心理所研究揭示疼痛誘發(fā)高頻振蕩信號的神經(jīng)活動(dòng)基礎
疼痛是什么?幾乎每個(gè)人都非常清楚這個(gè)問(wèn)題的答案。即便是只有幾歲的孩童,生活的經(jīng)驗也足以讓其明了“痛”是一種怎樣的體驗。不過(guò),要具體描述自己有多痛卻又不那樣簡(jiǎn)單,讓別人知曉自己的疼痛則更加困難。事實(shí)上,對疼痛的客觀(guān)和準確評估是疼痛研究的最大難題之一。
以往研究發(fā)現,疼痛誘發(fā)的gamma頻段高頻振蕩信號(gamma band oscillations,GBO)是最能客觀(guān)反映疼痛程度的特異性生物指標之一(Hu &Iannetti, 2019; Peng et al., 2018)。然而,GBO的神經(jīng)起源一直以來(lái)存在較大爭議:有些研究提示,GBO可能來(lái)源于初級軀體感覺(jué)皮層(primary somatosensory cortex,S1)(Peng et al., 2018; Zhang et al., 2012),而另一些研究則支持GBO起源于初級運動(dòng)皮層(primary motor cortex,M1)(Schulz et al., 2012)。值得注意的是,這些研究多借助腦電技術(shù)研究GBO的特性,但腦電空間分辨率低,難以明確GBO的腦內神經(jīng)電生理活動(dòng)基礎。
為克服腦電研究的這些缺點(diǎn)、深入探究疼痛誘發(fā)GBO的腦內神經(jīng)來(lái)源,中國科學(xué)院心理健康重點(diǎn)實(shí)驗室的岳路鵬博士和胡理研究員開(kāi)發(fā)了同步記錄動(dòng)物皮層腦電(ECoG)和多腦區腦內神經(jīng)活動(dòng)的實(shí)驗范式。在給大鼠施加激光疼痛刺激的同時(shí),同步記錄大鼠ECoG和雙側S1和M1不同深度的神經(jīng)電生理信號,通過(guò)分析腦內局部場(chǎng)電位(local field potential,LFP)和神經(jīng)元放電(spikes)與ECoG信號的關(guān)系來(lái)揭示GBO的神經(jīng)起源,發(fā)現ECoG記錄到的疼痛誘發(fā)GBO來(lái)源于疼痛刺激對測S1的淺層中間神經(jīng)元。
具體來(lái)說(shuō),該研究主要提供了四個(gè)方面的研究結果,支持GBO源于疼痛對側S1的假說(shuō)。
第一,相較于其它腦區,位于傷害性疼痛刺激對側的S1淺層LFP的GBO能量最大。
第二,位于傷害性疼痛刺激對側的S1淺層LFP與ECoG所觀(guān)測到的GBO具有最高的相位相關(guān)性,且僅S1淺層內的疼痛誘發(fā)GBO在發(fā)生時(shí)間上早于ECoG記錄到的GBO(圖1)。
圖1 皮層腦電(ECoG)和雙側初級軀體感覺(jué)運動(dòng)皮層局部場(chǎng)電位(LFP)所記錄到的疼痛誘發(fā)高頻振蕩信號(GBO)在能量和相位上的關(guān)系
第三,S1和M1內的中間神經(jīng)元對疼痛刺激的響應存在著(zhù)重要差異:一方面,對側S1中間神經(jīng)元比同側S1中間神經(jīng)元具有更高的誘發(fā)放電率,而雙側M1中間神經(jīng)元誘發(fā)放電率則沒(méi)有顯著(zhù)差異;另一方面,S1中間神經(jīng)元比M1中間神經(jīng)元具有更強的興奮性響應和更弱的抑制性響應。
第四,僅對側S1淺層的中間神經(jīng)元放電與ECoG記錄到的疼痛誘發(fā)GBO高度相關(guān)(圖2)。
圖2 雙側軀體感覺(jué)運動(dòng)皮層的神經(jīng)元放電(spikes)與皮層腦電(ECoG)所記錄到的疼痛誘發(fā)高頻振蕩(GBO)的關(guān)系
這些研究結果相互印證,揭示了疼痛誘發(fā)GBO的神經(jīng)起源,加深了人們對GBO這一潛在的疼痛客觀(guān)評估指標的神經(jīng)電生理機制的認識。
研究成果已在線(xiàn)發(fā)表于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊The Journal of Neuroscience。
該研究受?chē)易匀豢茖W(xué)基金委項目(31822025和31671141)、中國科學(xué)院心理研究所科研啟動(dòng)基金(Y6CX021008)等資助。
論文信息:
Yue, L. P., Iannetti, G. D., & Hu, L. (2020). The neural origin of nociceptive-induced gamma band oscillations. The Journal of Neuroscience. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0255-20.2020
論文鏈接:
https://www.jneurosci.org/content/early/2020/03/27/JNEUROSCI.0255-20.2020
參考文獻:
Hu, L., &Iannetti, G. D. (2019). Neural indicators of perceptual variability of pain across species. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(5), 1782–1791.
Peng, W., Xia, X., Yi, M., Huang, G., Zhang, Z., Iannetti, G., & Hu, L. (2018). Brain oscillations reflecting pain-related behavior in freely moving rats. Pain, 159(1), 106–118.
Schulz, E., Tiemann, L., Witkovsky, V., Schmidt, P., &Ploner, M. (2012). Gamma oscillations are involved in the sensorimotor transformation of pain. Journal of Neurophysiology, 108(4), 1025–1031.
Yue, L. P., Iannetti, G. D., & Hu, L. (2020). The neural origin of nociceptive-induced gamma band oscillations.The Journal of Neuroscience. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0255-20.2020
Zhang, Z. G., Hu, L., Hung, Y. S., Mouraux, A., &Iannetti, G. D. (2012). Gamma-band oscillations in the primary somatosensory cortex—A direct and obligatory correlate of subjective pain intensity. The Journal of Neuroscience, 32(22), 7429–7438.
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