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大鼠前扣带皮层ERK/MAPK信号通路参与痛厌恶情绪反应的胞内机制

作　者: 曹红
导　师: 张玉秋
学　校: 复旦大学
专　业: 神经生物学
关键词: 细胞外信号调节激酶蛋白激酶A cAMP反应元件结合蛋白信号转导通路前扣带皮层痛相关厌恶情绪条件性位置回避大鼠
分类号: Q42
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

疼痛是一种与组织损伤或潜在损伤相关的不愉快的主观感觉和情绪体验(国际疼痛学会,1994)。这个定义赋予疼痛两重含义:即痛的感觉分辨(sensorydiscrimination)和痛的情绪体验(affective dimension)。强烈的情绪色彩始终是痛区别于机体感受其它刺激的一个显著特征。越来越多的临床观察表明,慢性痛患者所遭受的恶性情绪,如焦虑、恐惧、孤独、甚至厌世等给病人造成的身心伤害远比疼痛本身更为严重。临床上,慢性顽固性疼痛患者常常变得紧张、抑郁、甚至出现自杀倾向,这种持续的紧张和对预期将发生事件的恐惧等恶性情绪,反过来又在很大程度上增强痛的感受。随着动物行为学、认知心理学及功能脑成像技术的发展,在动物和人体上进行痛相关情绪反应和痛记忆的实验研究已经成为可能。早期临床观察、形态学、电生理学、动物行为学和人类功能性脑成像研究表明:前扣带皮层(anteriorcingulate cortex,ACC)的激活与痛相关情绪反应以及对疼痛的认知、记忆和预期等过程密切相关。然而,关于ACC与痛相关情绪反应和痛记忆关系的研究目前仍然局限在宏观的行为功能分析,对ACC参与痛相关情绪反应和痛记忆形成的细胞和分子机制还了解甚微。细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)是有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族的成员之一。外周伤害性刺激引起的脊髓背角神经元ERK/MAPK的激活在中枢敏化的产生和维持中具有重要的作用。既然ACC是参与痛情绪处理的一个重要脑区,那么,外周伤害性刺激是否会引起ACC神经元ERK/MAPK的激活?ERK的激活是否参与痛相关厌恶情绪形成?本研究围绕这些问题,采用行为训练、免疫组化、Western Blot和离体脑片细胞外记录等实验方法,首次系统研究了大鼠前扣带皮层中ERK/MAPK信号通路在痛相关厌恶情绪中的作用及其调节因素。首先,应用免疫组织化学、Western Blot和行为学训练,我们观察了ACC中ERK的激活与痛相关厌恶情绪之间的关系。结果表明,外周给予伤害性刺激(单侧足底注射5%福尔马林50μl)能够引起大鼠双侧rACC(前扣带皮层吻侧部)中ERK迅速(3 min)而持续(24 hrs)的激活。激活的ERK主要表达在ACC第Ⅲ-Ⅴ层锥体神经元中,而不与胶质细胞共存。预先双侧ACC内微量注射不同浓度的MEK(ERK激酶)抑制剂PD98059或U0126能够剂量依赖地阻断福尔马林诱导的条件性位置回避(formalin-induced conditioned place avoidance,F-CPA)的形成,而不影响福尔马林引起的急性痛行为和非痛刺激引起的条件性位置回避的形成,提示ACC中ERK/MAPK的激活特异性参与了痛相关厌恶情绪的形成。在大鼠ACC脑薄片上,高频刺激(2-train,100 Hz,1 sec)能够诱导出稳定的场电位(fEPSP)长时程增强(10ng-term potentiation,LTP),预先给予NMDA受体竞争性拮抗剂AP-5(50μM)可完全阻断LTP的产生,提示本实验中ACC神经元LTP是NMDA受体依赖的。灌流液中预先给予MEK抑制剂PD98059(50μM)能够完全阻断LTP的产生。取高频刺激后不同时间的脑片进行免疫组化检测,结果显示,高频刺激后5 min,磷酸化ERK(pERK)表达明显升高,10min达到最高峰,1 hr后与基础表达无明显差异,提示ERK的激活对于大鼠ACC神经元LTP的诱导是必需的。为进一步研究ACC中ERK激活的上游调节通路,我们观察了NMDA受体、cAMP/PKA信号通路和ERK激活之间的关系。离体脑片孵育结合免疫组化实验的结果显示,预先给予NMDA、腺苷酸环化酶(AC)的激动剂Forskolin、蛋白激酶A(PKA)的激动剂Sp-cAMP孵育脑片,能够显著增强pERK的表达水平,增强的pERK能够被预先给予其相应的拮抗剂AP-5、SQ22536、Rp-cAMP和MEK抑制剂PD98059所阻断,提示大鼠ACC中存在NMDA受体依赖的cAMP/PKA-ERK信号级联通路。同时,行为学结果表明,预先双侧ACC内微量注射AC抑制剂SQ22536或PKA抑制剂Rp-cAMP能够剂量依赖地阻断F-CPA的形成,提示ACC中NMDA受体依赖的cAMP/PKA-ERK信号级联通路参与痛相关厌恶情绪的形成。激活的ERK在细胞内有多个作用靶点,如进入细胞核,激活RSK2从而磷酸化cAMP反应元件结合蛋白(CREB)发挥多种生物学效应。因此,我们进一步观察了ACC中ERK的激活和CREB磷酸化(pCREB)之间的关系。免疫组化和Western Blot结果显示,大鼠单侧足底注射5%福尔马林溶液50μl后,双侧ACC内pCREB表达量明显增加,其表达时程与pERK的表达时程相类似。离体脑片孵育结果显示,预先给予NMDA、Forskolin、Sp-cAMP孵育脑片,能够显著增强pCREB的表达水平,增强的pCREB能够被预先给予其相应的拮抗剂AP-5、SQ22536、Rp-cAMP和MEK抑制剂PD98059所阻断,提示ACC中存在NMDA受体依赖的cAMP/PKA-ERK-CREB信号级联通路。同时免疫双标的实验表明,几乎所有的pERK能够与pCREB共存,提示激活的ERK会发生核转位进而激活CREB,参与痛相关厌恶情绪反应。此外,我们还观察了ERK的激活和痛相关厌恶情绪表达之间的关系。免疫组化和Western Blot研究显示,痛经历唤醒后不同时间点,大鼠双侧ACC内的pERK和pCREB表达水平明显上调。测试前30 min或者6 hrs,预先双侧ACC内微量注射MEK抑制剂U0126均能够完全阻断F-CPA的表达,提示激活的ERK可能通过翻译和转录两个水平参与痛相关厌恶情绪的表达。综上所述,大鼠前扣带皮层内NMDA受体依赖的cAMP/PKA-ERK-CREB信号通路参与了痛相关厌恶情绪的形成(如下图所示);ERK的激活对于痛相关厌恶情绪的表达是必需的。

全文目录

目录  3-5
符号及缩略语  5-7
一、中文摘要  7-10
二、英文摘要  10-13
三、正文  13-88
  (一)、前言  13-16
  (二)、材料和方法  16-33
    1.实验材料  16-18
      1.1 实验动物  16
      1.2 试剂和药品  16-17
      1.3 实验仪器  17-18
    2.实验方法  18-33
      2.1 行为学实验  18-23
      2.2 免疫组织化学实验  23-25
      2.3 离体脑片免疫化学实验  25-27
      2.4 Western blot  27-31
      2.5 电生理实验  31-33
  (三)、实验结果  33-67
    1.ACC中ERK的激活是痛相关厌恶情绪产生的必要条件  33-44
      1.1 外周伤害性刺激引起大鼠双侧ACC内ERK的激活  33-35
      1.2 激活的ERK在ACC脑区分布的细胞亚型和区域特异性  35-38
      1.3 ERK激酶抑制剂阻断外周伤害性刺激引起的pERK的上调  38
      1.4 ERK激酶抑制剂阻断痛相关厌恶情绪的形成  38-44
    2.ERK参与ACC神经元长时程增强(LTP)的产生  44-47
      2.1 ACC脑片上能够诱导出稳定的LTP  44
      2.2 ERK参与ACC脑片LTP的产生  44-47
    3.ACC中NMDA受体依赖的cAMP/PKA信号通路参与ERK的激活  47-51
      3.1 ACC脑区存在NMDA受体依赖的cAMP/PKA-ERK信号传导通路  47-50
      3.2 cAMP/PKA信号通路参与痛相关厌恶情绪的形成  50-51
    4.ACC中ERK通过磷酸化转录因子CREB参与痛厌恶情绪的形成  51-57
      4.1 外周伤害性刺激引起大鼠双侧ACC内磷酸化CREB的表达上调  51-54
      4.2 磷酸化CREB在ACC脑区表达的细胞亚型  54-55
      4.3 抑制ACC内ERK的激活阻断外周伤害性刺激引起的pCREB上调  55
      4.4 NMDA受体依赖的cAMP/PKA-ERK信号通路参与ACC内CREB的激活  55-57
    5.ACC中ERK的激活参与痛相关厌恶情绪的表达  57-64
      5.1 F-CPA训练大鼠ACC内pERK的表达上调  57-60
      5.2 F-CPA训练大鼠ACC内pCREB的表达上调  60-61
      5.3 ERK激酶抑制剂阻断痛经历唤醒引起的pERK和pCREB上调  61-62
      5.4 ERK激酶抑制剂阻断痛相关厌恶情绪的表达  62-64
    6.ACC中p38/MAPK参与痛相关厌恶情绪的形成  64-67
  (四)、讨论  67-75
    1.ACC中ERK的激活和伤害性刺激之间的关系  67-68
    2.ACC中ERK的激活是痛相关厌恶情绪形成的必要条件  68-69
    3.ACC中ERK的激活和突触可塑性之间的关系  69-70
    4.ACC中NMDA受体依赖的cAMP/PKA通路参与了ERK的激活  70-71
    5.ACC中ERK的激活和CREB磷酸化之间的关系  71-72
    6.ACC中ERK的激活是痛相关厌恶情绪表达所必需的  72-73
    7.参与痛相关厌恶情绪的其他胞内信号通路的探索  73-75
  (五)、总结  75-76
  (六)、参考文献  76-88
四、综述  88-115
五、附录  115-118
  1.附录一  115-117
  2.附录二  117-118
六、致谢  118-120

大鼠前扣带皮层ERK/MAPK信号通路参与痛厌恶情绪反应的胞内机制

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