Spinotrode: long-term intraspinal electrophysiological recordings to unravel dorsal horn neuron dynamics in behaving mice
本文介绍了一种名为 Spinotrode 的新型椎体植入物，它能够实现对自由活动小鼠背角的稳定、长期单单位记录，揭示了自然行为过程中独特的神经动力学，并挑战了以往源自麻醉受试者的研究结果。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
脊髓常被想象成一根简单的电话线，一根被动的电缆，负责将信息从皮肤传送到大脑，并将指令传回肌肉。几十年来，这种观点认为脊髓的后部（即背角）仅仅是一个中继站，等待信号到达后再进行传递。然而，科学家们长期以来一直怀疑，这一区域远比想象中活跃，它是一个复杂的处理中心，在信号到达大脑之前，会对信号进行过滤、解释，甚至生成自身的信号。理解这一机制至关重要，因为身体正是通过这里来决定一次触碰是无害的，还是需要立即采取行动的疼痛。研究这一问题的难点在于物理层面的挑战：脊髓深藏于体内，受脊柱保护，并且会随着动物的呼吸、行走或重心转移而不断移动。以往尝试监听该区域单个神经细胞电信号对话的方法，通常要求动物处于睡眠或静止状态，这改变了神经元的放电方式，并掩盖了身体对世界做出反应的真实本质。
为了解决这个问题，一个研究小组开发了一种名为“脊髓电极”（Spinotrode）的新型工具，这是一种定制的小型植入物，旨在不干扰小鼠自然生活的情况下，安装在其脊柱上。想象一下一个微小的、具有生物相容性的桥梁，它完美地契合在椎骨之上，即使在动物自由活动时也能稳固地固定住精细的导线。这种设备使科学家能够连续数周记录脊髓中单个神经细胞的电活动，同时观察小鼠行走、奔跑和探索环境的过程。通过使用这项技术，研究人员得以实时观察脊髓的工作情况，观察在动物清醒且表现自然时，它如何对触摸和热刺激做出反应，这在以前是无法如此精确地实现的。
这些记录结果表明，脊髓比此前认为的要动态得多。当研究人员观察背角的神经细胞时，他们发现这些细胞的活动会根据动物的行为而改变。虽然许多细胞在小鼠休息或处于麻醉状态时保持静默，但当动物开始移动时，很大一部分细胞变得活跃起来。大约一半的记录细胞在小鼠行走时放电频率更高，还有一小部分细胞甚至会随着动物移动速度的增加而同步增加活动量。这表明，传统上被视为纯粹感觉器官的背角，也参与了监测运动，或许有助于协调身体的动作与感知。
该研究还详细展示了脊髓如何处理疼痛。研究人员对小鼠的爪子施加了轻微和剧烈的刺激，并观察了神经细胞的反应。他们识别出了具有不同职责的不同细胞群。一些细胞对各种压力都有反应，从轻微触碰到剧烈挤压，就像一个音量旋钮，随着强度的增加而调大信号。另一些细胞则更具选择性，只有当刺激变得足以导致动物缩回爪子时才会放电。至关重要的是，研究人员发现，那些专门针对疼痛刺激放电的细胞，其放电时刻恰好与小鼠缩回爪子的瞬间一致。这种精确的计时确认了这些特定的细胞正是触发保护身体免受伤害的即时反射的元凶。
或许最令人惊讶的发现是，脊髓并不只倾听身体的一侧。当研究人员对左侧爪子施加疼痛刺激时，他们发现脊髓右侧的大量神经细胞也发生了放电。这种“跨界通信”特别发生在动物清醒并对疼痛做出反应时，而在动物处于麻醉状态时则没有观察到这种现象。另一侧的活动似乎与缩回爪子的动作有关，而不仅仅是由于疼痛的感觉本身。这表明脊髓协调着一种复杂的全身性损伤反应，即神经系统的两侧通过相互通信来管理这种反应。该研究排除了这种活动仅仅是由于动物移动而产生的可能性，因为涉及到的特定细胞类型是已知处理疼痛的细胞，而非仅仅是处理运动的细胞。
通过让科学家能够在自由活动的动物身上“聆听”脊髓，脊髓电极为人类观察身体如何处理感觉和疼痛开启了一扇新的窗口。这些发现挑战了将脊髓视为被动电线的旧观点，揭示了它是一个活跃的、智能的中枢，能够实时整合运动、感觉和疼痛。这种可以在不伤害动物的情况下进行长期记录的能力，意味着研究人员现在可以研究脊髓随时间变化的规律，例如在受伤后或慢性疼痛的发展过程中。这项工作为理解构成我们最基本保护性反射的神经回路提供了更清晰的图景，并为理解神经系统在健康与疾病状态下的运作方式奠定了新的基础。
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