心理所在《自然-人類(lèi)行為》發(fā)表研究揭示疼痛特異的丘腦皮層神經(jīng)活動(dòng)模式
疼痛具有重要的適應性?xún)r(jià)值,能保護我們的身體免受實(shí)際或潛在的傷害。然而,持續存在的慢性疼痛則十分有害,不僅會(huì )影響機體功能,誘發(fā)各種并發(fā)癥,危害身體健康,還會(huì )嚴重損害人們的生活質(zhì)量,造成巨額社會(huì )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,但以往研究有一個(gè)長(cháng)期未解決的關(guān)鍵科學(xué)難題:大腦中是否存在特異性編碼疼痛的腦區和神經(jīng)活動(dòng)模式?
為此,中國科學(xué)院心理健康重點(diǎn)實(shí)驗室涂毅恒研究組和胡理研究組合作開(kāi)展了一項大樣本、跨物種研究。研究人員使用人類(lèi)神經(jīng)成像技術(shù)和大鼠在體電生理技術(shù)開(kāi)展了三個(gè)子研究(圖1),揭示了丘腦背內側核(medial-dorsal thalamic nucleus, MD)神經(jīng)活動(dòng)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(guān)成果已在線(xiàn)發(fā)表于Nature Human Behaviour,題為Pain-preferential thalamocortical neural dynamics across species。
圖1. 研究問(wèn)題、數據集和實(shí)驗設計概況
研究一在兩個(gè)人類(lèi)fMRI數據集(n=399和n=25)中識別出了對疼痛起特異性響應的丘腦核團及丘腦皮層功能連接。數據集1包括399名參與者接受疼痛刺激、觸覺(jué)刺激、視覺(jué)刺激和聽(tīng)覺(jué)刺激的fMRI數據。傳統的單變量分析僅發(fā)現了軀體感覺(jué)特異的腦區活動(dòng)(ventral posterolateral nucleus [VPL] in thalamus,圖2)。為了考察多個(gè)體素的活動(dòng)模式是否是疼痛特異的,研究人員使用多變量模式分析(MVPA)對數據進(jìn)行了深入分析,發(fā)現疼痛刺激而非其他感覺(jué)模態(tài)刺激引發(fā)了MD核團更強的激活,而且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)。
圖2. 疼痛顯著(zhù)激活MD及其與皮層腦區(背側前扣帶回和腦島)的功能連接
前人研究發(fā)現,大多數疼痛誘發(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,研究人員單獨采集了25名參與者的fMRI數據、刺激突顯性主觀(guān)評分和可客觀(guān)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(jué)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(jué)刺激相比,MD對疼痛刺激的響應顯著(zhù)更強(圖3)??梢?jiàn),MD活動(dòng)反映的確是疼痛,而非刺激突顯性。
圖3. 與同等突顯性的觸覺(jué)刺激相比,MD對疼痛刺激的響應顯著(zhù)更強
為了揭示MD特異性處理疼痛信息的動(dòng)態(tài)時(shí)間特征,研究二使用了與研究一相同的實(shí)驗范式,采集了220名參與者的EEG數據(這些參與者同時(shí)也完成了研究一的fMRI實(shí)驗)。研究人員綜合利用多變量模式分析和表征相似性分析(RSA),實(shí)現了fMRI和EEG數據的跨模態(tài)融合,進(jìn)而確定了一個(gè)重要的時(shí)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(zhù)相關(guān)(圖4)。這一結果揭示了MD特異性加工疼痛信息的精準時(shí)間特征。
圖4. 腦電的神經(jīng)表征與MD的神經(jīng)表征在刺激后89ms~295ms顯著(zhù)相關(guān)
為直接記錄MD核團的神經(jīng)元活動(dòng),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(jué)皮層])電生理數據,結果發(fā)現:相較于觸覺(jué)刺激,MD對疼痛刺激產(chǎn)生了更強的神經(jīng)元放電響應,并且MD與ACC之間具有顯著(zhù)更強的神經(jīng)信號相干性(圖5)。該發(fā)現不僅在動(dòng)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,還有力證實(shí)了疼痛特異性腦區和神經(jīng)活動(dòng)模式具有跨物種一致性。
圖5. MD對疼痛刺激具有更強的神經(jīng)元放電響應,并與ACC之間具有更強的相干性
綜上,該研究刻畫(huà)了疼痛感知背后復雜的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)特征,在宏觀(guān)層面鑒別出了MD及其與ACC的連接這一特異性疼痛加工神經(jīng)活動(dòng)模式(圖6),并證明了此神經(jīng)模式在人類(lèi)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(shù)手段,有機整合了不同層次的人類(lèi)和動(dòng)物研究,不僅發(fā)現了新的疼痛感知特異性神經(jīng)機制,也為疼痛管理中的針對性干預提供了潛在靶點(diǎn),為促進(jìn)疼痛研究的進(jìn)一步深化和研究成果的轉化應用提供了理論基礎。
圖6. 疼痛優(yōu)先和軀體感覺(jué)優(yōu)先(疼痛和觸覺(jué))的丘腦皮質(zhì)通路
涂毅恒研究員得到了科技部科技創(chuàng )新2030“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”青年科學(xué)家項目(2022ZD0206400)、國家自然科學(xué)基金項目(32322035和32171078)、中國科學(xué)院心理研究所科學(xué)基金(E0CX52和E2CX4015)、中國科協(xié)青年人才托舉項目(E1KX0210)的支持。胡理研究員得到了國家自然科學(xué)基金項目(32071061)和北京市自然科學(xué)基金(JQ22018)的支持。
論文第一作者為心理所涂毅恒研究員,他與胡理研究員擔任共同通訊作者。其他共同作者包括心理所李鎮江(在讀博士生)、張立波博士、張會(huì )娟博士、畢研芝助理研究員和岳路鵬助理研究員。
論文信息:
Yiheng Tu*, Zhenjiang Li, Libo Zhang, Huijuan Zhang, Yanzhi Bi, Lupeng Yue, Li Hu*. Pain-preferential thalamocortical neural dynamics across species. Nature Human Behaviour, 2023. https://doi.org/10.1038/s41562-023-01714-6
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