心理所揭示疼痛特異的丘腦皮層神經(jīng)活動模式

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疼痛具有重要的適應性價值，可以保護我們的身體免受實際或潛在的傷害。然而，持續(xù)存在的慢性疼痛十分有害，不僅會影響機體功能，誘發(fā)各種并發(fā)癥，危害身體健康，而且會嚴重損害人們的生活質量，造成社會經(jīng)濟損失。解析疼痛的神經(jīng)編碼模式對于評估和干預疼痛具有重要意義，但以往研究存在未解決的關鍵科學難題，即大腦中是否存在特異性編碼疼痛的腦區(qū)和神經(jīng)活動模式？

中國科學院心理研究所心理健康重點實驗室涂毅恒研究組和胡理研究組合作，開展了一項大樣本、跨物種研究?？蒲腥藛T使用人類神經(jīng)成像技術和大鼠在體電生理技術開展了三個子研究（圖1），揭示了丘腦背內側核（medial-dorsal thalamic nucleus，MD）神經(jīng)活動及其與前扣帶皮層（anterior cingulate cortex，ACC）的連接可特異性編碼疼痛。相關研究成果以Pain-preferential thalamocortical neural dynamics across species為題，在線發(fā)表在《自然-人類行為》（Nature Human Behaviour）上。

研究一在兩個人類fMRI數(shù)據(jù)集（n=399和n=25）中識別出對疼痛起特異性響應的丘腦核團及丘腦皮層功能連接。數(shù)據(jù)集1包括399名參與者接受疼痛刺激、觸覺刺激、視覺刺激和聽覺刺激的fMRI數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的單變量分析僅發(fā)現(xiàn)了軀體感覺特異的腦區(qū)活動（ventral posterolateral nucleus [VPL] in thalamus，圖2）。為了考察多個體素的活動模式是否是疼痛特異的，研究使用多變量模式分析（MVPA）對數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)了疼痛刺激而非其他感覺模態(tài)刺激引發(fā)了MD核團更強的激活，且MD與背側前扣帶皮層（dACC）和島葉（insula）的功能連接在疼痛條件下更強（圖2）。

前人研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)疼痛誘發(fā)腦激活反映的可能是刺激突顯性（salience），而非疼痛本身。為了排除刺激突顯性差異的潛在混淆，研究單獨采集了25名參與者的fMRI數(shù)據(jù)、刺激突顯性主觀評分和可客觀反映突顯性的皮膚電導響應（skin conductance response，SCR）。結果顯示，利用突顯性評分和SCR響應匹配疼痛和觸覺刺激的突顯性之后，MD對疼痛刺激的特異性響應仍然存在：與同等突顯性的觸覺刺激相比，MD對疼痛刺激的響應顯著更強（圖3）?？梢?，MD活動反映的確是疼痛，而非刺激突顯性。

為了揭示MD特異性處理疼痛信息的動態(tài)時間特征，研究二使用了與研究一相同的實驗范式，采集了220名參與者的EEG數(shù)據(jù)（這些參與者同時完成了研究一的fMRI實驗）。研究綜合利用多變量模式分析和表征相似性分析（RSA），實現(xiàn)了fMRI和EEG數(shù)據(jù)的跨模態(tài)融合，進而確定了一個重要的時間窗口：在施加疼痛刺激后89ms~295ms之間，EEG的神經(jīng)表征與MD的神經(jīng)表征顯著相關（圖4）。這揭示了MD特異性加工疼痛信息的精準時間特征。

為直接記錄MD核團的神經(jīng)元活動，驗證fMRI和EEG結果的可靠性，研究三同步采集了9只大鼠的丘腦（MD和VPL）和皮層【ACC和S1（初級軀體感覺皮層）】電生理數(shù)據(jù)。結果發(fā)現(xiàn)：相較于觸覺刺激，MD對疼痛刺激產生了更強的神經(jīng)元放電響應，且MD與ACC之間具有顯著更強的神經(jīng)信號相干性（圖5）。該發(fā)現(xiàn)不僅在動物模型上為MD及MD-ACC通路特異性表征疼痛信息提供了直接證據(jù)，而且證實了疼痛特異性腦區(qū)和神經(jīng)活動模式具有跨物種一致性。

綜上，該研究刻畫了疼痛感知背后復雜的神經(jīng)動力學特征，在宏觀層面鑒別出MD及其與ACC的連接這一特異性疼痛加工神經(jīng)活動模式（圖6），并證明了此神經(jīng)模式在人類與大鼠中的跨物種一致性。該研究從跨物種角度入手，采用不同的技術手段，有機整合了不同層次的人類和動物研究，發(fā)現(xiàn)了新的疼痛感知特異性神經(jīng)機制，為疼痛管理中的針對性干預提供了潛在靶點，并為促進疼痛研究的進一步深化和研究成果的轉化應用奠定了理論基礎。

研究工作得到科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學與類腦研究”青年科學家項目、國家自然科學基金、心理所科學基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程和北京市自然科學基金的支持。

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心理所揭示疼痛特異的丘腦皮層神經(jīng)活動模式-肽度TIMEDOO