PAIN | 痛在你身，激活在我脑：原来后侧默认模式网络是‘感同身受’的神经开关

摘要

共情是一种能设身处地体验他人处境的能力，并且与利他主义有关。既往采用血氧水平依赖(BOLD)功能磁共振成像(fMRI)的研究发现，共情与支持心智化(颞顶联合区)、显著性(前扣带皮层；脑岛)和自我参照(内侧前额叶皮层；楔前叶)的脑机制激活增强相关。然而，BOLD fMRI技术存在一定的局限性，可能无法有效地捕捉持续的共情体验。因此，本研究采用了基于灌注的动脉自旋标记(ASL)fMRI技术，该技术能够直接量化脑血流量(mL/min/100g)，并且不易受到低频波动和BOLD fMRI区块设计可能引发的共情“遗留效应”的影响。在ASL-fMRI扫描期间，29名健康女性(平均年龄=29岁)接受了疼痛热刺激(48°C；作用于左前臂)。在接下来的两次fMRI扫描中，女性志愿者分别观看一名陌生人(实验室技术员)和她们的恋人接受相同疼痛热刺激(48°C；作用于左前臂)，并且受试者位于扫描仪近侧。完成每种条件下的扫描后，通过视觉模拟量表收集共情评分(0=“无不适”；10=“最大不适感”)。结果显示，与观看陌生人相比，观看恋人遭受疼痛时的共情评分显著更高(P=0.01)，且右侧颞顶联合区、杏仁核、前脑岛、眶额皮层和楔前叶的脑血流量也更大。更高的共情程度与楔前叶和初级视觉皮层的激活增强相关。本研究结果表明，支持他人体验具身化的脑机制与更高水平的共情能力相关。

引言

共情是一种复杂的体验，其特征是能够感同身受他人所经历的情感和体验。共情涉及认知-情感评估、个体经验的具身化，并受潜意识和自上而下控制过程的调节。虽然支持情感(颞顶联合区[TPJ])和恐惧(杏仁核)表征的脑区与共情相关，但前脑岛和中扣带皮层(aMCC)是疼痛共情模型中最常检测到的脑区。Coll等人(2017)提出共情涉及两个主要过程，分别支持情绪识别和情感共享。这使一些学者认为，处理观看他人经历疼痛时的痛苦表情可能会混淆实验结果，难以区分共情特有的情感共享与状态识别。最近的两项fMRI研究考察了疼痛刺激评估与情感共享之间的差异，发现前脑岛(而非aMCC)与真实的情感共享密切相关。

重要的是，看到或意识到他人正在经历疼痛体验会增强非精神病理个体的共情。因此，采用可视化他人疼痛的范式成为识别共情处理最常用的方法。然而，大多数共情研究聚焦于个体观看他人疼痛图像或视频时的共情反应，这可能会降低捕捉真实共情的生态效度。

所有既往fMRI共情研究都采用血氧水平依赖(BOLD)fMRI采集技术。然而，BOLD fMRI应用于多层面的共情体验过程时存在明显的局限性，并且可能更容易受非神经信号波动的影响。事件相关统计比较高度依赖于BOLD激活与血流动力学响应之间的线性关系，这增加了基于共情的心理“遗留效应”的可能性，这种效应可能会影响同一扫描内不同条件间的BOLD ON-OFF区块对比设计。对某一条件(如观看婴儿疼痛)的共情，可能会引发强烈的情感反应，这种情感反应可能会影响到随后的对照条件(如注视十字)，使得本应没有共情状态的对照条件也表现出情感反应，从而干扰实验的结果。虽然基于灌注的动脉自旋标记(ASL)fMRI也容易受到遗留效应的影响，但它能够直接量化脑血流量(CBF；mL/min/100g)。与BOLD fMRI不同，ASL fMRI对每个实验条件进行独立的时间处理，因为每个条件都有单独的4D fMRI数据体积，因此非常适合捕捉时间邻近条件间的差异。

总的来说，本研究采用ASL fMRI来考察女性志愿者实时观看恋人(交往≥3个月)与陌生人(实验室技术人员)接受疼痛热刺激时所引发的神经反应差异。研究预计女性志愿者对恋人的共情评分将显著高于陌生人。此外，本研究假设，当受试者观看恋人痛苦时，与支持疼痛(如丘脑；后脑岛)和情感共享(aMCC；前脑岛)相关的脑区，会比观看陌生人时表现出更强烈的激活。

方法

本研究项目是一项纵向试点研究(未发表)的组成部分，该研究测试了为期8周的正念减压疗法、正念自我关怀训练和同情培养训练的行为与神经效应。本研究使用的数据来自MRI基线阶段，这个阶段总共有29名女性志愿者及其恋人参加。本研究中仅展示了首次基线MRI检查的数据。

参与者

本研究获得了加州大学圣地亚哥分校机构审查委员会的批准(IRB#201729)。通过快速响应码从当地社区筛选了608名个体进行纳入和排除评估。排除标准包括：慢性疼痛患者、服用精神药物者、孕妇、幽闭恐惧症患者以及有MRI禁忌症的个体。纳入标准为：18-65岁女性，处于≥3个月的恋爱关系中且无冥想经验。最终29名右利手健康女性志愿者(平均年龄[标准差]=29[6.67]岁)及其恋人被纳入研究。样本构成：13对恋爱未同居，10对已婚，5对同居，1对订婚；恋爱时长：5对＜1年，4对＜2年，5对＜3年，14对＜10年，1对29年。所有参与者均签署了知情同意书，确认知晓将接受疼痛热刺激且所有方法已获明确解释，并被告知可随时退出研究。

参与者分组

参与者分为三类：(1)女性志愿者；(2)女性志愿者各自的恋人；(3)陌生人(实验室技术员)。女性志愿者为主要研究对象，其在接受疼痛热刺激期间，以及观看恋人(恋爱≥3个月)与陌生人接受疼痛热刺激时接受fMRI扫描。陌生人为与志愿者及其恋人无社交接触的实验室技术人员，共9名(1名女性，8名男性)。研究中有1对是同性伴侣。

刺激装置

采用MRI兼容型热感觉测试仪(QST.Lab, Strasbourg, France)，配置45mm2接触面积的探头施加热刺激。使用魔术贴将探头固定在左前臂腹侧(C5/6皮节区)。参与者被告知若热刺激过强可自行移除。

疼痛与共情评估

采用电子版11点视觉模拟量表(VAS)进行评分，该量表通过内置Python脚本(PsychoPy)实现。训练阶段所有参与者通过笔记本电脑观看VAS并使用双键按钮盒进行评分。MRI扫描时女性志愿者通过兼容镜面系统观看投影VAS，使用相同按钮盒应答。所有VAS指标的最低分为“0”，表示“无疼痛感”；最高分为“10”，表示“能想象到的最强烈疼痛”。共情评分时询问：“当伴侣(或陌生人)接受热刺激时，您感到有多难受？”VAS的最低评分“0”表示“完全不难受”，最高评分“10”表示“能想象到的最难受状态”。每次热刺激后询问：“您如何评定刚才接受的热刺激疼痛强度？”参与者看不到VAS上的数字，通过按钮盒右侧按钮操控红色水平条长度(从“完全没有”到“最能想象的”程度)进行对应评分。红色条长度与评分呈正比，记录的VAS评分仅研究团队可见并记录于文本文件中。

陌生人与恋人也需对疼痛热刺激进行VAS疼痛评分。同时要求女性志愿者通过11点VAS评估她认为陌生人/恋人感受到的疼痛程度，以验证其对恋人的共情准确性是否高于陌生人。

MRI数据采集

所有扫描均在GE Discovery MR750 3T磁共振仪上完成，配备体发射线圈和32通道头接收线圈(Nova Medical, Wilmington, MA)。

①结构像采集

采用MPRAGE序列获得高分辨率结构扫描(反转时间[TI]=900ms；重复时间[TR]=2300ms；翻转角=9°；回波时间[TE]=2.95ms；1mm各向同性分辨率；263层；GRAPPA因子=2；扫描时间=180s)。

②功能像采集

全脑CBF测量采用ASL fMRI技术。通过单次激发螺旋采集配合2D流动敏感交替反转恢复QUIPSS II序列获取4个独立时相的CBF体积，参数：TI1=800ms，TI2=1800ms，TR=2550ms，TE=3.3ms，矩阵大小=64×64，84次重复，视野=240×240mm2，24层，扫描时间=214s。每个CBF体积对应4种独立条件之一(即：自身疼痛[48°C]；自身无痛[35°C]；观看恋人疼痛[48°C]；观看陌生人疼痛[48°C]；图1)。体素大小=3.75×3.75×5mm，层间距1mm。每次ASL扫描前进行质子密度加权成像用于CBF定量。为校正B0场不均匀性，采用稳态梯度回波序列采集场图(TR=500ms，TE1=6.5ms，TE2=8.5ms，翻转角=45°)，视野、矩阵大小、体素大小均与ASL采集匹配。

图1.fMRI实验程序。

行为数据分析

采用SPSS 28软件(IBM, Armonk, NY)进行配对样本t检验：(1)验证对恋人的共情评分是否显著高于陌生人；(2)检验女性志愿者对恋人所经历的疼痛的评分是否高于陌生人。

神经影像数据分析

①预处理

使用CBF-BIRN流程进行定量分析。各ASL序列图像通过迭代重建结合B0场图校正非均匀性。标记/控制图像相减后进行时间平均，以生成灌注加权像，经质子密度加权像校准转换为生理CBF单位(mL/min/100g)。所有CBF图经0-200阈值滤波去除伪影，并由3名研究人员目视检查信号缺失情况(没有受试者因伪影被排除)。后续处理采用FSL 6.0(FMRIB Software Library)，将各ASL序列(女性志愿者35°C/48°C、陌生人48°C、恋人48°C)的3D CBF体积拼接为4D图像进行第一级分析，并应用9mm FWHM高斯平滑核与强度归一化处理。运动校正(MCFLIRT)后，功能像通过FLIRT边界配准对齐解剖像，再通过12参数线性及10mm非线性变换标准化至MNI空间。由于每个CBF体积在时间上与相邻体积独立，因此未应用时域滤波。

②CBF信号变化的统计分析

采用固定效应模型对每个受试者的4D CBF数据进行第一级分析。显著激活簇经高斯化处理，并使用Z＞3.1为阈值定义簇，校正后簇显著性阈值设定为P＜0.05(控制全脑体素多重比较错误率)。所有受试者的个体参数估计图像输入到随机效应模型中(FLAME)进行组分析。

③疼痛(48°C)vs非疼痛(35°C)热刺激的神经响应

通过全脑配对样本t检验分析48°C与35°C ASL扫描的CBF差异。

④全脑CBF与共情的关系

一级分析比较了观看陌生人/恋人接受48°C刺激时的全脑CBF变化，将所得对比图像(陌生人vs恋人)进行进一步的单样本t检验。

结果

行为共情与共情准确性评分

配对样本t检验显示，女性志愿者在观看恋人接受疼痛热刺激时的共情评分比陌生人情境高33%(P=0.01，95%置信区间0.23-1.67；图2；表1)。女性志愿者对恋人(均值=2.58；标准差=2.38)与陌生人(均值=2.49；标准差=2.06)的疼痛感知评分无显著差异(P=0.78，95%置信区间-0.63至0.82)。女性志愿者自身接受疼痛热刺激的平均疼痛强度等级为3.50(标准差=2.76)。

图2.受试者对恋人的共情评分显著高于陌生人。

表1.对恋人和陌生人的共情评分。

全脑对疼痛vs非疼痛热刺激的CBF响应

全脑分析发现，女性志愿者接受疼痛(48°C)与非疼痛(35°C)热刺激相比，显著激活了对侧(刺激部位)前脑岛(延伸至后脑岛)、次级躯体感觉皮层、额下回、额叶岛盖、双侧小脑以及脑桥后部(图3；详见http://links.lww.com/PAIN/C153)。疼痛热刺激还导致了腹侧楔前叶和初级运动皮层的更强去激活。

图3.全脑对疼痛vs非疼痛热刺激的CBF响应结果。

全脑CBF与共情的关系

与观看陌生人相比，观看恋人接受疼痛热刺激时，右侧杏仁核、右侧颞顶联合区(TPJ)、右侧前脑岛、右侧缘上回(SMG)、角回、右侧眶额皮层及楔前叶的CBF显著增强(图4左图；详见http://links.lww.com/PAIN/C153)。

图4.全脑CBF与共情的关系。

讨论

本研究首次采用灌注功能磁共振成像(ASL fMRI)技术，通过优化的新型实验模型(比较女性志愿者观察恋人与陌生人接受疼痛刺激时的反应)来识别共情的神经机制。研究发现，与观察陌生人相比，观看恋人疼痛时，支持显著性(前脑岛；前扣带皮层)和疼痛感知(丘脑；后脑岛)的脑区激活并无显著差异。这可能源于实验设计中受试者无法看到陌生人/恋人的面部表情(fMRI期间仅能观察其手臂)。然而，观看恋人(vs陌生人)经历疼痛时，支持情感共享的脑区(前脑岛、缘上回[SMG]、颞顶联合区[TPJ])呈现高度一致的激活模式。楔前叶(默认模式网络的核心节点)和初级视觉皮层在观察恋人时表现出更强的脑血流量(CBF)。初级视觉皮层活动增强可能反映了对恋人刺激的注意资源分配增加。楔前叶作为与V1功能区相连的关键脑区，在自我参照加工和以自我为中心的评估中起着核心作用。该区域具有全脑最高的代谢消耗率，并能整合与自我相关的多系统表征。最新的颅内电极记录结果证实，楔前叶特定亚区专门处理基于躯体的自我具身参照体验。对他人体验的情感心智化也由楔前叶主导，这可能是支持共情培养的关键机制。

为提高生态效度，本研究首先对女性志愿者施加了引发疼痛的热刺激，使其对恋人/陌生人将经历的疼痛建立第一人称认知。与预期一致，女性志愿者对恋人疼痛的共情评分显著高于陌生人。这一结果与既往研究一致，表明共情是一种涉及多个神经系统协同参与的多模态体验。相较于观察陌生人，观看恋人疼痛时，支持他人情感体验拟人化的分布式神经网络具有更大的CBF。特别是，TPJ作为一个反复被证实与心智化相关的脑区，其激活反映了个体理解他人认知情感体验的能力；而作为TPJ组成部分的SMG和角回的CBF增强，可能源于右侧SMG通过自下而上的注意加工促进自我-他人情感共享与整合。观察恋人经历疼痛还增强了右侧前脑岛(支持内感受和情感共享的关键皮层区域)的CBF。右侧前脑岛与右侧SMG之间的功能连接已被证实能够追踪对他人经历疼痛时的情绪反应。本研究结果与先前的研究高度吻合：更大的TPJ和楔前叶激活与对他人疼痛体验的共情视角采择有关。有趣的是，杏仁核(恐惧和负性情感处理的核心节点)中的CBF升高也与促进疼痛情境下的社会濡染、共情和视角采择相关。本研究通过灌注fMRI证实了分布式多模态网络可能与较高的共情能力相关。

本研究结果表明，灌注fMRI能够有效识别共情相关的脑机制，并揭示默认网络核心节点——楔前叶在共情主观体验中的作用。相较于BOLD fMRI，ASL fMRI能够更好地控制共情相关的“遗留效应”及BOLD区块设计中的低频波动，从而能更准确地捕捉共情反应。采用真实恋人与现场陌生人的设计(相比静态图像/视频)也提升了共情操纵的生态效度。但本研究的共情评分均值(2.73)低于同类研究，这可能是由于VAS量表上的最大锚点对应的是“可想象的最难受状态”(而其他研究多用“非常难受”，没有相对应的操作锚点)，以及受试者无法看到陌生人或恋人面部表情的限制。这些差异凸显了采用标准化心理物理学评估锚点的重要性。

本研究结果主要适用于年轻健康的女性群体。通过增加样本量、纳入男性受试者及慢性疼痛患者可能会进一步提高结论的普适性。尽管如此，本研究采用了严格的统计阈值有效地控制了假阳性率。总体而言，本研究结果为现有的共情研究提供了新的证据，表明共情观看是一种多层面的体验，涉及多个脑区的协同作用，这些脑区支持认知-情感评估、具身体验及共情等多个过程。共情作为一个多模态过程，整合了TPJ、脑岛、杏仁核等广泛支持认知情感加工的网络。

参考文献：Oliva, V., Riegner, G., Dean, J., Khatib, L. A., Allen, A., & Barrows, D., et al.. I feel your pain: higher empathy is associated with higher posterior default mode network activity. PAIN 166 (2025) e60-e67. http://dx.doi.org/10.1097/j.pain.0000000000003434

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