心理所研究揭示神經變異性編碼疼痛分辨力個體差異

大腦對刺激的響應通常使用腦活動的強度進行度量。例如，在疼痛腦電研究中，N2、P2、γ振蕩等腦響應的強度是最常用的神經指標。大量研究已發現它們和個體內及個體間疼痛感知的關聯。然而，腦活動蘊含多維度特征，不僅包括強度，還包括變異性（如腦響應隨時間變化而呈現出的波動性）。以往研究已初步揭示這種神經變異性與知覺、記憶、注意等有關(Waschke et al., 2021)，但神經變異性和疼痛感知有何關系尚未有系統研究。

近期，中國科學院心理研究所胡理研究組利用總樣本量共633人的六個腦電數據集（圖1），系統探究了神經變異性和疼痛感知的關系，發現神經變異性可獨立于腦響應強度編碼疼痛分辨力的個體差異。

圖1. 研究問題、實驗流程和神經變異性計算方法

研究團隊使用腦電信號在一定長度時間窗內的標準差作為神經變異性的主要度量指標（圖1C）。疼痛感知則被區分為個體間和個體內兩個方面：個體間疼痛感知表示疼痛感受性的個體差異，包括區分不同強度疼痛刺激的分辨力和感受單一強度疼痛刺激的敏感性；個體內疼痛感知代表個體對疼痛刺激的單試次狀態性感知(Zhang et al., 2024)。分析顯示，神經變異性和疼痛分辨力個體差異顯著相關（圖2；Dataset-1）。團隊前期研究已發現N2、P2等腦電響應的強度可特異性編碼疼痛分辨力的個體差異(Zhang et al., 2022)。排除了腦響應強度的影響后，研究團隊發現神經變異性和疼痛分辨力仍有顯著的偏相關。這意味著神經變異性可獨立于神經響應強度編碼疼痛分辨力。

圖2. 神經變異性和疼痛分辨力顯著相關

為系統驗證研究發現的可重復和可推廣性，研究團隊在多個數據集中對結果進行了重復。上述結果在另外兩個包含兩個不同強度疼痛刺激的獨立數據集中得到了完全的重復（圖2；Dataset-2和Dataset-3）。除此以外，在包含四個不同強度疼痛刺激的獨立數據集中，神經變異性依舊顯示出對疼痛分辨力的編碼能力（圖3；Dataset-4和Dataset-5）。值得關注的是，帶狀皰疹后遺神經痛患者的非患側手疼痛分辨力和神經變異性具有一定的相關性，但患側手疼痛分辨力和神經變異性的相關卻不再顯著（圖3；Dataset-6）。這意味著帶狀皰疹后遺神經痛可能損傷了神經變異性對疼痛分辨力的編碼能力。

圖3. 神經變異性編碼疼痛分辨力的可重復性

接著，研究團隊考察了神經變異性和疼痛分辨力的關聯是否是疼痛特異的。分析結果顯示，神經變異性無法顯著編碼觸覺、聽覺、視覺三種典型非痛感覺的分辨力。即便控制了不同感覺模態的強度評分差異，神經變異性也依舊只能顯著編碼疼痛分辨力（圖4）。可見，神經分辨力能夠特異性編碼疼痛分辨力。

圖4. 神經變異性特異性編碼疼痛分辨力

最后，研究團隊探究了神經變異性和個體間感覺敏感性和個體內感知的關系，發現神經變異性無法顯著編碼痛覺、觸覺、聽覺、視覺的個體間感覺敏感性，但能編碼這四種感覺的個體內單試次強度評分（圖5）。

圖5. 神經變異性和個體間感覺敏感性個體內狀態性感知的關系

綜上，該項研究利用大數據樣本，系統探究了神經分辨力和疼痛感知之間的關系，發現神經分辨力可獨立于腦響應強度特異性編碼疼痛分辨力。這一發現揭示了新的疼痛分辨力編碼機制，凸顯了神經變異性作為獨立于腦活動強度的神經指標的價值，對全面利用腦活動開發個體化的疼痛干預手段具有重要啟示意義。

該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及北京市自然科學基金的資助。

相關成果已在線發表于PLOS Biology。心理所博士畢業生張立波和助理研究員耿馨佚為論文共同第一作者，胡理研究員和張立波為論文共同通訊作者。

論文信息：Zhang, L.-B.#*, Geng X.-Y.#, and Hu, L*. (2025). Neural variability reliably encodes interindividual differences in the perception of pain intensity. PLOS Biology, 23(10): e3003470. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003470

相關文獻：

Waschke, L., Kloosterman, N. A., Obleser, J., & Garrett, D. D. (2021). Behavior needs neural variability. Neuron, 109(5), 751–766.

Zhang, L.-B., Chen, Y.-X., Li, Z.-J., Geng, X.-Y., Zhao, X.-Y., Zhang, F.-R., Bi, Y.-Z., Lu, X.-J., & Hu, L. (2024). Advances and challenges in neuroimaging-based pain biomarkers. Cell Reports Medicine, 5(10), 101784.

Zhang, L.-B., Lu, X.-J., Huang, G., Zhang, H.-J., Tu, Y.-H., Kong, Y.-Z., & Hu, L. (2022). Selective and replicable neuroimaging-based indicators of pain discriminability. Cell Reports Medicine, 3(12), 100846.