基于7特斯拉fMRI的人体稳态-内感受系统全脑图谱绘制

《Nature Neuroscience》：Cortical and subcortical mapping of the human allostatic–interoceptive system using 7 Tesla fMRI

本研究利用7特斯拉高场强功能磁共振成像技术，首次在人类大脑中系统绘制了涵盖皮层和皮层下结构的全脑稳态-内感受系统功能连接图谱。通过对90名参与者进行高分辨率静息态fMRI扫描，研究人员验证了该系统中96%以上在非人灵长类动物研究中发现的解剖连接，并首次精确描绘了前扣带回皮层亚区及脑干核团的功能连接特征。这项研究为理解大脑如何通过整合内感受信号来维持机体稳态提供了重要证据，对揭示精神疾病和神经系统疾病的病理机制具有重要价值。

　　

大脑如同一个精密的预测机器，它能够持续不断地监测和预测身体的能量需求，并在需求产生之前就做好相应的准备——这一过程被称为稳态调节(allostasis)。为了支持稳态调节，大脑需要持续构建身体感觉状态的模型，这一过程被称为内感受(interoception)。长期以来，科学家们一直在探索大脑中负责这一重要功能的神经网络系统，但由于技术限制，特别是对脑干等深层结构的成像精度不足，这一系统的全貌始终未能完全揭示。

传统上，研究人员使用3特斯拉功能磁共振成像(fMRI)技术来研究大脑功能连接，但在前扣带回皮层(subgenual anterior cingulate cortex, sgACC)等区域存在信噪比低的问题，在杏仁核等区域则受到邻近血管噪声的干扰，而对脑干核团的成像更是受到空间分辨率的严重限制。这些技术瓶颈阻碍了科学家们对全脑稳态-内感受系统的完整理解。

在这项发表于《Nature Neuroscience》的研究中，由Jiahe Zhang领衔的研究团队采用超高场强7特斯拉fMRI技术，以1.1毫米各向同性的高空间分辨率，对90名18-40岁的健康成年人进行了静息态功能磁共振扫描。这项技术不仅提供了更好的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)，还显著提高了对脑干核团功能连接的映射灵敏度，这对于研究涉及唤醒、运动和自主神经过程的关键脑区尤为重要。

研究团队采用了快速低角度激发回波平面成像技术(fast low-angle excitation echo-planar technique)，这种序列能够减少伪影并提高时间信噪比。他们还利用了最新开发的脑干和间脑核团活体图谱来指导种子区域的定义，从而能够更精确地研究小型脑结构的连接模式。

皮层-皮层内在连接

研究人员首先检验了基于已发表解剖连接的假设功能连接。结果显示，他们成功复制了之前使用3特斯拉成像观察到的所有皮层-皮层连接。此外，他们还观察到侧腹侧前脑岛(lateral ventral anterior insula, lvAIns)与前膝前扣带回皮层(pregenual anterior cingulate cortex, pACC)之间、膝下前扣带回皮层(subgenual anterior cingulate cortex, sgACC)与前中扣带回皮层(anterior midcingulate cortex, aMCC)之间，以及背中脑岛(dorsal midinsula, dmIns)与扣带回皮层部分区域之间的双向内在连接。

通过k均值聚类分析(k-means clustering)，研究发现稳态-内感受系统包含两个子系统，一个对应于默认模式网络(default mode network)，包括sgACC、aMCC、pACC和内侧腹侧前脑岛(medial ventral anterior insula, mvAIns)；另一个对应于突显网络(salience network)，包括lvAIns、dmIns和背侧后脑岛(dorsal posterior insula, dpIns)。这一发现与先前的研究一致，表明该系统由两个大型内在网络组成。

皮层下-皮层内在连接

利用新划分的皮层下种子区域，研究人员评估了皮层下-皮层连接性。结果显示，稳态-内感受系统内的皮层下-皮层功能连接确认了96%以上在非人动物追踪研究中记录的单突触连接。有两个例外情况：尽管存在已知的解剖连接，但未观察到中脑导水管周围灰质(periaqueductal gray, PAG)与dmIns/dpIns之间，或臂旁核(parabrachial nucleus, PBN)与sgACC之间存在显著的正向功能连接。

研究发现，较大的皮层下节点(如背内侧丘脑mediodorsal thalamus, mdThal、外侧膝状体lateral geniculate nucleus, LGN、海马hippocampus、背侧杏仁核dorsal amygdala, dAmy、伏隔核nucleus accumbens, NAcc、上丘superior colliculus, SC、黑质substantia nigra, SN和腹侧被盖区ventral tegmental area, VTA)显示出与所有皮层节点的稳健连接，而较小的脑干核团(如PAG、背侧中缝核dorsal raphe, DR、PBN、蓝斑核locus coeruleus, LC和髓质内脏感觉运动核团复合体medullary viscero-sensory-motor nuclei complex, VSM)则显示出较弱但可靠的连接。

皮层下-皮层下内在连接

研究人员还评估了皮层下-皮层下连接模式。结果显示，稳态-内感受系统内的皮层下-皮层下功能连接确认了96%以上在非人动物追踪研究中记录的单突触连接。有三个例外情况：尽管存在已知的解剖连接，但未观察到下丘脑(hypothalamus)与PBN、下丘脑与LC，或下丘脑与VSM之间存在显著的正向功能连接。

稳态-内感受系统的整体架构

研究观察到所有皮层和皮层下种子区域之间存在密集的相互连接。通过合并二值化的发现图谱，研究人员确定了在假设的稳态-内感受系统中重叠的区域。值得注意的是，大多数稳态-内感受系统的连接枢纽区域已被确定为连接组学文献中的"富俱乐部"(rich club)成员，这些高度连接的节点在大脑全局信息整合中扮演关键角色。

研究结论与讨论部分指出，7特斯拉fMRI结合新划分的7特斯拉脑干和间脑分区图谱，揭示了人类整合性稳态-内感受系统的皮层和皮层下组成部分。与之前使用3特斯拉fMRI的研究相比，当前研究在ACC和脑岛的功能连接映射方面取得了显著改进，特别是在sgACC连接性方面，这一区域是内侧/眶面的一部分，通常容易受到低信噪比、部分容积效应和生理混叠的影响。

这项研究结果具有重要的功能意义。首先，稳态-内感受系统内的多个脑区可能在协调和调节身体功能方面发挥关键作用。例如，上丘(SC)传统上被认为与视觉处理有关，但证据表明它也参与接近和回避行为的协调，以及伴随的内脏运动活动变化。同样，海马通常被认为是记忆功能的核心，但非人动物证据表明海马在调节进食行为和内感受相关奖励信号中也发挥作用。

其次，默认模式网络和突显网络在心血管调节以及稳态的其他方面都显示出功能上的关联，它们也与精神和身体疾病及其共病有关。精神疾病(如抑郁症、精神分裂症)、神经发育疾病(如自闭症谱系障碍)、神经退行性疾病(如痴呆/阿尔茨海默病、帕金森病)和身体疾病(如心脏病、慢性疼痛)都表现出与内感受或内脏运动控制改变相关的症状，其中一些症状是跨诊断的。

最后，这些发现与越来越多的证据一致，表明许多皮层下和皮层脑区在身体功能调节和认知现象中都十分重要，这对它们的功能分离提出了质疑。研究结果表明，默认模式网络和突显网络可能在协调、调节和表征内部环境器官和组织的同时，也参与广泛的任务，涵盖认知、感知、情绪和行为领域。

该研究也存在一些局限性，包括未针对基于信号的内感受测量验证连接强度，未完全监测参与者在扫描期间的清醒状态，以及7特斯拉回波平面成像中存在的敏感性引起的场不均匀性和畸变等问题。未来研究可以进一步绘制与稳态或内感受相关的每个皮层下区域，包括隔核、室周器官和小脑等。

这项研究为我们理解大脑如何整合内感受信号来维持机体稳态提供了重要工具，有望加速跨心理学和疾病领域的研究发现，积累知识，并可能为更有效的治疗和预防策略提供基础。随着对大脑功能认识的不断深入，稳态-内感受系统的研究将为理解身心关系开辟新的视野。