GR_VPL神经元），而对投射至IC的GR神经元激活较弱，说明TENS对GR-VPL通路具有选择性激活作用。
流程六：揭示从VPL到皮层S1HL的最终上行通路及其机制 病毒示踪显示，VPL_DCN神经元广泛投射至多个脑区，其中对同侧后肢初级体感皮层（S1HL）的投射尤为密集。光遗传学激活这条“DCN_Glu - VPL_Glu - S1HL”通路，在生理和神经病理痛状态下均能产生显著的镇痛效应，并改善疼痛相关的厌恶情绪。 重要的是，抑制S1HL区VPL_DCN神经元的末梢（在rTENS治疗期间同时进行），会显著削弱rTENS的镇痛效果；而重复激活该通路则能模拟rTENS的持续镇痛。这证明了该上行通路是介导TENS镇痛效应的最终环节。 研究人员进一步探究了其下游机制。他们发现，S1HL中接收VPL_DCN输入的神经元（主要是第5层神经元）直接投射至下行镇痛系统的关键节点——PAG和延髓头端腹内侧区（RVM）。电生理记录证实，VPL_DCN末梢与这些S1HL→PAG/RVM神经元之间形成单突触的谷氨酸能连接。药理学实验发现，全身给予阿片受体拮抗剂纳洛酮，几乎完全阻断了光遗传学激活DCN-VPL或DCN-VPL-S1HL通路所产生的镇痛作用。这表明，该通路的镇痛效应最终通过激活内源性阿片系统（特别是PAG/RVM中的μ-阿片受体）来实现。
流程七：探究其他可能通路的作用 研究也评估了其他通路的作用。例如，他们发现脊髓水平的“闸门控制”机制确实部分参与了TENS的镇痛，因为脊髓背角局部阻断Aβ-LTMRs会减弱TENS效果。此外，对脊髓突触后背柱（PSDC）神经元的研究表明，虽然激活PSDC-DCN通路有镇痛作用，但抑制它并不影响TENS的疗效，说明它在TENS镇痛中并非主要通路。
四、 主要研究结果 1. 行为学结果：早期、重复的TENS干预能对SNI模型产生强效且持久的镇痛作用，效果远超单次或晚期干预。 2. 神经激活结果：TENS选择性激活同侧GR和SDH的神经元，且这种激活不依赖于伤害性感受器。 3. 环路必要性结果：光遗传学抑制DRG Aβ-LTMRs到GR的投射，或抑制GR到VPL的投射，均能显著削弱TENS的镇痛效果。 4. 环路充分性结果：光遗传学或化学遗传学特异性激活“DRG Aβ-LTMRs → GR_Glu → VPL_Glu”通路，无论在生理状态还是疼痛模型下，都能模拟TENS的镇痛行为（提高痛阈、减少痛反应、改善情绪）。 5. VPL功能分区结果：VPL内存在解剖和功能分离的两群神经元：VPL_DCN（介导镇痛）和VPL_SDH（介导痛觉）。 6. 上行通路结果：VPL_DCN神经元主要投射至S1HL，激活这条“VPL_Glu → S1HL”通路能产生镇痛，抑制它则阻断TENS疗效。 7. 下行机制结果：S1HL中接收该通路的神经元直接投射至PAG/RVM，其镇痛效应可被纳洛酮阻断，证明其通过激活脑干下行抑制系统和内源性阿片系统发挥镇痛作用。 8. 在体成像结果：TENS能高效、选择性地激活GR_VPL神经元，其钙信号响应强度与刺激强度相关。
这些结果环环相扣：从行为现象出发，定位到初级激活靶点（Aβ-LTMRs-GR），然后顺藤摸瓜找到关键中继站（VPL），并在此发现了痛觉与触觉/振动觉通路的“分流”（VPL_SDH vs. VPL_DCN）。接着追踪上行通路至皮层（S1HL），最后揭示了其通过激活经典下行镇痛系统（PAG/RVM-内源性阿片）实现镇痛的终极机制。整个逻辑链条完整，证据坚实。
五、 研究结论与意义 本研究系统性地揭示了一条介导TENS缓解神经病理性疼痛的完整神经环路：“DRG Aβ-LTMRs → 薄束核（GR）谷氨酸能神经元 → 丘脑腹后外侧核（VPL）谷氨酸能神经元 → 后肢初级体感皮层（S1HL）”，并通过激活S1HL至中脑导水管周围灰质（PAG）/延髓头端腹内侧区（RVM）的下行通路，招募内源性阿片系统，最终产生镇痛效应。
这项研究的科学价值在于： 1. 机制创新：首次在神经环路层面完整阐明了TENS镇痛的中央通路，超越了传统的脊髓“闸门控制”理论，明确了触觉/振动觉上行通路（背柱-内侧丘系通路）在疼痛调控中的关键作用。 2. 概念突破：揭示了丘脑VPL核团在痛觉与触觉信息处理中的功能分离，即来自脊髓背角（伤害性输入）和背柱核团（非伤害性机械性输入）的信息由VPL中不同的神经元群体处理，并产生截然相反的行为输出（促痛 vs. 镇痛）。 3. 治疗启示：强调了“早期干预”对于获得TENS持久镇痛效果的重要性，为临床优化TENS治疗方案（如治疗时机、参数设置）提供了直接的理论指导。 4. 靶点发现：明确了“DRG Aβ-LTMRs - GR_Glu - VPL_Glu - S1HL”这一通路作为潜在的神经调控靶点，为开发基于精确神经环路调控的新型镇痛策略（如深部脑刺激、闭环神经调控）提供了新方向。
六、 研究亮点 1. 完整的环路解析：研究从外周感受器到皮层，再到下行调制系统，全景式地描绘了TENS镇痛的神经机制，是疼痛领域环路研究的典范。 2. 技术的综合运用：娴熟地整合了光遗传学、化学遗传学、在体钙成像、跨单突触病毒示踪、行为药理学等多种前沿技术，多角度、多层次地验证了科学假设。 3. 功能分离的发现：在丘脑VPL水平清晰证明了痛觉通路与触觉/振动觉通路的解剖和功能分离，这一发现对理解感觉整合具有重要基础意义。 4. 转化医学价值：不仅解释了TENS为何有效，更重要的是指出了为何“早期重复治疗”效果更佳，以及如何通过模拟或增强该通路来开发更有效的镇痛方法，具有明确的临床指导意义。 5. 对振动镇痛的启示：研究将TENS的机制与临床上观察到的“振动镇痛”现象联系起来，提出TENS可能通过激活相同的振动/精细触觉通路来发挥镇痛作用，为多种物理镇痛方法提供了统一的神经生物学解释。
七、 其他有价值的内容 本研究还附带验证了该通路在正常感觉功能中的作用。抑制“GR_Glu-VPL_Glu-S1HL”通路会损害小鼠的精细触觉（粘胶带去除实验）和本体感觉（抬升横梁实验），但不影响运动能力。这证实了该通路确实同时承担着传递触觉/本体感觉和调控疼痛的双重功能，从另一个侧面支持了其作为“非伤害性感觉输入抑制疼痛”的神经基础。此外，研究也探讨了该通路在其他疼痛模型（如慢性压迫性损伤CCI和完全弗氏佐剂CFA诱导的炎性痛）中的普适性，发现其激活同样有效，表明该机制的广泛适用性。