【PNAS】反击螺旋！中科院神经所孙衍刚课题组揭示脊髓网状束介导伤害性刺激诱发防御反应的神经机制

撰文：斧王

检测伤害性刺激并作出适当反应，是动物生存的基础。机械性威胁（如尖锐物体或挤压力量）可诱发从脊髓反射到协调性运动的快速伤害防御行为，以最大限度减少组织损伤，这一过程依赖于将伤害性信息转化为上行信号的脊髓神经网络。然而，伤害性机械信号如何通过脊髓投射神经元（SPNs）亚群特异性传导以驱动伤害防御行为，至今仍未充分阐明。

图片来源：Neuron(2014)

机械感觉的独特之处在于其调动特殊的脊髓门控机制，同时塑造感知与行为。研究显示，不同脊髓投射神经元亚群将感觉输入分流至并行通路以支持特异性功能，单细胞转录组学亦揭示脊髓投射神经元存在显著分子异质性。

尽管多种脊髓投射神经元亚型已证实参与机械与热觉编码，且部分亚群呈现多种反应特性，但脊髓投射神经元亚型的不同投射模式能否选择性地将无害与伤害性机械信息分流至独立通路，仍悬而未决。

图片来源：Neuron (2023)

脊髓上行输出可激活脑干环路以塑造防御性运动反应。除经典通路外，脊髓网状束投射至外侧网状核——该中继站可被无害与伤害性机械刺激共同激活，但向外侧网状核提供伤害性输入的脊髓细胞类型及其功能尚不明确。

图片来源： Cell (2014)

2026年8月19日，《PNAS》杂志在线刊登了中科院神经所孙衍刚课题组的最新重要工作。本研究通过遗传学与投射特异性操控，鉴定出表达Sncg的脊髓投射神经元中投射至外侧网状核的亚群为传导伤害性机械信息的上行通路，并证实其介导对机械性刺激的防御反应。

他们还揭示了支配该群体的局部中间神经元环路，为脊髓水平的信号门控提供结构基础，从而建立了一个将分子界定脊髓投射神经元、特异性投射通路与行为反应联系起来的环路框架。

Sncg⁺脊髓投射神经元介导机械性伤害感受处理

单细胞转录组学揭示富集Sncg的脊髓投射神经元亚群，与脊髓投射神经元部分共标（附图S1）。逆向示踪与顺行跨突触示踪显示双侧臂旁核和外侧网状核为其主要脑靶点（附图S2）。

为检测投射至上述核团的Sncg⁺脊髓投射神经元功能，该研究采用双病毒策略选择性表达抑制性DREADDs（图1 A-B）。化学遗传学抑制此类神经元后，小鼠机械敏感性显著降低，伤害性夹捏防御反应减少（图1 C-E），而热觉及运动协调能力未变（图1 F-I），表明该群神经元选择性参与机械性伤害感受。

在神经病理性疼痛模型中（图1 J），抑制该群神经元可减轻机械性异常性疼痛（图1 K-L），持续抑制产生延长的镇痛效应（图1 M）。激活Sncg⁺脊髓投射神经元则足以诱发自发性疼痛样行为（图1 N-P；附图S3）。

综上，投射至外侧网状核和臂旁核的Sncg⁺脊髓投射神经元是介导机械性伤害防御反应的脊髓输出群体。

上文已知，Sncg⁺脊髓投射神经元向臂旁核和外侧网状核均存在强投射，那么，这两个靶点的功能是否相同呢？

图1 Sncg⁺脊髓投射神经元介导机械性伤害感受处理

Sncg⁺脊髓投射通路对机械刺激的特异性调控

为回答上述问题，作者在Sncg⁺脊髓投射神经元中表达抑制性DREADD并局部给予CNO选择性沉默核团内轴突末梢（图2 A-B；附图S4 A-B）。他们发现，抑制臂旁核内末梢选择性降低机械刺激诱发的缩爪反射并提高阈值（图2 C-D），而伤害性夹捏诱发的防御行为未受影响（图2 E）；抑制外侧网状核内末梢显著减少夹捏诱发的防御性行为，而不影响机械刺激诱发的缩爪反射（图2 F-J；附图S4 C-D）。

上述结果表明，无害性机械信号优先传递至臂旁核，伤害性信息则主要传导至外侧网状核。

图2 Sncg⁺脊髓投射通路对机械刺激的特异性调控

为探究不同下游核团的投射是否源自Sncg⁺脊髓投射神经元不同亚群，作者采用CTB双逆向示踪（附图S5 A-D），发现约半数标记神经元呈双阳性（附图S5 E-G），提示存在差异性投射群体。

然后，他们引入双重组酶逆向标记策略（图3A）及RNAscope验证（图3 B-D），并通过定量分析揭示了三个亚群：约33%选择性投射至臂旁核，约41%选择性投射至外侧网状核，约26%同时投射至两个靶点（图3 E-F）。投射至外侧网状核的神经元主要分布于Lamina I、外侧脊髓核及深层背角，而投射至臂旁核及双重投射神经元富集于Lamina I和外侧脊髓核（图3D），提示前者可能接受更多样化的突触输入。

RNAscope结果显示所有上游Sncg⁺脊髓投射神经元主要共表达Vglut2（图3 G-H）。

综上，本研究根据投射模式界定了三个Sncg⁺脊髓投射神经元亚群。那么，不同Sncg⁺脊髓投射神经亚群是否存在功能差异呢？

图3 投射至不同亚区Sncg⁺脊髓神经元的差异性分布

投射至外侧网状核的Sncg⁺神经元主要传导伤害性机械信息并参与神经病理性疼痛

既往研究表明，投射至臂旁核的Sncg⁺神经元选择性参与无害性机械感觉，而脊髓至臂旁核通路在福尔马林诱发的伤害防御行为中发挥作用。但抑制Sncg⁺神经元-外侧网状核通路对福尔马林范式无显著影响（附图S6）。

随后，作者选择性抑制投射至外侧网状核的Sncg⁺神经元（图4 A-B），发现von Frey缩爪频率轻度降低，而夹捏诱发的伤害防御行为显著减少，生理盐水对照组无明显变化（图4 C-D）；热、冷、辣椒素相关疼痛反应及运动协调能力均无影响（图4 E-H）。

在神经病理性疼痛模型中（图4I），抑制该群神经元可缓解机械性异常性疼痛而不影响本底伤害感受（图4 J-K），提示其参与神经病理性机械性疼痛。进一步分析结果显示，夹捏刺激可强烈激活投射至外侧网状核的Sncg⁺神经元，表现为Fos表达比例升高（图4 L-P）。

综上，伤害性机械刺激有效激活投射至外侧网状核的Sncg⁺神经元，该群神经元将伤害性机械信息传导至外侧网状核并参与神经病理性机械性异常性疼痛，而投射至臂旁核的神经元则主要介导对无害性机械刺激的反射性反应。

图4 投射至外侧网状核的Sncg⁺神经元主要传导伤害性机械信息并参与神经病理性疼痛

外侧网状核介导脊髓伤害性机械信号以协调防御反应

外侧网状核是重要的前小脑中继核团，整合脊髓输入并经苔藓纤维传递至小脑皮层，影响运动控制。后爪夹捏诱导外侧网状核双侧Fos表达（附图S7）；顺行跨突触示踪证实脊髓网状束将伤害性机械信号传递至接受脊髓投射的外侧网状核神经元（图5A-E）。

光纤记录显示，夹捏诱发与抽动、舔舐时程一致的钙信号变化，von Frey刺激则引起中度激活，毛刷仅引发微弱反应（图5 F-J），表明外侧网状核神经元优先参与伤害性感觉输入并与疼痛相关运动输出相偶联。

他们还发现，化学遗传学抑制接受脊髓投射的外侧网状核神经元可降低von Frey缩爪反应并减少夹捏诱发的防御行为，而不影响热、冷、辣椒素敏感性及运动协调；激活该群神经元则诱导机械性痛觉过敏（附图S9），表明其为机械性伤害感受所必需且足以诱发超敏反应。

再然后，作者通过顺行跨突触示踪选择性抑制接受Sncg⁺脊髓投射的外侧网状核神经元，可减弱机械反应及夹捏诱发的防御行为（图5 K-R）。离体膜片钳记录证实Sncg⁺脊髓投射神经元与外侧网状核神经元之间存在直接的谷氨酸能单突触连接（图5 S-W）。解剖学结果显示外侧网状核接受脊髓投射的神经元主要投射至小脑、脑桥、中脑和丘脑（附图S10）。

综上，外侧网状核是Sncg⁺脊髓投射神经元传导伤害性机械信息的重要中继站，将脊髓感觉处理与协调性防御行为相联系。

那么，Sncg⁺投射神经元如何被调控呢？

图5 外侧网状核介导脊髓伤害性机械信号以协调防御反应

Sncg⁺投射神经元的局部脊髓输入

为探索投射至外侧网状核的Sncg⁺脊髓投射神经元的上游局部环路，作者采用狂犬病毒跨突触示踪（图6A-B）。突触前输入主要分布于Lamina I-II，少量位于Lamina III-V及外侧脊髓核（附图S11 C-F）。RNAscope结果表明约80%的输入神经元为兴奋性（Vglut2⁺），约20%为抑制性（Vgat⁺）（图6 D-G）。其中，约20%的输入神经元表达SST，相似比例表达Pdyn，与Rorb共标极少（图6 H-I），提示SST⁺兴奋性和Pdyn⁺抑制性中间神经元可能介导机械感觉信号向Sncg⁺脊髓投射神经元的传递。

为确定Sncg⁺脊髓投射神经元是否接受直接初级传入输入，作者采用逆行标记结合背根神经节注射策略，发现仅约4%的Sncg⁺脊髓投射神经元接受初级传入的单突触输入（附图S12 A-C）；离体电生理记录进一步证实该连接极为稀疏（30个记录神经元中仅1个检测到光诱发EPSC）（附图S12 D-I）。此外，背根神经节内未见狂犬病毒标记（附图S11I）。

综上，Sncg⁺脊髓投射神经元接受有限的直接初级传入支配，同时接受SST⁺兴奋性和Pdyn⁺抑制性中间神经元的突触调控，构成上行机械性疼痛处理的脊髓局部微环路。

图6 Sncg⁺投射神经元的局部脊髓输入

本文的局限性

本研究虽然严谨详尽，但仍存在若干局限性。

第一，行为学检测主要局限于快速反射性防御反应，未系统评估疼痛的情感-动机维度（如逃避行为、位置回避等），未知其对情绪的影响；

第二，外侧网状核下游输出至小脑、脑桥、中脑及丘脑等多条通路的功能特异性尚未被解析，未知下游脑区如何参与疼痛；

第三，局部微环路中SST⁺兴奋性和Pdyn⁺抑制性中间神经元对Sncg⁺脊髓投射神经元的因果调控作用尚未经功能验证；

最后，实验未进行性别分层分析，后续实验可以纳入性别二态性的研究。

总结

脊髓投射神经元（SPNs）将躯体感觉信息传递至脑，然而分子特异性SPN亚群如何传递伤害性机械信号以驱动伤害防御行为，至今尚不清楚。本研究鉴定出一类表达Sncg的脊髓投射神经元（Sncg⁺ SPNs），其通过脊髓网状上行通路传导伤害性机械信号。通过遗传学、解剖学示踪、膜片钳电生理及通路特异性操控技术，作者发现Sncg⁺ SPNs主要投射至臂旁核和外侧网状核（LRN）并传递伤害性机械信息。接受Sncg⁺脊髓传入的LRN神经元是伤害性机械刺激诱发伤害防御行为所必需的，并参与神经病理性疼痛的机械性痛觉超敏。单突触示踪技术鉴定出支配Sncg⁺ SPNs的局部中间神经元，为上行机械信号的脊髓门控提供了结构基础。

本研究揭示了一条涉及LRN的脊髓网状神经环路，该环路对于伤害性机械刺激诱发的伤害防御行为至关重要。

参考文献

Liu Y, Li Q, Lin JK, Han Y, Yang X, Xu Z, Zhou W, Sun YG, Dou YN. A spinoreticular pathway mediates nocifensive responses to noxious mechanical stimuli. Proc Natl Acad Sci U S A. 2026 Aug 25;123(34):e2604642123. doi: 10.1073/pnas.2604642123. Epub 2026 Aug 19. PMID: 42616791..

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