《The Journal of Physiology》：Profound neuronal differences during exercise-induced hypoalgesia between athletes and non-athletes revealed by functional near-infrared spectroscopy
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本研究利用功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，實時監測了高強度間歇訓練（HIIT）過程中及前后疼痛刺激下的大腦活動，揭示了長期耐力訓練重塑大腦疼痛處理通路的神經機制。研究發現，與缺乏鍛煉的非運動員相比，長期進行耐力運動的運動員在HIIT后表現出顯著的痛覺減退（EIH），且其疼痛感知的降低與運動期間后頂葉皮層（PPC）更強的氧合血紅蛋白增加，以及疼痛刺激時前額葉皮層（PFC）氧合血紅蛋白的降低顯著相關。這些發現不僅為運動鎮痛的神經基礎提供了直接證據，也提示了針對不同人群（如慢性疼痛患者）設計個性化運動干預方案的重要性。
引言
運動被廣泛認為對身心健康有益，包括其減輕慢性疼痛的潛力。其中，運動誘導的痛覺減退（Exercise-Induced Hypoalgesia, EIH）是運動鎮痛效應的關鍵現象，指運動后疼痛感知的降低。其程度與運動強度和類型密切相關，高強度有氧運動，特別是高強度間歇訓練（High-Intensity Interval Training, HIIT），常能產生最顯著的痛覺減退效果。然而，EIH背后的神經機制在很大程度上仍不清楚。功能磁共振成像（fMRI）因需受試者保持靜止，難以捕捉運動期間短時效應的神經變化。相比之下，功能性近紅外光譜（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）能夠在運動前、中、后連續監測大腦活動，為探究EIH的神經基礎提供了更便利的工具。
此前關于體力活動水平對EIH影響的研究結果存在矛盾，這可能與運動模式、強度、疼痛評估方法或參與者特征（如性別、體能水平）的差異有關。研究表明，與疼痛處理相關的腦區在運動員接受疼痛刺激時激活程度低于非運動員，提示規律的身體訓練可能引起大腦區域的適應性調節。本研究旨在利用fNIRS技術，通過監測耐力運動員與非運動員在HIIT期間及疼痛刺激前后的大腦活動，進一步闡明EIH的神經機制。我們假設：（I）在HIIT期間，運動員比非運動員在前額葉皮層（Prefrontal Cortex, PFC）、感覺運動皮層和頂后皮層（Posterior Parietal Cortex, PPC）表現出更強的氧合血紅蛋白（oxyhaemoglobin）水平增加；（II）運動員在HIIT后，其（a）疼痛評分和（b）PFC、感覺運動皮層及PPC的氧合血紅蛋白水平（反映神經相關活動）的降低比非運動員更顯著；（III）HIIT后疼痛評分的降低、HIIT期間氧合血紅蛋白的增加以及疼痛刺激時氧合血紅蛋白水平的降低之間存在相關性。
材料與方法
本研究獲得了耶拿大學弗里德里希·席勒大學社會與行為科學學院倫理委員會的批準。共招募了22名耐力運動員（平均年齡33.3 ± 10.8歲）和20名非運動員（平均年齡28.9 ± 9.0歲）。運動員需滿足每周至少進行6小時耐力運動、持續3年以上的標準，而非運動員則不參與任何體育活動。兩組在年齡、身體質量指數（BMI）上無顯著差異，但運動員在最大攝氧量（VO2max）、峰值功率輸出等心肺適能指標上顯著高于非運動員。
研究設計為期兩天。第一天，參與者進行心肺運動測試以評估最大攝氧量（VO2max）和峰值功率輸出。第二天，執行EIH實驗范式：參與者先接受壓力疼痛測試（在魚際肌施加5次持續20秒的恒定壓力刺激，運動員450 hPa，非運動員400 hPa，以匹配主觀疼痛強度），并立即用數字評分量表（NRS: 0-100）評估疼痛強度。隨后，參與者進行根據其個體峰值功率輸出定制的HIIT（包括3個4分鐘的高強度階段，強度為70%峰值功率，中間穿插2分鐘的恢復期）。HIIT結束后，在另一只手上重復壓力疼痛測試。在整個第二天實驗過程中，參與者佩戴fNIRS設備以監測其大腦PFC、感覺運動皮層和PPC的氧合與脫氧血紅蛋白濃度變化。fNIRS數據使用MNE-NIRS工具包進行預處理，包括降采樣、運動偽影校正、轉換為血紅蛋白濃度，并利用短通道信號回歸以消除表層血流等系統性生理干擾。
統計分析使用R軟件進行。為檢驗假設，分別構建了線性混合效應模型（Linear Mixed-Effects Model, LME）來分析：（I）HIIT期間不同腦區氧合血紅蛋白隨時間變化的組間差異；（IIa）HIIT前后疼痛評分的差異；（IIb）HIIT前后疼痛刺激期間大腦各區域氧合血紅蛋白反應的差異。此外，還進行了相關性分析以探索疼痛評分變化、HIIT期間大腦激活以及疼痛刺激時大腦活動變化之間的關系。所有分析均使用錯誤發現率（False Discovery Rate, FDR）方法進行多重比較校正。
結果
人口統計學與生理數據
如預期，運動員在最大攝氧量（VO2max：53.5 vs 33.9 ml·kg-1·min-1）和峰值功率輸出等心肺適能指標上顯著優于非運動員。重要的是，在根據個人能力調整的HIIT中，兩組在第三個間歇期結束時都達到了相近的、接近個人最大值的相對運動強度（運動員94.4% vs 非運動員94.2%的VO2max），心率與自覺勞累程度也證實了這一點，表明兩組承受了可比的心肺負荷。心理測量問卷顯示，運動員在抑郁、焦慮評分上低于非運動員，而在內感受覺察和責任心方面評分更高，但這些變量與EIH程度無顯著相關性。
假設I：HIIT期間的氧合血紅蛋白
LME模型分析顯示，腦區、時間的主效應顯著，且存在組別與腦區的交互效應。事后分析表明，運動員在HIIT期間，其PPC區域的氧合血紅蛋白曲線下面積（AUC）顯著高于非運動員，而在PFC和感覺運動區域未發現顯著的組間差異。這表明，在承受相近相對負荷的高強度運動時，運動員的頂后皮層表現出更強的氧合反應。
假設II：運動誘導的痛覺減退
（IIa）疼痛評分：分析發現，組別與條件（運動前vs運動后）之間存在顯著的交互效應。事后檢驗顯示，運動員在HIIT后的疼痛評分相比運動前有顯著降低，符合EIH效應；而非運動員組的疼痛評分在運動前后沒有顯著變化。
（IIb）疼痛刺激期間的氧合血紅蛋白：分析發現了顯著的組別、腦區與條件的三階交互效應。事后分析揭示，運動員在HIIT后接受疼痛刺激時，其PFC、感覺運動皮層和PPC的氧合血紅蛋白水平均較運動前顯著下降。而非運動員僅在感覺運動皮層表現出顯著下降，在PPC無顯著變化，在PFC甚至出現了氧合血紅蛋白水平的顯著上升。
假設III：相關性分析
在進行了多重比較校正后，研究發現PFC區域在疼痛刺激期間的氧合血紅蛋白變化（運動后 vs 運動前）與疼痛評分的變化之間存在顯著的正相關。事后分析表明，這種關聯主要由運動員群體驅動，即運動員在HIIT后疼痛感知降低得越多，其PFC在疼痛刺激時的氧合血紅蛋白水平也降低得越多。而在非運動員中未發現此關聯。此外，HIIT期間感覺運動皮層的激活與最大攝氧量等心肺適能指標存在趨勢性相關，但未通過多重比較校正。
討論與結論
本研究利用fNIRS技術，揭示了耐力運動員與非運動員在HIIT誘導的痛覺減退中存在深刻的神經差異。主要發現總結如下：
首先，在HIIT期間，盡管兩組都達到了相近的極限相對強度，但運動員在后頂葉皮層（PPC）——一個與空間注意和身體意識整合相關的腦區——表現出更強的氧合血紅蛋白增加。這可能反映了長期耐力訓練帶來的適應性神經血管變化（如微血管化增強、氧輸送效率提高），使得運動員在應對高強度運動挑戰時，相關腦區能更有效地調動資源。
其次，行為上，只有運動員在HIIT后表現出顯著的痛覺減退（EIH），而非運動員則沒有。這一差異在神經層面得到了呼應：運動員在運動后接受疼痛刺激時，其涉及疼痛評估與調控的前額葉皮層（PFC）、負責感覺運動整合的區域以及PPC的神經活動（以氧合血紅蛋白水平為指標）均普遍降低。相反，非運動員僅在感覺運動皮層活動降低，在PFC活動甚至增強。PFC活動的增強可能反映了非運動員在運動后疲勞狀態下，需要投入更多的認知資源來應對疼痛，其自上而下的疼痛抑制功能可能不足或效率較低。
最關鍵的相關性分析發現，在運動員中，HIIT后疼痛減輕的程度與疼痛刺激期間PFC活動的降低程度密切相關。這強烈提示，對于運動員而言，高強度運動可能通過某種機制（例如，將PFC等區域的基線神經活動提升到一個較高水平，限制了其對額外疼痛刺激的進一步激活空間）“鈍化”了與疼痛相關的信號顯著性，從而實現了鎮痛。這種運動員特異性的反應很可能是長期耐力訓練誘導大腦可塑性的結果。
綜上所述，本研究結果表明，長期耐力訓練不僅改變了體能，更重塑了大腦對疼痛的處理方式。高強度間歇訓練（HIIT）能有效觸發運動員特異的、與大腦前額葉調控功能相關的痛覺減退機制。這些發現強調了在設計基于運動的疼痛管理策略時考慮個體訓練背景的重要性，并為開發針對不同人群（如慢性疼痛患者、久坐人群）的個性化運動處方提供了神經科學依據。未來的研究可以進一步探索這種神經適應性是否可用于臨床康復，以及其背后的分子與細胞機制。
