內(nèi)嗅皮質(zhì)在疼痛感知與睡眠障礙間的中介效應(yīng)分析*

孫 杰 鄭永博 李 賡 常素華 李水清△

（1 北京大學(xué)第三醫(yī)院疼痛醫(yī)學(xué)中心，北京 100191；2 北京大學(xué)第六醫(yī)院，北京大學(xué)精神衛(wèi)生研究所，北京 100191；3 北京大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院，北京 100191；4 國家衛(wèi)生健康委員會精神衛(wèi)生學(xué)重點實驗室，北京 100191）

全球有15 億人受慢性疼痛困擾，慢性疼痛嚴重限制日常功能和工作能力，隨著我國人口年齡中位數(shù)的增長及辦公環(huán)境的改變，勞動年齡人口中慢性疼痛發(fā)病率增高，對于個人、家庭和社會經(jīng)濟都造成巨大負擔(dān)[1]。睡眠障礙與慢性疼痛往往相伴發(fā)生，失眠和其他睡眠障礙是大部分慢性疼痛病人的核心主訴[2]，薈萃分析顯示有50%的失眠病人合并慢性疼痛，75%患有慢性疼痛的病人合并失眠[3,4]。既往認為慢性疼痛與失眠相互作用、互相惡化，但近期研究發(fā)現(xiàn)睡眠缺失可直接導(dǎo)致疼痛敏感性升高，睡眠質(zhì)量不佳加劇疼痛程度及持續(xù)時間，超半數(shù)的失眠病人有慢性疼痛癥狀[5]。然而失眠惡化疼痛感知障礙的神經(jīng)影像學(xué)機制尚不明確，改善慢性疼痛病人的睡眠質(zhì)量可為緩解慢性疼痛提供新的治療策略。內(nèi)嗅皮質(zhì)在疼痛傳導(dǎo)及睡眠調(diào)控中都扮演重要作用，軀體的感覺信號經(jīng)內(nèi)嗅皮質(zhì)傳遞至海馬，內(nèi)嗅皮質(zhì)參與慢波睡眠的調(diào)控。因此，本研究旨在探究內(nèi)嗅皮質(zhì)在疼痛與睡眠障礙中的調(diào)控作用，從而為慢性疼痛與睡眠障礙的治療提供新的靶點。

方 法

1. 一般資料

本研究采用2017 年華盛頓-明尼蘇達大學(xué)合作承擔(dān)的人類連接組計劃HCP (Human Connectome Project, HCP) 項目，該項目獲得了華盛頓大學(xué)人體試驗倫理委員會批準(IRB#201204036)，其青年計劃中招集1206 名受試者。本研究向HCP 項目組提交申請，經(jīng)HCP 專家組審核批準，北京大學(xué)第六醫(yī)院倫理委員會審查本研究方案后予以批準（倫理批號2019-5-29-1），通過數(shù)據(jù)共享平臺下載受試者行為學(xué)數(shù)據(jù)及核磁影像數(shù)據(jù)分析。

納入標準：本研究納入受試者年齡位于22～35歲；無精神疾病、物質(zhì)濫用、神經(jīng)性疾病、心血管疾病病史；體內(nèi)無金屬置入物；非妊娠期婦女；人口學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)（如疼痛評分等）無缺失；任意靜息態(tài)數(shù)據(jù)的平均頭動< 0.15 mm；未進行免疫調(diào)節(jié)治療或化療；未使用處方藥物治療偏頭痛；無頭部損傷史。

2. 研究方法

（1）人口學(xué)信息采集：收集每名受試者的人口學(xué)資料，包括性別、年齡、同胞情況、種族、民族、教育情況、家庭收入、左右利手、物質(zhì)依賴及濫用信息、體重指數(shù) (body mass index, BMI)和伴侶情況等信息。

（2）疼痛感知信息采集：使用NIH toolbox 的疼痛評估方法進行疼痛感知評估。NIH Toolbox 疼痛量表用于評估受試者與實際或潛在組織損傷相關(guān)的疼痛感知情況，分為疼痛程度評分和疼痛對日常生活影響評分兩部分內(nèi)容：疼痛程度評分采用單條目的核心評價指標，疼痛評估條目的問題為：在過去7 天內(nèi)，平均疼痛情況的分數(shù)是多少，采用數(shù)字評分法 (number rating scale, NRS) 進行評價。0 分為無疼痛情況，10 分為可想象的最嚴重的疼痛感覺；疼痛對日常生活影響評分采用計算機化自適應(yīng)測驗，計算機充當決策者角色，依據(jù)項目反應(yīng)理論，根據(jù)受試者對過去7 天內(nèi)，疼痛的經(jīng)歷會多大程度上影響日常生活功能不同問題的作答情況估計出受試者疼痛對日常生活影響的真實水平得分，使用最少4 項、最多12 項回答的電子計算機校準后成績。疼痛對日常生活影響的評分代表疼痛情況對日常社交、認知、情緒、活動及娛樂功能的影響。分數(shù)范圍0～100 分，得分越高說明疼痛對日常生活的影響越大。

（3）睡眠情況信息采集：采用匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù) (Pittsburgh sleep quality index, PSQI) 評估受試者的睡眠質(zhì)量情況。PSQI 評價過去1 個月的睡眠狀況，分為7 個睡眠維度，調(diào)查受試者睡眠的24 個問題，總分共21 分，總分越高，表示睡眠狀況越差。

（4）影像采集過程：本研究核磁掃描由華盛頓大學(xué)及明尼蘇達大學(xué)收集完成。采用西門子3T 磁共振成像系統(tǒng)掃描。采用標準32 通道的西門子頭部線圈以及西門子專為HCP 項目設(shè)計的傳輸線圈接受器。掃描儀采用常規(guī)SC72 階梯系統(tǒng)，接受線圈有56 cm 通徑（最大梯度場強 = 100 mT/m，最大切換率91 mT/m/ms ；讀取成像：最大梯度場強 =42 mT/m，最大切換率200 mT/m/ms）。T1 加權(quán)的結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)如下：由三維磁化強度預(yù)備梯度回波(three dimensional magnetization prepared rapid graidient echo, 3D MPRAGE)序列獲得：回波時間 (echo time,TE) 2.14 ms，重復(fù)時間 (repitition time, TR) 2400 ms，反轉(zhuǎn)時間 (inversion time, TI) 1000 ms，反轉(zhuǎn)角(flip angle, FA) = 8 deg，采集矩陣為224 mm×224 mm，像素分辨率為0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm。數(shù)據(jù)由FSL(FMRIB Software Library)，F(xiàn)reesurfer 和Connectome Workbench 軟件進行預(yù)處理。

所有數(shù)據(jù)的處理程序均遵從HCP 的程序[6]。使用FreeSurfer 5.3.0-HCP 軟件對MRI 圖像進行分割、配準與三維重建。首先去除原始數(shù)據(jù)的空間和梯度失真的噪聲，以及進行校正頭動，進行場圖失真校正及配準，將T1 加權(quán)像0.7 mm 數(shù)據(jù)降采樣至1 mm，再次進行空間和梯度失真的噪聲去除以及頭動校正，校正空間位移后進行灰度歸一化，去偏移場，轉(zhuǎn)換成T1 加權(quán)像，配準到標準的皮質(zhì)表面，蒙特利爾神經(jīng)研究所(montreal neurological institute,MNI) 的標準模板空間內(nèi)[7]。使用Freesurfer 去除顱骨，配準腦體積，平滑、球面映射、球面校準，最后進行皮質(zhì)分割、標簽化。

3.統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 和Python 3.6.4 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，連續(xù)變量采用均數(shù)±標準差(±SD)表示，一般人口學(xué)數(shù)據(jù)包括年齡、性別、種族、BMI、受教育年數(shù)等，使用偏相關(guān)分析探索疼痛與睡眠之間的相關(guān)性。結(jié)構(gòu)態(tài)核磁數(shù)據(jù)通過構(gòu)建線性回歸模型計算海馬及相關(guān)皮質(zhì)與疼痛評分及PSQI 評分的相關(guān)性。使用Hayes 開發(fā)的PROCESS 中介效應(yīng)分析工具包進行中介分析，采取Bootstrap 隨機抽樣法的原理檢驗中介效應(yīng)的顯著性水平。中介效應(yīng)的95%置信區(qū)間不橫跨0（同為正值或同為負值）作為中介效應(yīng)顯著的標準。檢驗內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度對睡眠和疼痛相互影響的中介效應(yīng)。P< 0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1. 一般人口學(xué)資料

按照納入標準挑選受試者，本研究共納入1043名受試者，年齡在22～37歲之間（平均年齡28.9歲），男性446 名，女性597 名，人口學(xué)等一般資料見表1。

表1 一般人口學(xué)資料Table 1 Sociodemographic characteristics of the total sample

2. 疼痛情況與睡眠障礙發(fā)生的共病情況

將年齡、性別、種族、BMI、收縮壓、舒張壓、教育年限、雇傭狀態(tài)等人口學(xué)資料作為協(xié)變量進行控制變量校正，剔除協(xié)變量的影響后，PSQI 總分殘差與疼痛嚴重程度總分的偏相關(guān)系數(shù)是0.239 (P<0.001)，PSQI 總分與疼痛對日常生活動能影響的偏相關(guān)系數(shù)是0.229（P< 0.001，見表2）。

表2 疼痛與睡眠的偏相關(guān)分析Table 2 Partial correlation between sleep and pain

3.內(nèi)嗅皮質(zhì)與疼痛情況和睡眠障礙

右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)在MNI 標準模板空間中見圖1所示。將年齡、性別、種族、全腦灰質(zhì)總體積、全腦白質(zhì)總體積作為協(xié)變量進行控制變量校正，剔除協(xié)變量影響后，隨右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度降低，疼痛程度加重，睡眠質(zhì)量下降（見表3）。

表3 內(nèi)嗅皮質(zhì)與疼痛程度評分和PSQI 的相關(guān)性Table 3 Linear regression between pain intensity/PSQI and entorhinal cortex

圖1 右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)在冠狀面(A)、矢狀面(B)、橫斷面(C)Fig. 1 Right entorhinal cortex in coronal plane (A), sagittal plane (B), and transverse plane (C)

4.內(nèi)嗅皮質(zhì)可介導(dǎo)疼痛對睡眠情況的影響

將疼痛程度評分及疼痛對日常生活影響評分與睡眠情況、右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度置入中介模型（見圖2）進行分析，發(fā)現(xiàn)右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)可介導(dǎo)疼痛對睡眠的影響（見表4）。其中圖2A 中顯示，以疼痛程度評分為預(yù)測變量、PSQI 總分為結(jié)果變量時，右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度顯著介導(dǎo)了兩者間的效應(yīng)（Boot 95%置信區(qū)間上下界符號相同），間接效應(yīng)c= -0.010，直接效應(yīng)c' = -0.371；圖2B 中顯示，以疼痛對日常生活影響評分為預(yù)測變量、PSQI 總分為結(jié)局變量時，右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度顯著介導(dǎo)了兩者間的效應(yīng)（Boot95%置信區(qū)間上下界符號相同），間接效應(yīng)c= -0.002，直接效應(yīng)c' = -0.077。

表4 中介效應(yīng)分析結(jié)果Table 4 Mediation analysis results

圖2 中介模型(A) 右內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度中介疼痛程度評分對PSQI 總分的影響；(B) 右內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度中介疼痛影響生活評分對PSQI總分的影響Fig. 2 Mediation analysis model(A) The right entorhinal cortex thickness mediates the correlation between pain intensity and PSQI score; (B) The right entorhinal cortex thickness mediates the correlation between pain interference and PSQI score.

討 論

本研究發(fā)現(xiàn)疼痛嚴重程度及疼痛對生活功能的影響與睡眠質(zhì)量相關(guān)，睡眠質(zhì)量越差，對應(yīng)的疼痛程度評分越高。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度與疼痛癥狀及睡眠質(zhì)量均相關(guān)，且內(nèi)嗅皮質(zhì)可介導(dǎo)疼痛程度評分以及疼痛對日常生活的影響對睡眠情況的影響。

慢性疼痛和睡眠障礙往往相伴發(fā)生、互相惡化，目前尚缺乏有效的治療手段，造成巨大的社會經(jīng)濟負擔(dān)[1]。失眠和其他睡眠障礙是大部分慢性疼痛病人的核心主訴[2]，薈萃分析顯示有50%的失眠病人合并慢性疼痛，75%患有慢性疼痛的病人合并失眠[3,4]。睡眠缺失可直接導(dǎo)致疼痛敏感性升高，睡眠質(zhì)量不佳可加劇疼痛程度及持續(xù)時間，前一晚的睡眠質(zhì)量可影響第2 天的疼痛嚴重程度，失眠可導(dǎo)致新發(fā)疼痛[8]。在人和動物實驗性剝奪整夜或慢波睡眠后疼痛敏感性增高，疼痛閾值降低，受試者軀體不適感的主訴增加，補充睡眠后，降低的痛閾可得到恢復(fù)[5,9～11]。然而睡眠障礙與慢性疼痛共病的神經(jīng)機制尚不清楚。本研究從腦影像學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度與睡眠障礙相關(guān)，且與疼痛程度相關(guān)。中介效應(yīng)分析結(jié)果顯示疼痛癥狀可通過影響右側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)厚度進而影響睡眠情況。提示內(nèi)嗅皮質(zhì)有可能介導(dǎo)睡眠障礙與疼痛感知異常共病的情況。

既往研究發(fā)現(xiàn)疼痛與涉及情感和動機等中腦獎賞系統(tǒng)的神經(jīng)結(jié)構(gòu)異常密切相關(guān)。疼痛可通過與負性情緒相關(guān)的失眠等精神障礙互相促進，形成惡性循環(huán)[12]。內(nèi)嗅皮質(zhì)位于顳葉內(nèi)側(cè)面，在顳葉頭端向背外側(cè)延展。內(nèi)嗅皮質(zhì)在睡眠、記憶、感知覺中起重要作用。運動感覺皮質(zhì)的信息經(jīng)內(nèi)嗅皮質(zhì)傳遞至海馬?；A(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)嗅皮質(zhì)神經(jīng)元活動的失調(diào)會導(dǎo)致運動功能障礙。內(nèi)嗅皮質(zhì)接受海馬旁、頂葉和枕葉網(wǎng)絡(luò)的大量信息，與海馬旁區(qū)、眶額區(qū)等有密切信息交換[13]。損傷臂叢神經(jīng)后，發(fā)現(xiàn)痛覺敏感與海馬、內(nèi)嗅皮質(zhì)的信號改變[14]，以上研究證據(jù)說明內(nèi)嗅皮質(zhì)在傷害性刺激信息的傳遞中起到重要作用，疼痛感覺是綜合多個功能系統(tǒng)共同整合疼痛相關(guān)信息做出的主觀反應(yīng)[15]，睡眠障礙可能通過對內(nèi)嗅皮質(zhì)功能的改變從而影響個體對疼痛的感受進而形成惡性循環(huán)。同時，研究發(fā)現(xiàn)睡眠時內(nèi)嗅皮質(zhì)起到介導(dǎo)海馬與新皮質(zhì)活動的功能[16]。在家族致死性失眠的病人中內(nèi)嗅皮質(zhì)神經(jīng)功能受損；睡眠呼吸暫停病人的內(nèi)嗅皮質(zhì)體積減小，治療后內(nèi)嗅皮質(zhì)的體積與睡眠情況平行[17]。

綜上所述，內(nèi)嗅皮質(zhì)的厚度改變可能與疼痛感知異常和睡眠障礙共病及相互惡化相關(guān)，提示對于慢性疼痛共病睡眠障礙的病人，對內(nèi)嗅皮質(zhì)進行如經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱電刺激等物理治療，有望改善疼痛與睡眠障礙的共病癥狀。本研究也存在一些不足，受試者大部分為高加索年輕人群，其疼痛的癥狀并不嚴重，并不能代表慢性疼痛群體，且對我國中老年病人的代表性欠佳；本研究數(shù)據(jù)樣本為橫斷面數(shù)據(jù)，對因果解釋能力欠佳。因此，亟需設(shè)計針對我國慢性疼痛與睡眠障礙人群的隊列進行進一步驗證性研究，以期為臨床治療慢性疼痛提供新的治療思路，為臨床治療慢性疼痛問題提供最優(yōu)解決方案。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。