羅格斯大學(xué)Victoria E. Abraira和哥倫比亞大學(xué)Ishmail Abdus-Saboor團(tuán)隊(duì)于2023年7月12日在Neuron發(fā)表原著論文，利用機(jī)器學(xué)習(xí)工具揭示了在疼痛、鎮(zhèn)痛和恢復(fù)狀態(tài)下的誘發(fā)性疼痛和自發(fā)性疼痛行為。

2023年7月12日，羅格斯大學(xué)Victoria E. Abraira和哥倫比亞大學(xué)Ishmail Abdus-Saboor團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)工具揭示了在疼痛、鎮(zhèn)痛和恢復(fù)狀態(tài)下的誘發(fā)性疼痛和自發(fā)性疼痛行為。該論文發(fā)表在Neuron上。

為了找出表征不同模型中痛覺(jué)行為變化的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，研究人員首先在炎癥性疼痛模型和OA疼痛模型中測(cè)定了傳統(tǒng)的誘發(fā)痛行為（熱痛、機(jī)械痛行為）和自發(fā)痛行為（后肢站立時(shí)間）。結(jié)果表明，在構(gòu)建炎癥性疼痛模型24h后，站立時(shí)間已經(jīng)恢復(fù)正常，但熱痛閾值依然顯著降低；OA模型中的D3和D10時(shí)間點(diǎn)的機(jī)械痛閾值和站立時(shí)間無(wú)明顯差異。

進(jìn)一步，研究人員利用電生理記錄了支配對(duì)應(yīng)疼痛區(qū)域的感覺(jué)神經(jīng)元的電活動(dòng)，結(jié)果表明炎癥性疼痛模型中4h時(shí)的神經(jīng)元的興奮性顯著增高，在24h時(shí)與對(duì)照組無(wú)顯著差異；OA模型中的D3和D10時(shí)的神經(jīng)元興奮性均顯著增高。此外，對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的感覺(jué)神經(jīng)元的TRPV1的表達(dá)水平測(cè)定結(jié)果表明，炎癥性疼痛模型中24h時(shí)的TRPV1的表達(dá)仍顯著升高。這些結(jié)果說(shuō)明，分子表達(dá)水平、自發(fā)痛行為及誘發(fā)痛行為之間在同一時(shí)間點(diǎn)上存在不一致，現(xiàn)有的行為試驗(yàn)對(duì)于表征痛覺(jué)的動(dòng)態(tài)變化是不充分的。

圖1、炎癥性疼痛模型和OA疼痛模型在不同時(shí)間范圍內(nèi)導(dǎo)致誘發(fā)性疼痛行為改變和感覺(jué)神經(jīng)元的興奮性增高

為了探究誘發(fā)痛行為的動(dòng)態(tài)變化，研究人員利用高速攝像記錄毛刷和針刺刺激后的動(dòng)物行為。結(jié)果表明，炎癥性疼痛模型后對(duì)毛刷和針刺刺激的反射性行為的時(shí)間變化與傳統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果一致，但針刺刺激在4h和24h時(shí)所誘發(fā)的甩爪（paw shaking）和護(hù)爪（paw guarding）時(shí)間均顯著延長(zhǎng)。進(jìn)一步采用無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)工具對(duì)錄像進(jìn)行解析，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種不同的護(hù)爪行為：成角護(hù)爪（angled guarding）在毛刷刺激后顯著增加，水平護(hù)爪（flat guarding）在針刺刺激后顯著增加。該結(jié)果說(shuō)明，成角護(hù)爪可用于表征allodynia，水平護(hù)爪用于表征hyperalgesia。這是目前為止首次發(fā)現(xiàn)能區(qū)分誘發(fā)痛中的allodynia和hyperalgesia行為的研究。

圖2、自動(dòng)疼痛評(píng)估工具PAWS和B-SOiD檢測(cè)出炎癥性疼痛相關(guān)的防御性行為

進(jìn)一步，研究人員利用飛行時(shí)間紅外攝像機(jī)結(jié)合無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)工具，探究能表征炎癥性疼痛模型中的自發(fā)痛的行為模塊。該分析鑒定出了四種行為模塊：移動(dòng)、梳毛、停止、站立。與傳統(tǒng)行為分析結(jié)果不同，該研究結(jié)果表明，炎癥性疼痛模型后24h時(shí)的站立行為模塊依然顯著降低。此外，不同疼痛模型以及不同時(shí)間點(diǎn)的行為模塊的變化不同，說(shuō)明行為模塊的變化組合能夠表征自發(fā)痛的動(dòng)態(tài)變化。

圖3、3D姿勢(shì)分析檢測(cè)出自發(fā)痛的行為特征

此外，研究人員對(duì)模型動(dòng)物給與鎮(zhèn)痛藥加巴噴丁或美洛昔康，并分別采用傳統(tǒng)行為學(xué)試驗(yàn)和上述新方法進(jìn)行行為學(xué)分析。傳統(tǒng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加巴噴丁能顯著提高OA疼痛模型的機(jī)械痛閾值，美洛昔康能緩解炎癥性疼痛模型的熱痛行為。新方法分析結(jié)果表明，兩藥能緩解誘發(fā)痛，但自發(fā)行為并不能恢復(fù)到建模前狀態(tài)。

圖4、美洛昔康能緩解誘發(fā)痛但不能使自發(fā)行為恢復(fù)到炎癥前狀態(tài)，而加巴噴丁能改善OA模型的自發(fā)行為

該研究還發(fā)現(xiàn)不同行為序列（行為模塊的排列順序）能夠用于預(yù)測(cè)疼痛和鎮(zhèn)痛狀態(tài)。在延長(zhǎng)炎癥性疼痛模型的觀(guān)察時(shí)間后，研究人員利用3D姿勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，在建模14天后，站立模塊依然顯著降低、停止模塊依然顯著升高，表明自發(fā)痛行為長(zhǎng)期存在。

綜上，該研究綜合利用了疼痛模型、電生理記錄、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、監(jiān)督及無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)和藥理學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了不同模型中的誘發(fā)性疼痛行為以及分別表征疼痛、鎮(zhèn)痛和恢復(fù)狀態(tài)的自發(fā)性疼痛行為模塊和序列。該研究還發(fā)現(xiàn)了鎮(zhèn)痛藥物并不能使行為恢復(fù)到建模前狀態(tài)，而是誘導(dǎo)了一系列全新的行為。利用這些行為模塊有助于開(kāi)發(fā)全新的痛覺(jué)檢測(cè)和評(píng)估方法。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.06.008

參考文獻(xiàn)：

Bohic M, Pattison LA, Jhumka ZA, et al. Mapping the neuroethological signatures of pain, analgesia, and recovery in mice [published online ahead of print, 2023 Jul 6]. Neuron. 2023;S0896-6273(23)00464-6. doi:10.1016/j.neuron.2023.06.008