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# 生物学# 神経科学

脊髄回路を通じて慢性的な痛みを調査中

研究は慢性痛とアロディニアに関連する脊髄回路に焦点を当てている。

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痛み信号と神経回路痛み信号と神経回路かにしてるんだ。脊髄回路の研究が慢性痛のメカニズムを明ら
目次

慢性的な痛みはよくある問題で、アメリカの大人の約20%が影響を受けていて、毎年何十億ドルものコストがかかってるんだ。慢性痛を調べる上で重要なのは脊髄で、痛みや触覚に関連する信号を処理するところだから、脊髄の回路がどう働いてるかを理解することが慢性痛を効果的に解決するためには欠かせないんだ。

脊髄は、さまざまな感覚入力を処理してから脳に送るよ。これらの入力は違うタイプの神経繊維が運んでて、例えば、Aβ繊維は優しいタッチに反応し、C繊維は痛みや極端な温度に反応するんだ。痛みの信号が脊髄に届くと、それは信号を増幅したり抑えたりするニューロンのネットワークと相互作用する。この相互作用は興奮-抑制(E-I)バランスと呼ばれてて、正確な痛み処理には欠かせないんだ。

脊髄における痛み処理

脊髄の背角は痛み処理に重要な役割を果たしてる。ここには興奮性ニューロンと抑制性ニューロンが両方含まれてて、興奮性ニューロンが脳に痛みの信号を送るのに対して、抑制性ニューロンはその信号を抑える働きをする。このバランスがないと、無害な刺激に対して過剰に反応しちゃう可能性があるんだ。

「ゲートコントロール」理論では、抑制性ニューロンが興奮性ニューロンからの痛みの信号をブロックできるって提案してる。この考え方は影響力があって、興奮と抑制のバランスを保つことが適切な痛み反応には欠かせないって言えるんだ。このバランスの変化があると、非痛み刺激を痛みとして感じる全異痛(アロディニア)みたいな症状に繋がる。

アロディニアのタイプ

アロディニアは、痛みを引き起こす非痛み刺激の性質に基づいていくつかのタイプに分類できる。静的アロディニアは、優しい圧力で痛みが生じる場合で、動的アロディニアは、ブラシや動かす刺激で痛みが生じる場合だ。

研究者たちは、脊髄にいる異なるタイプのニューロンがこの2つのアロディニアを仲介してることを発見した。興奮性と抑制性のニューロンの特別な集団が、無害な刺激に対する反応を生成するのに異なる役割を果たしてる。これらのニューロンがどう働くかを理解することで、アロディニアの治療法を見つけられるかもしれない。

研究の目標

今回の研究は、脊髄の背角にある特定のサブ回路がアロディニアにどう貢献してるかに焦点を当ててる。この回路を数学的にモデル化することで、アロディニアにつながるE-Iバランスを乱すメカニズムを特定するのが目標なんだ。実験データを使ってモデルを形作って、実際の神経回路で観察されることを反映させるようにしてる。

脊髄の神経サブ回路

静的および動的アロディニアに関与する2つのサブ回路を見てる。それぞれのサブ回路は、異なるタイプの興奮性と抑制性ニューロン、そしてそのつながりから成り立ってる。こうしたつながりを理解することで、信号の変化が痛みの知覚にどうつながるかがわかるんだ。

静的アロディニアサブ回路

このサブ回路には、非痛み圧力に反応する興奮性ニューロンの集団がある。これらの興奮性ニューロンは抑制性ニューロンによって調整されてる。もし抑制性ニューロンが正しく機能しなかったら、痛み刺激がないのに興奮性ニューロンが活性化して静的アロディニアが生じるかもしれない。

動的アロディニアサブ回路

動的アロディニアのサブ回路は、ニューロンの構成がもっと複雑なんだ。このシステムでは、興奮性ニューロンが互いに効果的にコミュニケーションを取らなきゃいけなくて、同時に抑制性ニューロンによって正しく抑えられてる必要がある。このコミュニケーションに disturbance があったら、軽いタッチでも痛みが生じる動的アロディニアになる可能性があるんだ。

サブ回路のモデル化

これらのサブ回路を研究するために、生物物理学に基づいた数学的モデルを構築してる。このモデルは、ニューロンがどう相互作用し、信号がどう処理されるかをシミュレーションするんだ。モデル内のさまざまなパラメータを調整することで、変化がアロディニアにつながる理由を発見するつもりだ。

許容可能なパラメータ空間

サブ回路が正常に機能できるパラメータの範囲を定義する。許容可能なパラメータ空間(APS)は、健康的なE-Iバランスを達成するためのさまざまなパラメータの組み合わせから成ってる。これによって、回路が正しく動くために満たさなきゃいけない条件を特定できるんだ。

アロディニアサーフェス

次に、アロディニアを引き起こす回路の境界、アロディニアサーフェスを定義する。このサーフェスは、正常に機能してる状態と、非痛み刺激から痛み知覚に至る条件を分ける。パラメータセットがこのサーフェスとどのように関連してるかを研究することで、機能不全を引き起こすメカニズムを特定できるかもしれない。

アロディニアのクラスタリングメカニズム

回路が正常に機能する状態からアロディニアに移行する仕組みを分析するために、クラスタリング技術を使うんだ。これは、アロディニアサーフェスへの最短経路に基づいてポイントをグループ化することを含む。このクラスターは、E-Iバランスがどのように崩れるかを示す異なる経路を明らかにする。

主要な発見

興奮-抑制バランス

結果から、E-Iバランスを維持することがアロディニアを防ぐために重要だってわかった。 disturbances は、興奮性ニューロンが抑制を逃れることや、抑制のコントロールが減少すること、つまり脱抑制を通じて起こることがある。

特定のニューロンの寄与

分析で特定された異なるクラスターは、アロディニアが発生するための異なるメカニズムを示してる。一部のメカニズムは、あるニューロン集団が他の集団よりも活発になることに依存してる一方で、他のものは複数の集団からの活動の減少が必要だ。

治療への影響

特定のサブ回路が痛み処理にどう貢献してるかを理解することで、よりターゲットを絞った治療法を生み出せるかもしれない。どのメカニズムが働いてるかがわかれば、脊髄内の健康的な信号処理を復元するために治療の選択肢を調整できるんだ。

結論

慢性的な痛みは深刻な健康問題のままだし、脊髄が痛みをどう処理するかを探ることは効果的な治療法を見つける上で大事だ。痛み処理に関与する神経回路をモデル化して、E-Iバランスがどう維持されるかを理解することで、アロディニアにつながるメカニズムを特定できるかもしれない。この知識は、慢性痛に悩まされてる人たちのためのより良い治療法の開発に貢献するだろう。

オリジナルソース

タイトル: Mechanisms for dysregulation of excitatory-inhibitory balance underlying allodynia in dorsal horn neural subcircuits

概要: Chronic pain is a wide-spread condition that is debilitating and expensive to manage, costing the United States alone around $600 billion in 2010. In a common type of chronic pain called allodynia, non-painful stimuli produce painful responses with highly variable presentations across individuals. While the specific mechanisms remain unclear, allodynia is hypothesized to be caused by the dysregulation of excitatory-inhibitory (E-I) balance in pain-processing neural circuitry in the dorsal horn of the spinal cord. In this work, we analyze biophysically-motivated subcircuit structures that represent common motifs in neural circuits in layers I-II of the dorsal horn. These circuits are hypothesized to be part of the neural pathways that mediate two different types of allodynia: static and dynamic. We use neural firing rate models to describe the activity of populations of excitatory and inhibitory interneurons within each subcircuit. By accounting for experimentally-observed responses under healthy conditions, we specify model parameters defining populations of subcircuits that yield typical behavior under normal conditions. Then, we implement a sensitivity analysis approach to identify the mechanisms most likely to cause allodynia-producing dysregulation of the subcircuits E-I signaling. We find that disruption of E-I balance generally occurs either due to downregulation of inhibitory signaling so that excitatory neurons are "released" from inhibitory control, or due to upregulation of excitatory neuron responses so that excitatory neurons "escape" their inhibitory control. Which of these mechanisms is most likely to occur, the subcircuit components involved in the mechanism, and the proportion of subcircuits exhibiting the mechanism can vary depending on the subcircuit structure. These results suggest specific hypotheses about diverse mechanisms that may be most likely responsible for allodynia, thus offering predictions for the high interindividual variability observed in allodynia and identifying targets for further experimental studies on the underlying mechanisms of this chronic pain condition. Author summaryWhile chronic pain affects roughly 20% of the US adult population [1], symptoms and presentations of the condition are highly variable across individuals and its causes remain largely unknown. A prevailing hypothesis for the cause of a type of chronic pain called allodynia is that the balance between excitatory and inhibitory signaling pathways between neuron populations in the spinal cord dorsal horn may be disrupted. To help better understand neural mechanisms underlying allodynia, we analyze biologically-motivated mathematical models of subcircuits of neuron populations that are part of the pain processing signaling pathway in the dorsal horn of the spinal cord. We use a novel sensitivity analysis approach to identify mechanisms of subcircuit dysregulation that may contribute to two different types of allodynia. The model results identify specific subcircuit components that are most likely to contribute to each type of allodynia. These mechanisms suggest targets for further experimental study, as well as for pharmacological intervention for better pain treatments.

著者: Victoria Booth, A. G. Ginsberg, S. F. Lempka, B. Duan, J. Crodelle

最終更新: 2024-06-10 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.10.598179

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.10.598179.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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