臂旁核神經元生理功能的研究進展

陳惠敏 余守洋 楊文 沈偉 王海英

1遵義醫科大學附屬醫院麻醉科（貴州遵義563000）；2貴州省普通高等學校腦科學特色重點實驗室（貴州遵義563000）；3上海科技大學生命科學與技術學院（上海201210）

臂旁核（parabrachial nucleus，PBN）位于腦橋背外側，主要分為三個亞核，包括內側臂旁核（medial parabrachial nucleus，MPB）、外側臂旁核（lateral parabrachial nucleus，LPB）和K?lliker?Fuse（KF）核［1］（圖1）。臂旁核作為傳遞各種感覺信息的中繼站，與腦內多個核團存在緊密的神經纖維連接（圖2）。臂旁核的傳入纖維主要來自下丘腦、杏仁核、孤束核頭端的味覺感覺區和尾端的內臟感覺區，部分來自皮層和極后區。臂旁核發出的纖維投射相當廣泛。MPB 主要向皮質、丘腦和杏仁核發出纖維投射；LPB 主要向與參與調節自主神經系統功能相關的腦區發出纖維投射，如下丘腦視前區（hypothalamic preoptic area，POA）、室旁核、中央杏仁核、終紋床核等；KF 核是發出下行投射的主要部位，主要投射至延髓，如孤束核、延髓腹外側核和脊髓中間外側核，部分投射至副交感神經。臂旁核內大部分神經元為谷氨酸能，少部分是γ?氨基丁酸（γ?aminobutyric acid，GABA）能。然而神經元類型具有高度多樣性，數十種神經肽與這兩大類神經元共表達，其中包括降鈣素基因相關肽（calcitonin gene?related peptide，CGRP）、強啡肽原（prodynorphin，Pdyn）、腦啡肽原（proenke?phalin，Penk）、促腎上腺皮質激素釋放激素（corti?cotropin releasing hormone，CRH）、垂體腺苷酸環化酶激活肽（pituitary adenylate cyclase?activating peptide，PACAP）、神經降壓素（neurotensin，NTS）、P 物質（substance P，SP）、膽囊收縮素（cholecysto?kinin，CCK）等。本篇綜述以神經元高表達的神經肽基因為分型策略，總結不同亞型神經元參與調控的生理過程，并以功能為線索，對臂旁核亞核間的功能整合和不同亞型神經元的共性提出猜想，以期精準識別調控特定生理過程的神經元，從而為神經調控失衡相關疾病的預防和治療提供基礎。

圖1 臂旁核主要亞核示意圖Fig.1 A schematic of major subnuclei within the PBN

圖2 臂旁核部分重要的神經纖維投射Fig.2 Some important hardwired circuits of the PBN

1 維持內環境穩態

1.1 能量代謝臂旁核中表達CGRP、Pdyn、CCK、NTS 的神經元參與調節攝食平衡。小鼠進食期，LPB 內超過50% CGRP 陽性神經元表達即刻早期基因fos，激活LPBCGRP神經元致小鼠食欲不振［2］，提示LPBCGRP神經元參與傳遞進食期的飽腹感信號并抑制攝食。其神經環路機制可能是促進進食的下丘腦刺鼠相關蛋白（agouti?related peptide，AgRP）神經元對LPBCGRP神經元的抑制性投射在飽腹時發生去抑制，LPBCGRP神經元活性增加，終止進食。其分子機制可能是LPBCGRP神經元細胞膜上GDNF 家族α 樣受體（GDNF?family receptor α?like，GFRAL）識別生長分化因子?15，減緩胃排空以減少食物攝入［3］。背外側和內側臂旁核接受終紋床核GABA能和谷氨酸能神經元的神經纖維投射［4］也可影響進食，而這些亞區CGRP 表達量極低，提示CGRP陽性神經元不是唯一參與調控進食量的亞型。實際上，激活背外側PBNPdyn神經元可限制進食，其通過監測攝入液體或固體后產生的機械感覺信號，維持發放飽腹信號以防止機體過量攝食［5］。CCK是調節食欲和飽腹感的關鍵分子，激活PBNCCK神經元可限制胰島素濃度升高，維持高濃度血糖水平，從而抑制食物攝入。

攝食行為除受飽腹和饑餓信號的調控，還受光照周期的影響。西伯利亞倉鼠通過整合來自胃腸道的短期飽腹感信號與包括可用能量儲備狀態和現行光照周期在內的長期信號，以保持攝食平衡。短時間（8 h）光照的倉鼠進食量減少，且臂旁核內的NTS 表達量增加［6］，提示PBNNTS神經元參與調控受光照周期影響的飽腹感信號傳遞過程。上述神經元被激活后均抑制進食，然而其解剖分布及作用機制有所不同，提示它們為不同神經元群，彼此是否存在交互影響以調控進食仍是謎題。攝食失衡常導致超重、甚至肥胖，目前臨床上應用GFRAL 作為靶標分子而設計的減重藥，會伴發惡心和嘔吐反應［7］，使其應用受限。因此，為高效且無副作用治療攝食失衡需針對更特異神經元上的分子靶點進行藥物研發，臂旁核作為復雜的調控節點，具有積極的研究意義。

1.2 體溫臂旁核內Pdyn、Penk、CCK 陽性神經元參與維持體溫相對恒定。環境溫度升高時，投射至體溫調節中樞POA 的PBNPdyn神經元活性增加［8-9］，產生抑制棕色脂肪組織（brown adipocytes tissue，BAT）產熱的效應，從而限制體溫升高。肥胖患者常表現出低代謝水平及弱產熱能力［10］，這些變化可能與PBNPdyn神經元活性增加相關。大鼠因長期攝入高脂食物而肥胖后，其BAT 產熱能力受損，可能機制為高脂食物代謝物之一充當瞬時受體電位香草酸亞型1（transient receptor potential vanilloid 1，TRPV1）的配體。孤束核上TRPV1 活化后，興奮性信號傳至背側PBNPdyn神經元，促使其釋放強啡肽并作用于正中視前核，抑制BAT 產熱能力［11］，從而降低體溫。筆者團隊研究代謝與體溫間的關系時發現，抑制LPBPdyn神經元活性可促進BAT 產熱并抵抗高脂飲食所引發的肥胖［8］，提示高脂飲食所致的肥胖可能受到PBNPdyn神經元的影響，即激活導致肥胖，抑制抵抗肥胖。有趣的是，PBNPdyn神經元被激活可抑制進食從而減重，提示非同群PBNPdyn神經元調控能量攝入及代謝。這為探尋特異調控能量平衡的神經元類型以治療能量代謝紊亂提供新的研究方向。

PBNPenk神經元參與調控散熱過程。臂旁核內熱響應的神經元高表達Penk［9］，且與投射至POA并參與促進機體散熱的谷氨酸能神經元存在共標，提示Penk參與調控散熱過程。PBNCCK神經元也參與體溫調節。激活LPBCCK神經元與POA 間的神經環路，促進尾部血管舒張，降低體溫［8］。臨床上常見因溫度調節紊亂引起的各類疾病，如中暑、炎癥性發熱等，而目前的治療方案存在不足。靶向COX 酶可有效退熱，但有多種副作用，如消化性潰瘍及增加中風風險等。目前中暑仍依賴物理性降溫，病人常因降溫不及時而死亡，因此亟待研發高效的治療手段。確定臂旁核內參與調節體溫與能耗的關鍵分子及環路節點，可為治療體溫及能量代謝調節異常的相關疾病提供方向。

1.3 滲透壓PBNCRH神經元參與調節水?鹽平衡。CRH 神經元是調節水和鹽攝入量的關鍵成員。LPBCRH神經元與調節水鈉平衡的關鍵核團——孤束核和極后區，存在緊密的解剖聯系。外側下丘腦CRH 神經元對LPB 發出下行纖維投射，細胞發生脫水時［12］，LPB 中CRH 表達量增加，從而激活垂體?腎上腺皮質系統，發揮保水排鈉作用，提示該神經元可能是治療水鹽代謝紊亂的關鍵靶點。

2 調控感覺信息的傳遞

2.1 痛覺及其伴發的多種感覺組織損傷多伴發疼痛及自主神經系統功能改變，這些過程受到臂旁核內表達Penk、CRH、SP、PACAP 神經元的調控。針刺鎮痛時，臂旁核內Penk 表達量明顯增多，提示其參與痛覺信息處理。PBNPenk神經元可將傷害性感覺信息傳入丘腦板內核和中線核［13］，影響自主神經系統功能，如呼吸及惡心感。PBNCRH神經元也參與痛覺信息傳遞。機體發生神經病理性疼痛時，PBNCRH神經元與杏仁核特定亞區的興奮性聯系被切斷，提示PBNCRH神經元參與調節疼痛反應。機體發生炎癥性疼痛時，臂旁核中Fos 蛋白的表達量顯著增加且與CRH陽性神經元存在重疊，提示PBNCRH神經元參與調節炎癥免疫反應。抑制炎性通路可改善疼痛水平［14］，提示參與調控這兩個過程的CRH 神經元可能為同一群神經元，可并行處理炎癥信息與疼痛感覺信息。疼痛反應還受到SP 的調控。臂旁核中SP 由tac1 基因編碼，參與調節疼痛反應。熱刺激致痛時，LPBSP神經元被激活并興奮延髓網狀結構內SP 陽性神經元，縮短對熱刺激做出反應的時間［15］。多系統萎縮（multiple system atrophy，MSA）是影響自主神經功能的神經退行性疾病，MSA 患者臂旁核內SP 表達量顯著減少，提示PBNSP神經元參與自主神經功能改變的過程。臂旁核在痛覺調控中承擔復雜的角色，提示其可能是疼痛治療的位點，明確其作用機制具有積極的臨床意義。

疼痛常伴食欲不振，內臟痛所致的惡心感可通過迷走神經上行至極外側PBNCGRP神經元并限制進食［16］。臨床療效證實臂旁核是傳遞多種感覺信息的節點，針對其調控不同生理過程的神經元共性而設計靶向藥，可簡化藥物使用而達到多種療效。CGRP 靶向藥便是當前治療偏頭痛的最佳手段［17］，并緩解其伴隨的食欲不振。疼痛還伴發不愉快的情緒體驗，包括抑郁癥、焦慮癥及創傷后應激障礙。PACAP 是調節慢性疼痛相關情緒反應的關鍵成分。持續性疼痛時，LPBPACAP神經元將疼痛感覺信號傳至參與調節情緒的杏仁核，并增加杏仁核PACAP 的表達量，誘發機體出現焦慮樣行為。與此同時，杏仁核對臂旁核的抑制性纖維投射發生去抑制［18］，換言之，疼痛誘發焦慮，而焦慮會加劇疼痛。PBNPACAP神經元對終紋床核發出的纖維投射也參與調節焦慮水平。反復給與傷害性刺激致痛時，終紋床核PACAP 的表達量增多，且焦慮相關行為加?。?9］。PBNPACAP神經元投射至不同下游都可參與調節焦慮水平，推測它們之間存在疊加或級聯效應，因此需進一步探究其具體機制為治療焦慮相關疾病的研究提供方向。

2.2 癢覺PBNSP神經元與癢覺相關，癢覺信息上行至脊髓表達胃泌素釋放肽及其受體的神經元，繼而傳入臂旁核內表達P 物質受體（neurokinin 1 receptor，NK?1R）的神經元［20-21］。強烈的疼痛可終止小鼠抓撓行為，提示傳遞癢覺和痛覺信息的神經間存在功能交聯。PBNSP神經元已被證實參與傳遞痛覺信息，而SP 與臂旁核內NK?1R 結合可抑制臂旁核的興奮性傳遞。疼痛感覺信息可能是通過增強PBNSP神經元的活性以抑制癢覺信息傳遞，減弱或替代瘙癢感。目前臨床上存在多種抗組胺類止癢藥，療效不顯著且對非組胺依賴性瘙癢無效。阻斷臂旁核傳遞癢覺信息可緩解各類型瘙癢，提示臂旁核調控瘙癢的機制可能是止癢治療的研究基礎。

2.3 內臟感覺信息PBNNTS神經元參與傳遞內臟感覺信息，從而調控自主神經系統功能，如血壓。NTS 神經元在臂旁核的內側核和外側核密集分布，可傳遞內臟感覺信息至丘腦的腹側后內側核［22］。激活該環路，可增加丘腦神經元的自發放電頻率和增強迷走神經介導的信息傳入，產生降壓效應。臂旁核內NTS 的表達水平隨著其響應迷走神經刺激時間的延長而降低，可能與迷走神經影響傳入臂旁核的內臟信息量有關，即迷走神經活性對NTS 的表達存在負反饋調控。自主神經系統功能紊亂可致高血壓。目前其治療手段呈綜合性，主要靶向外周臟器上的受體，而長時間使用受體阻滯劑可致受體表達上調，意味著患者需終身服藥，治療安全性欠佳。因而探究臂旁核對血壓調控的具體分子機制有助于為安全無副的藥物研發提供基礎。

3 調控傷害性刺激相關的生理反應

機體應激時，會維持警覺狀態并形成條件反射及恐懼記憶，這些過程受到臂旁核內CGRP、Pdyn 陽性神經元的調控。機體維持覺醒的機制可能是血液中二氧化碳濃度隨代謝增加而升高，而應激處于高代謝狀態，可發生高碳酸血癥。此時，中縫背核釋放5?羥色胺（5?hydroxytryptamine，5?HT）并結合至極外側PBNCGRP神經元細胞膜上5?HT2A 受體，使機體覺醒［23］。PBNCGRP神經元可將傷害性刺激相關的信息傳至杏仁核，介導逃避行為［24］；傳至前腦多個部位使小鼠形成條件反射及恐懼記憶［25］。LPBPdyn神經元支配腹內側下丘腦促進機體對傷害性刺激進行厭惡性學習［26］，激活該環路可提醒機體存在潛在傷害并規避危險。應激障礙是機體無法正確處理傷害性刺激的綜合表現，可能涉及上述神經環路調節紊亂。而目前僅將它視為精神類疾病，暫無特異治療藥物。因此，維持臂旁核在應激時的正向調節作用可能是未來藥物研發的方向。

應激時，機體需進行葡萄糖動員以滿足所需能耗，這一過程受到PBNCCK神經元的調控。該機制可能是導水管周圍灰質LepRb 神經元將血糖信息傳至PBNCCK神經元，繼而傳入下丘腦腹內側核［27］，產生交感神經興奮效應，從而提高血糖。參與攝食平衡和調節應激血糖水平的PBNCCK神經元都產生高血糖效應，提示CCK 可能是參與血糖調節的神經元所表達的特異分子標志物，其是糾正血糖紊亂的潛在分子。

4 調節睡眠覺醒周期

PBNPdyn神經元影響睡眠覺醒周期。阿片類鎮痛藥增加日間睡眠時間，Pdyn作為內源性阿片肽前體之一，具相似作用。中央外側PBNPdyn神經元與維持睡眠穩態的關鍵核團——腹外側視前區具有緊密的解剖聯系，抑制或激活腹外側視前區κ 受體都影響睡眠周期［28］，提示中央外側PBNPdyn神經元可能是其上游，參與調節睡眠周期。阿片類鎮痛藥可改善癌癥患者的整體生存質量，但也影響睡眠質量，提示Pdyn 可能作為信使傳遞睡眠相關信息。因此，抑制中央外側PBNPdyn神經元釋放Pdyn可能是對抗鎮痛藥影響睡眠周期的有效策略。

5 臂旁核功能整合的機制猜想

臂旁核傳遞并處理各種信息，參與調節多個生理過程，如能量代謝平衡、體溫相對恒定、血糖合理波動、痛覺及癢覺等感覺信息傳遞、睡眠穩態等。這些功能獨立完成又彼此影響。假如，PBNPdyn神經元具降低體溫及代謝的功能，體溫與代謝往往呈現平行關系，提示PBNPdyn神經元可整合代謝及體溫相關的信息，產生這兩種效應的神經元可能為同一群。體溫與滲透壓平衡也存在交聯。機體通過出汗散熱時，滲透壓升高。為保持滲透壓平衡，機體需要進行保水排鈉。因此，參與促進散熱的LPBCCK神經元及降低滲透壓的LPBCRH神經元可能存在功能整合。當LPBCCK神經元活性增強時，LPBCRH神經元活性也增強。覺醒狀態與應激行為也息息相關，維持覺醒是機體調動應激的前提、過度應激會影響覺醒狀態。臂旁核內多種亞型神經元可同時調控這兩個生理功能，包括CGRP、Pdyn陽性神經元。這除了提示臂旁核內神經元存在功能整合外，也說明以其高表達的神經肽基因定義神經元亞型仍不充分，需錨定更加特異的分子標記物指征其調控的特定生理功能。

6 總結與展望

臂旁核參與調節多種生理功能，為精準定義臂旁核調控特定功能的神經元類型以設計糾正相應功能調節紊亂的藥物，需探究其調節共性及整合機制。以功能為線索，初步劃分臂旁核亞核。以攝食為例，極外側臂旁核的尾端與厭食有關，中央內側臂旁核與水鹽攝入平衡有關，提示這兩個亞核存在兩群神經元，接下來可細分其神經元類型。然而臂旁核內大多數神經元表達囊泡谷氨酸轉運蛋白2（vesicular glutamate transporter 2，Vglut2），其存在僅說明該神經元可裝載并快速釋放谷氨酸以興奮下游中樞，因此，需更為特異的分子標記物以區分神經元類型。

在研究溫度信號從LPB 傳遞到下丘腦的機制時，筆者團隊發現LPB 神經元對冷熱刺激均有響應，這說明LPB 存在傳遞不同溫度信息的神經元；應用光遺傳學技術選擇性激活其表達最為豐富的谷氨酸能神經元發現，根據激光頻率的變化，可獲得升溫或降溫的表型，該結果提示這群谷氨酸能神經元存在可調控體溫變化的不同亞型；通過特殊的基因標記方法——翻譯核糖體親和純化法，發現LPB 可表達多種神經肽，包括CCK 及Pdyn，這兩種神經肽與谷氨酸能神經元高度共表達，但這二者本身共表達率較低；通過多種神經元操縱技術發現，體溫升高時，表達CCK 或Pdyn 的神經元被募集，并對POA 不同亞核發出神經纖維投射，分別產生促進血管舒張及抑制棕色脂肪產熱的效應來抵御體溫進一步升高，這提示神經元高表達的神經肽基因可能是區分神經元類型的潛在標志物。

實際上，臂旁核內不同神經肽陽性神經元可參與調控同個生理過程。以疼痛并伴有焦慮為例，臂旁核內CRH、PACAP 陽性神經元都參與調控這兩過程，并都對杏仁核發出神經纖維投射，提示這二者可能為同一群神經元。而同一神經肽陽性的神經元可參與調控不同生理功能。LPBCCK神經元向下丘腦腹內側核和POA 發出神經纖維投射，分別參與維持血糖平衡及體溫恒定的過程，提示承擔不同生理功能的CCK 神經元為不同亞群，產生效應的機制不同。此外，臂旁核參與調控的生理功能交錯復雜。PBNSP神經元同時參與痛覺及癢覺信息傳遞，并且這兩種感覺信息存在此消彼長的現象。其機制可能是PBNSP神經元投射至不同下游或以不同頻率將信息傳入同一下游或臂旁核內表達tacl 基因的不同群神經元處理相應感覺信息并存在交聯。因此，需繼續探索以明確具有一定表達特征的神經元并解析表達相關基因神經元釋放的具體物質及其介導信息傳遞的具體機制。