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心理所研究揭示化学感觉在岛叶表征的拓扑结构特征

日期: 2022/11/08

　　发布时间:2022-11-02 作者:中国科学院心理健康重点实验室王亮研究组

中国科学院心理健康重点实验室王亮研究组使用颅内电刺激(intracranial electrical stimulation,iES)方法揭示了化学感觉在岛叶表征的拓扑结构特征。近期,该研究成果在线发表在临床神经病学顶级期刊Annals of Neurology上,题为Responses of chemosensory perception to stimulation of the human brain。

化学感觉包括嗅觉、味觉和三叉感觉,其在进化早期就发展起来,在人类生存、繁殖、营养等方面起着至关重要的作用。化学感觉障碍已被证明是许多疾病的早期生物标志物之一,如阿尔茨海默病和帕金森病。以往研究发现梨状皮层(piriform cortex)、岛叶(insula)、眶额皮层(orbitofrontal cortex)、额叶盖部(frontal operculum)、前扣带皮层(anterior cingulate cortex)等参与化学感觉加工。然而,如何以较高的精度定位产生化学感觉的脑区,并进一步勾画出化学感觉不同维度的拓扑结构特征,是重要且富有挑战性的问题。

　　清醒状态下癫痫病人的颅内电刺激(iES)为理解脑区功能提供独特的贡献1,是大脑实时因果映射的最精确工具2,广泛被用于检验大脑区域功能特异性3。为此,王亮研究组与首都医科大学三博脑科医院合作,基于302例难治性癫痫患者电刺激后的行为反应,分析了化学感觉不同维度信息加工的脑区及其拓扑特征。

　　研究结果发现,302例患者中21例(7%)被诱发出化学感觉。21,661个电刺激位点中,有53个(0.2%)位点被诱发化学感觉。其中,岛叶的响应率最高,具体表现为,163名有岛叶电极的患者中有15例被诱发出化学感觉,2051个电刺激位点中有37个被诱发出化学感觉(图1)。岛叶被诱发的化学感觉位点集中在岛叶中央沟附近(图2)。

　　图1.电刺激大脑皮层引起化学感觉的部位分布

　　图2. 电刺激岛叶引起化学感觉的部位分布与脑岛中央沟的距离有关

　　根据患者临床报告的具体内容,研究者将化学感觉按照不同维度进行划分:(1)两种感受部位:鼻腔或口腔;(2)三种化学感觉形态:味觉、嗅觉、三叉感觉;(3)三种价态:愉快(积极)、不愉快(消极)、偏好不明确(中性);(4)两种具体性:特异性和一般性。对于嗅觉,研究者进一步将其划分为鼻前嗅觉和鼻后嗅觉。结果发现,电刺激前腹侧岛叶主要引起鼻前嗅觉,而电刺激背侧中部岛叶引起多种化学感觉反应(图3)。这表明岛叶中央沟可能在多模态整合的风味感觉 (flavor) 中起重要作用。

　　综上所述,这项研究以较高的空间分辨率定位了化学感觉产生的脑区,刻画了化学感觉在岛叶表征的拓扑结构特征。此外,研究还将伴随化学感觉症状的癫痫发作可能起源从岛叶中央沟中背侧延伸至包括前腹侧在内的岛叶中央沟皮层。该研究启示,在临床工作中,术前评估发现有化学感觉相关的癫痫发作先兆时,可以考虑沿岛叶中央沟植入电极。

　　图3. 化学感觉在岛叶表征的拓扑结构特征

　　这项研究获得国家科技创新2030-脑科学与类脑研究项目(2022ZD0205000)、国家自然科学基金 (32020103009、31500923、31771255)、中国科学院创新团队(JCTD-2018-07)、中国科学院心理研究所科学基金(E2CX4215CX)、首都医科大学三博脑科医院基金(2021ZZLX02)等的资助。

　　论文第一作者为心理所李妍妍助理研究员,通讯作者为王亮研究员。这项工作还得到了来自心理所的周雯研究员、谭政博士、硕士研究生蔡雨霏以及首都医科大学三博脑科医院王梦阳主任和王静主任的大力支持。

　　论文信息:

　　Li Y, Tan Z, Wang J, Cai Y, Wang M, Zhou W, Wang L. Responses of Chemosensory Perception to Stimulation of the Human Brain. Ann Neurol. 2022 Oct 11. doi: 10.1002/ana.26532.

　　参考文献:

　　Borchers S, Himmelbach M, Logothetis N, Karnath HO. Direct electrical stimulation of human cortex - the gold standard for mapping brain functions? Nat Rev Neurosci. 2011 Nov 30;13(1):63-70. doi: 10.1038/nrn3140.

　　Siddiqi SH, Kording KP, Parvizi J, Fox MD. Causal mapping of human brain function. Nat Rev Neurosci. 2022 Jun;23(6):361-375. doi: 10.1038/s41583-022-00583-8.

　　Reid AT, Headley DB, Mill RD, Sanchez-Romero R, Uddin LQ, Marinazzo D, Lurie DJ, Valdés-Sosa PA, Hanson SJ, Biswal BB, Calhoun V, Poldrack RA, Cole MW. Advancing functional connectivity research from association to causation. Nat Neurosci. 2019 Nov;22(11):1751-1760. doi: 10.1038/s41593-019-0510-4.