疼痛具有重要的適應(yīng)性價值，可以保護(hù)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(jī)體功能，誘發(fā)各種并發(fā)癥，危害身體健康，而且會嚴(yán)重?fù)p害人們的生活質(zhì)量，造成社會經(jīng)濟(jì)損失。解析疼痛的神經(jīng)編碼模式對于評估和干預(yù)疼痛具有重要意義，但以往研究存在未解決的關(guān)鍵科學(xué)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(xué)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(shù)和大鼠在體電生理技術(shù)開展了三個子研究（圖1），揭示了丘腦背內(nèi)側(cè)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(guān)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(yīng)的丘腦核團(tuán)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(jìn)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(tuán)更強(qiáng)的激活，且MD與背側(cè)前扣帶皮層（dACC）和島葉（insula）的功能連接在疼痛條件下更強(qiáng)（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(dǎo)響應(yīng)（skin conductance response，SCR）。結(jié)果顯示，利用突顯性評分和SCR響應(yīng)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(yīng)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(yīng)顯著更強(qiáng)（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(jìn)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(guān)（圖4）。這揭示了MD特異性加工疼痛信息的精準(zhǔn)時間特征。

為直接記錄MD核團(tuán)的神經(jīng)元活動，驗證fMRI和EEG結(jié)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：相較于觸覺刺激，MD對疼痛刺激產(chǎn)生了更強(qiáng)的神經(jīng)元放電響應(yīng)，且MD與ACC之間具有顯著更強(qiáng)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(fù)雜的神經(jīng)動力學(xué)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(shù)手段，有機(jī)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(jī)制，為疼痛管理中的針對性干預(yù)提供了潛在靶點，并為促進(jìn)疼痛研究的進(jìn)一步深化和研究成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

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

論文鏈接

圖1.?研究問題、數(shù)據(jù)集和實驗設(shè)計概況

圖2.?疼痛顯著激活MD及其與皮層腦區(qū)（背側(cè)前扣帶回和腦島）的功能連接

圖3.?與同等突顯性的觸覺刺激相比，MD對疼痛刺激的響應(yīng)顯著更強(qiáng)

圖4.?腦電的神經(jīng)表征與MD的神經(jīng)表征在刺激后89ms~295ms顯著相關(guān)

圖5.?MD對疼痛刺激具有更強(qiáng)的神經(jīng)元放電響應(yīng)，并與ACC之間具有更強(qiáng)的相干性

圖6.?疼痛優(yōu)先和軀體感覺優(yōu)先（疼痛和觸覺）的丘腦皮質(zhì)通路

來源：中科院