左起:Sung Han和Shijia Liu，索尔克研究所
你被一个威胁的声音吓了一跳，呼吸加快;你摔坏了肘部，痛得喘不过气来。为什么一个人在受伤或焦虑时呼吸频率会急剧增加，这在以前是不清楚的。现在，索尔克大学的一组科学家发现了大脑中协调呼吸节奏与疼痛和恐惧感觉的神经网络。除了在疼痛管理、焦虑的心理学理论和对疼痛本质的哲学研究领域的贡献，他们的发现可能会导致一种止痛剂的开发，它将防止阿片类药物诱导的呼吸抑制(OIRD)，这种呼吸中断导致过量死亡。
在2021年12月17日发表在《神经元》杂志上的这项研究中，Salk小组集中研究了脑干中一组被称为臂旁外侧核的神经元，该神经元以核-壳结构排列。他们发现核心神经元投射到杏仁核，杏仁核是大脑中处理恐惧和痛苦情绪体验的区域。外壳中的神经元投射到pre-B?tzinger复合体，这是一个产生呼吸节奏的区域。核神经元和壳神经元根据来自这些区域的输入相互影响，使我们在经历疼痛或焦虑时呼吸加快。
“我们是第一个证明侧臂旁核如何协调呼吸和疼痛的小组，”该论文的资深作者，索尔克克莱顿肽生物学克莱顿基金会实验室助理教授Sung Han说。“通过理解这个大脑区域的回路，我们也许能够分离呼吸调节和疼痛调节，从而开发出一种药物，在不抑制呼吸的情况下抑制疼痛感，就像OIRD。”
在OIRD中，阿片类药物抑制呼吸和疼痛;这是阿片类药物致死的主要原因。在之前的工作中，Han的实验室表明，吗啡等阿片类物质通过触发被称为mu阿片类受体(MOR)的特定受体来抑制呼吸，从而导致表达它们的神经元受到抑制。他们还表明，重新激活表达MOR的细胞可以逆转OIRD。目前的工作提出了预防OIRD的其他方法，可能是通过抑制该区域核心的神经元(减弱恐惧/焦虑)，同时刺激外壳的类似神经元(支持呼吸)。
为了显示这些神经元如何协调呼吸与疼痛和情绪，研究人员首先使用光和化学制剂来证明操纵臂旁外侧核中表达morr的神经元会改变小鼠的呼吸频率。然后，他们使用荧光示踪剂绘制出表达mor的神经元的输入和输出。他们的结果表明，神经元聚集在该区域的核心投射到中央杏仁核，而神经元聚集在周围的外壳投射到pre-B?tzinger复合体。电生理记录显示，一个种群刺激另一个种群时，其中一些亚种群是相互联系的，它们之间有一个兴奋网络。通过这个网络，恐惧和疼痛的信号与呼吸节奏协调一致。
“我们发现了非常复杂的电路，涉及到这些神经元的上游和下游输入。通过揭示这个回路机制，我们可以更好地解释为什么呼吸经常与疼痛和焦虑协调，”第一作者Shijia Liu说。
Han渴望看到这个团队的发现可以转化为应用。“目前最大的问题是，阿片类药物可以减轻疼痛，但也会减少呼吸，所以人们会死亡，通过了解我们研究中的这两种机制，也许我们可以通过药理学干预来控制某些神经元群，这样我们就可以在不改变呼吸的情况下控制疼痛。”
Han的团队目前正在对核心和外壳群体进行遗传分析，以确定具体调节疼痛或呼吸的功能标记。
文章标题Divergent brainstem opioidergic pathways that coordinate breathing with pain and emotions