NeuroImage：利用高时间分辨率fMRI和动态因果模型探究人脑对痛觉和触觉信息处理的层级结构

天津市功能影像重点实验室梁猛教授课题组将高时间分辨率fMRI与动态因果模型相结合探究了人脑‘丘脑-初级躯体感觉皮层-次级躯体感觉皮层’网络中痛觉和触觉信息处理的层级结构。相关研究成果于近期在线发表在NeuroImage，题目为Feedforward and feedback pathways of nociceptive and tactile processing in human somatosensory system: A study of dynamic causal modeling of fMRI data。天津市功能影像重点实验室博士研究生宋颖超为本文第一作者，梁猛教授为本文通讯作者。

前言

Introduction

痛觉和触觉信息在人脑躯体感觉系统中通过丘脑和初级躯体感觉皮层（the primary somatosensory cortex, S1）、次级躯体感觉皮层（the secondary somatosensory cortex， S2）之间的双向传递通路（即前馈通路和反馈通路）进行处理。然而，在这一躯体感觉系统脑网络中，痛觉和触觉信息处理的层级结构是否存在差异，目前尚不清楚。尤其是对于该脑网络中的前馈和反馈传导通路，目前仍存在两个亟待解决的问题：首先，对于前馈通路（即‘丘脑-S1’和‘丘脑-S2’），痛觉信息和触觉信息到底是并行处理还是串行处理目前仍存在争议；其次，对于反馈通路（即‘S1-丘脑’和‘S2-丘脑’），目前尚不清楚S1和S2对丘脑神经活动的反馈调节在痛觉和触觉信息处理过程中是否以及如何发挥作用。针对上述两个问题，我们利用亚秒级时间分辨率功能磁共振成像（fMRI）技术，结合动态因果模型（dynamic causal modeling，DCM）来探究痛觉和触觉信息在‘丘脑-S1-S2’网络中处理的层级结构。与前人研究相比，本研究在三个方面具有优势：

（1）高时间分辨率fMRI数据；

（2）更合理的模型结构；

（3）更大样本量。

材料与方法

Materials and Methods

六十二名健康被试参与本研究，并在实验开始前签署知情同意书。每个被试接受两段（session）高时间分辨率功能磁共振扫描（repetition time = 0.8 s），扫描过程中被试接受痛觉和触觉刺激，并将采集到的fMRI数据进行常规预处理。通过以下步骤估计‘丘脑-S1-S2’网络内的效应连接，根据三个脑区间的效应连接模式推断痛觉和触觉信息传递的层级结构：

（1）分别构建个体水平和组水平一般线性模型（General Linear Model，GLM），从而获得个体水平和组水平痛觉和触觉脑激活图（图1）；

（2）基于组水平痛、触觉激活图，确定三个脑区（丘脑，S1和S2）的组水平激活峰值点，然后在组水平激活峰值点周围确定每个被试相应脑区的个体激活峰值点（图2a）；

（3）以每个被试相应脑区的峰值体素为球心、5毫米为半径的小球，确定每个被试、每个脑区的感兴趣区（Region Of Interest，ROI）（图2b）；

（4）对于每个被试的每个ROI，计算区域内所有体素fMRI时间序列的第一本征向量来提取该感兴趣区的时间序列（图2c）；

（5）对每个被试每个session构建全连接动态因果模型（DCM）并进行模型参数估计；

（6）使用贝叶斯平均（Bayesian Averaging）算法计算每个被试两个session的平均模型；

（7）采用参数经验贝叶斯(Parametric Empirical Bayes, PEB) 和贝叶斯模型简化（Bayesian Model Reduction，BMR）来估计组水平效应连接参数。

通过上述步骤，最终得到痛触觉信息处理过程中DCM的脑区间固有连接强度以及痛觉和触觉刺激各自对脑区间连接的调控强度。

图1. 组水平一般线性模型分析结果。痛觉刺激激活图（a）、触觉刺激激活图（b）、痛觉刺激与触觉刺激共同激活图（c）。这些结果经过体素水平 FWE 校正（p < 0.05）。

图2. 由痛觉刺激和触觉刺激诱发的对侧丘脑， S1 和 S2 的激活区域（a）， 个体水平和组水平感兴趣区域位置（b），以及从 57 名受试者的三个 ROI 中提取相应的平均 BOLD 信号（c）。图 a 中的白色圆圈和图 b 中的红色圆点表示三个 ROI的组水平峰值体素，图 b 中的白色圆点表示每个被试三个 ROI 个体水平的峰值体素。图 c 中红色和蓝色的线条分别对应痛觉和触觉条件组水平平均时间序列。Th，丘脑；S1，初级体感皮层；S2，次级体感皮层。

结果

Results

本研究主要得到以下三个结果（图3-4）：

（1）关于‘丘脑-皮层’前馈通路，从丘脑到S1和从丘脑到S2的两条前馈连接同时受痛觉刺激和触觉刺激正向调控，提示不论痛觉信息还是触觉信息均从丘脑并行传递到S1和S2；

（2）关于‘皮层-丘脑’反馈通路，从S1到丘脑的固有连接显著为负，但不受痛觉或触觉刺激的调控，尽管从S2到丘脑的固有连接不显著，但受到痛觉和触觉刺激的负向调控，提示S1和S2对丘脑的下行调控作用不同；

（3）关于痛觉和触觉信息处理方式的差别，基于个体水平DCM模型参数，配对t检验结果进一步证实，痛觉和触觉条件下，在‘丘脑-S1-S2’网络中所有效应连接没有显著差异（p > 0.05，未校正），提示痛觉和触觉信息传递在该网络中不论在前馈还是在反馈通路上均具有相似的层级结构。

图3. 组水平平均估计固有参数（a），调制参数（b）和输入参数（c）。灰色条代表均值，粉色条（或红色条）代表 95%的贝叶斯置信区间。红色条表示后验概率大于 0.95 的参数。在图 b 的横坐标标记中，红色表示痛觉刺激，蓝色表示触觉刺激。

图4. 由 PEB 和 BMR 确定的最终模型结构。带箭头的黑线表示‘丘脑-S1-S2’网络中的固有连接，线的粗细表示每个固有连接的大小（实线表示显著的固有连接，虚线表示不显著的固有连接）。箭头旁圆圈内的符号表示固有连接的符号。黑线上彩色的圆圈代表调制参数，颜色代表调制参数刺激类型（红色代表痛觉刺激，蓝色代表触觉刺激）。彩色圆圈的大小代表调制效应的大小。彩色圆圈旁边的符号表示调制效应的符号。右上角的插图显示了通过配对T检验获得的痛觉刺激和触觉刺激条件之间调节参数的比较结果（T值和P值）。‘丘脑-S1-S2’网络显示为一个矩阵，每个格子对应一条连接；例如，第三行、第一列的格子对应从丘脑到S2的连接。每个格子的颜色表示T值，括号内标注相应P值（未校正）。Th，丘脑；S1，初级体感皮层；S2，次级体感皮层。

结论

Conclusion

本研究基于亚秒级时间分辨率fMRI数据的动态因果模型分析结果提示：（1）痛觉信息和触觉信息在人脑躯体感觉系统‘丘脑-S1-S2’网络中具有相似的层级处理结构；（2）从上行通路来看，痛觉信息和触觉信息都是从丘脑并行传递到S1和S2，采用并行处理机制；（3）从下行通路来看，S1和S2对丘脑的反馈调节作用不同，S1通常抑制丘脑活动，且该抑制作用不受外界刺激的调控，而S2在有外部刺激时对丘脑活动提供额外的抑制作用，而且这些下行反馈调节作用在痛觉和触觉之间没有显著差异。这些发现为探索痛觉和触觉信息在人脑躯体感觉系统中的处理机制提供了重要证据。

论文信息

Song Y, Su Q, Yang Q, Zhao R, Yin G, Qin W, Iannetti GD, Yu C, Liang M. Feedforward and feedback pathways of nociceptive and tactile processing in human somatosensory system: A study of dynamic causal modeling of fMRI data [J]. Neuroimage, 2021. doi: 10.1016/j.neuroimage.2021.117957

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来源：天津市功能影像重点实验室

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