《自然·神经科学》：越睡身上越疼？华人科学家首次揭示睡眠促进慢性疼痛形成与维持的机制

很多人都有这样的感受：如果连续几晚没睡好觉，身体就会出现持久的慢性疼痛。

虽然科学家也发现了睡眠不足与患慢性疼痛的风险增加有关，但是睡眠如何促成疼痛的慢性化，目前仍不清楚。

近日，由哥伦比亚大学医学中心的杨光领衔的研究团队，在著名期刊《自然·神经科学》上发表一项重要研究成果[1]，首次阐明了睡眠参与慢性疼痛形成与维持的神经学基础。哥伦比亚大学医学中心的周航博士是第一作者。

具体来说，在非快速眼动（NREM）睡眠期间，臂旁核（PB）-基底前核（aNB）-S1通路会激活，这一通路对慢性疼痛的产生和维持至关重要。如果在睡眠阶段抑制这一途径，可以纠正神经元过度激活并减轻疼痛。不难看出，这一发现为治疗慢性疼痛提供了新的思路。

文章封面

慢性疼痛往往与睡眠障碍同时存在，严重影响患者的日常生活[2-3]。一方面，慢性疼痛患者常出现睡眠时间不足、睡眠质量差、失眠等睡眠障碍[4-5]；另一方面，睡眠障碍往往会增加个体出现自发性疼痛症状的风险[6-7]。

既往研究发现，神经性疼痛的发展与兴奋性神经元的活性、兴奋性和突触重塑，以及大脑初级躯体感觉皮层（S1）局部抑制回路抑制的解除等有关[8-9]。小鼠实验也已经证明，躯体感觉皮层持续参与慢性疼痛发展过程[10]。

考虑到睡眠在皮层可塑性和功能方面的重要作用，杨光团队推测，睡眠在很大程度上会促进神经通路的改变，进而使神经性疼痛持续存在。

为了研究睡眠在躯体感觉回路疼痛相关变化中的作用，杨光团队在慢性疼痛的保留性神经损伤模型（SNI）中，检测了S1神经元在睡眠-觉醒状态下的活动。

结合经颅双光子显微镜和GCaMP6s基因编码钙离子指示剂，他们在SNI模型小鼠接受手术前后，对S1后肢区表达GCaMPs的椎体神经元（PNs）进行成像。与此同时，为了直接将神经元活动与动物的大脑状态联系起来，他们还同时记录了脑电图（EEG）和肌电图（EMG）信号。

S1中SNI和体内双光子Ca2+成像与脑电图/肌电图记录结合示意图

实际上，之前的研究已经证明，SNI模型小鼠S1中兴奋性神经元的自发性钙活动增强，并进一步参与慢性疼痛的形成。

在本研究中，杨光团队发现，与术前相比，SNI后的3-21天，在清醒和NREM睡眠期间，S1的L2/3层椎体神经元胞体中Ca2+活性均逐渐增加，且这种椎体神经元的过度激活在NREM期间更为明显。也就是说，NREM睡眠期间自发性钙活动的增强，在慢性疼痛的形成过程中发挥的作用可能更大。

在神经痛急性期（SNI后3天），分别有15%和6%的椎体神经元在NREM和清醒状态下表现出自发性钙活动增加；而在神经痛慢性期（SNI后14天），这一比例分别为66%和27%。

不难看出，在神经性疼痛急性期进展到慢性疼痛的过程中，NREM睡眠期间S1中椎体神经元的自发性钙活动显著增强。

此外，他们还发现在NREM睡眠期间，表达血管活性肠肽（VIP）的中间神经元激活，对SNI后从急性疼痛过渡到慢性疼痛起重要作用。如果抑制VIP中间神经元的激活，可以防止S1过度激活，进而提高痛觉阈值。

在NREM睡眠期间沉默VIP中间神经元可以防止S1过度激活并提高痛觉阈值

接下来，杨光团队探索了NREM睡眠中VIP中间神经元活动增加的机制。

考虑到皮层VIP中间神经元表达胆碱能受体且可被乙酰胆碱（ACh）激活，且基底前脑的基底前核（aNB）的胆碱能神经元投射到皮质。杨光团队进行了实验并发现，S1中约16%的VIP中间神经元接受来自于aNB的单突触胆碱能输入，且aNB胆碱能输入在NREM睡眠中对VIP中间神经元的激活起重要作用。

此外，如果在睡眠期间抑制aNB→S1投射，可以防止SNI诱导的S1过度激活，这些接受干预的小鼠SNI后未出现慢性疼痛。

还有研究显示，神经性疼痛的发展伴随着S1椎体神经元突触后树突棘的结构重塑。杨光团队也发现，SNI小鼠S1区域椎体神经元突触后树突棘的消失速率和形成速率均增加，而在NREM睡眠期间抑制aNB→S1投射，可以防止S1中椎体神经元的过度激活和突触重塑，扭转小鼠慢性疼痛的发展。

SNI后在NREM睡眠期间抑制aNB→S1投射可以防止S1中椎体神经元的过度激活和突触重塑

基底前脑由来自臂旁核（PB）的输入神经支配，前期研究已经证明，PB-基底前脑连接参与睡眠调节。

杨光团队通过共聚焦成像等方法，证明了aNB直接接受来自于PB的输入，且aNB中的突触后神经元进一步投射到S1，验证了PB→aNB→S1之间的直接联系。他们在SNI小鼠中也证明，NREM睡眠期间抑制PB→aNB投射神经元，可以抑制手术后aNB→S1投射的激活。

进一步实验发现，NREM睡眠期间小鼠背根神经节（DRG）神经元活性增加，抑制该神经元活性后PB区域神经元活性降低，证明PB区域神经元活性增强是由神经损伤后初级感觉神经元自发放电增加引起的。

机制示意图

最后，研究团队在SNI小鼠睡眠期间抑制了S1 VIP中间神经元，发现在这一阶段抑制VIP中间神经元可以消除SNI诱导的椎体神经元过度激活，表明在睡眠中抑制S1可以逆转慢性疼痛的发生发展。

总的来说，本研究揭示了NREM睡眠期间PB→aNB→S1通路的过度激活对慢性疼痛发展和维持的重要意义，证明了在NREM睡眠期间进行神经元抑制在缓解持续性疼痛方面效果最佳，为开发新的慢性疼痛治疗方法提供了思路。

参考文献

[1] Colloca L, Ludman T, Bouhassira D, et al. Neuropathic pain. Nat Rev Dis Primers. 2017;3:17002. Published 2017 Feb 16. doi:10.1038/nrdp.2017.2

[2] Campbell JN, Meyer RA. Mechanisms of neuropathic pain. Neuron. 2006;52(1):77-92. doi:10.1016/j.neuron.2006.09.021

[3] Finan PH, Goodin BR, Smith MT. The association of sleep and pain: an update and a path forward. J Pain. 2013;14(12):1539-1552. doi:10.1016/j.jpain.2013.08.007

[4] Haack M, Simpson N, Sethna N, Kaur S, Mullington J. Sleep deficiency and chronic pain: potential underlying mechanisms and clinical implications. Neuropsychopharmacology. 2020;45(1):205-216. doi:10.1038/s41386-019-0439-z

[5] Alexandre C, Latremoliere A, Ferreira A, et al. Decreased alertness due to sleep loss increases pain sensitivity in mice. Nat Med. 2017;23(6):768-774. doi:10.1038/nm.4329

[6] Choy EH. The role of sleep in pain and fibromyalgia. Nat Rev Rheumatol. 2015;11(9):513-520. doi:10.1038/nrrheum.2015.56

[7] Eto K, Wake H, Watanabe M, et al. Inter-regional contribution of enhanced activity of the primary somatosensory cortex to the anterior cingulate cortex accelerates chronic pain behavior. J Neurosci. 2011;31(21):7631-7636. doi:10.1523/JNEUROSCI.0946-11.2011

[8] Kim SK, Nabekura J. Rapid synaptic remodeling in the adult somatosensory cortex following peripheral nerve injury and its association with neuropathic pain. J Neurosci. 2011;31(14):5477-5482. doi:10.1523/JNEUROSCI.0328-11.2011

[9] Cichon J, Blanck TJJ, Gan WB, Yang G. Activation of cortical somatostatin interneurons prevents the development of neuropathic pain. Nat Neurosci. 2017;20(8):1122-1132. doi:10.1038/nn.4595

[10] Zhou H, Li M, Zhao R, Sun L, Yang G. A sleep-active basalocortical pathway crucial for generation and maintenance of chronic pain. Nat Neurosci. 2023;10.1038/s41593-022-01250-y. doi:10.1038/s41593-022-01250-y