声音通过皮质丘脑环路缓解疼痛

编者按声音可以缓解疼痛，但其神经机制并不清楚，本文作者采用在体多通道、钙成像结合光遗传学和化学遗传学等技术对这一机制进行深入研究。研究显示高于环境噪音5-dB 的低信噪比 (signal to noise ratio, SNR) 的声音可显著提高小鼠的机械和辐射热痛阈值；5-dB SNR 声音抑制听觉皮质 (ACx) 到丘脑后核 (PO) 和丘脑腹后核 (VP) 的谷氨酸能输入，并分别通过ACx→PO环路介导小鼠后爪的镇痛效应，通过ACx →VP 环路介导前爪的镇痛效应。该研究首次清晰地揭示了声音镇痛的神经环路和神经细胞机制，不仅可以激发人们探索声音等不同感觉系统与体感系统的多模态交互作用机制，而且将会极大促进人们对临床镇痛的替代干预措施的探索。

一、研究背景

早在1960 年就有报道称牙科手术中音乐和噪音可以产生镇痛作用。在临床上，音乐也可作为干预措施减轻术后痛、术中痛，甚至临床的顽固性疼痛。由于不同类型的音乐甚至自然声音均可减轻疼痛，因此不仅仅是音乐，包括音乐的固有特征或语境因素都被假设为驱动镇痛的作用。但是，其工作原理仍然未知。

功能磁共振成像 (fMRI) 研究表明，人类在听音乐的过程中，介导疼痛信号处理的多个大脑区域的活动发生变化。迄今为止，听觉-体感跨模态交互的神经机制仍不清楚。丘脑可传递多模态感觉信息（包括听觉和躯体感觉），并与不同的疼痛相关区域连接，通过不同的亚核处理疼痛的感觉分辨和情感动机。值得注意的是，躯体感觉的丘脑活动也会受到音乐和无害的听觉刺激的影响。因此，丘脑可能是听觉-体感处理的桥梁。然而，调节声音镇痛的丘脑环路的特异性细胞类型和功能仍然未知。

二、研究结果

1. 小鼠的声音镇痛作用依赖相对于环境噪声的低信噪比声音

声音可缓解人类的疼痛，该研究据此在小鼠实验中研究了和谐音（如悦耳的音乐）是否可以减轻完全弗氏佐剂 (CFA) 引起的炎症性疼痛。因为高噪音（75-dB 以上）会诱发小鼠的逃跑行为，因此给予CFA 小鼠50-dB 或者60-dB 的音乐（环境噪音为45-dB）。结果显示与仅暴露于环境噪声的CFA 小鼠相比，50-dB（非60-dB）的声音显著提高小鼠机械痛阈值。值得注意的是，连续给予50-dB 和谐音3 天（每天20 分钟）后，镇痛效应至少持续2 天。同时研究发现50-dB 的非和谐音及白噪音均能有效提高小鼠痛阈。

音乐镇痛可能与治疗环境密切相关。为了测试50-dB 或不同信噪比声音是否提高痛阈值，分别给予CFA 小鼠62、67、72 和77-dB 的白噪音（环境噪音为57-dB），发现只有62-dB（5-dB 的信噪比）白噪音可以显著提高机械痛和辐射热痛阈值。同样，35-dB 白噪音，非40、45 或50-dB 白噪音缓解疼痛（环境噪音为30-dB）。此外，5-dB SNR 可缓解坐骨神经分支选择性损伤(SNI)神经病理性疼痛和辣椒素诱导的急性痛，且无性别差异。根据以上的结果，将5-dB SNR 称为低信噪比声音。之后的实验除非有特殊说明，均采用45-dB 声压级的环境噪声。

同时通过条件性位置厌恶 (CPA) 和条件性位置偏好 (CPP) 测试发现5-dB SNR 白噪声消除了CPA测试中vonFrey (0.04 g) 刺激引起的CPA，并在条件性位置偏好(CPP)实验中诱导了炎症痛小鼠对5-dB SNR 环境的偏好，这一结果支持了低信噪比声音可以缓解疼痛。

疼痛感知同时受情绪和压力的影响。因此采用旷场、明暗箱和高架十字行为学实验来评价小鼠的情绪反应，结果表明在急性痛（CFA 第3 天或SNI第7 天）和慢性疼痛（CFA 第21 天或SNI 第42 天）条件下，5-dB 和15-dB SNR 白噪声均不会引起小鼠的焦虑样行为。此外，血清皮质酮水平不受 5-dB SNR 声音的影响，μ 阿片受体拮抗剂纳洛酮未反转5-dB SNR 声音的镇痛效应，说明声音不是通过诱导小鼠的应激反应来产生镇痛效应。

2. 听觉皮质 (ACx) 的谷氨酸能神经元与丘脑后核 (PO) 和丘脑腹后核 (VP)的功能性连接

低信噪比声音缓解疼痛的神经环路如何？在大脑中，声音信号由内侧膝状体 (MGB) 门控，然后传递到ACx 进行精细编码和分析。因为这两个核团主要都是谷氨酸能神经元，因此该研究首先观察了由这两个核团向痛信号相关核团的谷氨酸能投射。将AAV-DIO-mGFP-Synaptophysin-mRuby 分别注射在CaMKII-Cre 小鼠的MGB 和ACx 核团，观察MGB和ACx 谷氨酸能神经元的输出结构。在岛叶皮质(ICx)中观察到源自ACxGlu神经元的mRuby+末梢，在内侧前额叶皮质、前、后扣带皮质、初级和次级体感皮质、伏隔核、腹外侧导水管周围灰质、中缝背核、延髓头端腹侧核、臂旁核及基底外侧和中央杏仁核观察到非常少的信号，而在脊髓中未检测到阳性信号。在丘脑的PO 和VP 还看到大量的源自ACxGlu神经元的mRuby+信号，而丘脑的背内侧核及中央内侧核则未见阳性信号。值得注意的是，来自MGBGlu阳性mRuby 信号在上述核团均未观察到。由于PO 和VP 接收来自ACx 的重要输入，且参与伤害性信息的传递，因此将集中研究ACx →PO 和ACx →VP 环路在声音缓解疼痛中的作用。

在体多通道记录发现，5-dB 而不是15-dB SNR白噪声可以抑制ACx 中的神经元自发放电。在CaMKII-Cre 小鼠ACx注射AAV-DIO-hM4Di-mCherry病毒，腹腔注射CNO 化学性抑制ACx 神经元活动可模拟5-dB SNR 白噪声的镇痛作用，即显著提高CFA 模型小鼠痛阈值和消除其条件性位置厌恶反应。相反，光遗传学兴奋ACxGlu神经元（CaMKII-Cre 小鼠ACx注射AAV-DIO-ChR2-mCherry）可反转5-dB SNR 白噪声诱导的镇痛作用。

为了进一步研究ACx →PO 和ACx →VP 环路，在ACx 注射AAV1-Cre-eEGFP 病毒以及同侧PO 和VP 注射DIO-EGFP 进行顺行跨单突触追踪，结果显示在PO 和VP 中有许多EGFP+神经元，且EGFP+神经元与谷氨酸能而不是GABA 能神经元共定位。在PO和VP 分别注射retroAAV-tdTomato 和retroAAV-EGFP病毒进行逆行追踪，结果显示tdTomato+神经元主要分布在ACx 的第6 层，而EGFP+神经元集中在ACx 的第5 层，且PO 和VP 投射的ACx 神经元均与谷氨酸能神经元而非GABA 能神经元共定位。全细胞膜片钳记录结果显示，光刺激PO 和VP 核团中来自ACxGlu的ChR2 末梢能可靠地诱发兴奋性突触后电流 (EPSC)。

3. 抑制ACxGlu →PO 环路介导声音对炎症痛小鼠后爪的镇痛作用

在体多通道和光纤钙成像技术发现，vonFrey刺激CFA 模型小鼠造模侧后爪迅速激活PO 而不是VP 核团神经元。与对照组相比，CFA 组小鼠PO 核团神经元活动显著增强，5-dB SNR 白噪声可减弱CFA 组小鼠PO 神经元的活动。在CaMKII-Cre 小鼠的ACx 注射DIO-eNpHR3.0-EYFP，PO 埋植光纤抑制ACxGlu-PO 环路，光刺激可抑制PO 神经元的活动，与声音诱导的抑制作用相似。

光遗传学抑制双侧ACxGlu→PO 环路，可产生与声音（5-dB SNR 的白噪声）类似的镇痛效应，即显著提高CFA 小鼠的机械痛和辐射热痛阈值，消除CPA 测试中vonFrey (0.04 g) 刺激引起的条件性位置厌恶，并在CPP 实验中诱导了炎症痛小鼠对给光侧环境的偏好。相反，当光遗传学激活ACxGlu→PO环路则消除了5-dB SNR 白噪声对PO 神经元的抑制作用和镇痛效应。

为了观察单个神经元的活动，该研究将逆标病毒retroAAV-Cre 在PO 注 射，同 侧ACx 注 射AAVDIO-GCaMP6m，同时在ACx 核团上方埋植GRIN内镜。结果显示5-dB 而不是 15-dB SNR 的白噪声降低ACx 神经元钙信号。同样在ACx 核团注射顺标跨突触病毒AAV1-Cre 及同侧PO 注射AAV-DIOGCaMP6m，观察到接受ACx 投射的PO 神经元在vonFrey 机械刺激时钙信号迅速增加。与对照组相比，CFA 小鼠PO 神经元的自发钙活动升高，且5-dB 而非15-dB SNR 的白噪声可减弱PO 神经元的钙信号。

为证实POACx神经元参与声音诱导的镇痛，AAV1-Cre 病毒注射入ACx，DIO-hM3Dq-mCherry或DIO-hM4Di-mCherry 病毒注射入PO。双侧抑制POACx神经元显著提高疼痛小鼠的后肢痛阈，双侧激活POACx神经元阻断了5-dB SNR 的白噪声诱导的镇痛效应。

4. 抑制ACxGlu →VP 环路介导声音对炎症痛小鼠前爪的镇痛作用

VP 参与前肢躯体感觉信号的传递。因此该研究进一步研究了ACxGlu→VP 环路是否参与低SNR声音诱导的镇痛。发现5-dB 而非15-dB 的SNR 白噪声显著增加CFA 小鼠前爪的伤害性阈值，减弱其条件性位置厌恶。在体多通道和光纤钙成像结果显示，VP 的神经元活动（非PO）在vonFrey 刺激时迅速增强。与对照组小鼠相比，CFA 小鼠的VP神经元活动显著增加，且可被5-dB 而非15-dB 的SNR 白噪声抑制。

光遗传学抑制双侧VP 核团内ACxGlu神经元末梢可模拟5-dB SNR 白噪声诱导的VP 神经元的抑制效应和镇痛作用。而光遗传学激活ACxGlu→VP环路可以反转5-dB SNR 白噪声诱导的VP 神经元的抑制和镇痛效应。

显微内镜钙成像显示向VP 核团投射的ACx 神经元钙活动可被5-dB而非15-dB SNR 白噪声抑制。与POACx神经元相比，VPACx神经元活动在vonFrey机械刺激前爪而不是后爪时迅速增加。与对照组小鼠相比，CFA 小鼠的VPACx神经元自发钙活动增强，且5-dB SNR 的白噪声抑制其增加。

化学遗传抑制VPACx神经元可模拟5-dB SNR白噪声诱导的前爪伤害性阈值的升高。相反，激活此类神经元可逆转5-dB SNR 白噪声产生的镇痛效应。同时，后爪伤害性阈值不受ACxGlu→VP 环路的影响，并且ACxGlu→PO 环路的光遗传激活或抑制也不会影响前爪伤害性阈值。

ICx 作为接受音乐信息输入的高级皮层，且接受ACx 的投射，该研究同时研究了ACxGlu→ICx环路在声音诱导镇痛中的潜在作用。研究结果显示光遗传学激活ICx 中ACxGlu神经末梢不影响5-dB SNR 声音诱导的镇痛效应，光遗传学抑制亦未引起痛敏。综上所述，该研究探索出5-dB SNR 声音通过ACx →PO 环路介导小鼠后爪的镇痛效应，通过ACx →VP 环路介导前爪的镇痛效应。

三、讨论

声音诱发镇痛的神经环路一直以来难以捉摸。该研究发现低信噪比声音的镇痛作用是通过抑制听觉-躯体感觉皮质丘脑环路实现。具体来说，揭示了ACxGlu→VP 和ACxGlu→PO 环路分别参与声音对炎症痛小鼠前爪和后爪的镇痛作用。

在此研究中，发现声音诱导的镇痛取决于低SNR，与“音乐诱导的镇痛可归因于治疗的背景因素，而不仅仅是音乐本身”相一致。值得一提的是，低SNR 声音诱发的镇痛效应不是由焦虑或压力因素所介导，并且不影响疼痛感知注意力的分散，因为镇痛作用在声音刺激停止后至少持续2 天。

在人类中音乐诱发镇痛的神经机制无疑比小鼠中揭示的神经机制更复杂。人类涉及疼痛处理的区域包括ICx、纹状体和中脑多巴胺系统，对音乐也有反应。因此，接受ACx 投射的其他大脑区域（除了PO 和VP）或PO 和VP 的下游投射结构在音乐诱导的镇痛作用值得进一步研究。

该研究补充了经典痛觉调控通路，且该通路与声音对疼痛信号处理相关，促进了音乐诱发镇痛的研究，同时该研究激励了疼痛的替代干预措施的研发。