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基本信息

Title:Respiration as a dynamic modulator of sensory sampling

發(fā)表時(shí)間:2026-4-7

發(fā)表期刊:Nature Communications

影響因子:15.7

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研究背景

呼吸不僅僅是為了維持生命，它更是大腦處理信息的一臺(tái)“節(jié)拍器”。近年來，越來越多的研究表明，身體節(jié)律與神經(jīng)節(jié)律之間存在緊密聯(lián)系。在靜息狀態(tài)下，呼吸節(jié)律能夠系統(tǒng)性地調(diào)節(jié)廣泛解剖網(wǎng)絡(luò)中的腦節(jié)律振蕩（即呼吸調(diào)節(jié)腦振蕩，RMBOs）。在行為層面，呼吸也被證明能調(diào)節(jié)人類的感知能力，尤其是在視覺領(lǐng)域。

從內(nèi)感受推斷（interoceptive inference）的角度來看，呼吸與感知的關(guān)系絕非偶然。由于呼吸是唯一可以被人類隨意控制的內(nèi)臟節(jié)律，它很可能被系統(tǒng)用來進(jìn)行“主動(dòng)采樣”（active sensing）：即主動(dòng)將感覺信息的獲取與有利于任務(wù)表現(xiàn)的腦體狀態(tài)對(duì)齊。然而，目前的大多數(shù)證據(jù)仍停留在相關(guān)性層面。

這篇近期發(fā)表在《Nature Communications》上的研究，試圖回答一個(gè)更深層的機(jī)制問題：在不同的刺激可預(yù)測(cè)性情境下，呼吸究竟是如何協(xié)調(diào)大腦的興奮性和喚醒狀態(tài)的？這種腦-體耦合帶來了怎樣的行為收益？更重要的是，這種促進(jìn)行為的耦合在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層面是如何實(shí)現(xiàn)的？研究者利用高密度腦磁圖（MEG）、呼吸追蹤和瞳孔測(cè)量技術(shù)，在一個(gè)視覺檢測(cè)任務(wù)中對(duì)這些問題進(jìn)行了直接測(cè)試。

研究核心總結(jié)

這項(xiàng)研究的核心在于揭示了呼吸節(jié)律、大腦皮層狀態(tài)（喚醒度與興奮性）以及視覺感知表現(xiàn)之間的動(dòng)態(tài)因果鏈條。根據(jù)論文的發(fā)現(xiàn)邏輯，我們可以將其拆解為以下四個(gè)關(guān)鍵結(jié)論。

一、吸氣階段視覺更敏銳，且人類會(huì)主動(dòng)“踩準(zhǔn)”呼吸節(jié)律

研究者首先發(fā)現(xiàn)，參與者在吸氣階段對(duì)閾值邊緣的微弱視覺刺激具有更高的感知敏感度。更令人驚嘆的是，呼吸作為一種可控節(jié)律，被參與者巧妙地融入了任務(wù)策略中。

當(dāng)視覺刺激出現(xiàn)的時(shí)間和空間位置高度可預(yù)測(cè)時(shí)，參與者會(huì)無意識(shí)地加快呼吸頻率，主動(dòng)調(diào)整自己的呼吸模式，以確保目標(biāo)刺激恰好落在他們感知最敏銳的吸氣中后期。并且，這種呼吸節(jié)律與任務(wù)節(jié)奏對(duì)齊得越好的個(gè)體，其視覺檢測(cè)表現(xiàn)就越出色。這直接證明了呼吸在主動(dòng)采樣中的核心作用。

Fig 1. 行為學(xué)與瞳孔數(shù)據(jù)表明，視覺感知閾值在吸氣階段顯著降低，且參與者會(huì)主動(dòng)調(diào)整呼吸頻率以匹配可預(yù)測(cè)的視覺刺激。

為什么吸氣階段看得更清楚？研究者考察了瞳孔大小（反映藍(lán)斑-去甲腎上腺素系統(tǒng)的全局喚醒度）和腦磁圖頻段功率（反映皮層興奮性）。

數(shù)據(jù)表明，空間線索會(huì)引發(fā)瞳孔顯著放大，且在吸氣階段瞳孔直徑更大，這表明吸氣伴隨著更高的生理喚醒。在神經(jīng)層面，成功檢測(cè)到刺激（Hit）伴隨著視覺皮層強(qiáng)烈的 Alpha 波抑制（代表視覺系統(tǒng)興奮性增加），而時(shí)間線索則引發(fā)了感覺運(yùn)動(dòng)區(qū) Beta 波的抑制（代表運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備和預(yù)測(cè)性計(jì)時(shí)）。關(guān)鍵在于，這些 Alpha 和 Beta 頻段的活動(dòng)都受到了呼吸相位的系統(tǒng)性調(diào)節(jié)。

Fig 2. 腦磁圖數(shù)據(jù)顯示，成功檢測(cè)到視覺刺激伴隨著視覺皮層 Alpha 波的抑制，而時(shí)間線索則引發(fā)了感覺運(yùn)動(dòng)區(qū) Beta 波的抑制。

為了探究機(jī)制，研究者將目光投向了RMBO 網(wǎng)絡(luò)（包括腦島、前扣帶回、顳頂交界處以及視覺和運(yùn)動(dòng)皮層）。通過多變量格蘭杰因果分析（mGC），他們發(fā)現(xiàn)呼吸相位不僅調(diào)節(jié)了這些腦區(qū)的局部振蕩，還系統(tǒng)性地塑造了它們之間的寬帶定向信息流。

具體而言，在吸氣和呼氣階段，腦島（內(nèi)感受核心樞紐）與顳頂交界處（TPJ，注意力控制樞紐）之間的信息傳遞方向和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)。這表明呼吸節(jié)律在宏觀尺度上充當(dāng)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通訊的“交通指揮員”。

Fig 3. 呼吸節(jié)律系統(tǒng)性地調(diào)節(jié)了包括腦島、前扣帶回和視覺皮層在內(nèi)的廣泛神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振蕩活動(dòng)，且這種調(diào)節(jié)與個(gè)體的感知敏感度高度相關(guān)。

最后，研究者考察了這種網(wǎng)絡(luò)通訊如何適應(yīng)外部環(huán)境。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)視覺刺激高度可預(yù)測(cè)時(shí)，TPJ 到視覺皮層（V1/2）的 Alpha 頻段信息流會(huì)受到更強(qiáng)的呼吸調(diào)節(jié)。

更重要的是，在可預(yù)測(cè)條件下，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA）到腦島的 Alpha 頻段定向連接強(qiáng)度，直接預(yù)測(cè)了個(gè)體的感知敏感度。這意味著，大腦的運(yùn)動(dòng)控制區(qū)域與內(nèi)感受區(qū)域之間的通訊，在呼吸的驅(qū)動(dòng)下，將外部的預(yù)測(cè)信息轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的感知優(yōu)勢(shì)。

Fig 4. 在面對(duì)可預(yù)測(cè)的視覺刺激時(shí)，呼吸對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定向連接（如 SMA 到腦島的 Alpha 波信息流）的調(diào)節(jié)作用顯著增強(qiáng)，直接促進(jìn)了感知表現(xiàn)。

研究意義

這項(xiàng)工作將我們對(duì)“呼吸如何影響大腦”的理解，從簡單的現(xiàn)象描述推進(jìn)到了基于預(yù)測(cè)編碼框架的機(jī)制層面。

在理論意義上，它為人類的“主動(dòng)采樣”假說提供了堅(jiān)實(shí)的神經(jīng)生理學(xué)證據(jù)。研究表明，我們并非被動(dòng)地接收外部世界的信息，而是通過主動(dòng)調(diào)整內(nèi)部的身體節(jié)律（呼吸），在時(shí)間和狀態(tài)上為即將到來的感覺輸入做好最優(yōu)準(zhǔn)備。腦島和顳頂交界處在這一過程中扮演了整合內(nèi)部生理狀態(tài)與外部環(huán)境預(yù)測(cè)的關(guān)鍵樞紐。

在研究邊界上，作者也保持了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)克制。他們指出，本研究采用的是高度控制的閾值邊緣視覺任務(wù)，這種機(jī)制在日常自然感知中是否同樣顯著仍需驗(yàn)證。此外，呼吸節(jié)律與心跳節(jié)律（如呼吸性竇性心律不齊）存在復(fù)雜的耦合，未來需要進(jìn)一步拆解不同內(nèi)臟節(jié)律在皮層興奮性調(diào)節(jié)中的獨(dú)立與協(xié)同作用。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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