いいえ、_
関連付けられた後方参照が利用可能な場合にのみ含めることはできません。置換文字列は、if else include 操作の条件として考えられるものを許可しません。
ただし、次のようにルールを連鎖させることで同じ効果を得ることができます。
RewriteRule ^img/(?:(thumb)/)?(?:([a-z]+)/)?(\w+)\.([a-z]{3})$ cache/$3_$1_$2.$4 [C]
RewriteRule ^(.*?)__(.*)$ $1_$2 [C]
RewriteRule ^(.*?)_\.(.*)$ $1.$2 [L]
ファイル名の置換がどのように行われるかは次のとおりです
http://domain.com/img/thumb/small/file.jpg
> Rule 1 > http://domain.com/cache/file_thumb_small.jpg
http://domain.com/img/thumb/file.jpg
> Rule 1 > http://domain.com/cache/file_thumb_.jpg
> Rule 3 > http://domain.com/cache/file_thumb.jpg
http://domain.com/img/small/file.jpg
> Rule 1 > http://domain.com/cache/file__small.jpg
> Rule 2 > http://domain.com/cache/file_small.jpg
http://domain.com/img/file.jpg
> Rule 1 > http://domain.com/cache/file__.jpg
> Rule 2 > http://domain.com/cache/file_.jpg
> Rule 3 > http://domain.com/cache/file.jpg