《Annual Review of Physiology》：The Representation of Nociception and Pain in the Developing Brain
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本文综述围绕新生儿疼痛感知的神经机制，梳理了从组织损伤到皮层响应的完整通路。文章指出，新生儿痛觉表征并非成人体系的简化版，而是依赖发育中的神经网络，其痛觉连接组（pain connectome）在出生时仍不成熟。通过脑电图（EEG）、近红外光谱（fNIRS）等技术，揭示了婴儿皮层可对伤害性刺激产生特异性应答（如nERP），但该应答在选择性、空间定位上随孕周演变，并受性别、压力、炎症等生物因素及父母接触、刺激重复等环境因素调制。本文强调，婴儿行为反应（如面部表情）不能完全反映其大脑痛觉表征，尤其在应激状态下，皮层微状态分析揭示了更复杂的脑-行为关系。这为理解婴儿疼痛的独特性、优化临床镇痛策略提供了关键的发育神经科学视角。
新生儿痛觉与疼痛的大脑表征发育
疼痛是人类的基础体验，但它是如何开始的？即使在最小的新生儿中，伤害性刺激也能引发强烈的行为和生理反应，这反映了早期的皮层下参与，但真正的疼痛体验需要更高级的皮层加工过程。这篇综述总结了当前关于与组织损伤相关的疼痛如何在新生儿大脑中表征的知识，并提出了一个模型，描绘了疼痛表征如何随着底层神经网络的发展而演变。
伤害性信息向婴儿皮层的传递与成熟
大脑对于疼痛体验至关重要，因为它是感觉信号被解读和赋予意义的地方。然而，实际的疼痛感觉直到这个信号在皮层被处理后才会发生。伤害性、组织损伤性刺激会在最小的婴儿中引发强烈的行为和生理反应。这些通常被用作临床环境中婴儿疼痛的综合测量指标，但它们是由皮层下结构介导的，并不一定反映大脑中的疼痛表征。
通过肌电图和视频分析，可以测量早产儿和足月儿由组织损伤引起的反射行为。这些行为不仅包括明确的肢体反射，还包括身体运动、面部表情、发声以及正在进行的行为的中断。结合对新生啮齿动物模型中发育中的伤害性通路的实验室电生理分析，反射行为表明，在中枢传递的伤害性信息的模式上，新生儿与成人存在显著差异。这种差异在选择性、强度、空间编码和敏化模式上都很明显。
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选择性信息：组织损伤由无髓鞘C纤维和薄髓鞘Aδ纤维伤害性感受器发出信号。在成人和年长儿中，它们传递的伤害性信息与无害的触觉信息是不同的。然而，新生儿中枢触觉和伤害性感觉回路在脊髓背角和脑干的发育要慢得多。事实上，对新生实验啮齿动物和早产人类婴儿的详细行为和电生理研究揭示了触觉和伤害性脊髓处理之间存在明显的重叠。在最小的早产儿中，触觉刺激引起的肢体回缩肌电活动与伤害性刺激引起的无法区分。甚至在足月时及出生后第一年，触觉刺激也会引起肢体反射性回缩，尽管明显小于伤害性刺激引起的回缩。
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比例信息：选择性不足并不妨碍早产儿和足月儿能够对单次皮肤刺破产生强烈且持久的屈曲反射。婴儿越小，反应越夸张和混乱，不仅限于患肢，还涉及对侧肢体。这种看似不成比例的反应源于脊髓内部和来自脊髓上中心的下行控制系统的未成熟抑制控制。这些下行控制，从大脑到脊髓，比从脊髓到大脑的上行通路成熟得晚得多。因此，与成人相比，新生儿中枢传递的伤害性信息被夸大，这与缺乏来自大脑的下行调制控制有关。
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空间信息：由于未成熟的背角抑制回路，刺激在体表空间辨别的成熟也相对缓慢。新生啮齿动物背角细胞具有大而重叠的感受野，并且缺乏伤害性刺激引起的对侧抑制，这与较差的空间辨别能力相吻合。这反映在触觉和伤害性刺激对新生儿的广泛影响上，例如刺激足跟经常引发全身运动。在28周的早产儿中，刺激大腿上部和臀部同样能引发整个肢体的回缩反射。30周后，从足底向膝盖逐渐减弱的敏感性梯度才出现。因此，新生儿中枢传递的伤害性信息对于刺激在体表的位置提供较差的空间辨别能力。
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敏化：人类婴儿在重复足跟采血或相关内脏疾病后，会表现出持续时间不等的行为敏化迹象。重要的是，中枢敏化的程度与先前足跟采血的次数有关，并且常用的安抚措施无法阻止。敏化在啮齿动物背角细胞中也有观察到，这些细胞在组织损伤后表现出明显的变化，具体取决于损伤类型和年龄。
总之，这些数据描绘了组织损伤后从新生儿脊髓传递到高级中枢的信息图景：刺激特异性、定位和强度没有被严格编码，但重复损伤会导致明显的敏化。
大脑基础设施的成熟
虽然疼痛体验需要大脑，但并没有一个单一的可识别脑区对此负责。对健康成人的影像学研究表明，疼痛体验源于高度分布式的活动模式。与疼痛感和强度/显著性相关的神经活动和大脑区域在空间上分布在整个大脑中，并且需要多个皮层和皮层下系统来解码疼痛强度和疼痛体验的表征。
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丘脑皮层投射：丘脑充当来自脊髓的感觉输入的中枢枢纽，将信息中继到皮层。在人类中，组织学绘图和基于扩散张量成像的纤维束成像显示，从丘脑到皮层的早期投射生长之后，是在皮层下板中的等待阶段，然后在23-24周时最终长入皮层板。尽管这些突触不太可能为感觉体验提供基础，因为它们还不是皮层的一部分，但它们可能在形成功能性模板以指导发育中的丘脑皮层网络和皮层结构方面发挥指导作用。
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发育中的大脑皮层：对超过10万张磁共振图像进行荟萃分析得出的发育中人类大脑形态的基准显示，从妊娠中期到幼儿期，灰质和白质体积显著增加。皮层的形成在整个妊娠期是一个相对漫长的过程。神经祖细胞从脑室和脑室外下区沿放射状胶质细胞支架迁移的过程在妊娠30周时基本完成，尽管在某些区域会持续到2岁。分层是皮层组织的一个标志，在妊娠25周时存在于初级感觉和运动皮层，到32周时具有完整的成人特有的各层。高分辨率宫内扩散张量成像已绘制出在26至31.5周期间，丘脑皮层轴突对皮层板的支配增加、神经元胞体体积和树突分支增加以及突触发生的情况。这些研究表明，早产儿大脑在妊娠26周时已形成早期丘脑连接和简单的皮层结构，准备接收从脊髓和脑干传递来的感觉信息。
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发育中的连接组与静息态网络：发育中的人类连接组计划提供了大量具有高时间和空间分辨率的新生儿功能磁共振成像数据。这使得绘制发育中人类大脑中空间分布脑区之间的内在功能连接成为可能。静息时，大脑可以组织成时间上协调的活动模式，称为静息态网络。这些网络代表了当大脑未从事特定任务时发生的同步血流动力学活动的分布式模式，反映了其内在的功能组织。这些网络被认为支持基本的认知和感觉功能。RSNs在妊娠相当于第三孕季的早期以碎片化模式开始，通常局限于单个半球内的区域。随着时间的推移，出现长程的半球间和前后连接模式。到足月时，与初级网络相关的RSNs（如内侧和外侧运动、体感、听觉和视觉系统）呈现出类似成人的双侧空间分布，同源区域之间的连接特别强。相比之下，与联合网络相关的RSNs仍然发育不足，反映了大脑从初级到高级功能组织的进展。最近，人们已经清楚RSNs不是静态的；相反，它们表现出动态的时间特性，可以用六种反复出现的大脑状态来描述。其中三种反映全局全脑同步，而其余三种则更局限于区域：一种在枕叶皮层，一种在感觉运动皮层，一种在额顶叶皮层。功能连接组的基本特性甚至在妊娠21-40周的胎儿中就已经存在，表明存在初级运动和感觉网络以及将在以后生活中被修剪的高级网络的最初迹象。
在啮齿动物中，由触觉刺激引起的体感皮层的首次活动出现在出生后第一周，但在人类婴儿中，确切的时间点不太清楚。从触觉信息首次到达体感皮层开始，直到出生及以后，都会快速成熟。对体感刺激的血流动力学和电生理反应可以从第三孕季初开始记录。皮层血流动力学反应最初局限于对侧初级躯体运动皮层，该皮层已经表现出其特征性的躯体拓扑组织。在第三孕季期间，这些反应表现出延迟减少和幅度增加，伴随着同侧半球和感觉运动联合区域的逐渐整合。这些变化伴随着对机械刺激的电生理反应从单一高振幅波（δ刷）到更成熟的事件相关电位的变化，后者在晚期早产和足月期间复杂性增加，反映了初级和联合皮层区域的逐渐参与。
测量婴儿大脑中伤害性感受的皮层表征
在上一节中，我们讨论了大脑及其接收身体感觉信息的准备状态的发育。为了理解皮层疼痛表征的发育，我们需要在早产和足月婴儿中，由组织损伤性刺激引起的皮层活动的直接、实时测量。这些测量必须在临床必要操作时在床边可用，对护理人员和父母可接受，并且对婴儿本身造成的不适最小。下面，我们描述用于此目的最常用的方法。每种方法捕获大脑活动的不同方面，并依赖不同的分析技术。
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脑电图：事件相关电位：事件相关电位通过脑电图测量，用于评估对刺激的皮层活动。它们是大脑电活动中的小电压偏转，与事件（如感觉、认知或运动事件）在时间和相位上锁定。ERP通常通过对多个脑电时段在重复试验中平均来获得，以滤除背景噪声并突出刺激特异性反应。不同的ERP偏转被认为可以深入了解对刺激的神经处理的时间和性质。ERP的基本测量包括峰值幅度和峰值延迟。在婴儿大脑疼痛表征的研究中，数据收集通常受限于每个受试者的单个事件。为了解决这一限制，该领域的大多数研究依赖主成分分析来表征伤害性反应。PCA不是关注单个峰值，而是考虑整个波形形状，提供对单时间点噪声更具鲁棒性的分析。PCA将ERP分解为基本波形，称为主成分，这些主成分捕获电极簇或试验内跨时间点的信号幅度的系统性变化。然后，每个单独的脑电图迹线被分配每个PC的权重，代表该迹线与该成分的相似程度。权重越大，个体ERP与给定PC越相似。ERP已被用于研究新生儿大脑区分伤害性和无害刺激的能力、伤害性皮层表征对大脑成熟的依赖性，以及生物和环境因素对婴儿疼痛处理的影响。
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脑电图：时频分析：虽然ERP提供与刺激在时间和相位上锁定的神经活动信息，但它们错过了也可能与感觉和认知处理相关的非相位锁定活动。在时频域对信号进行平均通过将信号分解为不同频带，捕获了随时间变化的两种活动，从而解决了这一限制。小波变换和短时傅里叶变换等技术将信号分解为每个时间点跨频率的功率，揭示了传统ERP分析可能遗漏的瞬态神经振荡。这很重要，因为不同的频带被认为编码不同类型的神经过程。通过捕获这些动态，时频分析提供了超出传统ERP分析所能提供的更完整的神经反应图景。时频分析已被用于研究伤害性皮层表征对大脑成熟的依赖性以及与成人伤害性处理的频率特异性差异。
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脑电图：全局地形图和微状态分析：最近，人们认识到伤害性ERP、对同一伤害性刺激的其他反应以及各种生物因素之间的复杂关系，加上意识到疼痛处理不仅仅是一个短暂的感觉事件，而是一个由情境、内在和感觉因素随时间塑造的多维体验，促使了ERP分析方法的转变。传统的单通道顶点ERP分析可能过于简化，无法捕捉皮层活动的时空动态。单通道分析也受限于其对单个空间样本的依赖，使其噪声更大、依赖于参考，并且容易因延迟偏移或电压场分布（地形）的变化而产生错误的幅度差异。相比之下，全局地形图和脑电微状态分析通过检查神经反应的空间和时间动态，提供了更全面和更具生理意义的大脑活动描述。全局地形图分析评估脑电活动在头皮上的分布，识别与感觉或认知过程相关的一致地形模式，而不是依赖于孤立的电极信号。脑电微状态分析通过将大脑活动分割成短暂的、亚稳态的地形状态（微状态）进一步扩展了这种方法，这些微状态被认为是神经处理的基本构建块。这种方法的一个关键优势是使用全局场功率，这是一种与参考无关的测量，量化了所有电极的整体脑电活动强度。这允许区分地形变化和信号幅度变化，而单通道ERP分析无法解决这一点。全局地形图和脑电微状态分析提供了伤害性皮层表征与对伤害性刺激的行为和生理反应之间多层面关系，以及情境因素影响的更全面视角。
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功能性近红外光谱：功能性近红外光谱通过检测氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化来测量大脑氧合和血流动力学的变化。它利用生物组织对近红外光的相对透明性以及这些血红蛋白状态的不同吸收特性。fNIRS系统可以是单通道或多通道的，单通道fNIRS提供来自单个位置的测量，多通道系统能够跨皮层区域更广泛地映射血流动力学反应。与捕捉高时间分辨率但空间定位有限的电活动的脑电图不同，fNIRS通过直接测量探头下方有限体积内的变化，提供了更好的大脑血流动力学活动的空间定位。虽然血流动力学变化不是神经活动的直接测量，但它们通过神经血管耦合紧密相连，这种耦合在新生儿中存在，但会随着年龄增长而继续成熟。fNIRS允许映射新生儿大脑中的伤害性皮层激活。
理解发育中大脑的疼痛表征
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足月新生儿大脑能区分伤害性和无害信息：伤害性组织损伤刺激在足月婴儿中引起新生儿大脑血流动力学和电生理活动的显著变化。短暂的组织损伤刺激引起对侧刺激部位的初级体感皮层总血红蛋白浓度增加，其反应明显大于触觉刺激引起的反应。同样的组织损伤引发伤害性特异性ERP，最初被伦敦大学学院的研究小组确定为一个主成分，其权重平均而言在足跟采血后显著大于对照、无害刺激后。该成分的权重在顶点电极处最大。这是新生儿大脑能够区分伤害性和触觉信息的第一个证据。这一发现后来在其他中心的独立样本中得到了复制。这些年来，这个成分/ERP根据刺激开始的大致潜伏期被称为N420–P560，或者因为它跟随其他体感相关偏转而被称为N3–P3，也称为nERP、伤害性脑活动模板，以及最近的伤害性神经动态反应功能。PCA是一种数据驱动的方法；因此，最初的研究通过比较足跟采血迹线与对照迹线或其他非伤害性刺激，为每个新数据集重新定义了成分的伤害性特异性。这种反应在不同研究和样本中的一致性导致采用伤害性PC作为足月婴儿新生儿疼痛的模板或特征。想法是，具有较大模板权重的反应表示更多的疼痛，而较小的权重表示较少的疼痛，尽管这可能过于简化。
事实上，地形图和微状态分析已经确定，在单次足跟采血后，存在5-6个不同的微状态序列，每个微状态反映了活动大脑源的不同配置。虽然先前描述的具有对称中央顶点最大地形的P3被确认，但微状态分析揭示了额外的时空活动模式，这些模式如果使用传统的ERP分析将会被遗漏，因为它们不对应于Cz处的不同峰值。
总的来说，这些结果表明，伤害性信息可以到达足月新生儿大脑，可以激活初级体感皮层，可以与无害刺激区分开来，并激活皮层处理的多步骤序列。这很重要，因为大脑区分伤害性和无害刺激的能力是产生不同于无害刺激的疼痛体验的必要条件，尽管不是充分条件。
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皮层疼痛表征高度依赖于大脑成熟：皮层活动，包括血流动力学活动、诱发电位和振荡模式，在相当于第三孕季期间经历剧烈变化。在此期间，对伤害性刺激的血流动力学反应幅度增加，延迟减少，表明伤害性皮层处理持续成熟。在早产儿中，脑电图时频分析表明，足跟采血更可能引发广泛的δ刷活动，这是早产脑电图的标志性模式，而不是明显的伤害性ERP。类似的δ刷也由触觉刺激、其他感觉模式引发。伤害性和触觉刺激在早产儿中引发相似δ刷反应这一事实表明，在这个发育阶段，大脑区分无害和伤害性体感输入的能力有限。相反，感觉刺激似乎触发了一般的皮层反应，表明感觉处理系统不成熟。然而，随着皮层处理成熟，δ刷反应的发生率在相当于第三孕季期间下降。这些反应逐渐被不同的伤害性和触觉ERP所取代，反映了大脑区分伤害性感受和触觉的能力的发展。尽管在早产儿中，脑电活动的这种区分能力较差，但当其他生理测量指标（如肢体回缩、心率、面部表情）被纳入分类器时，可以区分对伤害性和触觉体感刺激的反应，这表明在此阶段，来自皮层下区域的输入比皮层回路活动的贡献更大。
即使在足月时，新生儿伤害性处理仍与成人不同。脑电图时频分析表明，成人伤害性活动的某些特征，如β-γ振荡，在婴儿中已经存在，但潜伏期更长。然而，成人中不存在新生儿的nERP，新生儿还表现出独特的、长潜伏期的、在快δ波段（2-4 Hz）的18倍能量增加，这在成人中不存在。值得注意的是，这些脑电图差异广泛分布在头皮上，表明皮层参与比成人更广泛。同样，多通道fNIRS已证明，对组织损伤刺激的血流动力学反应比预期的更广泛，扩散到与手部表征相关的体感皮层区域。这种广泛的活动表明伤害性输入的定位不成熟且弥散，与成人高度精细和重叠的伤害性和触觉图谱形成对比。
总的来说，这些结果表明，大脑处理伤害性信息的方式在整个相当于第三孕季期间发生了显著变化。即使在足月时，反应仍与成人不同。这表明发育中大脑的疼痛表征不仅仅是成人系统的未成熟版本，而是根本不同。虽然新生儿大脑开始显示出更精细的伤害性处理迹象，但它仍然缺乏成熟大脑的空间特异性。这些发现强调了编码和表征疼痛的大脑回路在出生后进一步变化的重要性。
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发育中大脑的疼痛表征不能仅从行为和生理学推断：对组织损伤刺激的反射性运动、行为、生理和激素反应与皮层反应相关，这并不奇怪，因为它们都由相同的传入输入引发。然而，这里回顾的最近的发育、以大脑为导向的方法强调，这些指标虽然具有参考价值，但不太可能完全捕捉未成熟大脑中的疼痛表征。nERP的权重/幅度和氧合血红蛋白浓度的变化总体上与面部行为或综合反应评分显著相关。然而，高背景压力条件会破坏这种关系。一些对组织损伤不表现出面部反应的婴儿可能仍然表现出清晰的伤害性ERP，这表明即使在由于潜在高压力或其他原因而无法产生行为反应的受试者中，大脑仍然接收伤害性输入。此外，全局地形图分析显示，伤害性行为反应和皮层反应之间的关系比简单的一一对应更为复杂，其中更大的行为反应直接反映更大的皮层活动。面部活动不是简单地反映大脑的激活程度，而是与伤害性微状态序列的差异有关。伤害性反应似乎涉及两个不同且交错的微状态子序列，其中一个独立于行为评分，另一个在高面部反应性婴儿与亚临床面部反应婴儿中完全不同。这意味着行为反应性与大脑过程之间的关系远非直截了当，并且在表征疼痛时，存在不同处理皮层通路的平行参与，其中只有一条与行为直接相关。
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生物和环境因素调节婴儿疼痛处理：尽管不成熟，但婴儿皮层的疼痛表征与生物因素相关，并且对干预措施和环境敏感。nERP在足月女婴头皮上的分布比足月男婴更广泛，表明伤害性处理中存在青春期前的性别差异，与女性更广泛的大脑连接有关，这可能是成人女性对伤害性刺激敏感性更高的前兆。nERP在存在潜在背景压力或疑似炎症的情况下也更大，表明压力、免疫和伤害性系统之间存在早期相互作用，即使在生命的这个早期阶段也可能导致敏化。压力可以通过激活下丘脑-垂体-肾上腺轴来影响伤害性处理，导致皮质醇和其他压力介质的释放，从而调节神经元兴奋性。同时，免疫激活（如炎症）可导致促炎细胞因子的释放，使外周和中枢伤害性通路敏化。这些过程可以在皮层下和皮层水平汇聚，放大对伤害性刺激的皮层反应，并导致nERP幅度增加。
局部麻醉剂可降低nERP的权重/幅度。在足跟采血前以每秒3厘米的速度轻柔抚摸腿部，这种被认为在成人中可激活参与愉快触觉和疼痛调制的触觉C纤维的刺激，已被证明既可降低nERP，也可使其保持不变；然而，它不受蔗糖或吗啡给药的影响。父母接触和刺激重复等其他外部因素也会影响伤害性微状态序列。父母的皮肤接触降低了与N3相关的微状态的能量，但并未改变初始参与的微状态序列，这表明无论父母接触如何，信号到达体感皮层的初始阶段和刺激特征的基本处理都一致发生。相比之下，被认为反映刺激处理层次中更高阶过程的后期微状态确实会根据父母接触水平而变化，表明对皮层反应的调节作用超出了刺激的初始感觉编码。
伤害性刺激重复也会以年龄依赖的方式改变伤害性微状态序列。对反复的、非威胁性的或不可避免的伤害性刺激的习惯化是疼痛处理中的关键适应机制。在足月儿中，刺激重复抑制了早期微状态的参与，以及相关的行为和自主神经反应，表明有能力调节对伤害性刺激的初始反应。相比之下，晚期早产儿没有表现出习惯化的迹象，表明这些调节机制尚未完全发挥作用。然而，在晚期早产儿和足月儿中，每次采血后的长潜伏期皮层微状态都不同，可能反映了重复刺激下高级刺激处理的变化。这些发现表明，虽然两个年龄组都能编码疼痛的情境差异，但早产儿大脑缺乏调节其对重复伤害性刺激的初始皮
