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科研進(jìn)展

心理所研究揭示丘腦特異的疼痛場(chǎng)電位響應信號

發(fā)布時(shí)間:2024-04-15 作者:胡理研究組

疼痛是一種不愉快的感官和情感體驗,保護我們的身體免受實(shí)際或潛在的傷害。一方面,疼痛感知同時(shí)包含感官辨別信息和情感動(dòng)機信息,這兩類(lèi)疼痛信息被認為分別通過(guò)大腦外側和內側疼痛通路進(jìn)行傳遞和處理,丘腦及其皮質(zhì)連接在這一過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用,其響應能夠有效區分疼痛和非疼痛觸覺(jué)刺激(Tu et al., 2024)。另一方面,多個(gè)丘腦核團被認為是深部腦刺激治療慢性難治性疼痛的有效靶點(diǎn),現有研究表明調控外側疼痛通路中感覺(jué)性丘腦核團的鎮痛效果并不令人滿(mǎn)意,而內側疼痛通路情緒相關(guān)靶點(diǎn)的干預或是增強鎮痛療效的有益補充(Meda et al., 2019; You et al., 2022)。然而,當前研究對丘腦的疼痛電生理響應的探索卻十分有限,限制了靶向丘腦閉環(huán)神經(jīng)調控治療神經(jīng)系統疾病的臨床應用。

近期,中國科學(xué)院心理研究所胡理研究組開(kāi)展了一項動(dòng)物在體電生理研究(圖1),通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗記錄了大鼠的外側疼痛通路(丘腦腹外側核團,ventral posterior lateral nucleus, VPL和初級軀體感覺(jué)皮層,primary somatosensory cortex, S1)和內側疼痛通路(丘腦背內側核,medial-dorsal nucleus, MD和前扣帶皮層,anterior cingulate cortex, ACC)的激光誘發(fā)腦響應,利用多種電生理信號分析方法揭示了丘腦特異的疼痛場(chǎng)電位響應信號,表現為傷害性激光刺激呈現后約100ms出現的早期負波(early negativity, EN)。相關(guān)成果已在線(xiàn)發(fā)表于Research,題為Deciphering Authentic Nociceptive Thalamic Responses in Rats。

圖1. 實(shí)驗設計及主要分析方法

通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)驗,獲得了三個(gè)關(guān)鍵性結果:

其一,雖然丘腦表現出與皮層相似的傷害性誘發(fā)神經(jīng)響應,但同步記錄到的丘腦場(chǎng)電位響應在時(shí)間上落后于皮層響應(即時(shí)域N1成分)(圖2),這與疼痛通路中信息上傳的時(shí)間順序相反,表明丘腦N1響應可能并非起源于丘腦,而是皮層N1信號體積傳導的結果。

圖2. 丘腦場(chǎng)電位中N1成分的峰值潛伏期顯著(zhù)晚于皮層N1 成分

其二,主成分分析在丘腦的疼痛場(chǎng)電位響應中揭示了一個(gè)獨特的EN成分,該成分在VPL和MD中均可記錄到,其振幅受到疼痛強度的顯著(zhù)調節,EN的峰值潛伏期顯著(zhù)短于隨后的N1成分(圖3),表明EN成分可能是丘腦特異的疼痛場(chǎng)電位響應信號。

圖3. 丘腦EN成分編碼疼痛強度且峰值潛伏期顯著(zhù)短于皮層N1 成分

其三,丘腦和皮層之間的峰電位—場(chǎng)電位格蘭杰因果分析(Spike-field Granger causality analysis)提供了支持性證據,丘腦峰電位在100ms左右對皮層場(chǎng)電位信號存在驅動(dòng)性影響,這與EN的峰值潛伏期接近,并且丘腦到皮層的信息流顯著(zhù)早于皮層N1成分(圖4)。

圖4. 丘腦到皮層的信息流顯著(zhù)早于皮層N1成分

綜上,該研究系統刻畫(huà)了丘腦的疼痛電生理響應特征,揭示了丘腦特異的疼痛場(chǎng)電位響應信號,強調了分離真實(shí)丘腦神經(jīng)響應的重要性,有助于更全面地了解丘腦在處理疼痛信息時(shí)的功能。此外,鑒于EN成分能夠可靠編碼疼痛強度信息,并且可能是一個(gè)普遍的丘腦特征,將EN成分納入閉環(huán)神經(jīng)調控系統實(shí)現疼痛的客觀(guān)檢測和評估,將有助于優(yōu)化慢性疼痛的閉環(huán)神經(jīng)調控效果,助力自適應和個(gè)性化的疼痛管理。

該研究得到了北京市自然科學(xué)基金(JQ22018)、國家自然科學(xué)基金項目(32071061)和科技部科技創(chuàng )新2030重大項目(2022ZD0206400)的支持。

論文第一作者為心理所博士生李鎮江,通訊作者為胡理研究員,其他共同作者包括心理所博士生張立波(已畢業(yè))、張峰瑞(已畢業(yè))和助理研究員岳路鵬。

論文信息:

Li, Z., Zhang, L., Zhang, F., Yue, L., & Hu, L.* (2024). Deciphering Authentic Nociceptive Thalamic Responses in Rats. Research. https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0348

相關(guān)論文:

Tu, Y., Li, Z., Zhang, L., Zhang, H., Bi, Y., Yue, L., & Hu, L. (2024). Pain-preferential thalamocortical neural dynamics across species. Nature human behaviour, 8(1), 149–163.

Meda, K. S., Patel, T., Braz, J. M., Malik, R., Turner, M. L., Seifikar, H., Basbaum, A. I., & Sohal, V. S. (2019). Microcircuit Mechanisms through which Mediodorsal Thalamic Input to Anterior Cingulate Cortex Exacerbates Pain-Related Aversion. Neuron, 102(5), 944–959.e3.

You, H. J., Lei, J., & Pertovaara, A. (2022). Thalamus: The 'promoter' of endogenous modulation of pain and potential therapeutic target in pathological pain. Neuroscience and biobehavioral reviews, 139, 104745.


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