剧烈且无法控制的疼痛会导致过度呼吸。在恐惧状态下、创伤后应激障碍下呼吸节律也变得更深、更浅。控制呼吸节律的脑桥呼吸组位于脑桥头端，包括臂旁核(PB)等结构，存在较多呼气神经元的部分，整合情感和感觉信息输入。

        已有研究表明激活背侧PB引起呼吸急促，而激活腹侧PB则引起呼吸暂停、呼吸缓慢。外侧PB将来自脊髓的疼痛信号传递到前脑，外侧PB神经元表达编码μ-阿片类受体的基因Oprm1。Oprm1 基因敲除小鼠能够阻断吗啡引起的镇痛作用。

        2021年12月17日美国加州索尔克生物研究所Sung Han研究团队发现外侧臂旁核表达Oprm1的神经元同时控制呼吸和疼痛、焦虑。

        他们通过Oprm1 –Cre工具小鼠注射携带钙离子指示剂的AAV后发现小鼠在呼吸过程中外侧PB脑区Oprm1能神经元活性明显增加，而外侧PB脑区其他类型神经元并不编码与呼吸相关的行为信息。化学激活外侧PB脑区Oprm1能神经元(以下简称PBL-Oprm1神经元)能够增加小鼠呼吸速率，抑制该类型神经元后减弱呼吸速率。

        更有意思的是，单细胞水平的钙成像技术发现大多数PBL-Oprm1神经元对疼痛和呼吸是同时响应的，具体为62%的神经元同时响应，14.8%神经元仅响应于呼吸，21.3%神经元仅响应于疼痛。

        逆行示踪病毒揭示PBL-Oprm1神经元接受来自于杏仁核中央核(CeA)、终纹床核(BNST)、丘脑后叶内下纵束旁核、上丘 (SC)、孤束核 (NTS) 和脊髓等输入。

        顺行示踪病毒发现PBL-Oprm1神经元投射到下丘脑、CeA 、BNST、前包钦格复合体(preBotC)等脑区。preBotC被认为是呼吸节律起源。化学遗传学激活PBL-Oprm1神经元投射到preBotC的环路后增加小鼠呼吸速率。

        通过用55摄氏度的热棒触摸尾巴或300g重物压住尾巴产生有害的疼痛刺激后，小鼠的呼吸速率明显增加，与此同时PBL-Oprm1神经元钙离子活性明显增强。光抑制上述神经元后能够缓解疼痛刺激引起的呼吸增强。

        由于PBL-Oprm1神经元与调控情绪和疼痛的脑区CeA 、BNST存在交互投射，因此研究人员推测PBL-Oprm1神经元可能参与疼痛和焦虑行为。随后的实验证实了这种猜测：抑制PBL-Oprm1神经元活性后能够有效缓解足底电击引起疼痛情绪，也能够促进小鼠更多的停留在高架实验的开放臂中。

        从解剖形状来看，PBL-Oprm1神经元投射到CeA (PBL→CeA)和PBL-Oprm1神经元投射到preBotC(PBL→preBotC)形成类似于NAc脑区的‘‘core-shell’’结构，其中PBL→CeA形成core结构，PBL→preBotC形成shell结构。

        进一步的实验表明光激活PBL的core区或shell区神经元后小鼠呼吸频率增加，加重疼痛感觉(在高温板上跳跃的次数增加)，减少小鼠在开放臂的停留时间(促进焦虑)。

        而在抑制core区或shell区神经元均能降低呼吸频率，不同的是，抑制core区能够缓解疼痛情绪，增加小鼠在开放臂的停留时间(抗焦虑)，但抑制shell区神经元则没有这些效应。这些结果表明PBL的core区、shell区神经元通过不同程度的、不同活性的(激活或抑制)调控呼吸和疼痛情绪。

        总的来说，本文揭示了在臂旁核存在一类同时调控呼吸和疼痛等负性情绪的神经元群：PBL-Oprm1神经元，这类神经元群形成‘‘core-shell’’结构，分别投射到前脑和后脑区域发挥不同的作用。