王凡团队揭示触觉抑制大脑对疼痛刺激反应的机制

众所周知，人与动物通过多种感觉途径获取外部信息，其中包括触觉，这是生物体与外界环境直接接触时的重要感觉功能。当我们身体的某个部位感到不适时，通常会本能地对那个部位施加一定压力的触摸（振动触觉）。例如，当头痛时，按揉太阳穴一段时间，疼痛的感觉会减轻；又或者，当腹部疼痛时，捂住肚子是最常见的镇痛行为。然而，对于神经科学家们来说，这种被称为触觉镇痛现象的具体机制仍难以捉摸。

近日，美国麻省理工学院麦戈文脑研究所大脑与认知科学系教授王凡领导的研究团队在 Science 子刊 Science Advances 上发表了题为：Somatosensory cortical signature of facial nociception and vibrotactile touch–induced analgesia 的研究论文。 

该研究深入揭示了疼痛与触觉之间的复杂关系，并为人类慢性疼痛相关疾病提供一些新的见解。

疼痛是一种复杂的感觉和情绪体验，可以通过高阶的处理来改变。王凡团队此前对麻醉动物的神经生理学研究发现，脊髓中存在一类宽动态范围的神经元（WDR）可能是触摸介导的镇痛基质。在人类中，触摸介导的疼痛缓解已被证明对由背根神经节（DRG）支配的身体部分和由三叉神经节（TG）神经元支配的口面部区域发挥作用。疼痛反应神经元的信号会因振动触觉而减弱。还有迹象表明，这一过程可能与大脑皮层有关。然而，涉及哪些皮层区域尚不清楚。

王凡教授

王凡表示，虽然已经知道小鼠会对面部的疼痛刺激做出反应，如用爪子擦拭面部，但无法跟踪其大脑中特定的疼痛反应以确定该行为是否有助于缓解疼痛。这方面的反应在很大程度上尚未被探索，因为很难在所有神经活动中监测大脑对疼痛刺激的反应，尤其是当动物移动时，运动和触摸的信号已完全覆盖了其他潜在的疼痛信号。

在这项新研究中，他们没有研究小鼠抓挠面部的影响，而是将注意力集中在一种更微妙的触觉方式上，开发了一种由振动触觉介导的伤害感受抑制的小鼠行为模型。

通常，啮齿动物使用胡须作为面部的主要触觉传感器。在环境探索过程中，小鼠会以有规律且高频率来回移动胡须，这一过程被称为Whisking（拂动），以收集各种环境中的感官信息。啮齿动物鼻子上的每根胡须都在初级体感皮层的桶状皮层（S1B）中单独表示，S1B用于处理胡须产生的触觉信息。

在实验中，研究团队对小鼠面部的左胡须垫施加辐射热或有害的机械性刺激。小鼠会根据感知到的伤害性刺激的强度擦拭面部。研究人员将这种行为作为伤害性感知的信号。

他们发现，与胡须不“拂动”的小鼠相比，当小鼠的胡须“拂动”时，对因有害热量或机械性刺激做出的反应（擦脸次数）显著减少。同样，在自发胡须运动的条件下，小鼠擦拭面部的可能性也显著降低。

当小鼠的胡须“拂动”时，那些优先对伤害性热量和机械性刺激作出反应的细胞激活的频率较低。因此，它们不太可能对疼痛刺激做出反应。

研究团队还发现，即使胡须“拂动”的小鼠在疼痛的刺激下擦拭自己的脸，但大脑中的神经元也需要更多的时间来适应与擦拭运动相关的放电模式。

“拂动”对疼痛信号的影响似乎依赖于特殊的触摸处理回路，该回路将触觉信息从丘脑腹后内侧核（VPM）发送到初级体感皮层的桶状皮层（S1B）。当研究人员阻断这一通路时，“拂动”将不再抑制动物对疼痛刺激的反应。

王凡指出，即使是在被激怒的小鼠开始擦拭面部之前的几分之一秒，即动物相对静止时，也很难区分哪些大脑信号与感知伤害性热量或机械刺激有关，哪些与胡须“拂动”有关。

随后，研究团队开发了可以将钙信号分解为感觉诱发、“拂动”或擦拭面部反应的信号分离算法，发现“拂动”的存在改变了 S1B 神经元中的伤害性信号处理。对 S1B 动态的分析表明，“拂动”会促使有害刺激引起的神经状态向非伤害性行为的结果转变。因此，S1B 整合面部触觉和有害信号，以实现触摸介导的镇痛。

王凡表示，研究团队迫切地想知道这个回路如何与大脑的其他部分协同工作，从而调节对疼痛刺激的感知和反应。

此外，这些发现可能与丘脑疼痛综合征有关，这是一种慢性疼痛障碍，患者在中风影响大脑丘脑后会出现这种疾病。王凡表示，中风可能损害了丘脑回路的功能，而丘脑回路通常会传递纯粹的触觉信号，抑制传递到大脑皮层的疼痛信号。