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背景及目的:痛觉信息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。对于该脑网络中的前馈和反馈传导通路,目前存在两个亟待解决的问题。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。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。为此,我们利用高时间分辨率功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,f MRI)技术,结合动态因果模型(Dynamic Causal Modelling,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。材料与方法: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f MRI数据进行常规预处理,包括头动校正,空间标准化和空间平滑。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:第一步,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;第二步,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;第三步,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);第四步,对于每个被试的每个ROI,计算区域内所有体素f MRI时间序列的第一本征向量来提取该感兴趣区的时间序列;第五步,对每个被试每个session构建全连接DCM模型并进行模型参数估计;第六步,使用贝叶斯平均算法计算每个被试两个session的平均模型;最后,采用参数经验贝叶斯(Parametric Empirical Bayesian,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。结果:本研究主要得到以下三个结果:(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。结论:本研究基于高时间分辨率f MRI数据的动态因果模型分析结果提示,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。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;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见解。