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PNAS研究:前中扣带回皮质如何影响人类喝水行为
发布时间:2018/3/1 14:52:02  作者:【返回

1 研究背景  


人类喝水的动机往往伴随着口渴感和脱水状态的出现。喝水这一行为需要严格的调控,过量饮水或者不饮水都会严重影响身体健康,甚至导致死亡。上述现象充分说明了渴感和饮水行为间密切的关系。一般来讲,渴感的产生和做出喝水决定的行为发生在血容量和溶质度(osmolality)信号(用来调节体内液体平衡)改变之前,且饮水的量和体内的需要是接近的。由此我们可以推测,如果调节主观口渴感受有可能绕过来自循环系统内官感受器所传递的真实信号,进而调控饮水行为。


动物研究表明:穹隆下器官的神经元、视前正中核等组织负责整合与渴感、喝水有关的信息。这种整合能力能起到调控体内液体平衡的作用,且可以使得生物在血容量、血液内化学平衡发生改变之前就及时补充水分。


然而,上述的研究发现均局限于动物实验结果,且整个过程均为自发行为。人类则可以主动提出喝水的要求,这一主观行为下大脑是如何活动的可以通过神经影像(neuroimaging)技术来探索,例如:fMRI技术、PET技术等。这些研究发现,大脑前中扣带回皮质(anterior midcingulate cortex,aMCC的活动和渴感存在正相关关系。且aMCC区的局部血流量同人的渴感级别也存在正相关关系,例如:人的渴感越强烈,则前扣带回(anterior cingulated cortexACC)和终板(lamina terminalis)间的功能连接就越强。同时,扣带回皮质的活动还和人主动的吞咽动作联系密切。另有证据表明:aMCC的活动受渴觉程度、喝水量的综合影响,在整个渴觉产生和喝水过程中动态的变化。


为了进一步研究aMCC在渴感程度和喝水响应过程中所起到的作用,来自墨尔本大学的Saker等人运用fMRI技术,通过让志愿者在口渴的状态下喝不同量的水,且在喝水和吞咽的不同时期(其中水在口中可以被认为是喝水动作,而在咽喉和食道时可以被认为是吞咽阶段)进行磁共振功能成像并进行分析。


结合关联分析(conjunction analysis)方法,Saker等人详细探索了和前述喝水及吞咽有关的脑区活动状态。和之前的研究相比,Saker等人细分了喝水的不同过程(水在口、咽喉、食道),使得研究结果更加细致且具有说服力。同时,通过心理生理交互(PPI)分析,Saker等人还探索了aMCC在喝水这一行为过程中与其他脑区间的功能连接究竟如何变化。


2 方法  


数据集:本研究共招募了20名志愿者(男性13名,女性7名,年龄范围:23-45岁,平均年龄:30.0±1.5岁)。收集所有志愿者主观对渴感程度的评分以及其他必要信息,同时采集他们的3D T1结构像及喝水不同阶段的BOLD功能像(详见参考文献1)。在Saker先前的研究中,使用了纯水和8%的蔗糖溶液。结果显示,这两种不同液体对最后的结果无影响。因此,本研究将志愿者所饮用的水和蔗糖溶液视为一种液体。


MRI扫描策略:本研究共采集四组功能像数据,前两组数据采集的是志愿者在口渴时的功能像,后两组则采集的是志愿者在喝过足够多水(oversated condition)后的功能像。在第二组功能像采集结束后,志愿者离开机器并喝足够多的水(在他们能忍受的范围内)。在扫描过程中,志愿者口中会定量定时通过装置送入5ml的溶液(水或者蔗糖溶液),同时告知他们在吞咽之前将溶液含在口中。在吞咽溶液之后,志愿者需要对溶液的口感和下咽的难易度进行评分(采集策略详见参考文献1)。


大脑激活分析:根据数据采集策略,Saker等人将喝水的整个过程设定为10s。其中,水在口腔中的时间为7s,吞咽水的时间为3s。使用FSL软件中提供的FEAT v4.1.9工具包对喝水这一过程中大脑的活动进行分析。北京赛博尔提供相关数据处理培训,详见文末,欢迎咨询。


将喝水的全过程用四个回归因子描述,前两个代表水或蔗糖溶液在口腔中停留的7s时间内,大脑的活动;后两个代表在水或蔗糖溶液被吞咽下去的3s时间内,大脑的活动。此外,对参加研究的志愿者在喝水或蔗糖溶液期间的主观感受、扫描过程中的头动、由呼吸和吞咽动作产生生理噪声及物理移动都分别有相应的变量进行描述。针对口渴和过量饮水两种状态下的大脑活动分析结果,可以产生不同的对比,如:大脑活动在口渴状态>过量饮水状态的结果(用单口渴状态下大脑激活结果做掩模,mask),大脑活动在口渴状态<过量饮水状态的结果(用单过量饮水状态下大脑激活结果做掩模,mask)。显著性差异的阈值定义为:单个体素的z>2.3P<0.01)且核团阈值Pcorr<0.05(经过多重比较校正)。


PPI分析:大脑aMCC区被选为PPI分析的种子点。同时选取口渴状态和过量饮水状态下大脑激活的差异区作为种子点。种子点选取的原则为z>3.0且灰质概率大于50%的区域(使用FSL软件中提供的哈佛牛津概率模板实现,Harvard-Oxford Cortical Structural Atlas)。


针对PPI分析,额外增加PPI结果及aMCC的时间序列两个回归因子来做激活分析。同时,对不同状态下志愿者大脑的功能连接与他们在相应状态下吞咽水的难易程度(口渴时更容易下咽,过量饮水时则更难下咽)评分做相关分析。显著性的阈值定义为:单个体素的z>2.3P<0.01)且核团阈值Pcorr<0.05(经过多重比较校正)。


3 研究结果  


口渴状态下和过量饮水状态下大脑活动的分析:相对于过量饮水状态,大脑的扣带回、小脑、辅助运动区(SMA)、顶叶皮层、中央后回(postCG)、中央前回(preCG)、前额叶、顶岛盖(PO)及中脑的核团在口渴状态下显现出更强的大脑活动,见图1

1.口渴状态下饮水相对于过量饮水状态下饮水,会展现出激活更强的脑区。感兴趣区(ROI)用蓝色空心形状表示(A-F)。所有被挑选的ROIs均满足:z>3.0且灰质概率大于50%。图a-f中所表示的是从口渴状态到过量饮水状态转变的过程中,ROIs平均的BOLD信号百分比改变。不难看出,相对于过量饮水状态下,所有ROIs在口渴状态下的BOLD信号更加强。ACC:前扣带回、aMCC:前中扣带回、PAG:中脑导水管周围灰质、pMCC:中后扣带回、PO:顶岛盖、postCG:中央后回、preCG:中央前回、SFG:额上回、SMA:辅助运动区、SPL:顶上小叶、VI:小脑小叶VIVIIIa:小脑小叶VIIIa


口渴状态和过量饮水状态下的PPI分析:为了简便起见,所有的功能连接均指种子点aMCC和大脑其余脑区间在喝水期间的功能连接。PPI分析结果和功能连接分析结果在中扣带回(MCC)、postCGpreCGPO、额上回(SFG)及小脑等区域存在一致性,见图2

2. A-D)口渴状态下,PPI的分析结果同相对于过量饮水状态下,口渴状态时饮水,大脑功能连接显著增强的脑区间的对比。绿色:在口渴状态下,aMCC同大脑功能连接增加的脑区(阈值为:z=3.09)。黄色:相对于过量饮水状态下,口渴状态时饮水,脑区更加活跃的结果。红色:绿色和黄色条件下的重叠部分。蓝色:PPI分析中aMCC的位置。V,小脑小叶VVI,小脑小叶VI


口渴状态和过量饮水状态下的PPI对比:当对比口渴状态和过量饮水状态时,口渴状态下aMCC和大脑许多区域显示出更强的功能连接,见图3。这些区域有在延髓(RM)区的面神经核(FN)、孤束核(NTS),还有三叉神经脊束核(SpV)及疑核(NA),且分析结果同PPI的结果一致。相反的,相对于口渴状态下,过量饮水状态下aMCC同大脑其他区域的功能连接均减弱。

3. 相对于过量饮水状态,口渴状态下aMCC同大脑存在更强功能连接的脑区。(A)RM及小脑区域,显著性核团的矢状位图。(B) 轴位图CDF在矢状位的位置。(CD)RM核团包含了:(C)FNNTS以及SpV(D)NTSSpV以及NA(FG)小脑核团包括了:(F)小脑小叶VIIIa(G)小脑小叶VIIIb(EH)蓝色的圆、三角形、矩形和菱形分别代表了CDFG中的ROI。图中ROI中平均的功能连接改变量用PPI分析中得到的对比参数估计值(COPEs)描述。CDROIs的选择标准为:z>3.2,灰质概率大于50%FG中的ROIs选择标准为:z>3.5,灰质概率大于50%


4 研究结论  


通过对不同状态下(口渴和过量饮水)志愿者饮水过程中种子点aMCC和其他脑区间的功能连接探索及PPI分析,Saker等人发现:aMCC的确同口渴状态下喝水的反映存在紧密的联系。在口渴状态下喝水可以理解为一个基于奖赏的、有回报的选择,它能缓解由口渴带来的不愉悦感受。而aMCC很有可能从神经活动层面促进和控制着喝水这一过程。


5 参考文献  


1. SakerP., et al., 2016. Overdrinking, swallowing inhibition, and regional brainresponses prior to swallowing. PNAS, 113: 12274–12279.


2. SakerP., et al., 2018. Influence of anterior midcingulate cortex on drinkingbehavior during thirst and following satiation. PNAS, 115: 786-791.

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