2023年6月13日，广东省智能科学与技术研究院（简称：广东省智能院）张旭院士研究团队在国际著名学术期刊《Cell Research》(细胞研究)上发表了题为“A direct spino-cortical circuit bypassing the thalamus modulates nociception”的论文，该研究综合利用神经环路示踪、电镜、钙成像、行为学等实验方法，发现了一条新的传导痛觉的嵴髓-皮层直接通路，为理解大脑处理痛觉等感觉信息提供了新的神经传导通路机制。
神经科学经典理论认为，外周伤害性信息由背根神经节（DRG）中的初级感觉神经元传递至嵴髓背角，经整合后由嵴髓投射神经元（SPNs）经嵴髓丘脑束（STT）传递至丘脑核团，再换神经元向上传递至大脑躯体感觉皮层4层神经元。大脑感觉皮层5层锥体神经元接收皮层浅层神经元的输出信号，并沿皮质嵴髓束(CST)向嵴髓下行投射，从而调节基本的感觉运动功能。以往研究没有直接证据表明SPNs能够直接联接大脑皮层神经元。 在此项研究中，研究者利用多种新的环路示踪剂发现初级感觉皮层和相邻的初级运动皮层中存在一群神经元可以直接接受SPNs的投射，并将这群神经元定义为嵴髓-皮层接受神经元（SCRNs）。神经环路示踪显示嵴髓上行轴突分支与来自SCRNs的下行轴突在脑桥基底核(BPN)的内侧形成一种盘状结构（SCCD）。他们进一步通过免疫组化、电镜和脑片钙成像观察到SCCD中SPNs上行纤维末梢和SCRNs下行纤维末梢形成了功能性突触，形成嵴髓上行STT与皮层下行CST的直接连接。行为学实验显示BPN中的嵴髓-皮质直接连接参与痛觉传导，在体钙成像结果显示SCRNs对外周伤害性刺激有特异性反应，皮层第５层的SCRNs对外周伤害性刺激的反应显著快于第4层神经元，表明SCRNs对伤害性刺激的反应不依赖于经典的嵴髓-丘脑-皮层通路。此外，SCRNs还参与了急性痛和神经损伤慢性痛的调控。
为了探索这种直接嵴髓皮质回路的功能，对小鼠的SSpll和MOp进行了体内钙成像，使用病毒注射来监测神经元活动。后爪上的足底表面电刺激引起第5层SCRN子集中GCaMP6信号的强烈增加。相比之下，低压电刺激或声音刺激不会引起SCRN中GCaMP6s信号的增加或仅引起很少的增加。这表明第5层SCRN相对更容易接受外周伤害性电刺激。5层SCRN对足底表面电刺激的反应速度比第4层神经元快29%。第5层SCRN和第4层神经元的响应延迟均表现出类量子分布。大多数第5层SCRN在40 ms 和70 ms处响应两个峰值，而第4层神经元主要在70 ms处响应一个峰值，这表明SCRN的较早响应不太可能是由于通过第4层神经元激活而导致的。第5层 SCRN通过嵴髓皮质回路直接快速地对外周刺激做出反应，而第4层神经元则接收丘脑神经元传递的信息。
综上所述，BPN神经元接收来自嵴髓上升轴突末端和皮质下降轴突末端的输入。SCCD处SPN的上行轴突与SCRN的下行轴突之间的直接突触接触为以下概念提供了结构和功能基础：BPN可以作为皮层下中心，快速整合感觉和运动反应以响应有害刺激。该研究揭示了一条新的且不通过丘脑的嵴髓-皮层直接通路，并阐明了此通路在痛觉调控中起重要作用。
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