疼痛门控系统理论的多元进展：基于Lotka-Volterra耦合模型的上升-下降通路调控机制研究

这篇综述创新性地将Lotka-Volterra动力学模型引入疼痛研究领域，提出将上升（ascending）和下降（descending）疼痛通路建模为耦合控制与反馈循环系统。通过建立包含感觉输入S(t)、疼痛感知P(t)和调控M(t)的微分方程组，首次实现从系统理论角度对"门控理论"（GCS）的数学拓展，为理解疼痛动态（如急性痛向慢性痛转化）和优化镇痛策略提供量化框架。模型通过非线性交互项（如αP、βM等参数）模拟临床常见疼痛模式（恒定/指数衰减/线性增长刺激），揭示下行调制对痛觉感知的关键调控作用。

　　

摘要

疼痛作为组织损伤的感知信号，其传导涉及复杂的神经调控网络。传统门控系统理论（Gate Control System Theory, GCS）虽提出脊髓水平的信息调制机制，但缺乏对上升-下降通路动态交互的量化描述。本研究突破性地将生态学中描述捕食者-猎物关系的Lotka-Volterra模型引入疼痛研究，构建包含三个核心变量的控制系统：感觉输入S(t)反映伤害性刺激强度，疼痛感知P(t)表征大脑对信号的整合，调控因子M(t)模拟下行抑制（如通过PAG-RVM通路释放5-HT/NE）。通过耦合微分方程组的非线性项（如α_PMP(t)M(t)），首次实现疼痛系统动态平衡的数学表征。

引言

疼痛传导的双向通路机制已获实验证实：上升通路通过Aδ/C纤维将外周伤害信号经脊髓背角传递至丘脑和皮层；下降通路则起源于中脑导水管周围灰质（PAG），经延髓头端腹内侧区（RVM）的ON/OFF细胞调控脊髓传导。Melzack和Wall于1965年提出的GCS理论虽包含"中枢控制"概念，但后续数学模型（如Britton-Skevington模型）为追求数学严谨性，反而丢失了关键的认知调控环节。与既往研究不同，本研究保留中枢调控核心，引入"痛觉调定点"（nocistat）概念，类比温度调控中的 thermostat 机制，提出疼痛系统存在基础监测活性以维持信号保真度。

方法

模型架构包含三个关键方程：

1. 1.

   痛觉感知动态：dP(t)/dt = α_SS(t) - β_PP(t) - α_PMP(t)M(t)

   其中α_S为刺激转化率，β_P为痛觉自然衰减，α_PM表征下行抑制强度

2. 2.

   调控因子动态：dM(t)/dt = γ_PP(t) - δ_MM(t)

   反映痛觉感知对下行通路的激活效应（γ_P）及其自衰减（δ_M）

通过Runge-Kutta算法求解方程组，模拟五类临床常见刺激模式：

• •

  持续刺激（如术后痛）：S(t)=S₀·I(t_on,t_off)

• •

  指数衰减刺激（如急性创伤）：S(t)=S₀e^λt（λ<0）

• •

  线性增长刺激（如炎性痛）：S(t)=S₀+kt

结果

模拟数据揭示关键发现：

1. 1.

   持续刺激下（图3），耦合模型使痛觉峰值降低67%，且更快达到稳态，印证下行抑制的"缓冲"效应

2. 2.

   指数衰减刺激（图4）中，耦合组痛觉回落速度较单纯上升通路快3倍，体现调制系统的动态响应优势

3. 3.

   线性增长刺激（图7）显示，当t>20时调制系统可使痛觉斜率降低82%，证实其对慢性痛发展的阻滞潜力

讨论

该模型为多种临床现象提供解释框架：

1. 1.

   痛觉过敏：可能源于α_PM耦合系数异常降低

2. 2.

   安慰剂效应：可通过提升γ_P值模拟认知对下行通路的增强作用

3. 3.

   阿片类药物耐受：可能与δ_M衰减率改变相关

相比传统神经元层面模型（如B?strom的phantom pain模型），本研究采用宏观系统视角，更贴近临床可观测指标。未来可通过纳入更多变量（如胶质细胞活性、表观遗传调控）完善模型，为个性化镇痛提供理论支持。

结论

这项研究开创性地将控制论与生态学模型相结合，建立首个可量化描述疼痛双向通路的Lotka-Volterra系统模型。其核心价值在于：

1. 1.

   将抽象的"门控"概念转化为可计算参数

2. 2.

   为临床疼痛分类（如NRS评分）提供生物学基础

3. 3.

   通过调节α_PM等参数，可预测不同镇痛策略（如TENS、药物联合）的效果差异，指导治疗决策优化。