神经可塑性

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特殊的问题

病理学的突触和树突棘

把这个特殊的问题

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体积 2012年 |文章的ID 640259年 | https://doi.org/10.1155/2012/640259

太阳Kim Kwang Junichi Nabekura祺埃托奥, 在鼠标躯体感觉皮质突触结构和功能慢性疼痛:在活的有机体内双光子成像”,神经可塑性, 卷。2012年, 文章的ID640259年, 8 页面, 2012年 https://doi.org/10.1155/2012/640259

在鼠标躯体感觉皮质突触结构和功能慢性疼痛:在活的有机体内双光子成像

学术编辑器:贡纳·k·Gouras
收到了 2011年8月23日
接受 2011年11月13日
发表 2012年2月22日

文摘

最近的双光子显微镜和荧光标记技术的进步使我们能够直接看到神经元和神经胶质的结构和功能变化,甚至在突触,在大脑中生活的动物。长期在活的有机体内双光子成像研究表明,一些突触后树突棘在成年人的大脑皮层迅速消除或新生成的,以回应感官输入或改变突触活动,导致神经电路的经验/活动依赖性重新布线。在活的有机体内Ca2 +成像研究已经揭示了不同,大脑的兴奋性神经元的输入具体的响应模式。这些更新在活的有机体内方法是刚刚开始被用于慢性疾病的病理生理机制的研究。在本文中,我们介绍最近在活的有机体内双光子成像研究演示塑料突触结构和功能的改变鼠标躯体感觉皮质,外围受伤后,导致慢性疼痛,如神经性和炎性疼痛。

1。介绍

慢性疼痛由组织或神经损伤是临床实践的一个主要挑战以及基本的神经科学(1]。周围神经性或炎性损伤触发大脑皮层结构和功能塑料改变痛苦neuromatrix包括初级躯体感觉皮层(S1)和前扣带皮层(ACC),从而改变疼痛的信号处理,如机械触诱发痛(无害的机械刺激疼痛反应)2,3]。在以前的脑成像研究,例如,患者和动物慢性神经性或炎性疼痛状态下显示S1大脑激活和重组,增加的程度是与疼痛强度水平高度相关(4,5]。灰质密度变化和疼痛相关的皮质厚度区域包括S1, ACC,脑岛皮层也发现慢性疼痛学科(6,7]。进一步,几个策略来减少S1兴奋过度和重组显示福利对慢性疼痛(8- - - - - -11]。虽然现在知道这样的宏观变化的皮层,仍有待阐明如何以及在多大程度上皮层连接重新在慢性疼痛,和这样的装修如何影响疼痛的行为。本文对最近的发现在活的有机体内双光子成像研究解决上述问题:(1)突触结构的快速和分阶段改造S1的神经性疼痛小鼠后周围神经损伤(12)和(2)增强活动的S1神经元影响ACC神经功能在炎症性疼痛(13]。

2。突触的结构改造老鼠S1在神经性疼痛

根据不同群体之间的静态测量和宏观观察,人们一直认为,在大脑皮层神经元连接的结构重组后慢性疼痛受伤需要更长时间的时间(即。,几个月或几年)比触诱发痛和功能的发展变化在大脑皮层兴奋,如长期势差(LTP),发生在几天或几周(3,14]。最近的长期在活的有机体内双光子成像研究表明,新颖的感官体验,然而诱导或运动学习,可以快速的结构性重组相关的突触连接的感觉和运动皮层发生在几天内,暂时与功能的可塑性皮质电路(15- - - - - -19]。考虑到高相似度的慢性疼痛与学习和记忆的机制,两种形式的例证的use-dependent突触可塑性“中枢敏化”和“LTP”,分别,3,20.- - - - - -22],似乎合理假设S1神经电路的完整的大脑会重新与类似的周围神经损伤后发展的时间尺度神经性疼痛行为和S1兴奋过度。支持这个想法,几个在体外研究利用细胞内的神经元在大鼠大脑切片,生物胞素表明,树突结构S1和内侧前额叶皮质明显改变了在一个或两个星期后周围神经损伤(23,24]。最近的一项长期在活的有机体内双光子成像方法(12下面描述),现在在住老鼠的结构性变化表明,皮质电路的确可以发生在快速的时间尺度和功能变化相同,表明前面的概念只有缓慢的皮质和慢性变化连接发生在慢性疼痛状态应该修改。

2.1。时间进程发展的机械触诱发痛和神经性损伤后的S1兴奋过度

神经性疼痛后部分坐骨神经结扎(PSL)是一个良好的小鼠模型(25,26),可以再细分,基于行为的迹象机械触诱发痛,变成一个“发展”阶段的早期(~ post-PSL天6)和后面的“维护”阶段(第六天起)(图1(一))。后爪stimulation-evoked皮层电位记录在S1图层1在活的有机体内(27大幅增加在开发阶段,一个更大的程度上在维护阶段(图1(一))。从这些行为和电生理学的结果,它可能脊柱营业额的S1神经性老鼠phase-dependent方式可能会增强。为了测试这个预测,我们利用转基因小鼠稀疏表达增强型绿色荧光蛋白(GFP-M线)在大脑皮层神经元28),开始反复形象与双光子激光扫描显微镜相同顶树突的功能确定成人S1 hind-paw层5锥体神经元,之前和之后PSL受伤(图1 (b))。5层锥体神经元的主要输出S1和远端簇树突细胞受丘脑皮层的支配和corticocortical远程预测以及当地躯体感觉刺激电路输入编码信息(29日]。然而,一些必须先考虑最合适的成像过程。

2.2。长期慢性颅窗口在活的有机体内双光子成像在慢性疼痛

长期高分辨率成像皮质突触结构的成年老鼠的生活应该覆盖不透明的头骨骨部分切除颅窗。大致有两种类型的颅窗,即“thinned-skull”窗口和“倾向”玻璃窗口30.- - - - - -32]。thinned-skull准备是通过细化到每一个小骷髅骨区域(直径约1毫米)小于30岁μ米厚,而在颅的倾向准备一块骨头(大约2 - 5毫米直径),留下完整的硬脑膜,暴露的大脑是覆盖着一层薄薄的玻璃盖玻片(详细的方法及其优缺点,看到协议的文章,(33- - - - - -36])。尽管thinned-skull准备有很多优势(例如,微创),很难形象同一地区超过4次,每个成像会话的rethinning过程是必需的,这是没有必要的倾向准备。然而,后爪的机械灵敏度适度增加2周后一个倾向玻璃窗植入过程,完全恢复正常之前在植入后4周12]。因此,长期在活的有机体内成像实验神经性疼痛只能从颅窗植入后1个月开始。

2.3。树突棘动力学明显增加神经性疼痛的在开发阶段,但在维护阶段恢复

高倍率成功的个人树突棘的重复成像(图1 (b))揭示了意想不到的结果,在脊柱周转率显著增加( ),结构突触可塑性的一个很好的指标,在开发阶段的神经性疼痛,但营业额只是在维护阶段恢复正常而迅速减少。观察到脊柱营业额的变化PSL老鼠地区injury-specific,因为小桶皮质的变化被发现PSL老鼠和S1后爪的虚假的控制老鼠(12]。考虑到机械触诱发痛和S1兴奋过度的时间进程(图1(一)),这些脊柱营业额数据可以提供结构和时间相关的神经性疼痛的皮质突触水平。它还表明,神经性特定的新连接的形成和消除现有电路发生神经性疼痛的主要在早期阶段。尽管大规模发芽或收缩的轴突和树突乔木成人皮质锥体细胞的动物的生活很少见到成像在几周内(30.,37,38),即使在神经性损伤(12),一个小的持久的突触添加或减去由神经性损伤或小说感官体验可以足够存储特定的长期信息(39,40]。

脊柱PSL受伤后获得的速度显示在开发阶段显著增加,与脊柱损失率相对温和的增长,导致显著增加脊柱密度的最后开发阶段(图1 (c))。脊柱密度的增加主要是由于薄的一个重要upregulation刺(41]。有趣的是,增加了脊柱消除损伤后继续post-PSL 9天,而新的脊椎形成率降低到正常基线水平的维护阶段的开始。因此,脊柱密度回到post-PSL 12天(图的控制水平1 (c))。因为新刺的主要部分是S1(瞬态12)和其他感觉皮层区域(17,18,42),不考虑损伤和小说的经验,随后消除生成新的刺,一直在开发阶段导致上述结果,反映新连接的优化过程。

2.4。早期传入的主要原因是过度活跃的机械触诱发痛和S1突触重塑

先发制人的或围手术期镇痛是基于“痛苦记忆”的概念,一个创伤性传入接二连三可以发起后续的敏感在中枢神经系统的发展,反过来导致慢性疼痛的持久性20.- - - - - -22,43]。止痛剂和局部神经封锁之前或期间受伤,但不是后,可以防止或减少疼痛,镇痛需求和脊髓背角异常变化(44- - - - - -46]。同样,机械触诱发痛的发展和upregulation脊椎神经损伤后营业额都完全被当地的封锁受伤的坐骨神经中的传入活动在整个开发阶段(12]。然而,同样的神经封锁,如果开始在维护阶段,显示只有一个瞬态和适度减少触诱发痛12,44]。这些研究结果不仅表明早期传入hyperactivity-induced重建的重要作用中S1突触结构的维护神经性疼痛,但也痛苦记忆假说扩展到个人大脑皮层突触水平。

2.5。神经性Injury-Specific形成新的持久刺和消除先前存在的刺

增加一些新的生成持久刺在感觉操作或运动训练被视为代表长期记忆痕迹(47]。单眼剥夺(17,运动学习19),和部分须修剪(42),或晶须的丰富的环境刺激18],增加了一些新的持久层(NP)的棘突5鼠标视觉锥体细胞,分别电动机和桶皮层。符合这些发现,NP刺出现在开发阶段的神经性疼痛明显高于出现之前PSL的NP刺,和time-matched对照组(数字2(一个)2 (b))。值得注意的是,NP的体积刺出现在开发阶段的神经性疼痛大大增加维护阶段(12]。由于脊柱体积与突触强度呈正相关(40,48),这个结果,连同NP刺数量的增加(数据2(一个)2 (b)),可能表明编码和随后在单突触增强神经性疼痛的记忆,潜在的神经性疼痛的长期性质。

虽然感觉操作或运动学习移植NP刺在相关大脑皮层区域(12,17- - - - - -19,42]正如上面提到的,这样的操作并没有改变最终的脊柱整体密度有一个例外(17],或许反映出大脑的容量限制之前积累所有NP和持久的刺在每一个新的经验或学习的每一个新的事件。因此,皮质电路重新布线要求去除不必要的先前存在的连接同时NP突触的形成。实际上,相当一部分在2周以前持续刺是选择性地消除PSL损伤后的数字2(一个)2 (c))和简单的外推的结果与单一指数符合先前估计,2/3的持续刺PSL老鼠可能完全消除(12]。这表明产生重大影响的神经性损伤皮质电路在整个慢性疼痛的生活主题。

3所示。内部的功能可塑性和区际皮质电路在持续的炎症性疼痛

如上所述,外围损伤诱发功能性塑料皮质的变化S1和ACC neuromatrix包括疼痛、疼痛信号的集成和处理可能发生的地方。虽然已经表明,S1和ACC发挥重要作用在疼痛的感觉和情绪方面,分别为(7,49,50),不知道如果和两种皮质区域相互作用在慢性疼痛的情况下,这种相互作用是否有助于痛苦的行为。因为层2/3 (L2/3)兴奋性神经元的S1整合感官信息来自周围神经通过L4神经元和传输这些信号到其他皮质疼痛反应(51,52),这将是一个好的策略来确定塑料S1 L2/3神经元功能的变化在慢性疼痛,然后研究这些变化可能影响ACC活动和痛苦的行为。

在活的有机体内双光子Ca2 +成像在转基因动物表达荧光只生活在抑制性神经元(金星)53),加上一个多单元的丸加载的Ca2 +指标(fura-2) (54,55)和astrocyte-specific染料(Sulforhodamine 101, SR101) [56)允许我们区分星形胶质细胞的反应,神经元兴奋性和抑制性神经元(图3(一个))。此外,神经活动在几十或几百个每个细胞类型可以同时监控在外围感官刺激(54]。这样的实验,使用Complete-Freund 's-Adjuvant——(CFA)诱导炎性疼痛模型小鼠,显示Ca的概率和振幅2 +瞬变的S1 L2/3兴奋性神经元,细胞的数量由低强度后爪刺激或电刺激激活L4的地区,显著增加(数据3 (b)3 (c))。考虑到诱发Ca的振幅2 +瞬变的数量反映了动作电位(55),这些结果表明,S1 L2/3神经元的兴奋性反应后爪的机械刺激增强炎性疼痛条件下,至少部分通过一个放大L4的突触传递。

因为疼痛的经验与激活的感官和情感方面,这被认为是不同S1和ACC处理,分别为(49,50),预计两个皮层区域相互作用[57]。药物抑制S1 L2/3 CFA-injected小鼠神经元的活动,但不是在正常控制老鼠,显著减毒ACC活动诱发的后爪的刺激,以及显著衰减异常性疼痛(13]。相反,药理的激活S1 L2/3增强ACC活动和诱导allodynic行为在正常小鼠13]。因此,有相当多的之间的相互作用时S1和ACC S1 L2/3兴奋性突触传导异常增强,造成慢性疼痛的行为。

4所示。结束语

总之,我们提出以下假设的皮质慢性疼痛的机制(图4):周围神经或组织损伤诱发外围多动症(21,58),导致快速重新布线S1突触连接的12]。这种突触重构,包括增加突触发生和突触消除,和一个增强的力量坚持突触,导致当地S1外围刺激兴奋过度,也可能影响ACC或其他皮质疼痛反应,最终导致慢性疼痛行为(异常性疼痛)12,13]。

的应用在活的有机体内对疼痛的双光子成像研究中,如上所述,仍处于初级阶段。仍然存在许多尚未解决的问题皮质突触结构的病理生理变化在慢性疼痛和神经功能。例如,皮质抑制性神经元和突触发生在慢性疼痛吗?如何皮质胶质细胞,如星形胶质细胞和小胶质细胞,导致塑料突触结构和功能的变化在外围创伤性慢性疼痛吗?之间的因果关系是什么慢性疼痛和皮质突触重塑?怎么几个皮质和皮质下区域包括疼痛neuromatrix,不仅包括S1和ACC,岛叶皮质和丘脑,相互作用?我们乐观地认为,这些和其他重要的问题将在不久的将来得到解决。

承认

作者感谢安德鲁博士Moorhouse(新南威尔士大学、澳大利亚)优秀的建议在纸上。

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