心理所研究刻畫疼痛高頻振蕩信號的特征及其功能意義

　　已有研究數據表明，全球20-40%的成年人患有慢性疼痛。雖然疼痛的不愉快感覺和情感體驗能夠警告人們遠離傷害，但是持續或復發超過3個月的慢性疼痛會造成嚴重的身體傷害和心理困擾。為了找到有效緩解疼痛的方法，迫切需要對疼痛及其神經機制有更深入的了解。特別是，探索疼痛的生物標志物（如神經振蕩信號）將有利于客觀評估疼痛、開發新的疼痛療法和準確預測治療反應。 

　　近日，中國科學院心理健康重點實驗室胡理研究組開展了一項系統綜述和元分析研究，考察了人群（健康人/病人）、疼痛類型（短時/長時/慢性疼痛）、疼痛刺激類型（傷害性激光/電刺激/熱痛刺激等）和疼痛刺激位置（左側/右側/雙側）對疼痛高頻振蕩信號（Gamma-band oscillations, GBOs）特征的影響，并綜述總結了不同類型GBOs的功能意義。相關成果已在線發表于Neuroscience & Biobehavioral Reviews，題為Gamma-band oscillations of pain and nociception: A systematic review and meta-analysis of human and rodent studies。 

　　GBOs是指頻率在30-100Hz范圍內的腦電信號，通常稱為伽瑪頻帶神經振蕩。在過去二十年的研究中，研究者發現GBOs是疼痛感知最具選擇性的生物標志物之一。這期間，胡理研究組也對疼痛GBOs信號進行了深入研究。首先證明了即使連續施加刺激降低了短暫激光熱痛刺激的突顯性，在初級軀體感覺皮層（S1）上方電極記錄到的GBOs仍然能夠對個體的主觀疼痛強度評分進行可靠預測^[1]。其次，通過在人類和嚙齒動物中進行類似的電生理記錄實驗，證明了由中央電極記錄到的GBOs可靠地預測了個體的疼痛敏感性：既可以可靠區分同一個體內的主觀疼痛強度，也能夠編碼不同個體間的疼痛敏感性，這一特性具有跨物種一致性^[2,3]。而且，GBOs反映個體疼痛敏感性的能力具有選擇性，因為它不反映具有相同突顯性的聽覺、視覺和觸覺刺激的個體感覺敏感性^[2]。其三，胡理及其團隊發現，GBOs的幅值與長時疼痛的主觀疼痛強度評分顯著相關，能夠部分反映長時疼痛的大腦加工過程^[4]。其四，利用嚙齒類動物在體電生理記錄技術，揭示了短時熱痛GBOs信號的神經起源主要來自對側S1淺層中間神經元，解決了領域內長期存在的爭議^[5]。 

　　然而，前期研究報導的GBOs在信號特征和功能意義上存在相當大的異質性（例如：不同疼痛類型誘發的GBOs起源于不同腦區，由不同刺激類型誘發的 GBOs表現出不同的時頻分布特征等），且這種異質性及其潛在來源尚未明確描述和探討。 

　　為了解決這一問題，胡理研究組開展了一項系統綜述和元分析：匯總現有研究，探究GBOs異質性的來源，刻畫了GBOs與疼痛強度的相關關系、頻率、空間和時間特征，并總結了不同類型GBOs的功能意義。具體來說，研究內容包括人類研究和動物研究兩個部分，在四個數據庫（PubMed、Web of Science、Scopus和EBSCO）進行了疼痛相關GBOs的文獻檢索，并進行了嚴格的文章篩選，最終納入了74篇人類研究和18篇動物研究，針對各自的文獻情況分別進行元分析和系統綜述（圖1）。 

圖1.文章選擇流程圖 

　　根據以上匯總分析和綜述總結，得到以下六個主要結果： 

　　（1）在健康被試中，無論疼痛類型如何，GBOs的幅值大小與疼痛感知強度均顯著相關。 

　　（2）不同疼痛類型誘發的GBOs頻率特征差異顯著，短時疼痛比長時疼痛和慢性疼痛誘發更高頻率的GBOs。 

　　（3）短時疼痛誘發的GBOs的頭皮地形圖分布更集中于中央區域電極，提示其神經起源于初級感覺運動皮層；而長時疼痛和慢性疼痛誘發的GBOs的頭皮地形圖分布更集中于前部區域電極，提示其神經起源于前額葉皮層。 

　　（4）刺激類型對短時疼痛誘發的GBOs潛伏期有顯著的調節作用，電刺激比激光刺激誘發更早的GBOs響應。 

　　（5）GBOs的一些特征和功能（如頻率特征和與疼痛強度的相關性）在人類和嚙齒動物中是一致的。 

　　（6）既往研究提出了GBOs的七大功能意義，不同疼痛類型誘發的GBOs的功能意義不同：短時疼痛誘發的GBOs主要反映個體主觀疼痛感知；長時疼痛誘發的GBOs也與疼痛的多維度加工處理有關（如疼痛情緒和認知控制等）；慢性疼痛誘發的GBOs主要反映疼痛伴隨的病理學變化（圖2）。 

圖2.不同疼痛類型誘發的GBOs的功能意義不同 

　　綜上，該研究為疼痛和傷害性感受誘發的GBOs的異質性提供了系統描述，加深了研究者對GBOs異質性來源的理解，為后續相關研究提供了重要參考，也為基于GBOs的臨床應用提供了理論基礎。 

　　該研究得到了國家自然科學基金（32071061、31822025）、北京市自然科學基金（JQ22018）的資助。 

　　論文第一作者為心理所博士生李鎮江，通訊作者為趙晴助理研究員和胡理研究員。 

　　論文信息： 

　　Li ZJ, Zhang LB, Zeng YX, Zhao Q^*, Hu L^*. (2023). Gamma-band oscillations of pain and nociception: A systematic review and meta-analysis of human and rodent studies, Neuroscience & Biobehavioral Reviews. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2023.105062 

　　研究組相關文章： 

　　1.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.  

　　2.Hu, L., & Iannetti, G. D. (2019). Neural indicators of perceptual variability of pain across species. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(5), 1782–1791.  

　　3.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.  

　　4.Peng, W., Hu, L., Zhang, Z., & Hu, Y. (2014). Changes of spontaneous oscillatory activity to tonic heat pain. PloS one, 9(3), e91052.  

　　5.Yue, L., Iannetti, G. D., & Hu, L. (2020). The Neural Origin of Nociceptive-Induced Gamma-Band Oscillations. The Journal of neuroscience, 40(17), 3478–3490.