中脑导水管周围灰质在痛觉调制中的作用

1、中脑导水管周围灰质在痛觉调制中的作用中山大学附属第一医院麻醉科（黄埔院区） 靳三庆 牛丽君中脑导水管周围灰质(periaqueductal gray, PAG)是位于中脑顶盖与被盖之间由一群小而高密度的神经细胞围绕中脑水管构成的一片环形区域，其头侧达后连合水平，与第三脑室的室周灰质相续;尾侧达蓝斑核首侧水平，与第四脑室底灰质相续。上丘和下丘共同构成其背侧及背外侧边界，三叉神经中脑核及中脑束以及楔形核构成其外侧边界，动眼神经核、滑车神经核、内侧纵束形成其腹侧边界。自从1969年Reynolds1 发现电刺激PAG可引发持久的镇痛效应后，解剖、生理、药理等学科才开始对PAG的复杂结构和功能进行深入

2、研究。并进一步发现PAG是中枢内源性镇痛系统的关键结构,处在承上启下的重要地位2。故将有关PAG参与痛觉调制的研究进展予以综述。1.PAG的细胞构筑与纤维联系大鼠PAG内细胞排列紧密，但是分布并不均匀。从尼氏染色的冠状切片上可以看出，从中心向外周，大鼠PAG内神经元的面数密度、胞体直径逐渐增加，染色强度也逐渐增强，而且神经元的面数密度由首侧向尾侧递减3。根据细胞的形态及大小，Beitz与Mantyh将大鼠PAG的神经元分为大梭形、小梭形(小双极)、大三角形、小三角形、大多极(大星形)、小多极(小星形)六类。每类神经元各有其形态及分布特点3-5。根据细胞构筑的不同，Beitz3等将其 分为四个亚

3、核，即背侧亚核(导水管背侧紧贴中线两旁的狭小区域)、背外侧亚核(中央导水管背外侧广大区域)、腹外侧亚核(导水管腹侧及腹外侧的全部区域)及中央亚核(紧密围绕中脑导水管的一圈灰质),这种亚核划分为较多学者所引用(见附图)。并且Banlder和Carrive6等人经过对PAG的多年研究后认为，在PAG内的确存在着具有一定长度，按首尾方向纵行排列的细胞柱。PAG的传入纤维终止于柱内细胞，柱内另一些细胞则发出传出纤维。这样，传入柱、传出柱、中间神经元构成了PAG内的柱式环路(columnar circuits)PAG所执行的所有功能均由此环路介导。PAG和端脑皮质及皮质下结构，间脑，脑干，脊髓，小脑有着

4、广泛的纤维联系7,是与其复杂的功能相适应的。与痛觉相关的纤维联系详见下述。2.PAG参与的痛觉调制通路目前研究比较清楚的痛觉调制通路有:1)脑干下行抑制系统：目前研究最多、了解最清楚的是脑干下行抑制系统, PAG-延脑头端腹内侧区(rostral ventromedial medulla RVM)-脊髓背角/三叉神经脊束核通路。包括中缝大核(nucleus raphe magnus, NRM)、网状巨细胞核(nucleus reticularis gigantocellularis, NRGC)、网状巨细胞旁核(nucleus reticularis paragiagantocellulari

5、s, NRPGC)和网状巨细胞核部(nucleus reticularis paragiagantocellularis pars alpha, NRGC)4个核团。1969年Reynolds1证明电刺PAG可产生镇痛作用。继之，Satoh等8-9 证明用电刺激或微量注入谷氨酸、吗啡于脑干的 NRM和NRGC时也产生同样的效应。因而，将由这些核团发出的下行通路命名为“下行抑制系统”10。形态学研究表明, PAG的传出纤维主要经由NRM中继后，发出5羟色胺能纤维投射至脊髓背角和三叉神经脊束核浅层。少量5-羟色胺能传出纤维终止在脊髓背角和三叉神经脊束核浅层。NRGC以直接投射方式发出去甲肾上腺素能

6、纤维到脊髓背角和三叉神经脊束核浅层11。以往对PAG、中缝背核（DR）、NRM和NRGC 的下行投射的研究，主要注意到它们向脊髓背角或三叉神经脊束核浅层的投射，着眼点主要集中于对躯体伤害性信息的调控18-14。近年来的研究表明NRM和NRGC内有较多的神经元投射至孤束核（NTS），说明它们可能对NTS内来自颈、胸和腹腔的内脏伤害性信息的传递具有调控作用。这些都是值得深入探索的问题 15。 2)中脑边缘镇痛回路(mesolimbic neuronal loop in analgesia)：韩济生领导的研究组在一系列工作的基础上,提出了“中脑边缘镇痛回路”的假说,即PAG-伏核(nucleus a

7、ccumbens)-杏仁核(amygdala)-缰核(habenula)-PAG回路16。近十几年来的研究可将此环路总结如右图17: 附图 中脑边缘镇痛环路示意图 AMYG:Amygdala杏仁核;ARH:Arcuate nucleus of hypothalamus弓状核;DR:Dorsal raphe nucleus中缝背核;HEB:Habenula缰核;NAcc:Nucleus Accumbens伏核;NRM:Nucleus raphe magnus中缝大核;NTSC:Subnucleus caudalis of spinal trigeminal nucleus三叉神经脊束核尾侧亚核;

8、PAG:Periaqueductal gray中脑导水管周围灰质3)脊髓丘脑中央下核（Sm）-腹外侧眶皮层(VLO)-PAG脊髓环路：唐敬师18等研究发现,损毁Sm易化大鼠伤害性行为反应;电刺激或化学刺激Sm或VLO则抑制伤害性行为反应和脊髓背角神经元的伤害性反应,并且这些效应可被损毁或抑制腹外侧眶皮层(VLO)或导水管周围灰质(PAG)的活动所取消;伤害性刺激和手针刺激可激活Sm神经元的活动;损毁Sm或VLO可明显减弱由强电针兴奋细纤维产生的镇痛,而对弱电针的作用无明显影响。推断Sm-VLO可能通过激活脑干下行抑制系统,在脊髓和三叉水平调制伤害性感受的传入,而针刺激活细纤维产生的镇痛作用也可

9、能是通过兴奋该系统实现的。Sm或VLO内微量注射吗啡、5 羟色胺(5HT)、谷氨酸钠产生明显的抗伤害效应,这些效应可分别被其各自的受体拮抗剂阻断; Sm或VLO或PAG内注射氨基丁酸(GABA)明显减弱吗啡、5HT或谷氨酸钠诱发的抑制,而注射GABA受体拮抗剂荷包牡丹碱抑制伤害性行为反应并增强吗啡和5HT、谷氨酸钠诱发的抑制。4)下丘脑弓状核(ARH)-中缝背核/蓝斑/PAG通路：由于脑内-内啡肽能神经元几乎全部集中于 ARH19,而-内啡肽又是脑内重要的阿片类镇痛物质,因此,围绕ARH的镇痛作用,人们进行了大量深入细致的研究。ARH神经元兴奋可在中缝背核、蓝斑及PAG内释放-内啡肽,改变上述

10、核团的神经元活动,从而产生镇痛作用20-21。5)边缘系统-外侧缰核-中缝背核/PAG-NRM/蓝斑-脊髓背角/三叉神经脊束核通路：缰核主要由髓纹接受边缘系统的传出冲动,从而影响脑干中缝背核、蓝斑核及PAG这些与痛觉调制及针刺镇痛有紧密关系的核团的活动水平,进而影响伤害性传入冲动在三叉神经脊束核、脊髓及脑干的传导过程【22-26】。3.内源性痛觉调制系统的双向调节内源性痛觉调制系统(endogenous pain modulating system)是一个以脑干中线结构为中心，主要由PAG、RVM和一部分脑桥背外侧网状结构（蓝斑核群和KF核）的神经元组成的网络神经结构，其轴突主要经脊髓背外侧束

11、（DLF）和腹外侧束（VLF）下行对脊髓背角痛觉信息传递产生调制作用。目前,为多数学者认可的脑干内源性下行抑制系统为PAG-RVM-脊髓背角/三叉神经脊束核通路,经脊髓背外侧束(DLF)下行对脊髓背角痛觉感受性信息的传入产生抑制性调制27。90年代以来,卓敏和Gebhart针对NGC在痛觉下行抑制/易化中的作用进行了系列研究,并首次提出:“下行易化系统是一个不同于下行抑制系统而独立存在的机能系统” 28。下行易化系统与下行抑制系统可能源于相同的中枢核团，但经由不同的通路传导。Dougherty(1970)曾报道,下行性抑制通路位于DLF,而下行性易化通路则可能位于VLF,卓敏等的研究进一步证实

12、,双侧切断DLF可明显减弱或取消由刺激NRGC/ NRGC而易化作用不受影响或有所增强。脑干的羟胺能通路和去甲肾上腺素（NA）能通路共同构成了控制脊髓水平伤害性信息传递的下行调控系统。5-HT受体的激活不仅可以产生痛觉抑制作用,还可以引起痛觉易化,提示5-HT伤害性信息的调制可能是经由多种5-HT亚型的介导实现的29-30。蓝斑蓝斑下核的NA能神经元是另一个增强下行抑制的主要来源。延髓的NA能系统的去抑制可能也影响炎症时下行易化效应的改变。最后，内源性神经降压素（neurotensin）也可通过PAGRVM抗伤害性神经环路来调节疼痛信息传递。神经降压素能神经元及纤维主要分布PAG的腹内侧及腹外

13、侧区。PAG神经元也表达大量的神经降压素受体并接受来自纹状体、杏仁核中部及外侧海马的神经降压素能纤维的支配。神经降压素能轴突和PAG神经元形成突触并投射到NRM及临近网状结构。神经降压素可能对伤害性刺激的反应具有双向调节作用，易化及抑制效应可能是神经降压素作用于不同的受体，经不同的下行通路而实现的。因此，神经降压素能通路也可能使炎性痛觉过敏时的下行易化调节作用增强31。在组织损伤和炎症后，疼痛下行调节系统在功能上表现出可塑性。脑干的下行抑制及易化系统是同时被激活的，当下行抑制及易化调节系统的失衡并引起内源性易化系统的效应增高时，非伤害性刺激也可被感觉为疼痛。4.PAG在针刺镇痛（AA）中的作用

14、大量研究表明，AA是通过周围和中枢神经系统介导的，一些神经环路已被阐明。AA激活了体内的痛觉调制系统，在中枢神经系统的不同水平抑制了伤害性刺激的感受和传导。其中PAG参与的神经通路有：1)PAG- RVM-脊髓背角/三叉神经脊束核通路：这一下行性通路是AA的重要机理之一。2)中脑边缘镇痛环路：这一环路在介导AA与吗啡镇痛中起着重要作用。3)脊髓SmVLOPAG脊髓环路：Sm不仅是一个痛觉感受中枢，而且也是一个重要的丘脑痛觉调制中枢，通过激活脑干下行抑制系统在脊髓和三叉水平调制伤害性感受传入，在针刺兴奋细纤维产生的镇痛中起着重要作用。 此三条通路已在前详述，不再赘述。中枢神经系统内的阿片肽及一些

15、神经递质都参与了AA，有的有利于AA，有的不利于AA，PAG参与的AA可能通过它们中的一些介导。1)内源性阿片肽：内源性阿片肽至少有三个家族，即脑啡肽、-内啡肽和强啡肽。中枢阿片肽的释放研究发现针刺后患者的脑脊液中-内啡肽含量增高。在不同脑区如PAG、伏隔核、杏仁体、缰核等,微量注射阿片受体阻滞药纳洛酮，都可阻断针刺镇痛的作用以及吗啡镇痛效应。通过微量注射脑啡肽、-内啡肽与强啡肽的特异性抗体来研究针刺镇痛中不同的肽的作用，发现PAG中主要是-内啡肽起作用，而脊髓中主要是强啡肽A和B起作用。2)5-HT: 5-HT是针刺镇痛的一个重要递质。利用药理学或化学的方法调节5HT能神经元或纤维可影响AA

16、。如PAG内微量注射5-HT受体阻滞药可减弱AA与吗啡镇痛。相反，刺激中缝核团或鞘内注射5HT或单胺氧化酶抑制剂均显著加强AA作用。临床也发现5-HT重摄取抑制剂可加强AA。反过来，针刺足三里后大鼠不同的脑区及脊髓中5-HT的合成与利用明显增加。3)NA：NA对 AA的影响有着部位的不同。在脑内特别是缰核与PAG，NA对AA有拮抗作用；而在脊髓，NA可加强AA。含量测定的研究表明，AA后脑内及脊髓中NA的合成与利用增加，但各脑区的含量降低。4)氨基丁酸（GABA）：GABA对AA的作用也有两种。在脑内特别是PAG，GABA有拮抗AA的作用；而在脊髓GABA可加强AA。这方面己经有大量的药理学实

17、验证明。5)其他：PAG内微量注射孤啡肽和氯化钙可拮抗AA；而注射催产素，神经降压素可加强AA，其部分效应是通过内源性阿片肽介导的。5.c-fos原癌基因表达近年来发现一种c-fos基因参与脑功能活动的重要信号转导和调控过程，多种刺激因子，如缺氧、光线刺激、机械刺激、疼痛刺激等均可诱导中枢神经系统(CNS)中c-fos基因的表达。表达产物Fos，是一种核内磷酸蛋白。在核内与另一家族原癌基因c-jun编码的Jun蛋白形成复合物。Jun与哺乳动物基因转录因子AP-1结构、功能相似，故以Jun/AP-1表示。Fos-Jun/AP-1复合物与目的基因结合，激活目的基因的转录活性，从而干扰其它基因的转录

18、速率。通过上述过程，细胞外刺激信号转化为调节细胞核内基因表达的信号，产生细胞的远期效应。针刺镇痛、全麻药以及伤害性刺激通过Fos与阿片肽靶基因相结合，调节CNS阿片肽的水平来进行痛觉调控。研究表明脑啡肤基因5端cAMP反应区(CRE)可能是Fos-Jun/Ap-1复合体调节阿片肤基因的结合位点32-34。Fos作为脑功能活动的一种定位标记，可用于痛觉传导通路，镇痛机制的研究。譬如：利用c-fos表达发现伤害性刺激及针刺均可激活的PAG腹外侧部这一重要的中枢镇痛部位。神经元中Fos样免疫阳性反应与甲啡肽样免疫阳性反应的共存提示PAG中c-fos可能对前脑啡肽原基因表达有调控作用35。 内脏伤害性

19、刺激可致PAG腹外侧部和背外侧部，孤束核,中缝背核,丘脑室旁核、室周核、背内侧核,臂旁内侧核,内侧缰核,杏仁复合体内侧部等核团出现NOS/Fos双标神经元，提示PAG参与了内脏痛的调控，并且NO是调控内脏伤害性信息传递过程中的重要神经递质36。应用大鼠上矢状窦旁硬脑膜刺激模型研究PAG在偏头痛中的作用，双标染色显示5-HT和Fos阳性细胞均聚集在PAG腹外侧，证实PAG腹外侧区神经元可能在偏头痛发作时兴奋,兴奋神经元部分属于5-HT能神经元，5-HT是PAG重要的抑制性神经递质, PAG内兴奋的5-HT能神经元参与下行损害抑制系统,抑制脑膜刺激引起的三叉血管系统兴奋37。 随着越来越多的新研究

20、方法和手段的应用,人们对PAG的了解也更加深入。探索PAG参与痛觉调制的精确机制及结构和功能的对应关系仍是一项尚待深入的课题。1.Reynolds DV. Surgery in the rat during electrical analgesia induced by focal brain stimulation. Science，1969,64:444-4452.Basbaum AI,Fields HL.Endogenous pain control system : rainstem spinal pathway and endorphin circuity .Annu Rev Neu

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