研究 | 疼痛高频振荡信号的特征及其功能意义

已有研究数据表明，全球20-40%的成年人患有慢性疼痛。虽然疼痛的不愉快感觉和情感体验能够警告人们远离伤害，但是持续或复发超过3个月的慢性疼痛会造成严重的身体伤害和心理困扰。为了找到有效缓解疼痛的方法，迫切需要对疼痛及其神经机制有更深入的了解。特别是，探索疼痛的生物标志物（如神经振荡信号）将有利于客观评估疼痛、开发新的疼痛疗法和准确预测治疗反应。

近日，中国科学院心理健康重点实验室胡理研究组开展了一项系统综述和元分析研究，考察了人群（健康人/病人）、疼痛类型（短时/长时/慢性疼痛）、疼痛刺激类型（伤害性激光/电刺激/热痛刺激等）和疼痛刺激位置（左侧/右侧/双侧）对疼痛高频振荡信号（Gamma-band oscillations, GBOs）特征的影响，并综述总结了不同类型GBOs的功能意义。相关成果已在线发表于Neuroscience & Biobehavioral Reviews，题为Gamma-band oscillations of pain and nociception: A systematic review and meta-analysis of human and rodent studies。

GBOs是指频率在30-100Hz范围内的脑电信号，通常称为伽玛频带神经振荡。在过去二十年的研究中，研究者发现GBOs是疼痛感知最具选择性的生物标志物之一。这期间，胡理研究组也对疼痛GBOs信号进行了深入研究。首先证明了即使连续施加刺激降低了短暂激光热痛刺激的突显性，在初级躯体感觉皮层（S1）上方电极记录到的GBOs仍然能够对个体的主观疼痛强度评分进行可靠预测^[1]。其次，通过在人类和啮齿动物中进行类似的电生理记录实验，证明了由中央电极记录到的GBOs可靠地预测了个体的疼痛敏感性：既可以可靠区分同一个体内的主观疼痛强度，也能够编码不同个体间的疼痛敏感性，这一特性具有跨物种一致性[^2,3]。而且，GBOs反映个体疼痛敏感性的能力具有选择性，因为它不反映具有相同突显性的听觉、视觉和触觉刺激的个体感觉敏感性^[2]。其三，胡理及其团队发现，GBOs的幅值与长时疼痛的主观疼痛强度评分显著相关，能够部分反映长时疼痛的大脑加工过程^[4]。其四，利用啮齿类动物在体电生理记录技术，揭示了短时热痛GBOs信号的神经起源主要来自对侧S1浅层中间神经元，解决了领域内长期存在的争议^[5]。

然而，前期研究报导的GBOs在信号特征和功能意义上存在相当大的异质性（例如：不同疼痛类型诱发的GBOs起源于不同脑区，由不同刺激类型诱发的 GBOs表现出不同的时频分布特征等），且这种异质性及其潜在来源尚未明确描述和探讨。

为了解决这一问题，胡理研究组开展了一项系统综述和元分析：汇总现有研究，探究GBOs异质性的来源，刻画了GBOs与疼痛强度的相关关系、频率、空间和时间特征，并总结了不同类型GBOs的功能意义。具体来说，研究内容包括人类研究和动物研究两个部分，在四个数据库（PubMed、Web of Science、Scopus和EBSCO）进行了疼痛相关GBOs的文献检索，并进行了严格的文章筛选，最终纳入了74篇人类研究和18篇动物研究，针对各自的文献情况分别进行元分析和系统综述（图1）。

图1 文章选择流程图

根据以上汇总分析和综述总结，得到以下六个主要结果：

1.在健康被试中，无论疼痛类型如何，GBOs的幅值大小与疼痛感知强度均显著相关。

2.不同疼痛类型诱发的GBOs频率特征差异显著，短时疼痛比长时疼痛和慢性疼痛诱发更高频率的GBOs。

3.短时疼痛诱发的GBOs的头皮地形图分布更集中于中央区域电极，提示其神经起源于初级感觉运动皮层；而长时疼痛和慢性疼痛诱发的GBOs的头皮地形图分布更集中于前部区域电极，提示其神经起源于前额叶皮层。

4.刺激类型对短时疼痛诱发的GBOs潜伏期有显著的调节作用，电刺激比激光刺激诱发更早的GBOs响应。

5.GBOs的一些特征和功能（如频率特征和与疼痛强度的相关性）在人类和啮齿动物中是一致的。

6.既往研究提出了GBOs的七大功能意义，不同疼痛类型诱发的GBOs的功能意义不同：短时疼痛诱发的GBOs主要反映个体主观疼痛感知；长时疼痛诱发的GBOs也与疼痛的多维度加工处理有关（如疼痛情绪和认知控制等）；慢性疼痛诱发的GBOs主要反映疼痛伴随的病理学变化（图2）。

图2 不同疼痛类型诱发的GBOs的功能意义不同

综上，该研究为疼痛和伤害性感受诱发的GBOs的异质性提供了系统描述，加深了研究者对GBOs异质性来源的理解，为后续相关研究提供了重要参考，也为基于GBOs的临床应用提供了理论基础。

该研究得到了国家自然科学基金（32071061、31822025）、北京市自然科学基金（JQ22018）的资助。

论文第一作者为心理所博士生李镇江，通讯作者为赵晴助理研究员和胡理研究员。

论文信息：

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

研究组相关文章：

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.

来源：

中国科学院心理健康重点实验室 胡理研究组