一种注意力需求型捕食范式激活上丘（superior colliculus, SC）–未定带（zona incerta, ZI）回路介导雄性小鼠镇痛效应

《Nature Communications》：An attention-demanding hunting paradigm engages the superior colliculus–zona incerta circuit mediating analgesia in male mice

　　

注意力分散可减轻疼痛，但其神经机制尚不明确。研究人员建立了蟋蟀捕食这一注意力需求型行为范式，发现其能够缓解雄性小鼠的急性与慢性疼痛。通过活动标记（activity tagging）技术，研究人员发现蟋蟀捕食激活了上丘（SC）中的一群谷氨酸能神经元。选择性激活这些捕食激活的神经元可缓解慢性痛觉过敏，该效应主要由其对未定带（ZI）的投射介导。值得注意的是，无论是通过捕食范式还是重复激活捕食激活的SC-ZI投射，均可诱导持续至少6小时的镇痛效应，这与ZI中γ-氨基丁酸（GABA）能神经元接受的谷氨酸能输入增强有关。此外，源自表达速激肽前体1（tachykinin precursor 1, Tac1）的SC神经元的SC-ZI投射，通过释放P物质（substance P, SP）及依赖神经激肽1（neurokinin 1, NK1）受体的兴奋性突触传递，选择性地提高了神经病理性疼痛阈值。综上，本研究揭示了一条特定的SC-ZI神经通路驱动注意力诱导的镇痛，并提示SCTac1-ZI通路可作为慢性疼痛治疗的潜在靶点。

研究背景与意义

非药物干预手段如注意力分散在临床疼痛管理中日益受到重视，其机制被认为源于认知任务与伤害性信号对有限注意力资源的竞争。然而，注意力分散产生镇痛效应的神经环路机制仍不清楚。本研究发表于《Nature Communications》，以雄性小鼠为模型，利用蟋蟀捕食这一兼具生态效度与高注意力需求的本能行为范式，系统解析了上丘（SC）至未定带（ZI）的神经通路在注意力诱导镇痛中的关键作用，并揭示了其在神经病理性疼痛中的特异性调控机制，为慢性疼痛治疗提供了新的环路靶点与理论依据。

主要技术方法

研究采用雄性C57BL/6、Vglut2-Cre及Tac1-Cre小鼠。关键技术包括：基于Fos-TRAP（Fos-targeted recombination in active populations）的活动依赖性神经元标记技术，结合光遗传学（optogenetics）对特定神经元群体及其投射进行精准激活与抑制；利用光纤光度法（fiber photometry）记录自由活动小鼠特定神经元群的钙信号动态；通过膜片钳电生理技术检测神经元兴奋性、突触传递特性及突触可塑性变化；采用免疫荧光染色、激光捕获显微切割（laser capture microdissection, LCM）结合实时定量PCR（qRT-PCR）、蛋白质免疫印迹（western blotting）等技术进行分子与细胞水平验证；行为学上，通过机械缩足阈值（paw withdrawal threshold, PWT）、热缩足潜伏期（paw withdrawal latency, PWL）、条件位置偏好（conditioned place preference, CPP）及神经病理性疼痛模型（保留性神经损伤，spared nerve injury, SNI）等评估镇痛效应。

研究结果

Active cricket-hunting induces antinociception in mice

单次30分钟主动蟋蟀捕食可显著提升正常及SNI雄性小鼠的机械与热痛阈，并抑制辣椒素与福尔马林诱导的自发性疼痛行为；该效应依赖于主动捕食行为本身，而非单纯感官暴露或运动、进食等因素。SNI小鼠的捕食能力与运动功能未受损。

Cricket hunting behavior activates glutamatergic neurons in the superior colliculus

利用Fos-TRAP技术，研究人员标记了捕食激活的SC神经元，发现其主要位于SC中间层与深层，其中约86.6%为CaMKIIα阳性的谷氨酸能神经元，约49.8%共表达Tac1，仅约14%为GABA能神经元。这些神经元可被重复的捕食行为稳定再激活。

SC hunting neurons are activated by pain stimulation

光纤光度记录显示，捕食激活的SC神经元在捕食行为的定向、接近、捕捉阶段均被激活，同时对机械与热伤害性刺激产生强烈反应，且在SNI小鼠中反应增强。这表明同一群SC神经元同时编码捕食相关的视觉注意信号与伤害性感受信号。

Optogenetic activation of SC hunting neurons alleviates pain-like behaviors

光遗传学激活SC捕食神经元可显著提高正常小鼠双侧痛阈并诱导CPP，在SNI小鼠中则选择性提高患侧痛阈并产生镇痛相关的位置偏好。抑制这些神经元不影响基础痛阈或捕食行为。SC中GABA能神经元的激活不产生镇痛效应。

Cricket hunting causes analgesia at least partially via the SC-ZI projection

神经示踪与电生理证实，SC捕食神经元通过单突触谷氨酸能投射支配ZI。光激活SC-ZI投射可完全模拟激活SC胞体产生的镇痛与奖赏效应，而激活SC至腹外侧导水管周围灰质（ventrolateral periaqueductal gray, vlPAG）的投射则无此效应，表明SC-ZI通路的功能特异性。

Anatomical characterization of ZI neurons receiving SC inputs

接受SC输入的ZI神经元中约80.7%为GABA能神经元，且主要为生长抑素（somatostatin, SST）阳性神经元，少数为小清蛋白（parvalbumin, PV）阳性神经元。

Chronic pain suppresses the intrinsic excitability of SC-innervated ZI neurons

在SNI模型中，SC捕食神经元及其至ZI的单突触投射强度未发生显著改变，但ZI中接受SC输入的GABA能神经元的固有兴奋性显著降低，提示慢性疼痛导致该通路下游靶点功能抑制。

Repeated behavioral and optogenetic activation of the SC-ZI pathway alleviates pain and induces synaptic potentiation in ZI neurons

每日重复捕食或重复光激活SC-ZI通路，可在SNI小鼠中产生持续至少6小时的镇痛效应。机制上，重复激活诱导了ZI神经元中SC传入突触的α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPAR）/N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）比值升高，伴随ZI区GluA1（AMPAR亚基）蛋白表达上调，提示长时程增强（long-term potentiation, LTP）样突触可塑性参与介导长效镇痛。

Tac1-positive neurons in the SC exhibit hyperalgesia in neuropathic pain

SC中约半数捕食激活神经元表达Tac1。光纤光度记录显示，SC^Tac1神经元在捕食与伤害性刺激时均被激活，且其活动与伤害性感受而非一般运动相关。

Optogenetic activation of the SC^Tac1-ZI projection relieves neuropathic pain

在正常生理状态下，激活SC^Tac1-ZI通路不影响痛阈；但在SNI模型中，该通路激活可选择性提高患侧痛阈，表明其在神经病理性疼痛中具有状态依赖性镇痛作用。

NK1 receptors signaling modulate the SC-ZI projection

药理学实验证实，SP通过其受体NK1R增强ZI GABA能神经元的兴奋性，且NK1R拮抗剂可阻断SC^Tac1神经元激活对ZI神经元的兴奋效应，表明SP/NK1R信号介导了该通路的突触传递。

Tac1 is required for analgesia in ZI-projecting SC neurons under neuropathic pain

在SC-ZI谷氨酸能神经元中特异性敲低Tac1，可消除SNI模型下激活该通路产生的镇痛与CPP效应，但不影响正常生理状态下的镇痛作用，也不改变SC神经元的固有兴奋性，而是显著减弱SC-ZI通路的突触传递效率，证明Tac1/SP信号是神经病理性疼痛中该通路发挥镇痛功能的必要条件。

讨论与结论

本研究首次阐明，上丘（SC）至未定带（ZI）的谷氨酸能神经通路是连接注意力需求行为与疼痛调制的关键神经环路。研究发现，该通路中的SC^Tac1神经元群体同时编码捕食相关的视觉注意信号与伤害性感受信号，其激活可产生快速镇痛效应。在生理状态下，该通路激活不影响基础痛阈；而在神经病理性疼痛状态下，由于下游ZI GABA能神经元兴奋性降低，重复激活该通路可通过SP/NK1R依赖的机制诱导突触长时程增强，从而产生持续数小时的长效镇痛。这一发现不仅揭示了注意力分散镇痛的特异性神经机制，还明确了SC^Tac1-ZI^NK1R信号通路作为慢性疼痛治疗靶点的潜力，为理解大脑如何通过认知过程调控疼痛感知提供了重要的神经生物学基础。