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心理所研究发现动作镇痛的行为特性与神经机制
作者: 中国科学院心理健康重点实验室 胡理研究组 ║ 日期: 2021/03/18 

  疼痛是一项重大的公共卫生议题:慢性疼痛患病率高达20%50%,给疼痛患者带来了巨大的痛苦,也给我国造成超过数千亿人民币的经济损失。目前,镇痛药物仍然是治疗各类疼痛的主要手段。然而,阿片类镇痛药物风险巨大,根据美国疾控中心的调查研究数据,近年来北美地区爆发的阿片危机,每天都夺取了上百人的宝贵生命。在此时代背景下,寻找有效的非药物镇痛方法刻不容缓。 

  幸运的是,在与疼痛共存的漫长历史中,人类自身也逐渐演化出了一系列抵抗疼痛的手段。这些源自生物本能的“天然镇痛手段为开发非药物镇痛方法提供了思路和启示。试想,如果我们在关门的时候,手指不小心被门夹到了,我们的第一反应是什么?迅速缩手,并大幅甩动受伤的手!这一再自然不过的反应,产生的原因是什么呢? 

  如果仔细体会整个过程,我们将发现,在甩手的过程中,手上的疼痛感有明显的减弱。这种现象称为动作诱发的痛觉减退(movement-induced hypoalgesia)。不过,目前研究者对这一现象的内在机制尚无定论,无法明确这一动作镇痛效应是单一神经机制还是多种神经机制共同作用的结果。 

  为解决这一难题,中国科学院心理健康重点实验室的胡理研究员和吕雪靖副研究员等人深入分析了三种主流镇痛机制的特征,并通过一系列实验对甩手动作后的镇痛效果进行评估,借助心理物理测量和脑电技术量化了甩手动作与痛觉减退效应之间的关系,证实了动作诱发的痛觉减退现象是由三种机制共同作用的结果。 

  动作诱发的痛觉减退存在三种可能的内在机制:一是在运动执行过程中,大脑为减少运动产生的感觉输入对认知资源的占用,会阻止自主运动部位的感觉信息的上传,因此导致运动过程中的感觉衰减(即自传入镇痛机制);二是动作诱发的痛觉减退是由于运动造成的粗纤维(AAβ纤维)激活抑制了细纤维(AC纤维)对伤害性信号的传导,从而减弱其向更高一级的中枢神经系统传导伤害性神经冲动(即非伤害性干扰机制,又称闸门控制理论);三是自主运动也可能改变人们对伤害性刺激的预期与注意,从而通过疼痛下行抑制通路缓解疼痛(即疼痛下行抑制调控机制)。从这三种机制产生的镇痛作用的时空特征来看(图1),自传入镇痛机制产生的是持续时间较短的局部镇痛效果;非伤害性干扰机制产生的是持续时间较长的局部镇痛效果;而疼痛下行抑制调控机制产生的则是持续时间较短的全局镇痛效果。 

 

1 三种动作镇痛机制的时空特征简图 

    

  以这三种动作镇痛机制的时空特征差异为基础,该项研究通过五个密切相关的实验,对129名健康被试甩手动作后的疼痛感受进行系统评估,明确了这三种机制在动作诱发的痛觉减退中均起重要作用,并借助脑电技术研究了这一现象背后的中枢神经机制。 

  具体来说,该研究首先探究了甩手频率(1Hz5Hz)对镇痛作用的影响(实验一),确定了高频率甩手可起到更强的镇痛作用。在此基础上,该研究通过操纵甩手和疼痛刺激之间的时间间隔(分别为1s5s10s15s20s30s;实验二、实验三),刻画了甩手镇痛效果的时间特征;通过操纵甩动手和接受疼痛刺激手的异同性,即甩手后疼痛刺激施加于甩动手(相同手)的手背或非甩动手(不同手)的手背(实验四、实验五),刻画了甩手镇痛效果的空间特征。 

  研究结果显示,镇痛效果随着甩手动作与施加刺激之间时间间隔的延长先快速下降,再缓慢下降并维持较长时间;疼痛刺激施加于非甩动手手背时,依然有一定的短时镇痛作用,但镇痛效果明显弱于疼痛刺激施加于甩动手手背时的镇痛效果。同时,脑电研究(实验五)也发现,刺激前脑神经振荡信号中alpha频段能量在甩手后1s显著下降(图2),该变化反映了双侧感觉运动皮层的激活,进而对疼痛施加自上而下的抑制调控。 

  综上,甩手既有较强的短时局部镇痛作用(自传入镇痛机制),也有一定程度的长时局部镇痛作用(非伤害性干扰机制),还有较弱的短时全局镇痛作用(疼痛下行抑制调控机制)。因此,动作诱发的痛觉减退现象是由三种不同机制共同作用的结果。  

  该研究深化了研究者对主动运动镇痛效果和神经机制的认识,为开发非药物镇痛方法提供理论依据,有助于优化疼痛管理策略,缓解病人痛苦,提高他们的生活质量。 

 

2 主动运动对自发脑神经振荡信号的影响 

    

  该研究受国家自然科学基金委项目(31822025, 31701000, 32071061)资助。 

  研究成果已在线发表于《纽约科学院年鉴》(Annals of the New York Academy of Sciences): 

    

  论文信息: 

  Lu, X., Yao, X., Thompson, W. F., & Hu, L. (2021). Movement-induced hypoalgesia: behavioral characteristics and neural mechanisms. Annals of the New York Academy of Sciences.  

  http://doi.org/10.1111/nyas.14587 

    

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