内嗅皮质在疼痛感知与睡眠障碍间的中介效应分析*

孙 杰 郑永博 李 赓 常素华 李水清△

（1 北京大学第三医院疼痛医学中心，北京 100191；2 北京大学第六医院，北京大学精神卫生研究所，北京 100191；3 北京大学前沿交叉科学研究院，北京 100191；4 国家卫生健康委员会精神卫生学重点实验室，北京 100191）

全球有15 亿人受慢性疼痛困扰，慢性疼痛严重限制日常功能和工作能力，随着我国人口年龄中位数的增长及办公环境的改变，劳动年龄人口中慢性疼痛发病率增高，对于个人、家庭和社会经济都造成巨大负担[1]。睡眠障碍与慢性疼痛往往相伴发生，失眠和其他睡眠障碍是大部分慢性疼痛病人的核心主诉[2]，荟萃分析显示有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]。既往认为慢性疼痛与失眠相互作用、互相恶化，但近期研究发现睡眠缺失可直接导致疼痛敏感性升高，睡眠质量不佳加剧疼痛程度及持续时间，超半数的失眠病人有慢性疼痛症状[5]。然而失眠恶化疼痛感知障碍的神经影像学机制尚不明确，改善慢性疼痛病人的睡眠质量可为缓解慢性疼痛提供新的治疗策略。内嗅皮质在疼痛传导及睡眠调控中都扮演重要作用，躯体的感觉信号经内嗅皮质传递至海马，内嗅皮质参与慢波睡眠的调控。因此，本研究旨在探究内嗅皮质在疼痛与睡眠障碍中的调控作用，从而为慢性疼痛与睡眠障碍的治疗提供新的靶点。

方 法

1. 一般资料

本研究采用2017 年华盛顿-明尼苏达大学合作承担的人类连接组计划HCP (Human Connectome Project, HCP) 项目，该项目获得了华盛顿大学人体试验伦理委员会批准(IRB#201204036)，其青年计划中招集1206 名受试者。本研究向HCP 项目组提交申请，经HCP 专家组审核批准，北京大学第六医院伦理委员会审查本研究方案后予以批准（伦理批号2019-5-29-1），通过数据共享平台下载受试者行为学数据及核磁影像数据分析。

纳入标准：本研究纳入受试者年龄位于22～35岁；无精神疾病、物质滥用、神经性疾病、心血管疾病病史；体内无金属置入物；非妊娠期妇女；人口学统计数据（如疼痛评分等）无缺失；任意静息态数据的平均头动< 0.15 mm；未进行免疫调节治疗或化疗；未使用处方药物治疗偏头痛；无头部损伤史。

2. 研究方法

（1）人口学信息采集：收集每名受试者的人口学资料，包括性别、年龄、同胞情况、种族、民族、教育情况、家庭收入、左右利手、物质依赖及滥用信息、体重指数 (body mass index, BMI)和伴侣情况等信息。

（2）疼痛感知信息采集：使用NIH toolbox 的疼痛评估方法进行疼痛感知评估。NIH Toolbox 疼痛量表用于评估受试者与实际或潜在组织损伤相关的疼痛感知情况，分为疼痛程度评分和疼痛对日常生活影响评分两部分内容：疼痛程度评分采用单条目的核心评价指标，疼痛评估条目的问题为：在过去7 天内，平均疼痛情况的分数是多少，采用数字评分法 (number rating scale, NRS) 进行评价。0 分为无疼痛情况，10 分为可想象的最严重的疼痛感觉；疼痛对日常生活影响评分采用计算机化自适应测验，计算机充当决策者角色，依据项目反应理论，根据受试者对过去7 天内，疼痛的经历会多大程度上影响日常生活功能不同问题的作答情况估计出受试者疼痛对日常生活影响的真实水平得分，使用最少4 项、最多12 项回答的电子计算机校准后成绩。疼痛对日常生活影响的评分代表疼痛情况对日常社交、认知、情绪、活动及娱乐功能的影响。分数范围0～100 分，得分越高说明疼痛对日常生活的影响越大。

（3）睡眠情况信息采集：采用匹兹堡睡眠质量指数 (Pittsburgh sleep quality index, PSQI) 评估受试者的睡眠质量情况。PSQI 评价过去1 个月的睡眠状况，分为7 个睡眠维度，调查受试者睡眠的24 个问题，总分共21 分，总分越高，表示睡眠状况越差。

（4）影像采集过程：本研究核磁扫描由华盛顿大学及明尼苏达大学收集完成。采用西门子3T 磁共振成像系统扫描。采用标准32 通道的西门子头部线圈以及西门子专为HCP 项目设计的传输线圈接受器。扫描仪采用常规SC72 阶梯系统，接受线圈有56 cm 通径（最大梯度场强 = 100 mT/m，最大切换率91 mT/m/ms ；读取成像：最大梯度场强 =42 mT/m，最大切换率200 mT/m/ms）。T1 加权的结构像扫描参数如下：由三维磁化强度预备梯度回波(three dimensional magnetization prepared rapid graidient echo, 3D MPRAGE)序列获得：回波时间 (echo time,TE) 2.14 ms，重复时间 (repitition time, TR) 2400 ms，反转时间 (inversion time, TI) 1000 ms，反转角(flip angle, FA) = 8 deg，采集矩阵为224 mm×224 mm，像素分辨率为0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm。数据由FSL(FMRIB Software Library)，Freesurfer 和Connectome Workbench 软件进行预处理。

所有数据的处理程序均遵从HCP 的程序[6]。使用FreeSurfer 5.3.0-HCP 软件对MRI 图像进行分割、配准与三维重建。首先去除原始数据的空间和梯度失真的噪声，以及进行校正头动，进行场图失真校正及配准，将T1 加权像0.7 mm 数据降采样至1 mm，再次进行空间和梯度失真的噪声去除以及头动校正，校正空间位移后进行灰度归一化，去偏移场，转换成T1 加权像，配准到标准的皮质表面，蒙特利尔神经研究所(montreal neurological institute,MNI) 的标准模板空间内[7]。使用Freesurfer 去除颅骨，配准脑体积，平滑、球面映射、球面校准，最后进行皮质分割、标签化。

3.统计学分析

采用SPSS 22.0 和Python 3.6.4 软件进行数据统计分析，连续变量采用均数±标准差(±SD)表示，一般人口学数据包括年龄、性别、种族、BMI、受教育年数等，使用偏相关分析探索疼痛与睡眠之间的相关性。结构态核磁数据通过构建线性回归模型计算海马及相关皮质与疼痛评分及PSQI 评分的相关性。使用Hayes 开发的PROCESS 中介效应分析工具包进行中介分析，采取Bootstrap 随机抽样法的原理检验中介效应的显著性水平。中介效应的95%置信区间不横跨0（同为正值或同为负值）作为中介效应显著的标准。检验内嗅皮质厚度对睡眠和疼痛相互影响的中介效应。P< 0.05 为差异有统计学意义。

结 果

1. 一般人口学资料

按照纳入标准挑选受试者，本研究共纳入1043名受试者，年龄在22～37岁之间（平均年龄28.9岁），男性446 名，女性597 名，人口学等一般资料见表1。

表1 一般人口学资料Table 1 Sociodemographic characteristics of the total sample

2. 疼痛情况与睡眠障碍发生的共病情况

将年龄、性别、种族、BMI、收缩压、舒张压、教育年限、雇佣状态等人口学资料作为协变量进行控制变量校正，剔除协变量的影响后，PSQI 总分残差与疼痛严重程度总分的偏相关系数是0.239 (P<0.001)，PSQI 总分与疼痛对日常生活动能影响的偏相关系数是0.229（P< 0.001，见表2）。

表2 疼痛与睡眠的偏相关分析Table 2 Partial correlation between sleep and pain

3.内嗅皮质与疼痛情况和睡眠障碍

右侧内嗅皮质在MNI 标准模板空间中见图1所示。将年龄、性别、种族、全脑灰质总体积、全脑白质总体积作为协变量进行控制变量校正，剔除协变量影响后，随右侧内嗅皮质厚度降低，疼痛程度加重，睡眠质量下降（见表3）。

表3 内嗅皮质与疼痛程度评分和PSQI 的相关性Table 3 Linear regression between pain intensity/PSQI and entorhinal cortex

图1 右侧内嗅皮质在冠状面(A)、矢状面(B)、横断面(C)Fig. 1 Right entorhinal cortex in coronal plane (A), sagittal plane (B), and transverse plane (C)

4.内嗅皮质可介导疼痛对睡眠情况的影响

将疼痛程度评分及疼痛对日常生活影响评分与睡眠情况、右侧内嗅皮质厚度置入中介模型（见图2）进行分析，发现右侧内嗅皮质可介导疼痛对睡眠的影响（见表4）。其中图2A 中显示，以疼痛程度评分为预测变量、PSQI 总分为结果变量时，右侧内嗅皮质厚度显著介导了两者间的效应（Boot 95%置信区间上下界符号相同），间接效应c= -0.010，直接效应c' = -0.371；图2B 中显示，以疼痛对日常生活影响评分为预测变量、PSQI 总分为结局变量时，右侧内嗅皮质厚度显著介导了两者间的效应（Boot95%置信区间上下界符号相同），间接效应c= -0.002，直接效应c' = -0.077。

表4 中介效应分析结果Table 4 Mediation analysis results

图2 中介模型(A) 右内嗅皮质厚度中介疼痛程度评分对PSQI 总分的影响；(B) 右内嗅皮质厚度中介疼痛影响生活评分对PSQI总分的影响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.

讨 论

本研究发现疼痛严重程度及疼痛对生活功能的影响与睡眠质量相关，睡眠质量越差，对应的疼痛程度评分越高。此外，本研究还发现右侧内嗅皮质厚度与疼痛症状及睡眠质量均相关，且内嗅皮质可介导疼痛程度评分以及疼痛对日常生活的影响对睡眠情况的影响。

慢性疼痛和睡眠障碍往往相伴发生、互相恶化，目前尚缺乏有效的治疗手段，造成巨大的社会经济负担[1]。失眠和其他睡眠障碍是大部分慢性疼痛病人的核心主诉[2]，荟萃分析显示有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]。睡眠缺失可直接导致疼痛敏感性升高，睡眠质量不佳可加剧疼痛程度及持续时间，前一晚的睡眠质量可影响第2 天的疼痛严重程度，失眠可导致新发疼痛[8]。在人和动物实验性剥夺整夜或慢波睡眠后疼痛敏感性增高，疼痛阈值降低，受试者躯体不适感的主诉增加，补充睡眠后，降低的痛阈可得到恢复[5,9～11]。然而睡眠障碍与慢性疼痛共病的神经机制尚不清楚。本研究从脑影像学的角度发现右侧内嗅皮质厚度与睡眠障碍相关，且与疼痛程度相关。中介效应分析结果显示疼痛症状可通过影响右侧内嗅皮质厚度进而影响睡眠情况。提示内嗅皮质有可能介导睡眠障碍与疼痛感知异常共病的情况。

既往研究发现疼痛与涉及情感和动机等中脑奖赏系统的神经结构异常密切相关。疼痛可通过与负性情绪相关的失眠等精神障碍互相促进，形成恶性循环[12]。内嗅皮质位于颞叶内侧面，在颞叶头端向背外侧延展。内嗅皮质在睡眠、记忆、感知觉中起重要作用。运动感觉皮质的信息经内嗅皮质传递至海马。基础研究发现内嗅皮质神经元活动的失调会导致运动功能障碍。内嗅皮质接受海马旁、顶叶和枕叶网络的大量信息，与海马旁区、眶额区等有密切信息交换[13]。损伤臂丛神经后，发现痛觉敏感与海马、内嗅皮质的信号改变[14]，以上研究证据说明内嗅皮质在伤害性刺激信息的传递中起到重要作用，疼痛感觉是综合多个功能系统共同整合疼痛相关信息做出的主观反应[15]，睡眠障碍可能通过对内嗅皮质功能的改变从而影响个体对疼痛的感受进而形成恶性循环。同时，研究发现睡眠时内嗅皮质起到介导海马与新皮质活动的功能[16]。在家族致死性失眠的病人中内嗅皮质神经功能受损；睡眠呼吸暂停病人的内嗅皮质体积减小，治疗后内嗅皮质的体积与睡眠情况平行[17]。

综上所述，内嗅皮质的厚度改变可能与疼痛感知异常和睡眠障碍共病及相互恶化相关，提示对于慢性疼痛共病睡眠障碍的病人，对内嗅皮质进行如经颅磁刺激、经颅电刺激等物理治疗，有望改善疼痛与睡眠障碍的共病症状。本研究也存在一些不足，受试者大部分为高加索年轻人群，其疼痛的症状并不严重，并不能代表慢性疼痛群体，且对我国中老年病人的代表性欠佳；本研究数据样本为横断面数据，对因果解释能力欠佳。因此，亟需设计针对我国慢性疼痛与睡眠障碍人群的队列进行进一步验证性研究，以期为临床治疗慢性疼痛提供新的治疗思路，为临床治疗慢性疼痛问题提供最优解决方案。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。