健康大鼠的脑网络与内源性疼痛抑制受年龄和性别的调控

前言

在慢性疼痛患者中，内源性疼痛抑制效率较差。弥散性伤害抑制控制（DNIC）是内源性疼痛抑制的一种形式，是指作用在身体任何一个部位的伤害刺激，可以抑制脊髓背角及三叉神经尾侧核的会聚神经元的伤害性反应，从而减轻另一个部位的疼痛。

女性和老年人DNIC功能受损，这使他们更容易患慢性疼痛。然而，其潜在机制仍不清楚。

在本研究中，研究者在动物身上用辣椒素诱导DNIC，利用行为学测试和静息态fMRI的方法，来研究衰老和性别对内源性疼痛抑制功能的影响，以及相关的大脑神经环路。

1、DNIC在年轻的雌性大鼠中受损，

在老年大鼠中完全丧失

在大鼠在左前爪注射辣椒素（CAP）诱导DNIC，测试大鼠左后爪的热痛敏。

与对照组（vehicle）和注射前相比，CAP组的年轻雄性大鼠后爪PWL（PWL，paw  thermal withdrawal latencies, 缩爪潜伏时间，时间越短，对热痛越敏感）时间明显延长，效果从注射后15分钟开始出现，若以PWL延长到20秒为显著变化，则该效应持续60min，随后在注射后的120分钟内，降回基线水平。（图A）

与对照组（vehicle）和注射前相比，CAP组的年轻雌性大鼠后爪PWL时间也明显延长，但维持时间相比雄性大鼠短。雌性大鼠注射CAP后，后爪PWL在注射后的15、30分钟明显延长，但之后迅速下降，在90分钟回到基线水平。（图B）

而老年的雄性和雌性大鼠，与对照组（vehicle）相比，PWL并无明显差异。（图C、D）

图E和F两张图分别比较的是ABCD四张行为学数据（八条PWL折线）的曲线下面积AUC。双向方差分析two-way ANOVA显示，年龄和性别会对DNIC造成影响。Post-hoc多组比较结果显示：注射辣椒素的年轻雄性AUC显著大于年轻雌性、老年雄性和老年雌性的AUC；年轻雌性的AUC显著大于老年男性和老年女性的AUC；老年雌性核雄性之间的AUC没有差异。（图E）

对照组（vehicle）的AUC与年龄、性别都没有明显关系。

2. 辣椒素诱导DNIC后，前扣带回皮质功能连接

产生变化，这种变化和年龄与性别相关

由行为学实验的结果可知，注射辣椒素后30分钟，年龄/性别对DNIC的作用明显，所以之后的fMRI实验结果，使用的是辣椒素诱导DNIC后30-45分钟的静息态影像，与基线进行比较。不同时间点的影像可见原文补充材料。

图A、B示年龄对于所有性别动物诱导DNIC后ACC 功能连接的影响。年轻大鼠以下各脑区与右侧前扣带回皮质（ACC） 功能连接（FC）增多：顶盖前区前核（APT）、压后皮层（RS）、深中脑核（DpMe）和被盖核（Tg）（图A）。老年动物以下各脑区与右侧ACC 功能连接（FC）增多：海马、中缝核（Rn）、桥脑核（Pn）和PAG（图B）。

图C、D示性别对于所有年龄动物诱导DNIC后ACC功能连接的影响。雄性大鼠的以下脑区与右侧ACC 功能连接（FC）增多：海马、PAG和DpMe（图C）。雌性大鼠的以下脑区与右侧ACC 功能连接（FC）增多：RS、Pn、蓝斑（LC）、旁巨细胞网状核（PGi）和巨细胞网状核（Gi）（图D）。

A、B、C、D每张图分为两部分，上半部分示ACC及各功能连接变化明显（P < 0.05, 0.01, and 0.005.）的相关脑区的位置，下半部分折线图示功能连接变化明显（P<0.05）的所有clusters的β值，在诱导DNIC前后的变化情况。

3、辣椒素诱导DNIC后，按年龄与性别分层，

分析ACC功能连接产生的变化

这一部分的研究方法上和之前第二部分相似。但是分组方式不同。图A、B示年龄对于雌性动物诱导DNIC后ACC 功能连接的影响。相比于老年雌性大鼠，年轻雌性大鼠以下各脑区与右侧ACC 功能连接（FC）增多：RS、DpMe、Tg以及与顶叶整合皮层（Pt）和小脑（图A）。相比于年轻雌性大鼠，老年雌性大鼠以下各脑区与ACC功能连接（FC）增多：海马、Rn、Pn、PAG、下丘脑（Sub）（图B）

图C、D示性别对于年轻动物诱导DNIC后ACC 功能连接的影响。相比于年轻雌性，年轻雄性大鼠以下各脑区与右侧ACC 功能连接（FC）增多：海马、PAG和DpMe（图C）。相比于年轻雄性，年轻雌性大鼠以下各脑区与右侧ACC 功能连接（FC）增多：RS，Pn，LC，PGi，小脑、Pt（图D）。

老年男性和老年女性之间的右前扣带回皮质FC没有差异。（图见补充材料）

4、辣椒素诱导DNIC后，按年龄与性别分层，

分析导水管旁灰质功能连接产生的变化

与年轻的（雌性+雄性）大鼠相比，老年的（雌性+雄性）大鼠中导水管旁灰质（PAG）与ACC 的功能连接增加。但是，将老年雄性与年轻雄性大鼠进行比较时，PAG与ACC的功能连接并没有明显变化。因此，作者假设，老年雄性在DNIC期间，PAG与大脑其他部分的功能连接会产生变化。于是作者希望研究PAG与老年男性全脑的功能连接。

控制性别，研究年龄和PAG FC的关系：与年轻雄性相比，老年雄性的的以下脑区与PAG功能连接（FC）增多：海马，APT和RS（图A）。

控制年龄，研究性别和PAG FC的关系，发现：与老年雌性相比，老年雄性的的以下脑区与PAG功能连接（FC）增多：海马，RS，Rn，桥脑网状核（Rt），Pn和LC（图B）。

老年雄性中的PAG功能连接与年轻雄性和老年雌性都不同，这似乎是老年雄性中的独特机制。

讨论

研究者们根据此次的研究结果，在讨论中总结了如图的DNIC潜在途径：

DNIC后，功能连接增加脑区的性别差异和年龄差异：

以ACC和PAG为ROI（感兴趣区），箭头表示它们与几个大脑区域之间的连通性增加。

年轻雄性：DNIC镇痛效果最佳，ACC和PAG之间的连接性最强（蓝色）。

年轻雌性：DNIC效果较差，似乎是由于各脑区广泛的功能连接不依赖于PAG（橙色）。

尽管两性老年组都表现出DNIC镇痛效果的缺失，但老年雄性在PAG和不包括ACC的几个脑区（黄色）之间的功能连接增加了；而老年女性则增加ACC、PAG和更多边缘区域（紫色）之间的功能连接。

ACC，前扣带回皮层；APT，顶盖前区前核；DNIC，弥漫性伤害抑制控制；DpMe，深中脑核；Hipp，海马；LC，蓝斑；PGi，旁巨细胞网状核；PAG，导水管旁灰质；Pn，桥脑核；Pt，顶叶整合皮层；Rn，中缝核；RS，压后皮层；Rt，桥脑网状核；Sub，下丘脑；Tg，被盖核。

结论

本研究证明了年龄和性别对于疼痛调控相关脑环路的影响，并且研究了老年患者内源性疼痛抑制减弱的机制：年轻雄性有最强的内源性疼痛抑制，前扣带回皮层-导水管灰质连接性更强。而年轻雌性、老年雄性和老年雌性的疼痛抑制能力，与年轻雄性相比均较弱。研究证明，边缘系统和广泛的脑功能连接似乎增强了老年人对疼痛调节缺陷的易感性，而性别可能是与年龄相关的慢性疼痛进展的危险因素。

原始文献：

APA Da Silva, Joyce T.a,b,*; Tricou, Christinaa; Zhang, Youpinga; Seminowicz, David A.a; Ro, Jin Y.a Brain networks and endogenous pain inhibition are modulated by age and sex in healthy rats, PAIN: June 2020 – Volume 161 – Issue 6 – p 1371-1380 Doi: 10.1097/j.pain.0000000000001810