紫杉醇诱导神经病理性疼痛小鼠模型中的动机行为缺陷

《Physiology & Behavior》：Deficits in motivated behavior in a mouse model of paclitaxel-induced neuropathic pain

　　

紫杉醇（paclitaxel）广泛用于常见恶性肿瘤的化学治疗。然而，其给药常与慢性疼痛及继发的抑郁、焦虑和动机缺乏相关，这些均导致患者社会生活困难。在紫杉醇诱导的神经病小鼠模型中，腹腔注射紫杉醇后数天内出现机械性痛觉过敏（mechanical allodynia），随后出现抑郁样和焦虑样行为。然而，研究人员不清楚此期间动机行为是否出现缺陷，以及其症状时间进程是否与疼痛行为相关。本研究中，研究人员调查了基于运动的行为表现变化。在紫杉醇注射前，研究人员对小鼠进行操作性条件反射任务（operant conditioning task）训练。在该任务中，小鼠接受水限制并在聚苯乙烯圆盘上头部固定，自发跑动以触发试验。紫杉醇注射后，研究人员对任务表现变化进行了4周的观察。这些小鼠在第1周内出现机械性高敏感性；然而，任务成功率的下降在第2周后才变得明显。随后，从第3周开始，与溶媒处理的小鼠相比，紫杉醇处理的小鼠试验次数、预期舔舐（anticipatory licking）的舔舐率以及朝向奖励的运动速度均降低。此外，在紫杉醇处理的小鼠中，静息状态下c-Fos水平在行为障碍期间于杏仁核中升高，该区域与情绪和动机行为相关。这些结果表明，在紫杉醇处理的小鼠中，降低的奖励预期和受损的指向目标行为可在疼痛相关行为发作后1周观察到。

该研究由Tomofumi Otsuki等研究人员完成，发表于《Physiology》杂志。研究旨在探究紫杉醇化疗诱发神经病理性疼痛后，小鼠动机行为的动态变化规律及其神经机制，为理解慢性疼痛共病情感障碍（affective disorders）提供实验依据。

### 研究背景与问题提出

紫杉醇（paclitaxel）是通过促进微管异常聚集体形成、干扰细胞功能与增殖而发挥抗肿瘤作用的化疗药物，广泛应用于乳腺癌、卵巢癌及肺癌等恶性肿瘤的治疗。然而，其临床应用常伴随周围神经病变（peripheral neuropathy）这一副作用，多数病例进展为慢性疼痛。更为严重的是，患者常出现抑郁、焦虑等负性心理状态，以及动机缺乏（lack of motivation）等症状，显著损害生活质量。动机障碍（motivated behavior deficits）是情感障碍的核心特征之一，表现为启动和完成目标导向行为的意愿降低。由于动机行为受奖励相关信息（reward-related information）的强烈塑造，慢性疼痛状态下脑内奖励加工（reward processing）的改变可能促成情感障碍的发生。尽管啮齿类疼痛模型研究表明，紫杉醇处理小鼠出现机械性痛觉过敏及抑郁样、焦虑样行为和快感缺失（anhedonia），但动机行为的变化及其背后的神经病理机制尚不明确。运动活动和舔舐行为是评估啮齿类动机性、目标导向行为的关键指标：运动是启动和维持目标导向行为的必要条件，而舔舐行为则反映奖励预期（reward expectation）与消耗等奖励加工过程。近年来，杏仁核（amygdala）和内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）被报道参与疼痛相关的情感障碍，但其与紫杉醇处理小鼠行为改变的具体关联仍需阐明。

### 主要技术方法

研究人员采用雄性C57BL/6J小鼠，建立紫杉醇诱导神经病理性疼痛模型：腹腔注射紫杉醇（8 mg/kg体重，隔日一次，共4天）。行为学方面，采用头部固定的基于运动的操作性条件反射任务（locomotor-based operant conditioning task），小鼠需自发跑动并使速度达到阈值（15 cm/s）以触发试验，持续维持该速度1秒即为成功试验，可获得水奖励。试验中通过红外光束传感器记录舔舐事件，通过增量式光学编码器（分辨率500计数/转，采样频率100 Hz）记录跑盘转速，数据以1 kHz采样率由基于MicroPython的微控制器pyControl采集。组织学方面，于注射后第7天（第1周）和第17天（第3周）进行c-Fos免疫组织化学染色，利用荧光显微镜成像，并采用基于MATLAB的自动化细胞检测程序进行c-Fos阳性神经元计数，脑区定位参照小鼠脑图谱。统计分析采用双因素重复测量方差分析（two-way repeated-measures ANOVA）、双因素方差分析、Bonferroni事后检验、Mann-Whitney U检验、Wilcoxon符号秩检验及卡方检验。

### 研究结果

**3.1 紫杉醇处理小鼠持续性疼痛的进展**

研究人员通过von Frey丝试验测定50%爪缩回阈值（50% paw withdrawal threshold, 50% PWT），采用上下法（up-and-down method）评估机械性痛觉敏感程度。结果显示，与溶媒处理组（n=6）相比，紫杉醇处理组（n=6）小鼠后爪50% PWT在首次注射后2-3天内显著降低，该机械性高敏感性持续3周，至第4周开始缓解。两组体重变化无显著差异，表明神经病理性疼痛模型成功建立。

**3.2 操作性条件反射任务中的运动与舔舐行为**

在注射前，小鼠经训练执行头部固定的操作性条件反射任务（n=8/组）。随着训练进行，小鼠学会自发启动跑动以触发试验，并将速度维持在阈值以上以获得奖励，试验成功率逐渐提高并在6个训练期后超过80%。同时，试验次数随学习进程增加，表明小鼠有效掌握了任务中的运动启动与停止。舔舐行为参数（包括舔舐起始时间、预期舔舐率和消耗性舔舐率）随学习显著变化：训练后小鼠的舔舐起始时间提前，预期舔舐和消耗性舔舐增加，表明其成功将运动行为与奖励递送时间关联。两组小鼠在最终训练期的各项参数均无显著差异，确保分组基线一致。

**3.3 紫杉醇处理小鼠目标导向行为中的缺陷**

紫杉醇或溶媒注射后，紫杉醇处理组小鼠的任务表现从第2周开始出现变化。具体而言，紫杉醇处理小鼠的试验成功率从第2周起显著下降，而溶媒处理组多数试验期维持80%以上的成功率。从第3周开始，紫杉醇处理小鼠的试验次数显著低于溶媒处理组。然而，运动参数如总运动距离和试验中峰值跑速在此期间基本不受影响。这些发现表明，紫杉醇处理小鼠的动机行为在注射后2-3周受到显著影响，但运动活动本身未受损害。此外，尽管单期运动距离未变，紫杉醇处理小鼠试验次数减少，提示其在非奖励导向期（non-reward-directed period）的停止存在困难。

**3.4 紫杉醇处理小鼠舔舐行为的改变**

紫杉醇处理小鼠的预期舔舐行为在注射后第2周开始下降。具体表现为：舔舐起始时间在注射后各session有延迟趋势；预期舔舐率在第3周显著低于溶媒处理组；而消耗性舔舐率未受显著影响。研究人员进一步分析试验结果对舔舐行为的影响，发现失败试验中的预期舔舐率低于成功试验，而峰值跑速在两条件下无差异，提示成功率下降与奖励预期降低而非运动功能障碍相关。此外，紫杉醇处理小鼠在第3周时，前一试次未获奖赏后的预期舔舐率降低，表明先前试验结果也影响其奖励预期。

**3.5 紫杉醇处理小鼠低效表现期（poor-performance sessions）的行为参数**

由于紫杉醇处理小鼠的任务成功率在第2-3周后显著下降，研究人员进一步分析了低效表现期（成功率低于80%）的行为特征。结果显示，低效表现期在第3周的比例显著增加。在这些低效表现期中，小鼠表现出延长的非奖励导向期，但峰值跑速未变；同时，预期舔舐率显著降低。这些结果表明，紫杉醇处理小鼠在基于运动的任务中频繁出现低效表现，特征为预期舔舐减少及奖励递送后朝向后续试验的动机行为降低。

**3.6 紫杉醇注射对杏仁核和内侧前额叶皮层c-Fos表达的影响**

c-Fos免疫组织化学结果显示，在注射后第3周（第17天），紫杉醇处理小鼠基底外侧杏仁核（basolateral amygdala, BLA）中c-Fos阳性神经元数量显著增加，而中央杏仁核（central nucleus of the amygdala, CeA）无显著变化；该效应在第1周（第7天）未出现。然而，mPFC的 prelimbic（PrL）和infralimbic（IL）皮层在第1周和第3周均未显示组间差异。这些结果表明，紫杉醇处理小鼠在BLA的活动在行为障碍期（第3周）升高，而非疼痛相关行为出现的第1周。

### 讨论与结论

该研究建立了头部固定的基于运动的操作性条件反射任务，以定量评估持续性疼痛小鼠模型的动机行为，并对4周内的行为表现变化进行了纵向评估。结果表明，紫杉醇处理小鼠在机械性痛觉过敏出现后，动机行为障碍呈现延迟性发作，同时伴随着杏仁核神经活动的改变。

紫杉醇处理小鼠的机械性高敏感性在注射后第1周内出现，并持续3周，随后逐渐缓解。任务表现的障碍则在第2周后变得明显，并持续整个实验期。这种时间特征与既往慢性疼痛模型的研究发现一致，即情感障碍样行为在疼痛相关症状后出现延迟发作。该时间对应关系提示，目标导向行为缺陷可能是持续性疼痛相关情感障碍的基础，而非急性疼痛的表现。此外，即使机械性高敏感性开始缓解，动机行为的损害仍持续至第4周，表明单纯疼痛缓解并不能立即恢复动机，这与既往研究发现的焦虑和抑郁样行为在痛觉过敏消退后仍持续数周的现象相符。因此，针对动机行为缺陷的干预（如认知行为治疗）具有重要意义。

研究人员指出，紫杉醇处理小鼠试验次数减少、成功率降低，但峰值跑速和总运动距离未受影响，且体重变化及限水导致的体重下降与溶媒组无差异，消耗性舔舐亦未改变。这些发现排除了运动功能障碍、口渴动机降低或不适（malaise）导致行为改变的解释，表明任务表现损害主要反映为获取奖励的参与度（engagement）降低和奖励预期下降，而非奖励价值（reward value）的改变。此外，先前试验未获奖赏后预期舔舐的降低，以及由此导致的后续任务失败，可能形成"失败-预期降低-进一步失败"的恶性循环，这或许解释了动机行为障碍在疼痛缓解后仍持续存在的原因。

在神经机制方面，紫杉醇处理小鼠在行为障碍期（第3周）表现出BLA静息状态c-Fos水平的显著升高，而在疼痛发作期（第1周）无此现象，该时间差异与动机行为障碍的出现时间相对应。既往研究表明，BLA神经活动的增强可诱导动机行为缺陷；在关节炎疼痛模型中，杏仁核活动增加伴随mPFC激活降低。该研究结果提示，BLA的异常激活可能促成了紫杉醇处理小鼠中观察到的预期舔舐减少和试验过早终止。此外，既往类似模型研究发现，杏仁核兴奋性谷氨酸能神经元活动的抑制可改善焦虑样行为，这进一步支持杏仁核异常神经活动参与目标导向行为脱离（disengagement）的观点。

该研究亦存在若干局限性：首先，动机行为改变是否直接由持续性疼痛驱动尚不明确，未来需通过镇痛干预实验加以验证；其次，BLA异常神经活动与行为改变之间的因果关系有待建立，且紫杉醇处理对多巴胺能通路（尤其是腹侧被盖区ventral tegmental area的多巴胺能神经元）的影响尚未考察；第三，静息状态下BLA的c-Fos升高可能与动机行为变化无特异性关联，需采用遗传学方法进一步确定因果关系；最后，该研究仅纳入雄性小鼠，雌性小鼠是否存在类似行为改变有待研究。

**研究结论**：该研究发现，紫杉醇诱导的机械性痛觉过敏发作后1-2周，小鼠表现出动机行为缺陷，包括成功率降低、试验次数减少，伴随预期舔舐减少和任务中运动时间控制的损害。同时，此期间观察到紫杉醇处理小鼠BLA中c-Fos阳性神经元数量增加，提示杏仁核神经活动的改变参与该行为变化。这些发现表明，动机行为缺陷是持续性疼痛患者情感障碍的基础，其与奖励预期障碍相关。