脑部成像技术：疼痛无处遁形

赵思媛 王梓贤 马晋平/编译

脑部成像技术：疼痛无处遁形

赵思媛 王梓贤 马晋平/编译

研究员蒂姆·所罗门在仔细阅读扫描仪内的人在受到激光刺激时的脑部扫描图

●脑部成像技术有助于探究和阐明疼痛的编码模式以及急性与慢性疼痛之间的区别。

大卫手背接受强激光照射，同时接受脑部扫描。接受激光照射几分钟后，他的手背开始出现烧灼样疼痛，要求停止激光照射。

由于一种罕见的基因突变，大卫感觉不到疼痛。英国雷丁大学神经学家蒂姆·所罗门（Tim Salomons）是大卫参与的研究项目的团队成员，他表示，“我们大多数人并不需要思考:‘这种感觉像我曾有过的哪种体验呢？’这就是疼痛的意义所在。”研究团队使用一种临床常用的大脑成像技术——功能性磁共振成像(fMRI)对大脑活动进行监测，并发现大卫被疼痛刺激所激活的脑区与正常人相同。

大脑活动和疼痛之间关系之前始终让人存疑，但是成像技术大致揭示了很多关于大脑如何处理疼痛的过程。有些研究者发现了一些有助于客观衡量疼痛的疼痛编码模式。另外，也有研究者致力于探究急性和慢性疼痛之间的区别。

疼痛的编码模式

不同于大多数其他类型的感觉，目前缺乏确凿的证据证实大脑有专门负责疼痛感知的脑区。相反，疼痛的感知通常是与多个脑区的活动相关的——疼痛刺激能激活“疼痛网络”中的脑区。这些区域包括躯体感觉皮层，它负责处理对触觉、温度觉等躯体感觉相关的疼痛的感知；还包括前扣带皮层和脑岛，它们被认为在处理疼痛相关的情绪和举动时(如接触火焰的刺激时缩手)起着重要的作用。其他区域包括前额叶皮层(负责更高级的认知过程)和丘脑(感觉和运动信号的“中转站”)。

疼痛网络的大脑区域除了负责处理疼痛相关信息，也能被强烈的光线和声音刺激激活。这些刺激触发的大脑活动涉及警觉、注意力集中和对刺激做出反应等过程。曾与所罗门一起进行fMRI研究的伦敦大学神经学家吉安多梅尼科·扬内蒂（Giandomenico Iannetti）认为，因为疼痛也可使人的注意力集中，疼痛网络的活动除了疼痛的感知本身，可能在生活不良事件的处理方面起更重要作用。

不过，其他研究者认为，可以将这些脑区中躯体疼痛的信息与情绪等非躯体疼痛的信息区分开。科罗拉多大学博尔德分校的神经学家托尔·韦杰（Tor Wager）通过机器学习技术将多脑区活动模式（主要是疼痛网络）进行分类，建立了疼痛神经病学标签。他表示：“位于疼痛标签的脑区有独特的编码疼痛的模式。可以把脑部编码疼痛的模式从编码其他功能的模式中区分出来。”例如，疼痛网络的大脑区域也能被某些情感经历（如社会排斥感、痛感的预期或疼痛的记忆）激活，这导致某些研究者认为从某种程度上经历这些事件时的感受也属疼痛。尽管社会排斥感和生理疼痛都有情绪上的不愉快感，但是心理上的疼痛显然不同于胸部遇刺引起的躯体的疼痛，两者的区分现在可以促进高分辨大脑成像技术实现。韦杰的团队发明的系统可区分引起疼痛和不引起疼痛的热觉；区分实际的疼痛和预想的疼痛或疼痛记忆的重现；区分心理上的疼痛和躯体的疼痛。这个区分系统同时具备较高的特异性和敏感性——排除非躯体疼痛能够达到90%的正确率，判断躯体疼痛的准确率更是超过90%。韦杰的系统还可以预测主观感受到的疼痛的程度，并能可视化强效阿片类药物显著降低疼痛程度的过程。

“基于脑部成像技术提供的来自大脑的信息，我们正试图开发能够追踪人体内的疼痛信息的方法。”韦杰说。

心灵的痛

疼痛的程度可以被预期、注意力、情绪，甚至性格等因素所影响。脑部成像技术可以帮助研究人员研究这些因素如何影响大脑感知疼痛的过程。意志力和想象可以调节人体对疼痛的感知（被称为自我调节）。但韦杰的小组发现，自我调节不会改变疼痛神经病学标签相关脑区的活动。然而，它可以影响其他脑区的活动，尤其是伏隔核，并通过内侧前额叶皮层与伏隔核的连接来形成大脑奖赏网络的环路。疼痛的感知，似乎不是由单一系统完成的。韦杰表示，“我们发现的疼痛标签是疼痛感知过程中一个非常重要的组成部分，但不是全部。”

成像技术有助于阐明疼痛感知过程的其他环节。研究人员从动物研究中发现，注意力和情绪可以通过连接部分大脑皮层、边缘系统(情绪中心)、脑干不同区域和脊髓的下行系统来调节疼痛。这使得更高级的脑区能够增强或抑制疼痛信号。神经学家艾琳·特蕾西（Irene Tracey）表示，“成像技术发现，在你难过、焦虑或注意力不集中的时候，情绪不只是改变人描述痛苦的方式，它还改变了疼痛感知的生理过程。”她在英国牛津大学的团队，一直利用脑成像技术研究人类的疼痛调节方式。一项研究已经发现了可以在人注意力不集中时减少疼痛信号的脑干区域，他们现在正试图阐明可能会增加慢性疼痛的易感性的危险因素和大脑网络。特蕾西表示，“我们正试图通过成像技术阐释个体化的疼痛感知的发生机制。这些研究成果很可能为疼痛的治疗提供有前景的药物靶点。”另外，这些研究结果有望预防急性疼痛向慢性疼痛的转变。

慢性疼痛是一个巨大的全球负担——全球约1/5的人罹患慢性疼痛。伊利诺伊州芝加哥西北大学生理学家瓦尼·阿普卡里安（Vania Apkarian）表示：“慢性疼痛是一个严重的健康问题，我们目前尚没有确切有效的科学证据去指导这类病人的治疗。”阿普卡里安的科研团队已经在慢性疼痛患者的大脑中发现了许多独特的功能学和形态学特征。这些研究结果阐明，急性和慢性疼痛在本质上是不同的。阿普卡里安表示，“慢性疼痛被定义为一种疾病。”但是，阐明这些差异是慢性疼痛的原因还是结果仍然十分棘手。

为了解决这个问题，阿普卡里安的团队进行了第一项关于慢性疼痛的纵向脑成像研究。研究人员随访了近一年有过背痛病史的39名受试者，受试者定期进行脑部扫描。研究显示，发生慢性疼痛的患者的脑岛和伏隔核的灰质密度是减少的。研究人员还发现，利用基线内侧前额叶皮层和伏隔核之间的连接强度预测慢性疼痛的发生风险可达到80%准确率——连接强度越大，发生慢性疼痛的风险越高。在后续研究中，阿普卡里安的团队通过追踪与背痛感知相关的脑部活动发现，当疼痛转变为慢性的过程中，大脑活动逐渐向情感和奖赏有关的脑区转移。这种转变的程度也与内侧前额叶皮质和伏隔核之间的连接强度有关。

这些研究结果阐释了触发急性疼痛向慢性疼痛转变的大脑环路，并提示慢性疼痛发生过程的脑部形态学改变为这一环路的结果。阿普卡里安表示，“这解决了慢性疼痛发生过程中先有鸡还是先有蛋的问题。”他的团队也表明，慢性疼痛发生的主要决定因素不是外伤，而是人的大脑自身的改变。在啮齿动物中，研究人员已经能够通过使用药物抑制伏隔核里的神经元细胞来阻断急性疼痛向慢性疼痛的转变。一项正在进行的试验试图探究这在人体中是否有效。“我有信心我们将会很快开发出一系列针对不同类型的慢性疼痛的新的治疗方案。”阿普卡里安说。

阿普卡里安的团队发现的与慢性疼痛相关的脑区与韦杰的团队发现的参与自我调节的脑区是相同的。因此，尽管这个奖赏-学习和情感环路不属于急性疼痛的神经病学标签，但它似乎在慢性疼痛中发挥关键作用。“我们正在研究不同类型的疼痛的脑部病理生理基础，”韦杰说，“某些类型的疼痛的发生机制可能与经典的疼痛发生机制不同。”

疼痛的测量

这些研究进展可以帮助我们更好地实现对疼痛程度的客观评估吗？答案是肯定的。这些研究成果将有助于新药研发以及对不能表达主观感受的人群（如婴儿、昏迷或痴呆的患者）进行疼痛评估。有几家美国公司已经提供自称可以检测人体内疼痛信号的服务。在美国民事法庭上已经有至少一个案例接受脑部扫描结果作为慢性疼痛的证据。但是许多研究人员对此仍持谨慎态度。一个重要的原因是，韦杰的结果并不适用于慢性疼痛。加拿大多伦多大学的神经学家凯伦·戴维斯（Karen Davis）解释说：“托尔和其他人使用的技术需要记录大脑如何对刺激做出反应，但慢性疼痛不依赖于刺激，所以我们需要使用不同的方法。”

去年12月，总部设在华盛顿特区的国际疼痛研究协会，成立了一个由戴维斯主持的特别小组，研究大脑成像技术在疼痛评估中的应用。明年将会颁布相关的指南，主要涉及科学技术的应用范围、在法律方面是否足够准确和可靠以及技术伴随的伦理和社会问题等方面。戴维斯和许多其他研究人员都考虑到的一个关键问题是，fMRI可能会给出误导性的结果。某些药物，例如，血管活性药物，可以通过改变血管功能，从而使fMRI的信号发生改变，然而实际上脑部活动并未发生改变。“基于血管的成像技术中存在人们还没有考虑到的问题，”戴维斯说，解决这些问题对于大脑成像在疼痛评估中的应用至关重要，“这项技术的推广使用不仅需考虑技术本身的问题，还要考虑法律和神经伦理学方面的问题。”

对大卫这样的患者进行脑部扫描，可能会产生假阳性结果——即使他的疼痛网络是活跃的，他却并不能感到疼痛。相反，疼痛网络的不活跃似乎提示不存在疼痛，但大多数研究人员都认为这样的推论尚无根据。韦杰表示，“我们可以证实某些类型疼痛的存在，但是原则上，我们无法证明某种类型疼痛的不存在——因为每个人的大脑都是独一无二的。”

[资料来源：Nature][责任编辑：彦隐]