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疼痛是一种不愉快的感觉和情绪体验,包括感觉识别、情绪动机和认知评价三部分。生理情况下,疼痛可作为机体损伤的信号起到预警作用;病理情况下,疼痛迁延不愈,严重影响病人的身体和心理健康。目前临床上治疗慢性疼痛的手段有限,以抗抑郁药、抗癫痫药等精神类药物为主,此外还有脊髓电刺激等,但都无法取得满意的治疗效果。疼痛生物-心理-社会模型的提出为疼痛的治疗提供了新的思路,在疼痛生物治疗的基础上,增加心理和社会因素的调节可能探索出治疗疼痛的新方案。疼痛共情正是这样一种生物-心理-社会模型,可能被用于疼痛的调节和治疗过程。 共情是一种理解和分享他人情绪状态的能力,是一种涉及情绪和认知的高级脑功能。对他人疼痛的共情反应可以调节自身对疼痛刺激的反应性。虽然长久以来共情被认为是人类所特有,近年来的研究发现啮齿类动物中也存在疼痛共情反应。本实验室前期研究发现大鼠间也存在疼痛共情反应,与正在经历疼痛的大鼠社交30分钟后,同笼的观测大鼠的双侧后足出现机械性痛敏,热痛潜伏期无明显变化,同笼观测大鼠接受蜜蜂毒(bee venom, BV)注射引起的伤害性反射增强,且这种易化现象只存在于同笼饲养超过2周的大鼠之间,此外还发现介导大鼠疼痛共情反应的脑中枢结构是内侧前额叶(medial prefrontal cortex, mPFC),与人类的研究结果类似。因此,在此模型上进行疼痛共情的研究可能揭示人类疼痛共情反应—这一心理学研究热点的神经机制。 在本实验室前期建立的疼痛共情模型基础上,本课题采用行为学、分子生物学、化学损毁等方法研究了蓝斑-去甲肾上腺素系统在大鼠疼痛共情反应中的作用和mPFC在大鼠社交和认知功能中的作用。主要结果如下: 一、蓝斑-去甲肾上腺素系统参与调节疼痛共情相关的机械性痛敏 同笼或不同笼饲养的大鼠配对进行实验,一只大鼠后足底皮下注射蜜蜂毒溶液作为示教大鼠;另一只大鼠不作处理并与示教大鼠社交30分钟,作为观测大鼠。同笼对照为同笼饲养的正常大鼠配对进行社交30分钟。与注射BV的示教大鼠社交30分钟后,同笼观测组大鼠双侧后足出现机械性痛敏,不同笼观测组大鼠双侧后足机械性痛阈值无明显变化。检测同笼对照、同笼观测和不同笼观测组大鼠外周背根神经节(dorsal root ganglion,DRG)上机械性伤害性感受和热伤害性感受相关的受体表达,发现同笼观测大鼠DRG神经元上机械性伤害性感受相关的P2X3受体表达上调,热伤害性感受相关的TRPV1(transient receptor potential vanilloid1)受体表达无明显变化,不同笼观测大鼠DRG神经元上P2X3受体和TRPV1受体的表达均无明显变化,与二者的行为学反应相对应。同笼观测大鼠的机械性痛敏可以持续3小时以上,5小时后恢复正常,且其DRG神经元上的P2X3受体表达上调可以持续2小时以上,5小时后恢复正常,与行为学机械性痛敏的时程基本吻合。提前给予同笼观测大鼠外周皮下注射P2X3受体拮抗剂A-317491(0.2 mg/10μl)可以阻断疼痛共情相关的机械性痛敏的产生,单纯注射A-317491对同笼对照大鼠正常机械性痛阈值无影响,说明外周的P2X3受体参与介导疼痛共情相关的机械性痛敏。 与注射BV的示教大鼠社交10分钟和30分钟后,同笼观测大鼠的血清去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)含量均升高,血清皮质酮较同笼对照组无明显变化;不同笼观测大鼠血清NE含量在两个时间点均升高,但在社交10分钟时间点,血清皮质酮含量升高,社交30分钟时,血清皮质酮含量恢复正常,说明疼痛共情反应可以激活交感肾上腺髓质(sympathetic-adreno-medullary,SAM)轴,而不同笼观测大鼠体内SAM轴和下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal, HPA)轴均激活,存在着更复杂的神经内分泌反应。用NE(100 nM)孵育急性分离的整节DRG可以上调P2X3受体的表达。可乐定是肾上腺素能α2受体激动剂,但在低剂量用药时可以抑制NE在突触部位的释放,提前给予同笼观测大鼠腹腔注射低剂量的可乐定(10μg/kg),可以阻断疼痛共情引起的血清NE的升高和外周DRG神经元上P2X3受体表达的上调,此外还可以阻断疼痛共情相关的机械性痛敏的产生,单独注射可乐定对同笼对照大鼠的机械性痛阈值无明显影响。说明去甲肾上腺素系统参与调节疼痛共情相关的外周DRG神经元上P2X3受体的上调和机械性痛敏的产生。 与注射BV的示教大鼠社交30分钟后,同笼观测大鼠蓝斑核团内c-Fos阳性标记的细胞数明显增多,说明疼痛共情反应可以激活蓝斑。提前15天给予同笼观测大鼠腹腔注射DSP-4(50 mg/kg),损毁其蓝斑核团内的NE投射神经元。结果显示蓝斑损毁可以阻断疼痛共情引起的血清NE的升高和外周DRG神经元上P2X3受体表达的上调,以及疼痛共情相关的机械性痛敏的产生。用胍乙啶(50 mg/kg)损毁交感干可以阻断疼痛共情相关的机械性痛敏的产生。提前给予同笼观测大鼠外周皮下注射肾上腺素能α1、α2或β受体拮抗剂哌唑嗪(prazosin,40μg/25μl)、育亨宾(yohimbine,30μg/25μl)和普萘洛尔(propranolol,5μg/25μl),发现只有哌唑嗪可以阻断疼痛共情相关的机械性痛敏的产生,且单独给予同笼对照大鼠皮下注射同等剂量哌唑嗪对其机械性痛阈值无明显影响。 二、mPFC在大鼠的社交行为和认知功能中起重要作用 有研究表明mPFC是交感系统的高级中枢,采用海人藻酸损毁同笼观测大鼠的双侧mPFC后,疼痛共情反应引起的血清NE的升高和双侧后足的机械性痛敏消失,提示 mPFC在疼痛共情反应对交感系统的激活中也起着重要作用。本实验室前期研究表明疼痛共情反应可以引起同笼观测大鼠在联合旷场中央停留时间减少,表现出焦虑样行为,本课题发现损毁双侧mPFC后,大鼠自身接受 BV注射引起的焦虑样行为和观测注射BV的示教大鼠的痛相关行为引起的焦虑样行为均消失,说明mPFC在自身疼痛和疼痛共情相关的情绪反应中起重要作用。 同笼大鼠间的社交行为是大鼠间疼痛共情反应产生的基础。采用三厢实验检测mPFC在同笼大鼠社交行为中的作用,研究结果显示:相比于假手术组大鼠,双侧mPFC损毁的同笼大鼠在有同伴的一侧厢体停留时间减少,表现为社交能力(sociability)受损。当三厢两侧均放置同笼饲养的同伴,其中一只同伴接受BV注射,正常大鼠更倾向于在接受BV注射的同伴一侧厢体停留,表现为社交关怀样行为(social approach to pain),且这种行为只存在于同笼饲养的大鼠之间,但mPFC损毁后大鼠在两侧厢体停留时间无差异,社交关怀样行为消失。正常大鼠在含有陌生大鼠一侧厢体停留时间长于熟悉的同笼大鼠,mPFC损毁对大鼠该行为无明显影响,说明mPFC损毁对大鼠的社交记忆(social memory)无明显影响。 疼痛共情是一种涉及情绪和认知的高级脑功能。采用物体识别实验研究mPFC在大鼠认知功能中的作用,结果显示:正常大鼠在熟悉期对物体A和物体B无选择性,在经过5分钟、30分钟、1小时的间隔期后,将物体B用物体C替换,正常大鼠探索新物体C的时间百分比高于物体A;当间隔期为2小时,正常大鼠探索新物体C和物体A的时间百分比无差异;当间隔期为3小时、24小时,正常大鼠探索新物体C的时间百分比高于物体A。短期记忆和长期记忆是两个相互平行、相互独立的过程,2小时时间点可能是短时记忆和长时记忆的时间分界点。双侧mPFC损毁和假手术大鼠在熟悉期对物体A和物体B无选择性,经过5分钟、3小时和24小时间隔期后,假手术大鼠探索新物体C的时间百分比高于物体A,双侧mPFC损毁大鼠在5分钟间隔期后探索新物体C的时间百分比高于旧物体A,在间隔期为3小时和24小时的时候,探索新物体C和旧物体A的时间百分比无差异。说明mPFC参与调节大鼠的认知功能。 结论: (1)与正在经历疼痛的同笼大鼠进行社交,同笼观测大鼠的蓝斑-去甲肾上腺素能系统激活,NE的产生和释放增加,通过肾上腺素能α1受体起作用,上调外周DRG神经元上P2X3受体的表达,进而介导了疼痛共情相关的机械性痛敏的产生,该部分研究揭示了疼痛共情反应易化疼痛的神经化学基础。 (2)作为交感系统的上位脑中枢结构,mPFC也参与调节了疼痛共情反应对去甲肾上腺素系统的激活和疼痛共情相关的机械性痛敏的产生。大鼠间疼痛共情反应的产生依赖于同笼大鼠间的社交行为和观测大鼠对示教大鼠疼痛相关行为的认知,mPFC参与调节同笼大鼠间的社交能力和社交关怀样行为以及认知功能,提示mPFC可能参与介导对疼痛共情产生过程极为重要的社交和认知过程。