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公司新闻

Inscopix nVista神经元成像系统应用

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 全麻药物可激活大脑杏仁核中的中央镇痛环路

----Inscopix nVista神经元成像系统应用

 

对于全身麻醉来说,麻醉药物一般会引起意识的丧失,同时我们也失去了痛觉感知,于是手术得以进行。

但全身麻醉一般也会有独立于意识丧失的镇痛作用,具体实例就是正在手术的病人知晓手术室内正在发生的事情,医生的交谈,但这种麻醉作用的潜在神经机制还不清楚。以前,人们认为低剂量麻醉药物可通过阻断脊髓背角周围的神经传递来诱导镇痛作用。但这种方式下,患者在没有疼痛的同时仍能感觉到刺激,与这一想法不符说明低剂量的麻醉镇痛可能在高于脊髓的水平上起作用,从而在分离出痛觉的同时,也可以感知有害的刺激。

 

最近在《nature neuroscience》上发表的一篇文章对此进行了研究,研究使用了时下最热的新技术,自由动物在体神经元钙成像技术,为揭示镇痛之下的神经机制提供了强有力的证据。

下面我们来一起了解这篇研究。

 

结果

 

实验使用早期基因Fos作为最近激活的神经元的标志物,通过施行一个较长的实验方案,观察受刺激激活的神经元位置,即CeAGA中受麻醉剂激活的Fos+细胞。

实验中观察到在麻醉剂作用下,CeAGA中来自多个亚区域的神经元被激活,即神经元的多个亚群对麻醉有响应。

使用设计的CANE方法可以准确定位出受相应麻醉药物激活的神经元。通过长时间严格计划的病毒注射,可以发现在小鼠大脑左右两侧的CeAGA均有相似大小的神经元群体,受麻醉刺激而响应。除此之外,在使用不同麻醉药物进行的实验发现,不同药物引起的响应神经元有部分重叠。由于异氟烷可靠地诱导了最大数量的CeAGA神经元群体中的Fos+响应,因此,在所有后续实验中,研究人员将CANE与异氟烷麻醉结合使用以选定实验分析的CeAGA神经元。 

 

图1,CeAGA中受麻醉药物激活引起的神经元群体

 

为了了解自由移动小鼠在麻醉剂诱导及其维持过程中CeAGA神经元的活动研究人员进行了小鼠在体的钙成像实验。通过设计好的实验策略在小鼠CeAGA神经元中表达钙指示剂GCaMP6m。随后,使用高度集成的微型荧光显微镜并结合梯度折射率透镜将小鼠大脑内部的神经元钙活动在显示器上进行直观的观察,将小鼠用异氟烷处理,并使用MIN1PIPE方法处理视频数据就这样记录了这些活动细胞的钙动力学变化再次异氟醚的再次暴露激活了许多CANE-GCaMP6m捕获的CeAGA神经元。为了描述活动模式,他们根据单个神经元平均荧光的比率对神经元进行了排序。分析表明,在异氟烷处理期间,有89.7%的成像神经元显示荧光增强。

通过对神经元活动数据的分析,发现在之前实验中使用基于Fos的CANE方法选定的CeAGA都会被异烷重新激活,并且也会大量被其他麻醉剂激活,这些体内成像结果有力地支持了可被异氟烷和氯胺酮麻醉作用激活的CeAGA神经元并集的存在。

  

图2,在受异烷和氯胺酮麻醉期间,钙成像方法记录下的CeAGA神经元活动模式

 

通过光遗传方法对小鼠大脑内的特定神经元进行激活或抑制,可以研究特定神经元的具体功能。在该研究中,实验人员通过在小鼠大脑特定神经元上表达兴奋性或抑制性受体,并结合行为学实验,观察小鼠在给药前后对痛觉刺激的反射行为有什么变化。实验设计了3种痛觉刺激,分别是冷,热,针刺激,分别作用在野生型小鼠和急性痛觉模型小鼠身上,结果发现,在激活CeAGA神经元后,小鼠对痛觉的敏感度下降,光抑制之后,敏感度上升。小鼠对伤害性刺激的条件反射行为受到了影响。

除了直接的撤离或防御行为外,急性疼痛还会引起动物自身的照顾行为,就比如人手被烫伤后会立刻往受伤部位吹气一样。在对小鼠的这一行为进行观察后发现,光遗传刺激CeAGA的神经元也会显著影响这种自我保护性照顾行为。

 

图3,在野生型小鼠和急性痛觉模型鼠上对CeAGA神经元进行的激活或抑制双向的调节了痛觉相关行为

 

CeAGA神经元的光遗传抑制使CeAGA-eArch小鼠对机械,热和冷刺激高度敏感,并加剧了疼痛引起的关怀行为,这使得研究人员思考CeAGA神经元的基础活动水平以超敏行为起到预防刺激的可能性。换句话说,短期的有害刺激是否会改变正常小鼠的CeAGA神经元自发水平的活动。通过实验验证,发现CeAGA神经元的活性并没有对施加的刺激有明显受影响的迹象,细胞群体行为表现平稳。在对单个神经元进行分析后发现,大多数在受到刺激后并不会改变其基础活动水平,与群体表现一致,表明CeAGA神经元可能在很大程度上呈现的是动物内部状态,而不是短期的有害刺激。 

 

图4,感觉测试期间对CeAGA神经元活在体钙成像

 

下一个关键问题是激活CeAGA神经元是否可以抑制慢性神经性疼痛下的机械性超敏反应。他们用CeAGA-GFP和CeAGA-ChR2小鼠制作了慢性口面神经性疼痛模型,其中将眶下神经结扎在面部右侧,为慢性阻塞损伤(CCI)这种伤害导致IoN连接侧的须垫对非有害触觉刺激持续敏感。在没有光刺激的面部von Frey试验中,CCI-IoN小鼠开始表现出对两侧正常无害的0.02 g力退缩反应。这与已知的由神经性疼痛引起的机械性超敏反应或异常疼痛相一致,包括未受伤一侧的镜像疼痛值得注意的是,单侧ChR2激活CeAGA神经元会极大地减少受伤侧的撤离反应,甚至对1.0 g刺激都没有反应,而对照组实验并没有改变其敏感性。同时注意,在未受伤害的状态和未受伤害的一侧,即使通过ChR2激活CeAGA神经元,1.0 g von Frey刺激施加于面部也会引起退缩反射。相比之下,在CCI-IoN小鼠身上,CeAGA的激活表明受伤一侧在响应1.0 g时受损,说明神经性疼痛下的机械性超敏反应主要是由异常的中央加工引起的。

 

研究人员还在CCI-IoN动物中进行了条件位置偏好实验(CPP)。 光激活CeAGA-ChR2小鼠CeAGA神经元产生光激活腔室的位置偏好记忆而对照组CeAGA-GFP小鼠不会,大概是由于该位置疼痛缓解。此外,CCI-IoN动物表现出自发不对称地擦拭受伤侧,明它们感到自发性疼痛。 CeAGA-ChR2小鼠中CeAGA神经元的ChR2激活显着减少了CCI-IoN小鼠的总擦拭时间,并且在刺激后期也具有持久作用。综上所述,CeAGA神经元的激活可有效抑制慢性神经性疼痛模型中与疼痛有关的行为。 

 

图5,在慢性阻塞物损伤模型鼠中的CeAGA神经元激活强烈降低了伤害感受相关行为,并驱动了条件位置偏好。

 

研究人员对CeAGA投射出来的神经元进行了观察,发现它投射到大脑中非常广泛的区域。分析投射目标区域,研究人员注意到,许多CeAGA神经元的轴突靶标含有福尔马林疼痛诱导的Fos +神经元。考虑到CeAGA神经元是GABA能的,原则上它们处于通过其投射有效抑制这些疼痛激活神经元活动的理想位置。实验发现接受双向光遗传激活CeAGA区域的CeAGA-ChR2小鼠在所有投射目标区域均显示出Fos+神经元数量明显减少。因此,CeAGA神经元可以有效抑制大脑中许多疼痛处理中心的神经激活。 

 

图6,从CeAGA神经元到全脑的投射

 

研究开始研究人员假设全麻的镇痛作用与麻醉引起的意识丧失是分开的,尤其在低麻醉药物浓度下。而在对由1.5%异氟烷捕获的CANEISO-GCaMP6m神经元进行在体成像时,也确实发现在0.5%异氟烷,更多的神经元被持续激活。为了准确考察剂量效应,研究人员转而使用小剂量的氯胺酮,这在临床上具有镇痛作用。之前的研究表明,氯胺酮在12 mg/kg时对小鼠有镇痛效果在三个成像实验(1.5%异氟烷,常规剂量的氯胺酮和低剂量的氯胺酮)中得到的结果表明,大多数被跟踪观察的神经元在所有三种情况下均被激活,包括低剂量氯胺酮。

为了测试低剂量氯胺酮的镇痛作用是否需要CeAGA神经元的活性,研究人员对光遗传抑制小鼠进行了辣椒素试验。在辣椒素注入鼠爪后,盐水组引起了强有力的爪舔。小剂量氯胺酮则可显著减少舔舐时间。值得注意的是,当CeAGA神经元在辣椒素+氯胺酮条件下被光遗传抑制时,小鼠舔爪的时间与辣椒素+氯胺酮条件下的时间相似,此时氯胺酮的镇痛作用被阻碍了该结果表明,CeAGA神经元的活性是小剂量氯胺酮缓解疼痛的作用所必需的。 

 

图7,对于所有CeAGA目标区域CeAGA神经元的激活降低了福尔马林诱导产生的活性,而抑制CeAGA神经元则了低剂量氯胺酮的镇痛作用。

 

CeA以前曾被认为是应激和安慰剂诱导的镇痛的关键结构,CeA的损伤会损害其镇痛作用。

 

目前还不知道全身麻醉药如何诱导CeAGA神经元的瞬时或持续活化,也不知道持续激活CeAGA神经元是否会上瘾。但这项工作提出了利用这种内源性止痛系统缓解慢性疼痛的令人兴奋的可能性。可以发展下一代不含镇静作用的止痛药留一些启示

 

(由格罗贝尔生物科技公司供稿,未经同意不得转载)

 

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