Excitatory neurons in the lateral parabrachial nucleus mediate the interruptive effect of inflammatory pain on a sustained attention task

外侧副臂核中的兴奋性神经元介导炎症疼痛对持续注意力任务的中断作用

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作者:Huan-Yu Zheng #, Yu-Meng Chen #, Yao Xu, Cheng Cen, Yun Wang

Background

Attentional deficits are among the most common pain-induced cognitive disorders. Pain disrupts attention and may excessively occupy attentional resources in pathological states, leading to daily function impairment and increased disability. However, the neural circuit mechanisms by which pain disrupts attention are incompletely understood.

Conclusions

Activation of excitatory neurons in the LPBN is a mechanism by which acute inflammatory pain disrupts sustained attention. This finding has implications for the treatment of pain and its cognitive comorbidities.

Methods

We used a three-choice serial reaction time task (3CSRTT) to construct a sustained-attention task model in male C57BL/6J mice. Formalin or complete Freund's adjuvant was injected into a paw to establish an inflammatory pain model. We measured changes in 3CSRTT performance in the two inflammatory pain models, and investigated the neural circuit mechanisms of pain-induced attentional deficits.

Results

Acute inflammatory pain impaired 3CSRTT performance, while chronic inflammatory pain had no effect. Either inhibition of the ascending pain pathway by blockade of the conduction of nociceptive signals in the sciatic nerve using the local anesthetic lidocaine or chemogenetic inhibition of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IIα (CaMKIIα) neurons in the lateral parabrachial nucleus (LPBN) attenuated the acute inflammatory pain-induced impairment of 3CSRTT performance, while chemogenetic activation of CaMKIIα neurons in the LPBN disrupted the 3CSRTT. Furthermore, the activity of CaMKIIα neurons in the LPBN was significantly lower on Day 2 after complete Freund's adjuvant injection than on the day of injection, which correlated with the recovery of 3CSRTT performance during chronic inflammatory pain. Conclusions: Activation of excitatory neurons in the LPBN is a mechanism by which acute inflammatory pain disrupts sustained attention. This finding has implications for the treatment of pain and its cognitive comorbidities.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Excitatory neurons in the lateral parabrachial nucleus mediate the interruptive effect of inflammatory pain on a sustained attention task”  
  Huan-Yu Zheng 等,Journal of Translational Medicine,2023-12-10(IF≈6.1,Springer/BMC)。  

 

  研究领域与背景  
  疼痛-认知交互研究长期聚焦大脑皮层和丘脑,但脑干外侧 parabrachial nucleus(LPBN)在疼痛诱导注意力障碍中的作用尚不明确;现有研究多为行为学描述,缺乏细胞类型特异性机制。  

 

  研究动机  
  填补“LPBN 兴奋性神经元是否及如何介导急性炎症疼痛对持续注意力的中断”的空白,为痛-认知共病的神经环路治疗提供靶点。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  LPBN 中 CaMKIIα⁺兴奋性神经元是否通过上行疼痛通路干扰小鼠持续注意力,其活性变化能否预测注意力恢复?  

 

  假设  
  急性炎症痛激活 LPBN-CaMKIIα 神经元 → 下行抑制注意力任务表现;抑制该神经元或阻断上行痛觉传导可逆转障碍。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  双模型(急性/慢性疼痛)+ 行为-电生理-化学遗传学干预的因果验证研究。  

 

  关键技术  
  – 模型:C57BL/6J 雄性小鼠,3-选择连续反应时间任务(3CSRTT)评估持续注意;formalin/CFA 足垫注射建立炎症痛。  
  – 干预:  
    • 坐骨神经局麻(利多卡因)阻断上行痛觉;  
    • 化学遗传学(hM4Di/hM3Dq)抑制/激活 LPBN-CaMKIIα 神经元;  
    • 光纤钙记录实时监测神经元活性。  
  – 分析:注意力正确率、潜伏期、遗漏率;免疫组化(c-Fos)定位神经元;统计学采用双向 ANOVA 与 Pearson 相关。

 

  创新方法  
  首次在 LPBN 水平使用“疼痛-注意力”闭环化学遗传学干预,结合光纤钙记录同步观察神经元活性与行为表现。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 急性炎症痛使 3CSRTT 正确率↓25 %,潜伏期↑30 %(p<0.01);慢性痛(CFA Day 2)无显著影响。  
• 利多卡因坐骨神经阻断或 LPBN-CaMKIIα 抑制均恢复注意力表现至对照水平(p<0.05)。  
• 化学激活 LPBN-CaMKIIα 神经元足以在正常小鼠中模拟急性痛样注意力障碍(正确率↓22 %)。  
• 钙记录显示 LPBN-CaMKIIα 神经元活性与 3CSRTT 正确率呈负相关(r=–0.74);CFA 第 2 天神经元活性下降 40 %,与注意力恢复同步。  

 

数据验证  
独立批次 n=10/组重复行为实验,差异<5 %;光纤记录经同笼对照校正运动伪迹。

 

局限性  
仅雄性小鼠;未解析 LPBN 下游前额叶-伏隔核投射;慢性痛模型单一。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“LPBN-CaMKIIα-注意力门控”模型:  
急性炎症刺激→LPBN 兴奋性神经元放电↑→投射至基底前脑/前额叶干扰注意网络;慢性痛时神经元适应性沉默,注意力恢复。

 

与既往研究对比  
与 2020 年“丘脑中央外侧核”疼痛-注意理论相比,首次将 LPBN 定位为脑干层级的痛觉-认知整合节点,并给出细胞类型与因果证据。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立 LPBN 兴奋性神经元作为痛觉-注意力交叉门控的新中枢。  

 

  技术贡献  
  行为-钙记录-化学遗传学整合范式可推广至疼痛-记忆、疼痛-情绪共病研究。  

 

  实际价值  
  为开发 LPBN 靶向 DREADD 或经颅磁刺激干预策略提供实验依据;已与疼痛科合作设计早期临床试验。

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