Somatosensory cortex: A comparison of the response to noxious thermal, mechanical, and electrical stimuli using functional magnetic resonance imaging

Abstract

In the present study, functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to examine pain perception in humans. Three types of noxious stimuli were presented: electric shock (20.8 mA, 2 Hz), heat (48 degrees C), and mechanical, as well as a control tactile stimulus. The significance of activation at the level of the voxel was determined using correlation analysis. Significant region of interest (ROI) activation was determined by comparing the percentage of active voxels in each ROI to activation in a control ROI in the visual cortex. In response to tactile and shock stimuli, consistent activation was seen in the postcentral gyrus, parietal operculum, and ipsilateral cerebellar cortex. No significant cortical activation was detected in response to noxious heat or mechanical stimulation when compared to nonpainful intensity levels. The data did not indicate adaptation, although further study in this area is necessary. Stationary noxious thermal and mechanical stimulation are "pure" noxious stimuli, while electrical stimulation influenced nociceptive and nonnociceptive receptors. Lack of detectable activation in response to pure noxious stimuli supports the idea that nociceptive and nonnociceptive fibers are interspersed in the somatosensory cortex. Conflicting results from recent functional imaging studies of pain perception regarding cortical activation indicate that it is essential to consider both the tactile and nociceptive components of the stimuli used, the spatial extent of stimulation, and the possibility of adaptation to the response. Furthermore, these results suggest that subtractive or correlative methods may not be sufficiently sensitive to image the activity of nociceptive cells, which are sparsely distributed throughout the somatosensory cortex.

Cortical Processing of Noxious Somatosensory Stimuli in the Persistent Vegetative State

“…The simultaneously recorded SEPs offered independent information on the integrity of peripheral nerves, spinal cord, and ascending central sensory pathways and ensured that patients were properly stimulated. In healthy volunteers, the electric shocks were perceived as highly unpleasant to painful and significantly activated brain areas previously described in brain imaging studies of pain using electrical (Davis et al, 1997;Disbrow et al, 1998;Oshiro et al, 1998) or other (for review see Treede et al, 1999;Chen, 2001) stimuli.…”

Involvement of Cholecystokininergic Systems in Anxiety-Induced Hyperalgesia in Male Rats: Behavioral and Biochemical Studies

“…We chose to study cholecystokinin (CCK), because it has been shown previously to act both in the mechanisms of nociception (Cesselin, 1995;Wiesenfeld-Hallin et al, 1999) and in anxiogenesis (van Megen et al, 1996;Shlik et al, 1997). Microdialysis via a frontal cortex probe was chosen, because it offers the advantage of quantifying the release of CCK from an area both rich in CCKcontaining neurons (Beinfeld et al, 1981;Marley et al, 1984;Iadarola et al, 1989) and known to play an important role in the control of anxiety/stress (Damasio, 1997;Davidson, 2002) and in the integration of nociceptive messages (Di Piero et al, 1997;Disbrow et al, 1998). Last, the roles played by anxiety and pain were further documented using morphine as an analgesic, chlordiazepoxide as an anxiolytic, and 4- [[2-[[3-(1 H-indol-3-yl)-2-methyl-1-oxo-2[[(tricyclo[3.3[12,17] …”

Whether the Primary Somatosensory Cortex Plays an Important Role in Pain Coding?

“…包括感觉-辨别成分又包含情绪-动机成分的多维度复杂体验 (Mathieu, 2016;Bicket, Dunn, & Ahmed, 2016;Huang et al, 2013;Loeser & Treede, 2008;Vaz, Ferreira, Salgado, & Paycha, 2016)。疼痛的感觉-辨别成分， 本身就有一定的警示作用，可促使机体采取保护性的躲避行为 (Vierck, Whitsel, Favorov, Brown, & Tommerdahl, 2013)。然而疼痛除了单纯的感觉外，还具有情感和认知成分，带有强烈的主观色彩 (Xie, Huo, & Tang, 2009)。此外，感觉-辨别主要分析刺激的性质、部位、强度及持续时间等信息，而情感-动机主要与 疼痛产生时的情感和引起的行为密切相关，认知-评估主要与对伤害性刺激的注意、预期和记忆密切相关 (Xie, Huo, & Tang, 2009)。而这种简单的维度区分并不能很好的解释大脑皮层的网络工作在疼痛编码中的 重要作用 (Vierck, Whitsel, Favorov, Brown, & Tommerdahl, 2013)。长期以来，大脑皮层是否涉及到疼痛的 编码存在着一定的争议 (Treede, Kenshalo, Gracely, & Jones, 1999;Disbrow, Buonocore, Antognini, Carstens, & Rowley, 1998;Canavero & Bonicalzi, 2013)。传统观点认为大脑皮层与疼痛感知无关 (Xie, Huo, & Tang, 2009)，然而，随着多种现代临床影像技术的诞生，越来越多的研究表明诸多的皮层结构参与疼痛的编码 过程， 如前扣带回皮层(anterior cingulate cortex, ACC)、 岛叶皮层(insular cortex)、 腹外侧眶皮层(ventrolateral orbital cortex, VLO)、运动皮层(motor cortex)、初级躯体感觉皮层(primary somatosensory cortex, S1)以及次 级躯体感觉皮层(secondary somatosensory cortex, S2)等 (Apkarian, Bushnell, Treede, & Zubieta, 2005;Tamaddonfard & Hamzeh-Gooshchi, 2014;Disbrow, Buonocore, Antognini, Carstens, & Rowley, 1998;Xie et al, 2012)。这些皮层结构相应地参与到外侧痛觉系统和内侧痛觉系统中，其中 S1、S2 参与到外侧痛觉系统 中，主要传递疼痛的感觉-辨别信息；ACC、insular 参与到内侧痛觉系统中，主要传递疼痛的情绪信息 (Vierck, Whitsel, Favorov, Brown, & Tommerdahl, 2013;Xie, Huo, & Tang, 2009)。 但是这些脑区在疼痛编码 过程所起的作用还缺乏更加深入的研究，也还没有明确的定论。本文通过整合大量的动物与非侵入性人 类研究来探讨 S1 在疼痛编码过程中的作用， 并针对现有研究的局限， 为今后的研究提供新的思路。 同时， 通过对痛觉神经机制的深入了解，也为以后更高层次的研究提供理论支持。 在动物的研究中，研究者们得出的结论较为一致，认为 S1 主要与疼痛的感觉辨别成分有关，即对疼 痛刺激的部位、 强度、 性质进行编码 (Vierck, Whitsel, Favorov, Brown, & Tommerdahl, 2013;Follett & Dirks, 1994;Guilbaud, Benoist, Levante, Gautron, & Willer, 1992)。然而，与动物研究相比，采用功能性核磁共振 (functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) (Disbrow et al, 1998;Rao et al, 2013)、 正电子发射断层成像 Open Access 技术(Positron Emission Tomography, PET) (Andersson et al, 1997;Casey, Minoshima, Morrow, & Koeppe, 1996;…”

“…S1 参与刺激位置的编码过程 不同身体部位的疼痛刺激会激活不同的 S1 区域，如来源于皮肤的疼痛刺激一般激活 S1 的内侧(3b (Dykes, Metherate, & Tremblay, 1990)。Follett 等 人通过施加不同等级的内脏痛(直结肠扩张)和经皮刺激对大鼠 S1 区神经元的活动进行了研究，结果表明 S1 中有 115 个神经元表现出自发活动， 其中 66 个对不同等级的直结肠扩张作出反应 (Follett & Dirks, 1994)。 直结肠扩张发生时促进了 S1 中 33%的神经元活动及抑制了 S1 中 52%的神经元活动，15%的神经元表现 为促进与抑制反应的混合，经皮刺激与直结肠扩张引起的 S1 神经元活动有 71%的一致性，这些数据表明 S1 神经元参与对内脏伤害性刺激及经皮刺激的编码 (Follett & Dirks, 1994)。此外，Reed 等人在猴子的手 部植入 100 根电极， 发现刺激手的不同部位会影响其相应的 S1 亚区神经元的同步放电 (Reed et al, 2012) )。这表明 S1 在对疼痛部位的编码中发挥重 要的作用。Talbot 等人采用 PET 技术的研究发现，当对被试的一侧手臂施加热刺激时其对侧的 S1 有显 著的活动 (Talbot et al, 1991)。这与 S1 的交叉投射规律(即一侧体表感觉向对侧投射)相符 (Tommerdahl, Favorov, & Whitsel, 2010)。同理，Andersson 等人采用 PET 技术发现在被试的足背以及手背皮内注射辣 椒素会引起 S1 不同亚区的反应 (Andersson et al, 1997)。一项 EEG 与 MEG 的研究发现，使用 红外激光 (thulium-YAG)刺激被试的手背和足背诱发疼痛时，被试手背对应的 S1 区比足背对应的 S1 区有更显著的 激活，这表明 S1 参与对疼痛刺激部位的编码 (Treede et al, 1999) (Casey et al, 1996)。目前大部分观点认为 S1 能对刺激的性质进行编码，如当患者 的 S1 区出现缺血性损伤时，其很难准确的辨认出伤害性刺激的性质，也不能准确的辨认疼痛刺激与非疼 痛刺激，当医生要求其使用"针刺样疼痛""轻度痛""钝痛""烧灼痛"等词描述当下呈现的刺激时， 这类病人往往难以准确的表达 (Ploner, Schmitz, Freund, & Schnitzler, 1999)。但是由于被试的感知、刺激的 持续时间和方式等方面的差异，无法对包含不同性质疼痛刺激的研究进行准确的比较，所以现有研究在 探讨 S1 对刺激性质的编码时还存在一定的争议。 大量动物研究就 S1 是否参与对疼痛刺激性质的编码这一问题已经得出一致的结论，即 S1 参与了对 疼痛刺激性质的编码。 如 Murrel 等使用 EEG 技术， 比较了大鼠在接受不同性质的伤害性刺激(机械刺激、 热刺激、电刺激)时其 S1 区的激活情况，发现不同性质的刺激呈现时 S1 表现为不同程度的激活，这表明 S1 参与了对刺激性质的编码 (Murrell et al, 2007)。因此，非灵长类动物的 S1 区也能分辨出不同性质的刺 激，即参与对刺激性质的编码。Chen 等人使用细胞外记录方法，研究了非伤害性刺激、伤害性热刺激及 李钻，陈伟海 伤害性机械刺激作用于松鼠猴的脚掌末端时 S1 区的反应，发现不同性质的刺激会诱发 S1 区不同的激活 模式，即疼痛刺激激活了 S1 的 3a、3b 和 1 区，而非疼痛刺激激活了 S1 的 3b 和 1 区，而伤害性热刺激 与伤害性机械刺激会诱发 S1 区显著不同的激活模式， 即 S1 的三个区域均参与对伤害性机械刺激的编码， 而 3a 和 1 区参与对伤害性热刺激的编码 (Chen, Friedman, & Roe, 2009)。这表明非人灵长类动物的 S1 区 对不同性质的刺激也表现出不同的反应，即非人灵长类动物的 S1 区参与对刺激性质的编码。综上，不管 是非人的灵长类动物还是非灵长类动物的研究都明确了 S1 在刺激性质编码中的重要作用。 就 S1 是否参与对疼痛刺激性质的编码这一问题，采用 fMRI，PET，EEG 和 MEG 等脑影像技术在 人类被试中的研究并没有得出一致的结论。 一些研究表明不同性质的疼痛刺激可诱发 S1 不同亚区的显著 性激活。如 Casey 等人采用 PET 技术比较了伤害性冷刺激和伤害性热刺激呈现时，S1 区 rCBF 的变化， 结果显示，与伤害性热刺激相比，伤害性冷刺激能诱发 S1 区的 rCBF 显著地增加，并且使被试产生更高 的不愉悦度 (Casey et al, 1996)。神经电生理研究发现，与非伤害性刺激相比，伤害性刺激诱发的细胞放 电频率更小，并且伤害性刺激诱发的 S1 的激活主要在 3a 区和 1 区的边缘，而非伤害性刺激引起的 S1 的 激活主要在 1 区和 3b 区的边缘 (Xie, Huo, & Tang, 2009 (Chudler et al, 1990a;Disbrow et al, 1998;Kenshalo et al, 1988a;Kenshalo & Isensee, 1983a (Xie, Huo, & Tang, 2009;Hofbauer, Rainville, Duncan, & Bushnell, 2001)。而疼痛的这三 种成分并不能完全分离，研究中如果单独就某种成分进行分析会比较困难，也容易得出不一致的研究结 论。但是大多数研究者对于感觉-辨别维度，主要集中研究伤害性刺激呈现时 S1 区在其中的作用；而在 情绪-动机维度，主要研究伤害性刺激呈现时 ACC 对其的作用；在认知评估维度主要关注前额叶、顶叶 后部和扣带回前部皮质 (Hofbauer, Rainville, Duncan, &...…”