关于脑干通路介导迷走神经调节躯体疼痛和情感状态的研究报告
本研究由复旦大学脑功能与脑疾病全国重点实验室、教育部脑科学前沿中心、脑科学研究院的邓瀚飞团队，以及中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心的肖雄团队共同主导。研究人员包括唐渊、邵瑞昕、罗柳新、廖立强、王晓宇、朱航飞等。该研究于2026年4月21日在线发表于国际顶级期刊《Nature Neuroscience》。
一、 学术背景 本研究聚焦于神经科学与疼痛管理领域。迷走神经刺激（Vagus Nerve Stimulation， VNS）是一种通过电刺激迷走神经来治疗癫痫和抑郁症的临床手段，越来越多的证据表明其具有超越这些适应症的镇痛效果。然而，VNS缓解疼痛及其相关负面情感状态的神经机制尚不明确。孤束核尾侧部（caudal nucleus of the solitary tract， cNTS）是迷走神经传入的主要中枢靶点，同时也接收来自脊髓的体感信号输入，这使其成为整合迷走神经和伤害性信息的潜在关键枢纽。然而，cNTS如何将疼痛信号转化为行为，以及VNS如何调节这一过程，仍不清楚。本研究旨在探究cNTS中是否存在特定的神经元群体，作为VNS依赖性抑制疼痛和负面情感的关键节点，并阐明其工作机制。
二、 详细研究流程 本研究是一项系统性的神经环路机制研究，结合了多种前沿的神经科学技术，流程复杂且环环相扣。主要流程可分为以下几个核心部分：
1. 鉴定驱动疼痛样行为的cNTS神经元群体 * 研究目标： 从cNTS投射到不同下游脑区的多个神经元群体中，筛选出与疼痛相关行为最相关的群体。 * 研究对象与方法： 使用小鼠模型。首先通过逆行双标病毒追踪，确认cNTS向中脑导水管周围灰质（Periaqueductal Gray， PAG）、臂旁核（Parabrachial Nucleus， PBN）、终纹床核（BNST）、下丘脑室旁核（PVH）、中央杏仁核（CeA）和蓝斑（LC）等六个脑区的投射模式及重叠情况。随后，采用逆行病毒结合光遗传学技术，在小鼠cNTS特异性表达光敏感蛋白Channelrhodopsin-2（ChR2），分别激活这六个不同的cNTS投射神经元群体。 * 实验与数据分析： 通过一系列行为学测试评估光激活不同神经元群体的效应，包括：实时位置厌恶（Real-Time Place Aversion， RTPA）测试以评估厌恶行为；瞳孔测量、呼吸频率监测和超声波发声记录以评估生理反应；高分辨率面部表情视频分析以量化情感效价；条件性位置厌恶（Conditioned Place Aversion， CPA）测试以评估厌恶学习记忆的形成。 * 结果： 光激活投射到PAG的cNTS神经元（cNTSPAG）能最有效地诱发强烈的厌恶逃避行为、显著的瞳孔放大、呼吸加快、发出类似疼痛诱发的声音、产生负性面部表情，并能驱动厌恶条件性记忆的形成。这表明cNTSPAG神经元是驱动疼痛相关行为和情感反应的关键候选群体。
2. 探究cNTSPAG神经元对伤害性刺激的编码特性 * 研究目标： 明确cNTSPAG神经元如何编码不同模态的伤害性刺激，及其对学习过程的响应。 * 研究对象与方法： 使用表达钙指示剂GCaMP6s的小鼠，通过光纤光度法（Fiber Photometry）记录cNTSPAG神经元群体的钙活动，并利用梯度折射率（GRIN）透镜进行在体单细胞钙成像。为克服施加伤害性刺激时产生的严重运动伪影，研究团队创新性地结合了钨丝锚定GRIN透镜、头部固定和身体约束的方法，实现了稳定的单细胞成像。 * 实验与数据分析： * 模态特异性编码： 给予小鼠多种伤害性（机械性夹尾、电击尾、热刺激）和非伤害性/不同效价（轻柔刷尾、气流、蔗糖、奎宁、捕食者气味）刺激，记录神经元活动。通过分析神经元响应比例、响应强度、群体活动轨迹、马氏距离（Mahalanobis Distance）以及机器学习解码准确率来评估编码特性。 * 学习诱导的预测信号： 采用疼痛关联的巴甫洛夫条件反射范式。给予小鼠一个声音条件刺激（Conditioned Stimulus， CS），随后给予一个轻微的尾电击非条件刺激（Unconditioned Stimulus， US）。在习惯化（仅CS）和条件化（CS-US配对）阶段，记录cNTSPAG神经元的钙活动，分析CS响应在训练过程中的变化。 * 结果： * cNTSPAG神经元群体对机械性和电击性伤害刺激（如夹尾、电击）反应强烈，但对热伤害刺激（46°C或52°C热水）反应微弱。单细胞成像显示，大量神经元被机械/电刺激激活，而响应热刺激的神经元比例低、强度弱。群体活动轨迹显示，机械/电刺激与热刺激的神经表征明显分离，但群体活动足以在试次水平上解码不同的伤害性刺激。 * 在条件反射训练后，cNTSPAG神经元对预测疼痛的CS产生了显著的兴奋或抑制反应，这些反应在训练过程中逐渐增强。CS诱发的群体活动表征变得与US诱发的表征更为相似。这种学习诱导的预测信号变化依赖于CS-US的关联，而非单纯的听觉熟悉化或对恐惧本身（如捕食者气味）的响应。
3. 解析cNTSPAG神经元的输入与功能验证 * 研究目标： 确定cNTSPAG神经元的上游输入，并验证特定输入通路在疼痛处理中的功能。 * 研究对象与方法： * 输入图谱绘制： 使用通路特异性单突触狂犬病病毒追踪技术，绘制直接投射到cNTSPAG神经元的全脑输入图谱。 * 脊髓-cNTS-PAG通路功能验证： 使用顺行跨突触病毒策略，特异性标记并记录从脊髓背角经cNTS中继后投射到PAG的神经通路的活动。采用交叉病毒策略（在脊髓注射顺行跨突触AAV1-Cre，在PAG注射逆行Cre依赖的AAV-Flex-Flpo，在cNTS注射Flp依赖的AAV表达抑制性DREADD hM4Di），化学遗传学抑制接收脊髓直接输入的cNTSPAG神经元。 * 实验与数据分析： 通过光纤光度法记录脊髓-cNTS-PAG通路的钙活动对伤害性刺激的响应。通过Von Frey纤维丝测痛（机械痛）、甩尾实验和热板实验（热痛）评估化学遗传学抑制后的行为学变化。 * 结果： * cNTSPAG神经元接收来自广泛脑区（包括皮层、BNST、CeA、下丘脑、中脑、后脑）以及迷走神经结节神经节（Nodose Ganglion， NG）和脊髓的直接输入。脊髓输入主要来自背角浅层（伤害性信息处理的关键区域）。 * 脊髓-cNTS-PAG通路的活动能被机械性和电击性伤害刺激强烈激活，但对热刺激反应微弱。化学遗传学抑制该通路特异的cNTSPAG神经元，降低了小鼠对机械刺激的缩足反应率，但不影响其对热刺激的反应潜伏期，表明该通路特异性参与机械性伤害信息的处理。
4. 揭示VNS的镇痛机制及其对cNTSPAG神经元的调节 * 研究目标： 探究VNS是否以及如何通过cNTS-PAG通路调节疼痛行为和神经活动。 * 研究对象与方法： 在小鼠颈迷走神经植入刺激袖带。在行为学上，测试VNS对Von Frey机械痛敏和疼痛诱导的条件性位置厌恶的影响。在神经活动上，结合VNS与光纤光度法或GRIN透镜成像，记录VNS对cNTSPAG神经元疼痛诱发活动的调节。 * 实验与数据分析： 分析VNS单独、伤害刺激（夹尾）单独以及两者同时给予时，cNTSPAG神经元群体及单细胞活动的变化。计算调制指数，分析VNS对兴奋性和抑制性神经元亚群的不同影响。 * 结果： * VNS能显著降低小鼠对机械刺激的痛觉反应，并减弱由疼痛刺激引发的条件性位置厌恶。 * VNS本身不改变cNTSPAG神经元的基础活动，但能显著抑制由夹尾刺激诱发的cNTSPAG神经元群体钙活动。单细胞成像显示，VNS主要减弱了那些被疼痛刺激激活的神经元的反应幅度，并减少了被疼痛刺激招募的神经元数量，表现出活动依赖性的调制模式。
5. 阐明VNS发挥作用的局部抑制性环路机制 * 研究目标： 探究VNS抑制cNTSPAG神经元活动的细胞机制。 * 研究对象与方法： * 分子鉴定： 使用RNAscope原位杂交技术鉴定cNTSPAG神经元的神经递质类型。 * 抑制性神经元的作用： 在VGAT-Cre或VGAT-Flpo小鼠的cNTS GABA能神经元中表达GCaMP6s、兴奋性DREADD hM3Dq或抑制性DREADD hM4Di，结合光遗传/化学遗传学、光纤记录和行为学测试。 * 实验与数据分析： 记录cNTS GABA能神经元在VNS和疼痛刺激下的活动；光激活GABA能神经元同时记录cNTSPAG神经元活动；化学遗传学抑制GABA能神经元，观察其对VNS镇痛效应及VNS抑制cNTSPAG神经元活动能力的影响。 * 结果： * 大部分cNTSPAG神经元是谷氨酸能兴奋性神经元。 * VNS能激活cNTS内的GABA能抑制性神经元。光遗传学激活这些GABA能神经元足以抑制cNTSPAG神经元的基础活动及其对伤害刺激的反应，并能产生镇痛行为。化学遗传学抑制cNTS GABA能神经元则削弱了VNS对cNTSPAG神经元疼痛反应的抑制能力，并阻断了VNS的镇痛行为效应。这表明VNS通过招募cNTS内部的局部GABA能抑制性环路，来抑制cNTSPAG神经元的疼痛诱发活动，从而实现镇痛。
6. 探究cNTSPAG通路对伏隔核多巴胺信号的调控及VNS的影响 * 研究目标： 阐明cNTSPAG通路如何参与疼痛相关的负性情感（通过伏隔核多巴胺信号反映），以及VNS如何调节这一过程。 * 研究对象与方法： 使用遗传编码的多巴胺传感器GRABDA3m在伏隔核外侧壳（Nucleus Accumbens lateral shell， NAcLat）表达，结合光纤光度法记录多巴胺动态。同时，通过光遗传学激活或 caspase-3介导的消融术操控cNTSPAG神经元，并观察VNS的调节作用。 * 实验与数据分析： 记录光激活cNTSPAG神经元、给予伤害性刺激、以及VNS对NAcLat多巴胺信号的影响。 * 结果： * 光激活cNTSPAG神经元或给予伤害性刺激（夹尾、电击）均能引起NAcLat多巴胺信号的显著下降（“多巴胺低谷”）。消融cNTSPAG神经元可减弱疼痛诱导的多巴胺低谷。 * VNS能显著缓解由疼痛刺激或cNTSPAG神经元激活引起的NAcLat多巴胺低谷。这种调节在VNS与cNTSPAG激活同时给予时迅速出现。 * 进一步研究发现，cNTSPAG神经元通过投射到腹侧被盖区（Ventral Tegmental Area， VTA）来调节多巴胺释放，而投射到中央杏仁核（CeA）的终末激活则无此效应。
7. 与其他疼痛通路的比较及上游分子特征 * 研究目标： 区分cNTS-PAG通路与已知的疼痛-多巴胺通路（如PBN-SNR通路），并鉴定上游迷走神经感觉神经元的分子特征。 * 研究对象与方法： 同时记录PBN投射到黑质网状部（Substantia Nigra pars reticulata， SNR）的神经元活动，观察cNTSPAG激活或VNS对其影响。使用通路特异性狂犬病追踪结合RNAscope，鉴定投射至cNTSPAG神经元的NG神经元的分子标记物。 * 结果： * 激活cNTSPAG通路不影响PBN-SNR通路神经元的活动；VNS也不改变PBN-SNR通路对疼痛刺激的反应或该通路激活诱导的多巴胺低谷。这表明VNS对cNTS-PAG通路的作用是特异性的。 * 投射到cNTSPAG神经元的NG神经元高表达神经肽Y受体2型（NPY2R）和嘌呤能受体P2RY1，这两个非重叠的标记物共同标记了约61.2%的此类神经元。
三、 主要研究结果 1. 鉴定出cNTSPAG神经元是驱动疼痛样行为和负性情感的关键节点。 光激活该群体能完美模拟疼痛引起的逃避、生理反应、发声、负性面部表情和厌恶学习。 2. 揭示了cNTSPAG神经元对伤害性刺激的模态特异性编码。 该群体优先编码机械性和电击性疼痛，对热痛反应微弱。单细胞水平存在功能异质性，但群体活动能区分不同刺激。 3. 发现了cNTSPAG神经元在学习过程中获得预测性信号。 在疼痛条件反射中，该群体神经元能对预测疼痛的线索产生反应，其神经表征逐渐变得与疼痛刺激本身相似。 4. 证实了脊髓-cNTS-PAG通路在机械性伤害处理中的必要性。 该通路接收脊髓直接输入，对机械痛敏有选择性贡献。 5. 阐明了VNS通过抑制cNTSPAG神经元活动来产生镇痛和抗负性情感效应。 VNS能行为上减轻疼痛和疼痛相关厌恶，神经水平上以活动依赖性的方式抑制cNTSPAG神经元对疼痛刺激的反应。 6. 解析了VNS作用的局部微环路机制。 VNS通过激活cNTS内的GABA能抑制性中间神经元，进而抑制cNTSPAG兴奋性神经元的活动。 7. 揭示了cNTSPAG通路调控负性情感的神经化学机制。 该通路激活可抑制NAcLat的多巴胺释放，而VNS能缓解这种疼痛诱导的多巴胺低谷，部分通过其向VTA的投射实现。 8. 区分了cNTS-PAG通路与PBN-SNR通路，并提供了上游迷走神经传入的分子特征。
四、 研究结论 本研究首次系统性地揭示了一条由迷走神经传入、经cNTS局部抑制性环路调控cNTS-PAG投射、最终影响中脑多巴胺系统以调节疼痛感知和负性情感的脑干通路。该通路在功能上具有伤害性模态特异性（机械/电 vs. 热），并具备学习可塑性。VNS通过特异性增强该通路中cNTS局部GABA能抑制，从而抑制cNTSPAG神经元对疼痛的反应，实现镇痛和改善疼痛相关负性情绪的效果。
五、 研究意义与价值 * 科学价值： 深化了对疼痛处理脑干环路，特别是迷走神经-孤束核系统在疼痛调控中作用的理解。将cNTS从一个传统的“感觉中继站”重新定位为整合内感受（迷走）和外感受（伤害）信息、编码疼痛模态、参与学习预测并调控情感行为的关键枢纽。揭示了疼痛处理中“自下而上”的脊髓-脑干通路与“自上而下”的神经调控（VNS）交互的新机制。 * 应用价值： 为VNS治疗疼痛提供了明确的神经环路和细胞机制解释，为优化VNS治疗方案（如刺激参数、靶向人群）提供了理论依据。鉴定出的cNTSPAG神经元及其分子标记物（如NPY2R， P2RY1）为开发新的、更具特异性的疼痛神经调控靶点（如药理学或基因治疗靶点）奠定了基础。对cNTS内局部抑制性环路的阐明，提示增强局部GABA能抑制可能是治疗慢性疼痛的新策略。
六、 研究亮点 1. 系统性： 研究从行为表型、神经元编码特性、环路连接、学习可塑性、神经调制机制到分子特征，对cNTS-PAG通路进行了多层次、多角度的完整解析。 2. 技术创新： 成功克服技术难点，实现了在施加伤害性刺激条件下对cNTS进行稳定的在体单细胞钙成像，为揭示神经元群体异质性和动态编码提供了关键数据。 3. 机制深入： 不仅发现了VNS的行为效应和其对目标神经元群体的抑制，更进一步阐明了这种抑制是通过招募局部抑制性中间神经元实现的，将机制研究推进到了微环路水平。 4. 功能连接清晰： 将cNTS-PAG通路的激活与伏隔核多巴胺信号的抑制（一种关键的负性情感指标）直接联系起来，并将VNS的效应延伸至对这一情感通路的调节，完整勾勒了从外周到情感中枢的调控链条。 5. 特异性与区分： 明确区分了cNTS-PAG通路与另一条重要的疼痛-多巴胺通路（PBN-SNR），并明确了VNS作用的特异性，避免了机制混淆。