Nat子刊: 大脑如何感知生命节律？我们的心跳、呼吸、胃肠蠕动

感知内部身体信号是生命的基础。近日，Tahnée Engelen, Marco Solcà & Catherine Tallon-Baudry三人在心脏、呼吸、胃节律方面，回顾了以往对内感与外部信号的交互的研究。综合内外感受体，这有助于揭示生物信息处理的模式。

他们的成果发表在最新一期的Nature Neuroscience杂志上，名为“Interoceptive rhythms in the brain”

心脏跳动、肺部充气、胃蠕动——生命的明证。这三器官持续向大脑传递信息，被感知与处理。内感通常悄无声息进行，但偶尔引起内在知觉。内感调节身体需求，保持稳态和平衡，与外感环境交织。内感与外感共同驱动生命功能，如进食行为，融合感官采样、注意力、记忆、资源决策。核心内感通路起源于感受器，通过颅神经和内脏感觉神经传输信息，最终影响皮质区（图1）。这些身体节奏，如心脏、呼吸、胃，对感知、认知和行为产生多重影响，涉及振荡同步、预测编码和多感官整合机制。

图1. 心脏、呼吸和胃节律的产生和机械感觉信号：核心内感通路和体感、本体感觉、血管和嗅觉通路

1.心脏内感

心脏是维持血液循环的重要器官，具备自主的起搏器系统（图1），负责生成心脏周期（见图2b）。这一心脏周期的节奏由心脏内的机械感受器转导，然后通过核心传递到大脑（图1）。

除了机械感受器，还有其他的心脏内感途径（图1）。首先，心脏的收缩通过本体感觉或外周触觉受体转化为神经信号，这些受体检测血管的脉动或胸部体积的变化。其次，一些最近的研究发现星形胶质细胞可能充当颅内气压感受器，与大脑中的神经元相互作用，这可能与血流和交感神经控制有关。另外，某些脉冲可能直接通过细胞内的机械敏感通道传导，这可能对大脑的信息传递产生深远影响。

心脏参数如心率和心率变异性并不是固定不变的，它们受到皮质区域的影响。情感、认知和外部刺激都可以改变心率和心率变异性。

心跳诱发的神经响应（HERs）是一种瞬时的神经活动，与心跳同步（图2c）。HERs可能与情感、预测编码和自我有关，它们在大脑中的多个区域都可以观察到（图3）。HERs的理解有助于深入研究大脑与心脏之间的相互作用，以及它们对意识和主观体验的影响。

图2. 测量心脏、呼吸和胃的内感受

图3. 大脑中的身体节奏：一个广泛的网络

2.呼吸

呼吸对大脑活动的影响，尤其是边缘系统，主要是由鼻腔呼吸和嗅球中的机械感受器检测气流所致。但也存在其他途径，可能影响不同的皮质区域。例如，膈神经传递了隔膜的张力变化，迷走神经传递了肺部运动信息，而皮肤可能感知胸部的膨胀和收缩。

呼吸与大脑活动之间的耦合主要通过分析神经激发或大脑节律的调制来确定，可以通过呼吸频率搜索大脑活动，或者通过相位-振荡耦合的原理来扩展脑体节律相互作用（图2e）。这种耦合可能在感知、情感和认知优化中发挥作用。

3.胃内感

胃在消化中起着关键作用，混合和研磨食物，感知胃含量、电活动和机械扭曲等刺激。它有自己的节奏，由非神经元pacemaker cells产生，同时影响平滑肌和迷走传入。胃节奏受肠神经系统、中枢神经系统和大脑的影响。不同的胃壁力作用会激活迷走神经和脊柱神经，然后遵循特定的神经通路。人类胃扩张期间涉及多个大脑区域，包括体感皮层、ACC、海马体、岛叶、vmPFC和枕叶皮层的信号。

此外，在消化急性阶段之外，胃仍然保持节奏，与大脑形成广泛的耦合，包括大脑皮层、运动区域和一些默认网络区域。

4.在广泛的皮质网络中观察到身体节律

图3是前三节报告的调查结果的图形摘要，显示了内感处理的关键发现。虽然存在一些局限性，如物种差异和采样偏差，但图3强调了内感网络的广泛性。首先，它确认了边缘区域在内感处理中的重要性。其次，心脏、呼吸和胃与体感皮层之间存在联系。令人惊讶的是，呼吸和胃节律与视觉、听觉和（前）运动皮质的神经活动存在联系，表明内感信号的解剖起源尚需深入研究。

5.将身体节奏与大脑动力学相结合：候选机制

如何将身体的生理节奏与大脑动力学和外部感知或认知处理相融合？这问题从振荡同步、预测编码和多感官整合三个不同角度进行研究（图4）。

振荡同步框架探讨大脑区域间的振荡同步如何在协调大脑活动和区域间通信中发挥作用。the scaffolding hypothesis进一步将振荡同步与身体生理节奏相结合，提出不同区域的神经活动与心脏、呼吸和胃的节律同步。这个框架强调身体节奏作为信息传递的载体，但仍需要更多实验证据来支持。

此外，扩展的预测编码框架突出了大脑的预测能力，以协调外部输入和行为。多感官整合框架认为外感和内感处理在身体自我构建中起关键作用。

图4. 大脑中的身体节奏：候选机制

总结

身体生理节律与神经元活动的解剖联系，影响感知认知，挑战神经编码疑问。更多生物学角度或许能解开神经编码谜团、自我、意识与动物人类意识之钥。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01425-1

参考文献

Engelen T, Solcà M, Tallon-Baudry C. Interoceptive rhythms in the brain. Nat Neurosci. 2023;26(10):1670-1684. doi:10.1038/s41593-023-01425-1

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）