Nature Neuroscience：大脑的内感受性节律

1. 摘要

感知身体内部的信号，或内感受，是维持生命的基础。然而，内感受不应被视为一个孤立的领域，因为它与外感受、认知和行动相互作用，以确保有机体的完整性。我们重点关注心脏、呼吸和胃节律，回顾了内感受在解剖学和功能上与来自外部环境的信号的处理交织在一起的证据。从内感受信号的外周转导到感觉处理和皮层整合，在一个超出核心内感受区域的网络中，相互作用出现在所有阶段。内感受性节奏有助于从知觉检测到自我意识的功能，或者相反地与外部输入竞争。对内感受的兴趣重新引发了长期存在的问题，即大脑如何通过振荡同步、预测编码或多感觉整合来整合和协调分布式区域的信息。在同一框架下考虑内感受和外感受，为生物体特有的信息处理的生物模式铺平了道路。

2. 引言

心脏跳动，肺充盈，胃收缩：有机体是活的。这三个器官都不断地将信息发送到大脑，在那里信息被感知和处理。这种中枢监测或内感受大多发生在无意识中，但也偶尔会引起人类的内感受意识感知。内感受的整体功能是处理身体内部参数，通过调节（稳态）和预测（异位稳态）身体需求来维持机体的生存，在一个类似于外感受感知-认知-行动循环的内感受感知-内感受控制循环中。然而，内感受和外感受循环不应单独考虑：内感受与外部环境的加工紧密交织，与外感受循环的各个阶段相互作用。从进化的角度来看，这种密切的互动是有意义的：因为内感受与重要的功能有关，所以它很可能构成了外感受、行动和认知的驱动力。例如，进食行为源于生理需求，但觅食也包括对外部环境的感官采样、注意导向和记忆，以及决定是探索新的场所还是利用当前位置的资源。因此，内感受和外感受都具有相同的整体功能。在这里，我们关注内感受和外感受之间的相互作用，而不是内感受如何有助于调节身体状态，在系统和认知水平上回顾人类和动物的文献。

核心内感受通路的组织已经被详细地回顾了，我们在这里只是简要的总结。核心的内感受通路始于体内的化学感受器、热感受器和机械感受器。外周信息通过颅神经传递到中枢神经系统，包括迷走神经和舌咽神经，内脏感觉神经如内脏神经、膈神经和心脏神经（图1）。这两种途径都针对脑干的主要内感受中继电器、孤束核（NTS）和臂旁核（PBN）。这些核依次投射到其他皮层下结构，包括下丘脑、杏仁核，并直接或间接地投射到神经调节核，以及丘脑的几个核、腹后内侧核和外侧核，以及室旁核。皮层目标是通过丘脑中继或通过PBN直接投射到皮层。已知的主要皮质目标是后颗粒状岛叶，它有一个内脏位点组织，以及扣带运动区和体感皮质。

图1. 心脏、呼吸和胃节律的产生和机械感觉信号：核心内感受通路和躯体感觉、本体感受、血管和嗅觉通路。心脏和胃包含它们自己的自主电起搏器，而呼吸周期是在髓质腹侧中心产生的。器官收缩被位于脏器壁本身的机械感受器所感知，包括呼吸系统的横膈肌。位于颈动脉和主动脉弓等大血管中的压力感受器也能检测到每次心跳时发生的压力变化。内脏相关的活动通过两条主要的传入通路（右）传递到中枢神经系统，即脑神经（迷走神经和舌咽神经）直接进入脑干，以及通过脊髓传递的心脏、膈神经和内脏神经（脊髓通路）。这两种途径都直接或间接地靶向主要的内感受中继，如NTS，PBN，它们反过来投射到神经调节核和丘脑的几个核。器官的活动也可以通过其他途径被感知到（左图）。a，在中枢神经系统中，星形胶质细胞直接检测大脑血管内压力的变化，并激活锥体神经元，而锥体神经元可能也可以通过压电陶瓷通道在压力变化后直接去极化。b，c，呼吸过程中的气流也可以被嗅球(b)中的机械感受器和触觉感受器(c).所感知d，e，器官体积的变化。胸部扩张/收缩可通过皮肤(d)和血管搏动通过触觉和本体感受途径检测(e)。

我们在这里重点关注人类和动物研究中的心脏、呼吸和胃节律。这三种节奏都被转导出来了通过机械感受器，可以很容易地测量，它们各自的周期，从几百毫秒到~20秒，短到足以匹配感知和认知的波动。在综述的第一部分中，我们依次考虑了每个节律，从其产生和机械转导到皮层目标，并描述了补充核心内感受通路的嗅觉、体感、本体感受和血管通路。身体节奏对大脑和行为的影响以不同的形式出现，并揭示了对一系列功能的贡献，从知觉检测到自我，但也与外部输入的竞争。受影响的皮层网络在空间上是广泛的，在三种节律中基本一致，包括不被认为不是内感受性的皮质。最后，我们提出了身体节律与外部输入或正在进行的大脑活动整合的三种候选机制，即振荡同步、预测编码和多感觉整合，这是实验研究的基础。

3. 心脏内感受

3.1 功能和途径

心脏为血液循环提供了必要的力量。它包含了它自己的自主起搏器（图1），产生了心脏周期（图2b)，其特征是心房和心室的收缩（或收缩，相对固定的时间）和放松（或舒张，更可变的时间）的交替。下行路径和局部自我调节的神经机制都进一步调节心率和心脏收缩，通常与呼吸（例如，吸气加速心脏）和血管控制相协调。这导致成年健康人类的心脏收缩通常为每~900 ms，而小鼠的每~100 ms。

心跳通过机械感受器转导，并通过核心内感受通路传递（图1）。对短暂的血压升高敏感的机械感受器位于心脏本身，但也位于颈动脉、主动脉弓或肺血管中。这些压力感受器在每个心脏周期，不同的潜伏期取决于受体的位置和亚型。颈动脉和主动脉压力感受器是研究最多的，因为它们参与了所谓的压力反射，通过NTS来调节心率和血压。其他的心脏机械感受器告知心脏收缩的发生，与压力变化无关，不同类型的机械感受器的比例在物种间存在很大的差异。

心脏内感受还有许多其他途径（图1）。首先，心脏收缩是通过本体感受性或触觉性外周受体，可检测血管的脉动性或胸腔容积的变化。第二，最近在啮齿类动物中发现的一些途径可能也有一定作用。星形胶质细胞有很多作用，最近发现星形胶质细胞可以作为颅内压力感受器，进而调节麻醉大鼠血流交感控制的脑干神经元，并诱导急性脑切片皮质神经元放电。来自血管的脉冲转导甚至可能直接发生在锥体细胞中，因为这些细胞表达PIEZO2通道，这是一个机械敏感的通道，将膜张力转导为电信号和生化信号。虽然后两种机制可能会深刻地改变目前对脉冲-大脑通信的看法，并提出了血流动力学的新的计算作用，但这些机制在自由运动的动物和人类中的作用仍有待证实。

图2. 测量心脏、呼吸和胃的内感受。a，用皮肤电极测量心脏和胃节律，用带测量呼吸节律。b，来自腹部电极的原始数据的例子，显示了缓慢的胃节律，较快的呼吸速率和心跳。c，人类躯体感觉皮层的颅内记录显示，每一次心跳都会引起一个短暂的神经元反应（浅灰色的单一反应，与心电图的R峰对齐）。平均单个响应将生成HER（红色）。d，身体节律对神经元活动的影响也可以通过相位-相位耦合（未说明）或相位-振幅耦合来测量，其中神经元节律的振幅（浅灰色）根据身体节律的相位（黑色）进行调制。e，呼吸周期和心脏周期均由两个阶段组成（分别为吸气和呼气、收缩和舒张）。周期效应是指对外感受刺激反应的不同行为结果，有时在两个阶段之间观察到。

3.2 心脏参数：心率变异性、时间偶发性和心跳诱发反应

在正常情况下，心率是不规则的。心率变异性是大脑皮质区域向下影响到心脏的结果。心率和心率变异性的变化是公认的现象，特别是在威胁或恐惧情况下。在知觉和认知范式中，心周期持续时间也被系统地修改了，由刺激呈现和目标检测引起的心周期持续时间有一个小但持续的变化。我们更深入地回顾了心脑交流的另外两个方面：心跳与外部刺激或行动之间的时间偶发（或关系）的影响，以及每个心跳引起的短暂神经反应的认知相关性。

3.3 心跳和外部刺激之间的时间偶发性

心跳和外部刺激之间的时间关系的可预测性已经在实验中得到了明确的研究，其中外部刺激在每次心跳后以固定的潜伏期重复呈现。这一理论原理扩展了外感受的多感觉整合和预测编码的逻辑，包括内感受和外感受的整合信号的作用。一系列基于预测编码框架的研究显示了双向交互作用，中枢神经系统中心跳的处理被时间一致的、可预测的听觉刺激调节，而听觉或视觉刺激的处理在与心跳同步时减弱。对时间偶发事件的敏感性也在行为中表现出来：婴儿和猴子花在观察与心跳同步移动的刺激上的时间更少。当虚拟的手、脸或身体与参与者自己的心跳同步被照亮时，身体错觉中的身体所有权感得到增强，这与内感受和外感受的整合可能是人类自我意识的关键的观点一致。

另一项研究表明，广泛的知觉、运动、认知和情感功能取决于外部刺激或行动是发生在心脏周期的早期还是晚期（图2e）。这一研究基于这样的假设，即收缩期压力感受器的激活会引起普遍的皮质抑制事实上，颈动脉窦压力感受器的持续刺激会导致狗和猴子的静止和睡眠，猫和狗出现慢波，这种效应可能是由去甲肾上腺素能蓝斑介导的。在人类中，人工增强压力感受器的激活可以降低疼痛感觉。因此，我们假设皮层在每个收缩期被短暂地抑制，从而导致脉冲抑制。疼痛在收缩期期间持续减少，这可能解释了脉冲抑制假说的持续流行的原因。然而，当涉及到其他模式时，研究结果更加复杂。在躯体感觉领域，研究结果大多与脉冲抑制假说相一致；在听觉中，结果是混合的，阳性和零结果；在视觉中，情绪中性刺激大多没有零结果。最后，与脉冲抑制假说相反，与舒张期相比，收缩期的作用会被促进，但这一发现在所有研究中同样并不一致。

许多因素可能可以解释这种复杂的发现。鉴于内感受通路和躯体感觉通路的解剖收敛，体感可能不同于视觉和听觉。测量（心电图、不同位置的脉搏）和收缩和舒张的时间定义都不同，刺激是否处于或高于阈值也可能会产生影响，已经使用了各种统计方法（框1）。最后，可能更重要的是，在一些实验中，刺激是随机传递的，它们在心脏周期中的位置是后验确定的，而在其他实验中，刺激的时间是在线控制的，以在心脏周期的特定时刻下降。这不仅可能导致心率的细微差异，还会导致在时间偶发时预期过程的发展，例如，学习期待心跳后200 ms的外部刺激（框1）。理解循环效应中的作用机制可能对更好地理解脑之间的相互作用很重要，这将在“整合身体节律与大脑动力学：候选机制”这一节中进一步详细介绍，但鉴于啮齿动物的心率很快，可能很难获得详细的神经生理学证据。此外，在施加外部刺激和心跳的时间排列之外，在高度限制的实验室环境之外，周期效应是否对感知和认知有影响还有待确定。

框1. 测量大脑对内脏活动的反应：伪影和陷阱

研究内脏器官对大脑活动的影响具有实验挑战性。首先，内脏活动可以诱导传感器和大脑之间的相对运动，人工调节数据。例如，呼吸运动和心脏搏动都影响磁共振成像数据。类似地，在体内记录过程中，发生在每个心跳处的大脑运动可以调节动作电位波形，并影响颅内HER记录。此外，与呼吸相关的血管张力（即血管运动）的局部变化或血流动力学振荡可调节近红外光谱信号。区分由运动引起的伪影和由心脏、脉冲和呼吸信号转导而产生的神经活动是一个重要的技术挑战。

第二，大脑的电生理传感器也可能直接捕获远端器官的电活动。通过心电图检测到的心脏电活动，在脑电图和脑磁图的记录中直接可见，通常是在时间传感器上。这种所谓的心脏场伪影只能被部分纠正，需要具体的实验设计和控制分析来提取有意义的信息。

第三，器官收缩的周期性需要特别注意。它排除了“基线活动”的存在，因为在一个给定周期之前的活动也对应于前一个周期的结束。此外，数据分析涉及循环统计，这可能需要更多的方法论工作来确定所有的缺陷和注意事项。

第四，实验范式本身可能会影响内脏的节奏。例如，对外部刺激的有意识感知会使心脏减慢，当刺激呈现时间可以预测时，参与者倾向于吸气，因此在刺激开始时增加心率。心脏和呼吸节律的实验变量可能占一些差异的周期缺陷观察范式刺激提供随机和他们的位置周期确定后验，和范式，实验者实施刺激表示在一个特定的时刻。

最后，建立交互的方向性是一项挑战。内脏器官的篡改可能导致非生态、压力条件（即摄入充气气囊进行胃内感受），并可能引起人们对身体状态的注意。更重要的是，在复杂系统中识别因果关系在本质上是不同的。

3.4 心跳诱发的反应

心跳诱发反应（HERs）对应于平均锁定于心跳的神经数据时观察到的短暂神经活动（图2c）。HERs最初被认为反映了压力感受器的活性，但它们可能来自上述心脏内感受的任何一种途径。到目前为止，心脏参数本身，如心率或搏出量，似乎对HER变异性只有有限的影响。与外部感受刺激引起的反应相比，HER的记录和分析需要格外谨慎（框1）。在人类中，HERs被观察到出现在躯体感觉皮层，腹内侧前额叶（vmPFC）皮层和后扣带皮层（PCC）/腹侧楔前叶、岛叶和额叶盖和纹状体外视觉皮层（图3）。

将注意力转向内部，明确地关注自己的心跳，持续地调节HERs。HERs的注意调节是否以及如何转化为更准确的心跳意识感知目前正在被重新检查中。因为测量对心跳的有意识感知的行为程序正在被修订。除了注意力调节之外，HERs还与三个不同的框架有关，我们将依次讨论：情绪、预测编码、自我和意识。因为身体的变化长期以来一直与情绪有关，HERs已经在躯体标记假说的背景下进行了研究。HERs依赖于情绪刺激的效价，以及情绪和唤醒。在这种范式中，心脏参数也会发生改变，这使得很难知道HERs的变化是因为心脏参数的变化，或者是因为心脑交流发生了改变——这与长期以来关于身体变化和情绪之间相互作用的争论相呼应。与外感受类似，HERs本身也没有被视为感官反应本身，而是预测信号和观察信号之间的差异。HERs是由心脏驱动的听觉刺激预测，由结果状态的可预测性和预期的情绪内容来调节的。

图3. 大脑中的身体节奏：一个广泛的网络。在人类和动物的研究中，心跳引起反应的区域，或神经元活动与呼吸和胃节律相关的区域崩溃，主要是啮齿动物。每个数字对应于一个参考，并表示该区域的贡献，而不是对一个确切的位置。我们没有区分后岛叶和前岛叶，而且前扣带回皮质的最腹侧部分和vmPFC之间的边界很难确定。除了预期的边缘区域外，神经元活动不仅与躯体感觉皮层的身体节律有关，而且与视觉和听觉皮质以及运动和运动前区域也有关。默认网络存在两个内侧淋巴结（vmPFC、PCC/楔前叶）和显著性网络的一个淋巴结（前岛叶、额下回）。

最后，HERs也与自我有关。事实上，必须被喂养、保护和调节的生物体可以被认为是对自我最简单的生物学上的定义。与这一假设相一致的是，HERs确实反映了走神过程中的自我关联，身体错觉过程中身体所有权的强度和心理意象中的自我-其他区别，并有助于基于主观偏好的决策的稳定性。最后，主观体验，意识的标志，需要一个经验主体的存在，这是一种可能基于身体信号的最小的自我形式。HERs可以指示意识体验的受试者，因为它们预测在阈值时有意识检测到视觉或体感刺激的可能性，与主观疼痛感知共变，并可靠地指示昏迷后个体的剩余意识。有趣的是，患有人格解体或功能障碍的患者，经历了脱离自己的感觉、身体和情绪，没有表现出内感受注意对HERs的调节。

4. 呼吸

4.1 功能和途径

呼吸的主要功能是允许肺内的气体交换以进行血氧，但呼吸也用于嗅探和气味采样，气流的精确时间调节是吞咽和发声的基础。在某些物种（例如，狗）中，呼吸作用在温度调节中也有一定的作用。与心脏或胃都产生自己的起搏器电活动不同，呼吸模式在中枢神经系统内产生，在前Bötzinger复合体和位于腹侧髓质的周围核。呼吸作用的另一个显著特征是它可以被自动控制（框2）。

框2. 快、慢呼吸：呼吸可以自主控制

呼吸是自动的，但严格控制主动嗅，吞咽和发声。情绪也通常与呼吸模式的改变有关。最近在非情绪情境中观察到更微妙的变化，参与者可能会自发地将他们的呼吸模式与产生的运动或实验范式保持一致，尽管这种行为不是系统性的。呼吸，与心脏或胃节律不同，也受到明确的意志控制，这在人类中与包括脑岛和前扣带回在内的边缘回路有关。

呼吸急促通常与压力和焦虑有关，更准确地说，还与呼吸困难或呼吸困难感有关。这是恐慌症发作的一个中心特征——尽管积极情绪的呼吸频率也会增加。由血流阻力负荷或O2/CO2含量改变引起的呼吸困难的神经影像学研究表明，大多数边缘结构和躯体运动区，前岛叶的焦虑依赖参与。颅内脑电图记录证实了这些发现，也揭示了枕叶区域的贡献。快速呼吸增加了眶额皮层、脑岛和杏仁核的神经元活动和呼吸之间的耦合，但不影响躯体感觉皮层的呼吸影响。最后，要求参与者尽可能快地吸入或呼气一次，以增加运动兴奋性和手指屈曲力。

相反，控制、慢呼吸经常用于认知行为疗法，是冥想或瑜伽等越来越流行的练习的重要组成部分，冥想或瑜伽涉及更多的控制呼吸——快速、慢、左右鼻孔呼吸，有时与特定的姿势和发声有关。虽然人们对瑜伽和冥想作为一种改善情绪、睡眠和一般幸福感的方法相当感兴趣，但呼吸模式和/或对呼吸的注意的具体作用仍然不同，无法与其他成分分开。当单独练习时，慢速呼吸与减轻压力有关，并影响大脑活动。尽管如此，当涉及到疼痛或情绪感受时，文献还是揭示了不同的结果。慢速呼吸影响的详细机制仍有待完全阐明。它可能是由呼吸系统和心脏和血管系统之间的相互作用所介导的，但这个假设仍存在争议。

到目前为止，实验数据显示，呼吸对大脑活动的影响，特别是在边缘系统，主要是由于鼻呼吸，通过嗅球中的机械感受器检测气流。然而，还有其他的途径，可能有不同的皮质目标。膈肌的拉伸和收缩由膈神经传递到初级躯体感觉皮层，而肺运动由迷走神经传递，并通过中间核影响海马的活动。胸部的扩张和收缩也可能被皮肤检测到，并通过体感途径传递。最后，前Bötzinger复合体直接投射到许多皮层下结构，包括内感受性NTS和PBN以及丘脑和神经调节位蓝斑。这种非嗅觉途径可以解释在皮层水平上观察到的一些呼吸模式。

呼吸节律和神经活动之间的耦合主要是通过分析神经放电或大脑节律的调制与呼吸相位，要么通过寻找呼吸频率的大脑活动，要么通过将相幅耦合扩展到脑-体节律相互作用的基本原理，其中低频大脑节律的相位调节高频节律的振幅（图2d）。行为可能取决于这种耦合的强度，或者显示出吸气和呼气之间的差异（图2e）。

4.2 鼻呼吸和边缘系统

鼻呼吸对大脑活动的影响长期以来一直被记录在嗅球和嗅梨状皮层，但它远远超出了嗅觉结构。呼吸调节神经活动已被观察到，尤其是在人类和啮齿动物的海马区，这与theta节律不同。呼吸也可以调节啮齿类动物的内侧前额叶皮层的神经活动，这一区域被认为类似于人类的前扣带皮层（ACC）。边缘系统的大部分参与（杏仁核、海马体、脑岛叶和扣带回）在人类颅内记录中被证实。鼻呼吸和边缘区神经活动之间的耦合也与人类记忆表现的调节和情绪评级的调节有关，并影响小鼠的冻结行为。

4.3 其他区域的呼吸和神经活动

呼吸和大脑活动之间的耦合远不局限于边缘系统。首先，在躯体感觉皮层中观察到呼吸相关的活动，在人类，在啮齿动物或猫的躯体感觉皮层的不同部分：须桶皮层，躯干和鼻子为代表。在人类中，对微弱的触觉刺激的检测在呼气开始时就很容易实现。第二，在啮齿类动物和人类的运动区域中也观察到呼吸和神经活动之间的耦合。与运动活动的联系也通过呼气时增强的皮质肌肉一致性和惊吓反射反应所揭示，但在吸气时更多的自主性运动启动。各种听觉和视觉任务的反应时间随着呼吸周期而变化。第三，呼吸也与视觉系统中的神经活动相结合，并影响视觉表现。在人类的pcc中也报道了呼吸锁定调节。最后，一项对人类静息状态下的全脑研究揭示了与呼吸更大的区域，包括默认、显著性和背侧注意网络的节点以及小脑。从更认知的角度来看，当虚拟化身呼吸或与参与者的呼吸同步被照亮时，身体错觉的强度就会增强。

耦合的方向性在上述实验中并不总是得到解决：耦合是由于呼吸对神经活动的影响，还是由于神经命令改变了呼吸频率和深度？例如，对人类运动皮层的刺激会引起横膈肌中的抽搐，而猫的海马体中的呼吸相关活动可以驱动呼吸变化。呼吸周期和神经活动之间的耦合也可能是由于神经调节。虽然目前还没有直接证据证明这一点，但选择性操纵前波辛格复合物投射到蓝斑的选择性操作导致小鼠呼吸速率较慢和较不活跃的探索行为。

在关于呼吸的实验文献中，最常提出的解释是，除了嗅觉采样之外，呼吸引起的振荡将在神经动力学的大规模协调中发挥作用，并可能有助于优化感知、情绪和认知。这种解释与振荡同步的一般作用相呼应，但结果也可以在其他框架中进行解释，我们将在“将身体节律与大脑动力学整合：候选机制”中进一步发展这一点。

5. 胃内感受

5.1 功能和途径

胃在消化过程中会混合和研磨食物。它感知到丰富多样的刺激，一些与胃内容物有关，另一些是我们关注的，与胃电活动或机械扭曲有关。和心脏一样，胃产生自己的节律，在人类和啮齿动物中，周期持续约20秒。节律本质上是由非神经元起搏器细胞产生的，即Cajal的间质细胞，它们接触平滑肌和迷走神经传入。胃节律不断产生，但在消化过程中，在胃内容物的压力下，其振幅增加，并协调胃平滑肌的收缩。胃节律的振幅和频率可以通过来自肠神经系统的局部影响和来自中枢神经系统的下行影响来调节，包括来自岛叶、内侧前额叶皮质、运动和体感皮质的下行投射。

施加于胃壁的不同力量（扩张、收缩和抚摸）激活迷走神经和脊髓内脏神经，这些神经遵循图1所示的核心内感受路径。在人类中，实验性诱导胃扩张过程中的全脑成像研究显示，体感皮质、ACC、海马、岛叶、vmPFC和枕叶皮质层的反应，这种模式类似于大鼠胃刺激激活的网络。在睡觉的猫中也观察到枕叶皮质的参与，其中胃的电刺激会引起早期视觉皮质的放电。

5.2 胃节律和自发性脑活动在一个广泛的网络中的耦合

在消化的急性期外，胃只是偶尔收缩，但仍会产生胃节律。在静息状态和麻醉状态下，在人类大脑中，都可以观察到一个相当广泛的啮齿动物神经活动和胃节律。所谓的胃网络包括所有的外感受皮质和运动区域，一些默认网络区域，但很少有跨峰的认知区。相互作用的方向性仍有待确定，但在人类中，观察到的耦合部分对应于从胃到大脑的信息。在啮齿类动物中，切断迷走神经减少了胃-脑耦合，除了体感觉皮层，这种模式让人联想到连接胃和体感觉皮层的脊髓通路。

胃网络最近被发现了，但对其功能作用知之甚少。在人类中，它似乎并没有被中度禁食所调节，但更严格的饮食控制和禁食喂养干预的结合改变了麻醉大鼠的胃网络。在人类中，预测体重减轻的网络与胃网络重叠，而体重关注和身体羞耻感与胃-脑耦合减少相关。除了饮食和身体相关方面的问题，考虑到胃网络的范围，胃节律已经被提出用来协调外部感觉和行动的不同模块之间的大脑动态，绕过了更高层次的区域，但这一假设迄今尚未得到实验验证。最后，胃的活动也与觉醒有关：睡眠时视觉皮层对胃刺激的神经反应比清醒时更大。

6. 在一个广泛的皮质网络中观察到身体节律

图3显示了前三个部分中报告的研究结果的图形摘要。显然，这个数字带有警示性的说明。我们把动物和人类研究的结果用关于物种间同源性的潜在问题。对于心脏内感受，我们只绘制了HERs，它对应于对内感受输入的反应，而对于呼吸和胃节律，方向性可能是上升的（例如，胃刺激）或未确定的（耦合）。最后，取样偏差取决于技术和物种，包括对人类的全脑和局部研究，以及主要对动物的局部研究。考虑到这些局限性，图3显示，尽管可能的途径（图1）、效应（图2）和实验挑战（框1）不同，但所产生的网络在不同物种、节律和记录方法之间大多是一致的。

首先，图3证实了已知的边缘区域（脑岛、杏仁核/海马体和扣带皮层）参与了内感受加工。值得注意的是，我们没有区分后内感受性岛叶的内脏位组织和更多的前岛叶区域。第二，心脏、呼吸和胃对躯体感觉皮层的影响也被证实。它们是否来自核心内感受通路和/或触觉和本体感受通路，以及其比例仍有待确定，以及躯体感觉皮层是否具有内脏局部组织仍是一个悬而未决的问题。第三，更令人惊讶的是，在视觉、听觉和（前）运动皮质中，呼吸和胃节律与神经活动之间存在着一致的联系。外感受皮质中内感受信号的解剖起源尚不清楚。它们可能是由内感受皮质到外感受皮质的皮质内投射引起的，但相互作用也可能是皮质下的。例如，接收内脏输入的PBN，也投射到丘脑的主要视觉信息传递，外侧膝状核，并与听觉通路有功能联系，其在发声-呼吸耦合中的作用。PBN也可能通过神经调节作用于感觉皮质。与运动皮质和运动前皮质的耦合，在呼吸和胃节律中似乎很常见，可能包括下降的影响，因为解剖学证据表明这些区域的内脏运动作用。

最后，在人类中，默认网络的两个核心中线节点，vmPFC和PCC/腹侧楔前叶，似乎与身体节律耦合，所有这三种节律在PCC中一致发现，而在vmPFC中主要是HERs。另一个关键区域，包括前岛叶、额盖和额下回，是显著性网络的一个节点。这三个区域都是皮质中枢，即与其他网络具有密集的解剖和功能连接的区域。关于顶叶的报道既稀少且分散，一些与默认网络的外侧淋巴结有关，另一些与背侧顶叶区域有关。据我们所知，目前还没有任何动物研究调查过这些地区。同样值得注意的是，到目前为止，认知前额叶区域似乎与身体节奏完全脱节。

综上所述，受心脏、呼吸和胃节律影响的皮质网络相当广泛，不仅包括预期的内感受边缘区，还包括感觉和运动区，以及默认网络和显著性网络的一些连接枢纽。这就需要对从转导位点到皮质目标的内感受通路进行精细的解剖特征，并更好地理解内感受信号在外感受皮质和连接枢纽中的功能作用。

7. 将身体节律与大脑动力学相结合：候选机制

身体节奏是如何与正在进行的大脑动力学和外感受或认知处理相结合的？这个问题是根据三个不同的框架来考虑的——振荡同步、预测编码和多感觉整合——它们最初是为外部感受而设计的。我们将在下面依次介绍每种候选机制，并讨论它如何适应心脏、呼吸和胃的输入（图4）。这三个框架并不是相互排斥的，但它们会影响实验范式，并为对研究结果的解释增添色彩，有时是含蓄的。

图4. 大脑中的身体节律：候选机制。心脏、呼吸和胃节律对脑动力学和认知的影响可以在不同的框架下进行解释。a，有节律性的内脏信号通过在分布式脑回路之间提供一个共同的振荡支架，促进了远程脑区之间的神经元振荡的同步，从而促进了信息的整合。b，内脏信号可以通过提供一个共同的参考系，促进来自不同坐标系统的外感受信号的整合。c，内脏信号被预测和抑制，不被有意识地感知，以减少它们对大脑处理的干扰。d，解释给予先验的内脏输入和外部感受环境会产生情绪感受，而情绪感受反过来又会构成情感自我的基础。e，f，在多感觉神经元中，外感受和内感受感觉输入以超加的方式结合(e)，内感受和外感受信号的多感觉整合构建了大脑的身体表征和身体自我的体验(f)。温度计表示身体状态和内脏输入的节奏结构的相对重要性。

7.1 将振荡同步扩展到脑-身体节律之间的相互作用：脚手架假说

大脑区域之间的振荡同步被认为在协调大规模的大脑动态和区域间的通信中起着重要作用。因为膜电位的增加使放电更有可能，同步振荡会打开或关闭潜在的遥远的神经元组之间的通信窗口。在最初的版本中，振荡同步独立于身体的节奏，并将来自于神经间的相互作用。脚手架假说认为，由于不同区域的神经活动的时间结构反映了心脏、呼吸和胃节律的时间结构，因此可以认为这些区域是同步的。这一框架主要被提出用于呼吸和胃节律。在这种观点中，身体节奏作为载波，施加或多或少的兴奋性的时间窗口（图4a）。呼吸是深还是浅，或者心脏排出少量或大量的血液，只要在不同的大脑区域产生有节奏的模式，就不重要。因此，脚手假说与实际的身体生理状态相对脱节。

在这个框架中，与身体节律相关的神经活动的节奏模式很重要，因为它会打开或关闭交流的窗口。实验上，只有很少的研究详细说明不同的大脑区域耦合到身体节奏相同或不同的阶段，他们不一致：呼吸驱动的神经活动的阶段对齐似乎很好，而区域耦合到胃组织的梯度阶段，更暗示行波比接近零相位差同步。虽然保留大脑固有节律的频率往往被进化，但身体节律并非如此：老鼠的心脏和呼吸节律比人类快8到12倍，而胃频率相对相似。目前尚不清楚器官间和物种间频率的差异是否会对身体节律和大脑或行为之间的耦合产生功能性后果。最后，关于振荡同步的作用，一个持久的问题是，大脑是如何决定哪一组神经元应该被同步的。到目前为止，身体节奏的同步并没有为这个问题提供任何令人满意的答案。然而，血管搏动的可能性直接由星形胶质细胞和/或锥体细胞打开新的线索：增加的局部代谢需求由于发射，和时间标签由于血管搏动，可能产生一种新的方法来实现灵活但相关的神经元协调。

7.2 对自我和意识的相关的发现以及循环效应的解释

在其最初的公式中，振荡同步解决了绑定问题，即如何将分布式的神经活动灵活地组合起来生成一个对象表示，从而有助于意识体验的统一。然而，意识经验有其他属性，如第一人称的观点，这是一个以自我为中心的观点，和内在的微小，也就是说，一个有意识的知觉属于观察者，而观察者很少不认为它是他或她自己的经验——至少在健康的人类成年人。这些属性与经验的主题有关，需要一个以自我为中心的观点，它的神经定义可以植根于身体信号的神经表征。更准确地说，在意识体验中联系在一起的信息不仅分散在不同的区域，而且还表达在不同的参考框架中，例如在早期视觉区域中以眼睛为中心的框架，直到更复杂的认知空间。因为内脏信号不断出现和分布在许多领域，他们可以促进不同系统的对齐和协调坐标通过提供共同的参考点，对应相同的输入表示在每个参考系，占第一人称的观点和内在的意识经验（图4b）。请注意，在这个假设下，内脏信号具有协调作用，在一个以自我为中心的框架中对齐外部感觉，而不是有助于一个明确的身体自我意识。这种整合身体信号的扩展可以适应关于身体信号的神经监测与自我和意识之间联系的各种发现，但它仍然是推测性的。

脚手假说还允许人们以一种相当直接的方式解释在收缩期-舒张期或在吸气和呼气期间的外部刺激的不同处理：周期效应将是增强和抑制感觉采样的时间窗口存在的结果，与先前关于内在产生的振荡同步和视觉注意采样的工作类似。另一种关于循环效应的解释源于关于鼻呼吸的文献，其中灵感对应于嗅觉感官摄入。鉴于嗅觉的进化的重要性指导行为，鼻呼吸对大脑活动的影响可能已经溢出，推广到非嗅觉引导认知类似的推理可以持有胃节律，这可能来自进化中的古代节奏“漂浮的胃”如水母。循环效应也已在预测编码框架中被解释，进一步详细介绍如下。

7.3 从节奏到非静态的调节，情绪和自我：扩展的预测框架

因为节律是可预测的，身体所携带的神经振荡可以帮助将感觉处理的最佳阶段与刺激输入的预期时间对齐。这一逻辑似乎与鼻呼吸特别相关，在那里呼吸诱导的神经节律将与嗅觉感觉摄入相一致。另外，对触觉刺激的反应在收缩期会被抑制，因为心跳的时间已经被预测，而对触觉刺激的反应会被抑制。至少有些循环效应需要身体节奏和外部输入之间的较长时间的同步，这一事实支持预测编码。扩展预测框架也可以很容易地适应与运动行为，与各种行动开始的最佳时刻给定内部状态，例如嗅探，与吸入同步，对应于外部感官摄入，而射击精度将受益于起始远离小身体位移引起的心跳。这一逻辑已经被正式定义为心脏和呼吸周期效应，其基本原理是内感受推理和外感受推理在周期的不同时刻最为精确。

更普遍地说，因为内感受感知身体状态，它参与反应性稳态调节，但也参与非稳态调节，即预测外部环境和计划行为的身体需求——比如在预期食物消费时唾液。异态调节可以在一个扩展的预测编码框架中表达，大脑不断产生和更新外部环境模型，还更新机体状态（图4c）。这个框架可能在很短的时间尺度上工作（例如，从一个呼吸周期到下一个呼吸周期），但最适合于更长的时间尺度（分钟或小时），例如对岛叶皮层未来生理状态的预测。除了异位平衡，预测编码框架提出，在特定的外部感受环境下，估计身体内部参数变化的最可能原因，会产生情绪感受，而前扣带皮质和前岛叶皮质会产生内脏预测。与身体中实际或心理模拟变化相关的情感感受被认为是情绪自我的基础。另外，拥有一个内感受性、本体感受性和/或躯体感觉身体的预测模型可能是自我的基础（图4d）。在这种解释中，实际的和预测的身体状态很重要，但输入的节奏性和相关的神经活动只是其他可以预测的一个参数。

7.4 外感受的和内感受的多感觉整合

另一种解释方法认为，外感受和内感受加工在一个扩展的多感觉整合框架中收敛。多感觉整合（图4e）需要内感受和外感受信息汇聚到相同的神经元上，例如在初级躯体感觉皮层或早期皮层下阶段的膀胱和触觉输入。然后，输入以一种超加性的方式组合，也就是说，与单独呈现的每个输入的响应总和相比，同时呈现两个输入将导致更大的响应。例如，在收缩期对触觉刺激的神经反应的抑制可以被解释为躯体感觉皮层中触觉和压力感受器输入之间的多感觉竞争。多感觉整合被认为是身体自我的基础（图4f），正如实验诱导的身体错觉所表明的那样。这种错觉来自于一致或不一致的视觉触觉刺激，但也被虚拟身体的心跳或呼吸同步的视觉照明进一步调节。身体参数在这个框架中是相关的，但输入的节奏模式可能并不重要。顶叶内沟在外部和内部输入的整合中起着重要作用，但这一假设仍有待实验证明，到目前为止，该区域很少被报道与身体节律耦合（图3）。

8. 结论和开放问题

身体节律和神经元活动之间耦合的解剖程度，以及感觉和认知功能的范围，影响了许多关于潜在机制的问题。内感受信号与其他信息来源的整合重新引发了关于神经编码本质的核心问题，从通过收敛的多感觉信息的整合到振荡同步和预测编码。觉醒，松散地定义为一种脑-体激活状态，在我们回顾的文献中很少作为解释框架提出，其作用应该重新考虑。内感受也带来了新的生物限制。最明显的与功能有关，也就是说，内感受和外感受的集成与机体的生存，但内感受也表明小说的生理途径信息处理，例如血管系统的脉动可能检测到中枢神经系统。对信息处理的更生物学的立场可能不仅是理解神经代码的关键，而且是解决自我和意识、动物与人类意识的困难问题的关键。

参考文献：Interoceptive rhythms in the brain.