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基本信息

Title:Respiration as a dynamic modulator of sensory sampling

發(fā)表時間: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“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“主動采樣”（active sensing）：即主動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，試圖回答一個更深層的機(jī)制問題：在不同的刺激可預(yù)測性情境下，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)層面是如何實現(xiàn)的？研究者利用高密度腦磁圖（MEG）、呼吸追蹤和瞳孔測量技術(shù)，在一個視覺檢測任務(wù)中對這些問題進(jìn)行了直接測試。

研究核心總結(jié)

這項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關(guān)鍵結(jié)論。

一、吸氣階段視覺更敏銳，且人類會主動“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)的時間和空間位置高度可預(yù)測時，參與者會無意識地加快呼吸頻率，主動調(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)奏對齊得越好的個體，其視覺檢測表現(xiàn)就越出色。這直接證明了呼吸在主動采樣中的核心作用。

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，且參與者會主動調(diào)整呼吸頻率以匹配可預(yù)測的視覺刺激。

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），而時間線索則引發(fā)了感覺運(yùn)動區(qū) Beta 波的抑制（代表運(yùn)動準(zhǔn)備和預(yù)測性計時）。關(guān)鍵在于，這些 Alpha 和 Beta 頻段的活動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，成功檢測到視覺刺激伴隨著視覺皮層 Alpha 波的抑制，而時間線索則引發(fā)了感覺運(yùn)動區(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)度會發(fā)生動態(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，且這種調(diào)節(jié)與個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)測時，TPJ 到視覺皮層（V1/2）的 Alpha 頻段信息流會受到更強(qiáng)的呼吸調(diào)節(jié)。

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

Fig 4. 在面對可預(yù)測的視覺刺激時，呼吸對神經(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

這項工作將我們對“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)測編碼框架的機(jī)制層面。

在理論意義上，它為人類的“主動采樣”假說提供了堅實的神經(jīng)生理學(xué)證據(jù)。研究表明，我們并非被動地接收外部世界的信息，而是通過主動調(diào)整內(nèi)部的身體節(jié)律（呼吸），在時間和狀態(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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