《NeuroImage》：Cardio-respiratory interactions in interoceptive perception: The role of heartbeat-modulated cortical oscillations
编辑推荐：
本研究针对心脏与呼吸系统在感知层面交互机制不清的问题，通过分析健康个体在心跳计数任务(HCT)和外部音调计数任务(C-TCT)中的脑电信号，发现呼气相相比吸气相可显著增强心跳调制α/θ波段功率和锁相值，且α活动与心跳诱发电位(HEP)振幅正相关并预测内感受准确性。这些呼吸相位效应仅存在于内感受任务中，为理解呼吸动态塑造心脏感知的神经机制提供了新证据，对揭示内感受预测编码原理具有重要意义。
我们每时每刻都在呼吸和心跳，但你是否想过，这两个生命体征之间存在着微妙的相互作用？近年来，科学家们发现大脑不仅处理外部世界的信息，同样密切关注身体内部状态，这一过程被称为内感受(interoception)。在众多身体信号中，心跳和呼吸由于解剖和功能上的紧密耦合，其相互作用尤为复杂。然而，传统研究往往将心脏感知孤立看待，忽略了呼吸节律可能产生的调制影响。这种认知空白限制了我们全面理解身体信号处理的神经机制。
此前，Andrea Zaccaro团队已发现呼吸相位会调节心跳诱发电位(HEP)——一个反映心脏信号皮层处理的关键神经标记。具体而言，在呼气阶段，晚期HEP正波增强，同时内感受准确性提高。但这些时间域的研究成果尚未在频率域得到深入探索。心跳调制皮层振荡作为更精确的电生理标记，可能为揭示心脏内感受机制提供新视角。为此，研究团队在《NeuroImage》发表了最新成果，通过时间-频率分析深入探索了不同呼吸相位下心跳调制振荡的规律。
研究团队重新分析了之前实验采集的28名健康参与者的数据。实验过程中，参与者先后完成静息状态、心跳计数任务(HCT)和心脏音调计数任务(C-TCT)，同时记录脑电图(EEG)、心电图(ECG)和呼吸信号。关键技术方法包括：利用呼吸带信号精确划分吸气相和呼气相；采用独立成分分析(ICA)去除心电伪迹(CFA)和脉冲伪迹(PA)；通过时频分析计算心跳调制功率和锁相值(ITC)；基于虚部相干性(iCOH)评估功能连接并计算图论指标；使用聚类置换检验和线性混合效应模型(LMEM)进行统计分析。
3.1.1. 任务和呼吸相位依赖的心跳调制功率变化
研究发现，仅在心跳计数任务(HCT)中，呼气相相比吸气相在300-600毫秒时间窗内诱发更强的α波段(8-13 Hz)功率增加，主要分布在右侧前中央区电极。探索性分析还发现θ波段(4-8 Hz)功率也有类似增强。这些效应在外部注意任务(C-TCT)中完全消失，表明呼吸相位对心脏处理的调制具有任务特异性。
3.1.2. 任务和呼吸相位依赖的心跳调制锁相值变化
在HCT任务中，呼气相还表现出更高的α波段锁相值(ITC)，表明心跳相关神经活动的相位一致性在呼气阶段更强。这种效应同样仅限于内感受任务，进一步支持了呼吸相位特异性调制的观点。
3.1.3. 心跳调制振荡与心跳诱发电位的关系
重要的是，研究发现呼气相与吸气相之间的α功率变化(Δalpha)与HEP振幅变化(ΔHEP)在额叶电极呈正相关。这种关联仅存在于HCT任务中，且特定于α波段，表明两者可能共享共同的神经机制，共同支持心脏感知过程。
3.1.4. 心跳调制振荡与任务准确性的关系
线性混合效应模型分析显示，当α功率和信心水平均较高时，HEP变化对内感受准确性有显著预测作用。而心率变化(ΔHR)不能解释这些效应，排除了单纯生理因素的解释。
3.2. 控制分析解决生理和呼吸混杂因素
为确保结果可靠性，研究团队进行了一系列控制分析。静息状态数据分析显示，不考虑任务要求时，呼吸相位本身不调制心跳振荡活动。同时，心率和心电伪迹分析证实，观察到的效应不能归因于心率波动或心电伪迹干扰。此外，呼吸参数分析表明，虽然较低的呼吸频率与较高的内感受准确性相关，但呼吸适应不能解释主要的任务和相位依赖效应。
3.3. 网络水平动态的探索性分析
探索性功能连接分析发现，在HCT任务中，呼气相相比吸气相在α和θ波段表现出更强的全脑功能连接，尤其右侧前额-中央区域。图论分析进一步显示，呼气相时心跳调制网络密度和全局效率更高，表明呼吸相位调节着大规模皮层网络的组织模式。
研究团队基于预测编码框架提出了一个三级模型来解释这些发现：在周围水平，呼吸通过压力反射调节心跳强度和频率；在脑干水平，心脏和呼吸传入在孤束核(NTS)整合，呼气相时心脏信号处理受呼吸干扰最小；在皮层水平，呼气相增强的α活动可能反映了一种主动抑制机制，通过抑制无关感觉输入来优化心脏信号的精确加权。这种呼吸相位的特异性调制可能促进心脏预测误差的精确加权，从而提升心跳感知能力。
该研究首次系统揭示了呼吸相位通过调节心跳调制α/θ振荡来影响心脏内感受的神经机制，为理解身体信号整合提供了新视角。这些发现不仅深化了对内感受神经机制的认识，还为临床研究提供了新思路——心脏呼吸交互异常可能是多种精神疾病的跨诊断标记。未来研究可探索自主呼吸调节如何优化心脏感知，以及这些机制在精神病理条件下的变化规律。
