大脑皮层对痛觉信号的整合作用

大脑皮层对痛觉信号的整合作用

国际疼痛研究学会（IASP）将疼痛定义为一种与实际或潜在的组织损伤相关联的不愉快感觉和情感体验，或用此类损伤相关的词汇来描述的主诉症状；很明显痛疼包括两种成分：一种是痛感觉，其功能主要是对伤害性刺激的强度、位置、时程和性质进行感觉识辨和检测，即所谓的感觉- 识辨

（sensory-discrimination）方面；另一种是痛反应，其功能主要是对疼痛产生注意、记忆和忍耐，即所谓的情感认知（affection-cognition）或动机-情感方面（motivation-affection）；疼痛的这两种成分也是由不同的通路来传递至大脑皮层，从而产生不同的反应。本文就大脑皮层在痛觉信号中的整合作用作一综述。

1 痛觉传导通路

从伤害性刺激到疼痛的产生，在神经系统发生了一系列复杂的化学和电学变化，其基本过程是：伤害

性刺激在外周初级感受神经元换能后，转变成电信号，经脊髓、脑干和丘脑的传递和调制，在大脑皮层产生痛觉。

为了更清楚地理解痛觉产生的机制,神经科学家们提出了内、外侧痛觉系统的概念[1]，他们提出，在脑

内存在两条平行上传的通路，分别传递痛的感觉和情绪信息。外周伤害性刺激激活伤害性感受器后，经由有髓Aδ和无髓C 纤维传入脊髓背角，其中由脊髓背角深层(Ⅳ-Ⅵ)以Ⅴ层为主的广动力神经元（WDR）发

出的纤维，其上行传导途径主要经对侧前外侧系中的外侧系，即脊髓丘脑束，投射至丘脑腹后外侧核（VPL），然后终止于大脑皮质的初级躯体感觉区与次级感觉区，此通路主要负责传导伤害性刺激的感觉信息,称为外侧痛觉系统；而由脊髓背角浅层（Ⅰ-Ⅱ）痛觉特异性神经元发出，经由丘脑中线核群及板内核群投射到前扣带回（anterior cingulated cortex，ACC）和岛叶（insular cortex，IC）的通路，主要传递伤害性刺激的情绪成分，称为内侧痛觉系统[2]。

2 参与疼痛过程的大脑皮层

大脑皮层是疼痛的高级整合中枢，在痛觉的产生中发挥重要的作用。疼痛是一种多维度现象，它在大

脑中激活的是神经网络，而不是零星的脑区。目前，人们越来越多的认识到，脊髓以上水平的脑机制在疼痛的表达和调节过程中发挥着重要作用。脑功能成像技术克服了以往实验的缺陷，为研究疼痛相关的脑

区提供了新的方法，当人体经历疼痛时会出现多个脑区的激活，其中常被激活的有S1、S2、ACC、

PFC( prefrontal cortex)和IC等脑区，在受到不同的伤害性刺激时，ACC区被认为是最常激活的痛觉皮层，此外，IC也参与了对痛觉情绪信息的编码与整合[3-5]。现代对于痛觉的研究已经从寻找哪些脑区被激活转向

探索这些脑区在痛感知中的功能意义。

3 初级和次级躯体感觉皮层

以往关于痛觉引起S1区rCBF(regional cerebral blood flow)变化的报道很不一致，虽然有很多研究提出S1 区存在痛相关的rCBF增加现象，但也有相当数量的研究否认这一观点[6]。就正电子发射断层成像（PET）与功能磁共振成像（fMRI）实验结果来看，S1 区在痛觉处理过程中的作用与S2、IC及ACC相比较，仍不

肯定。解剖学追踪技术以及电生理方法均为研究躯体感觉皮层在痛觉形成中的作用提供了可靠的信息，

S1区的神经元感受野较小，并且具有躯体分布特性，主要接受由丘脑外侧核群中继的伤害性传入，主要负责编码刺激的性质、位置及强度等，属于外侧痛觉系统传导通路，Ploner 等亦发现VPL的伤害性信息主要传递到S1的1区[7]。以往的研究发现中等强度的痛刺激可以引起对侧S1区的兴奋，而刚刚大于痛阈的刺激则

不能[8]；但是，在很多其他关于躯体痛的研究中，这样的强度已足以产生中度到高强度的痛觉，却仍没有S1区血流动力学的变化，看来痛刺激的强度本身并不能作为决定因素来影响S1区的rCBF，而高强度引

高rCBF可能是通过提高对刺激的注意而间接发挥作用的。电生理研究亦表明无论在动物还是人体，选择性

注意可以增加S1区神经元的活动；最近Bushnell等[10] 进行的痛觉实验中，在注意转向伤害性刺激时对侧S1

区rCBF的增加变得更明显。此外，躯体感觉皮层的局部损伤可选择性地影响疼痛的感觉辨别成分，使患者

对疼痛性质的认知功能产生障碍，S1和S2区发生缺血性损伤的患者完全不能辨别刺激的性质，当要求用疼

痛相关的词语来描述该刺激时，亦存在困难。动物实验表明，切除猴的S1区后，其对伤害性热刺激的辨别表现出严重缺陷；临床研究也证实，损伤S1和S2区的患者出现痛觉障碍，对于施加于前臂的伤害性热刺激，

患者除了不能感受到刺激的强度和位置之外，还产生难以描述的厌恶感[9]，这一结果不同程度的表明S1和

S2区只参与编码疼痛的感觉信息，而不参与情绪的编码。

S2区伤害性神经元的感受野较S1大，且具有双侧性，并且同时接受VPL和VPI（丘脑腹后下核）的

纤维投射，但主要是VPI的传入，其伤害性神经元主要位于BA(Brodmann area )7b区，PET和fMRI实验中

经常可以看到S1区的激活。在Timmermann等人研究中发现，S2区的激活随刺激强度的增加而增加，当刺

激强度达到某一点后，激活程度变化不大[11]。S2损伤的患者不仅对物体的触觉辨别受损，而且不能识别痛

觉刺激的性质，然而情绪反应和回避行为不受影响[9]。最近用伤害性激光刺激受试者手背和足背，观察到在S1区存在对手部和足部的不同体感代表区[12]；Bowsher等人研究S2或岛叶梗死的患者时发现，一些患者

不能正确地区分冷、热刺激[13]；此外，疼痛经历在中枢处理疼痛刺激的过程中亦有重要作用，Kramer等对

十七例受试者（七例经历过慢性疼痛）行fMRI研究发现，在对所有受试者上肢手背进行触摸模拟痛觉刺激，

并嘱患者回忆以前的痛觉过敏经历，结果经历过疼痛患者的对侧S1、IC、ACC、双侧S2等区域被激活，而

其他患者只观察到对侧S1和S2区的活化[14]。尽管很多成像研究都间接的证实了躯体感觉皮层参与疼痛的处

理过程，尚有报道对其作用存在争论[6]，关于S1和S2区参与痛觉编码的机制还有待进一步探讨。

4 前扣带回

ACC神经元对于伤害性刺激的反应不呈特定的躯体分布特征，其感受野较大，分布于全身各处，且呈

现出多觉性，伤害性热或机械压力刺激均可激活它。自从Jones等利用PET技术首次发现痛刺激可激活前扣

带回以来，几乎所有的脑功能成像研究都证实了这一点。Rainville 等采用催眠暗示的方法选择性的改变被试者因痛刺激引起的情绪反应，并利用PET技术监测脑血流量的变化，结果表明，痛的情绪改变激活了ACC，

并且这种主观的不愉快感与ACC 中部的rCBF变化存在线性关系[15]。研究发现，在丘脑内侧核群注入利多

卡因，可以阻断由丘脑至ACC的信息传递；此外，Hsu和Shyu通过电刺激丘脑板内核可激活ACC神经元