在動態變化的環境中，準確高效地追跡和預測傷害性刺激的强度、時間等内容，對於個體生存至關重要。現實生活中，傷害性刺激可長可短，從以毫秒為組織計量的暫態刺激到持續數月甚至數年的慢性疼痛。到目前為止，大量的研究探索了不同强度傷害性刺激所誘發的神經響應的差异，較少研究聚焦於不同時長傷害性刺激的腦響應特性。而傷害性刺激的强度和時間内容如何轉化為疼痛感知及其神經機制尚不清楚。
為了進一步解答這個問題，中國科學院心理健康重點實驗室胡理研究組採用接觸式熱刺激結合腦電（EEG）科技，給予健康成年被試兩種刺激强度（I1：低强度，I2：高强度）、三種持續時間（D1: 500毫秒，D2:1000毫秒，D3:2000毫秒）的傷害性刺激（如圖1）。通過對EEG訊號進行時域、時頻、溯源、跨頻耦合以及仲介分析等，系統揭示了傷害性刺激的不同内容轉化為疼痛感知的過程及其神經機制。
圖1.實驗設計
行為結果表明，高强度刺激誘發了更强烈的疼痛體驗，而持續2000毫秒的傷害刺激也誘發了更强烈的疼痛體驗。時域事件相關電位的結果表明，高强度刺激誘發了幅值更大的N2和P2成分，而不同持續時間的傷害性刺激誘發的N2和P2幅值以及潜伏期均沒有顯著差异，這個結果和先前的研究結論一致。
圖2.時域低頻成分（A），時頻分析（B）以及溯源分析結果（C）
如圖2A-B所示，傷害性刺激所誘發的低頻成分（LFC:<1 Hz）和位於刺激對側C4電極所選取的α-ERD表現出顯著的時間效應和强度效應，D3條件下LFC和α-ERD的持續時間更長，I2條件下LFC和α-ERD的幅值也更大。通過溯源定位分析發現，LFC主要源於雙側腦島（insula）和前扣帶回皮層（ACC），即內側疼痛系統；α-ERD主要源於雙側初級感覺運動皮層（S1/M1），即外側疼痛系統，且刺激對側更强（圖2C）。
圖3.跨頻耦合分析（A）及多層級仲介分析結果（B）
跨頻耦合分析結果表明，LFC的相位與C4電極選取的alpha振盪幅值表現出較强的耦合效應：雙側額葉電極的LFC和C4電極的alpha振盪表現出正向耦合，而靠近頂葉位置電極則表現出負向耦合（圖3A）。這種耦合可能意味著LFC和α-ERD對應的不同腦區之間存在著資訊的互動。進一步採用多層級仲介分析發現，α-ERD的持續時間顯著介導了刺激持續時間對疼痛感知的影響，N2和P2的幅值顯著介導了刺激强度對疼痛感知的影響。更重要的是，a-ERD的持續時間與LFC的幅值聯合介導了刺激持續時間對疼痛感知的影響，而α-ERD的幅值與LFC的幅值也顯著介導了刺激持續時間對疼痛感知的影響（圖3B）。
以上結果為外側和內側疼痛系統之間的持續通訊提供了新的線索，同時為腦區間不同的神經響應在疼痛感知產生過程中的重要作用提供了新的證據。
該研究受到國家自然科學基金（32071061和31822025）的支持。文章已線上發表於Cerebral Cortex。
論文資訊：Wang，H.，Guo，Y.，Tu，Y.，Peng，W.，Lu，X.，Bi，Y.，Iannetti，G. D.，& Hu，L.（2022）.Neural processes responsible for the translation of sustained nociceptive inputs into subjective pain experience.Cerebral Cortex，bhac090.Advance online publication.https://doi.org/10.1093/cercor/bhac090