内脏活动对脑和行为的影响

神智过程及其神经底物紧密地联系着内部身体状态的内稳态调节。有一套不同的内感受性传导通路间接和直接地影响脑功能。这些传导通路的解剖学组构以及它们心理/行为影响的表达，沿着分别的、进化上保守的维度表现出来，这种表现维度能够让我们追踪机制性的了解。本章讨论这些传导通路的作用，把它们看作调控知觉、认知、情绪和行为的来源，以及（也可能有些争论）“自我”概念的动态基础［2］。

身体的内部状态激发我们的欲望，例如在炎热的夏天，我们希望在阴凉地方散步；当我们怀疑环境不雅时，我们的食欲或社交会受到抑制。从内脏到脑的信息是连续不断、普遍存在的，但是我们很少会给予思考。对可以进入内感受性评价代表的内脏波动与反应，目前我们所知道的仅是冰山一角而已。大多数内脏信号在不注意的情况下塑造行为、认知，以及（可能有争论）塑造情绪。有些技术例如人体神经成像学，让我们对知觉、思想、内态感以及动作的脑基础得到有价值的了解，但对这些神智功能大多数是与身体生理状态分离开来进行考虑的。不过，来自研究自主性心理生理学、喂食、代谢、渗透压调节和心理神经免疫学等的实验信息正在汇聚起来。对于代表内部状态的神经回路之鉴定，为更完整地了解内脏信号如何形成人类行为与认知，铺平了道路［2］。

脑在两方面依赖于身体状态的生理。第一，为实现有效的生物学功能，脑需要合适的条件（生理学背景）。第二，脑接受内脏传入信号而且对继续不断的动态反馈作出反应（信息背景），这形成了它的操控功能。后者是典型的内感受，也就是编码以及代表报告身体生理状态的内部躯体信号。内感受性信息向中枢传送有两条通路：一是通过脑神经和脊神经，二是在特定脑结构上直接接受样品，即通过血液里携带化学物质的作用。这些信息是完整的，它们具有不同时程反应特点的（包括激素的、免疫学的、代谢的、温度的、损伤感受的、内脏运动的）不同形式信号。这些参数通过脑区组合的编码而允许有动态相互作用，并且可以与自上而下表达的知觉性期望及随意性调控作用相整合［2］。

作为反射集合体的内稳态概念，使得有关内脏-脑相互作用的研究侧重于一些直接因子，这些因子决定了设置范围内生理状态的稳定性。内感受性传导通路产生个体生理参数朝向这些范围极限的偏离信号，但正是行为决定了环境的挑战，以及内部变化（如代谢副产品累积）的速率。从个别器官或一群器官的局部反射来看，内稳态调节已经得到了很好的描写。型式化的内稳态性自主性反应在脑干及下丘脑被协调起来。有效的内部调节也需要许多系统的整合，最后是在整个有机体水平。内部的内脏状态驱动复杂的动机性行为，既是内隐的，也可以通过认知和情感性反应，例如激醒、疾病行为、记忆及心境。功能性健康的内感受性调控占据首要的地位，基本经验以及自我觉察被认为服从生理状态的、由内脏传入信号所驱动的动态中枢代表。然而，有关内部身体状态影响行为到何种程度，这方面的神经科学数据还很有限。本章把有关内脏状态在脑过程上的代表，以及影响脑过程的解剖信息及实验信息汇集起来，用以演示一些原理，通过这些原理使人类的行为和经验带上内部身体信号的色彩［2］。

亚里士多德把感觉及情绪归属于心脏，这种看法与希波克拉底的认识形成显著而尖锐的对比。希波克拉底认为脑是神智操控以及经验的来源。从普遍地应用生理学名词来描写情绪状态可以看出，身体变化和情绪之间的基本关联仍然是很明显的。达尔文强调，情绪生理的表达在各种动物中都存在。此后不久，詹姆士和兰格认为，情绪性内态感的必要性起源于身体的生理变化。兰格关于特定身体变化是个别情绪标签的概念，与达尔文对“基本情绪”的看法是相一致的。詹姆士是一位更加地道的“结构主义者”，他把情绪看作由被其他过程共享的元素（也即躯体激醒）所组成。不过，坎农在1927年争辩说，伴随情绪的生理变化不一定是专门为情绪的。然而下述看法仍被证明是相对强有力的，即认为情绪依赖于生理变化，又与背景的认知评价/评估有联系。现在，通常把情绪看成为一类心理学状态，包括行为、经验及内脏变化［2］。

与这些心理学方面的发展相平行，人们知道了脑干以上有调控内脏状态的代表。动物实验及人体电刺激资料演示，内脏反应耦合于新大脑皮层的脑区。对于情绪神经底物的兴趣增加了，这种情况部分地是被有关基本情绪状态的证据驱动的论点所触发，也由于新兴的意识科学。例如，身体内部变化被认为对“意识”过程有隐蔽的、无意识的影响。值得注意的是动机判断的作出，这种效应关联到眶额叶皮层、躯体感觉皮层以及脑岛皮层的完整性，还有上述皮层基于身体状态支持情绪性过程的推定性作用。越来越多地详细了解了内感受性传导通路到皮层的解剖学投射，再相辅相成地补充以人类功能性神经成像的证据，则内脏感觉性脑岛皮层可以支持关于情绪经验的更一般性的看法，且进一步被功能性神经解剖的认识所强化。情绪的概念还在继续深化，但不同的理论看法都承认生理变化的贡献。关于内脏传入信息在脑内被代表的机制，实验性的研究将继续不断地丰富人们对情绪和认知的了解（图18-5、图18-6）［2］。

图18-5　内脏感觉传导通路及脑内的中枢（彩图见图版此处）

图解式描述的是：（a）脑旁矢状切面；（b）冠状切面；（c）迷走神经结状神经节；（d）脊髓的切面。这些图演示内脏感觉中枢及内感受性神经传导通路。内脏传入输入的细胞体在背根神经节（DRG），它进入脊髓（第Ⅰ层），在脊髓-丘脑束内上行（绿色线），中止于丘脑的内脏感觉区（THAL），之前它有输出到孤束核（NTS）、臂旁核（PBN）及中央灰质（PAG）。由迷走神经（VN）携带的内脏感觉输入，其细胞体在迷走神经节（结状节，NG），中止于NTS，然后走行到PBN、PAG和THAL（绛红色）。信息通过THAL、PAG、PBN的转换来到下丘脑（HPT）、杏仁核（AMY）、前扣带皮层（ACC）和脑岛（INS），后者是初级内脏感觉皮层的代表区。神经调制系统包括上升性去甲肾上腺素通路（发源于蓝斑，LC），它也接受内脏感觉性输入。脑室周围器官（这里是体液性信息交换及感受循环中化学因子的部位，深绿色块）包括最后区（AP）、终纹血管器（OVLT）和穹窿下器官（SFO）。来自这些器官的信息在一系列部位整合，包括HPT和NTS。（图引自［2］）

图18-6　相互作用的中枢传入和传出神经通路介导自主性身体状态之中枢调控的演示图（彩图见图版此处）

本图把接受内脏传入的交感和副交感通路驱动的不同脑区加以连接。此框架也产生一些问题，包括大脑半球侧化如何与内脏调节相关联，体液性影响的主要部位（例如AP与NTS的连接）。虽然这个模型已经包括了神经轴的所有部分，但推断的自主性调控与认知功能耦合提示了某些功能可能具有更大的敏感性，例如认知调控（前扣带回）、享乐动机化（脑岛、杏仁核、膝下扣带回）、心理运动（基底神经节）等过程。记忆功能（杏仁核，参考正文）要弱些，早期感觉加工很少受到影响。这种推断是否成立还有待确定。（图引自［2］）

这是一条经典的体液传导路径。血液循环中的化学物质可以通过感受性脑室周围器官直接进入脑，包括最后区（area postrema，AP）、终纹血管器（organ vasculosum lamina terminalis，OVLT）和穹窿下器官（subfornical organ，SFO），它们都位于第三、第四脑室壁。特异化的、大的血管周围空隙围绕着开窗的毛细血管环，导致表面积/透过比例增加了150倍。密集的受体表达使得这些器官能够检测循环血液中的大分子，而大分子提供系统内部情况的信息，例如大体代谢、炎症状态。分泌性的脑室周围器官（松果体、穹窿下器官、脑垂体后叶、正中隆起）分泌蛋白质进入血流，此方式也对反馈回来的血液中的信号敏感［2］。

1．最后区

最后区（AP）开始被认为是有害物质触发呕吐反应的位点。然而，它的功能已得到扩展认识，包括感受不同的代谢、心血管及免疫因子。AP参与调控摄食行为，表达各种肽的受体，如饱足/厌食（饥饿压抑）的各种肽、增食欲肽（刺激饥饿），还有从胃、小肠以及下丘脑释放的肽。AP密切地与下丘脑和NTS相互连接。在AP内，有神经性内脏感觉和体液信息的功能性整合。AP对胆囊收缩素的反应可被胃扩张所增强（由迷走传入纤维传导），它对血管紧张素的反应影响加压反射的敏感性。AP的输出也包括PBN、交感延髓核及背侧运动核、副交感迷走神经［2］。

2．终纹血管器

终纹血管器（OVLT）在渗透压感受方面似乎起重要作用。它所含有的细胞具有内源性渗透压敏感特征。输出投射到下丘脑视上核。作为对渗透压升高的反应，有人提出这种输出可以调节加压素（VP）的释放。输出投射到中线丘脑核、脑岛和扣带回皮层，这些结构都参与渴及饮水欲望的过程。包含在内侧视前区内的OVLT含有参与渗透压调节的其他神经元，投射到视上核及中线丘脑［2］。

3．穹窿下器官

穹窿下器官（SFO）也贡献给渗透压的调节，对一系列血管反应、代谢、胃肠道、性腺的信号敏感。这演示了SFO对内脏感受的广泛作用。关于这种内脏感觉冗余在多大程度上是功能性的（也即与特定神经-体液反应型式和行为有关），还有待澄清［2］。

这属于非经典的体液传导途径。脑室周围器官是为了中枢检测低水平循环中的体液因子而特异化的，但许多循环中的分子也能够越过血脑屏障，主动或被动地对不同脑系统发挥直接的功能性效应。许多NTS神经元表达血管紧张素Ⅱ及饱因子胰高糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）受体，而一些下丘脑核对代谢生殖激素及血管介质和免疫介质相当广泛地敏感。下丘脑的某些区也对渗透压、温度、葡萄糖浓度变化作出反应。葡萄糖可以通过主动运输越过血脑屏障，下丘脑的葡萄糖敏感性与调控进食（外侧弓状核）和饱（下丘脑腹内侧核）有关。下丘脑和NTS之间的相互连接，存在于葡萄糖感知这个宽泛背景范围下的神经-内脏感觉信息编码之中。有数个其他的脑区也直接对葡萄糖水平敏感，例如内侧杏仁核。在神经调制通路方面，单胺类多巴胺神经元和去甲肾上腺素神经元表达ATP敏感的钾通道，这种通道受葡萄糖水平的调制。有趣的是，异常的全身葡萄糖调节（例如胰岛素抵抗）也影响腹侧纹状体、内感受性脑岛和扣带回皮层之间的相互作用，由这种相互作用可预见抑郁症心境。这个事实扩展了葡萄糖敏感和动机化行为之间的链接，超出摄食调节而接触到部分被单胺类系统所支持的情感过程［2］。

内部身体状态影响脑和行为的另一个机制涉及小胶质细胞（脑的免疫细胞）。这是神经元以外的体液机制。在健康情况下，小胶质细胞显示明显的动态行为。通过分叉突起，它不断地检测细胞外空间。此行为可以参与突触修剪，而突触修剪对于神经可塑性及行为具关键意义。小胶质细胞表达Toll样受体（toll like receptor，TLR），它使小胶质细胞能够检测致病原及组织损伤。外周感染后及/或炎症后，脑室周围器官、柔脑膜及脉络丛的小胶质细胞被快速激活，而且实现形态学和功能学的转化。这种变化的发生可能作为直接对血液循环中细胞因子的感受，或是对于血管周围内皮细胞所产生的前列腺素的感受。激活的小胶质细胞可以释放作用于邻近细胞的肿瘤坏死因子（tumor necrotic factor，TNF），导致整个脑实质的小胶质细胞激活级联反应。认识这些全身性感染所引起的脑反应，挑战了原来中枢神经系统具有免疫特权的观点，而且认识了一个通道，以及外周生理状态的改变如何经过它的通信进入脑里［2］。

根据情绪理论模型，即整合中枢在内部身体状态中作用的模型，特定脑区被指认代表和整合内脏感觉性信息与情绪内态感、认知以及行为的神智功能。这个领域的研究是由神经解剖学研究的推断所指导的，并应用功能性神经成像进行直接探查。人类神经成像与临床研究的结合提供了洞见，使我们得以了解实现内部身体反应的中枢性发生机制，以及身体反应之反馈性代表影响神智过程的机制。有证据表明，前脑区有一个内侧发生系统，在此系统中，当发生情绪性的和充满努力的行为的时候，嘴背侧前扣带皮层驱动交感激醒，典型地是关联到背侧脑桥和（虽然较少肯定性地被观察到）下丘脑及/或杏仁核的活动。人类神经成像的证据表明，在背、前和中扣带回，自主性调控（血压、瞳孔的大小、心率、电皮肤活性）有部分的分离。类似地，膝下扣带回和腹内侧前额叶皮层（vmPFC）似乎是抗交感（副交感）的［2］。

神经成像研究指认，岛叶皮层是自主性反应和内脏状态变化的皮层代表，右侧前岛叶支持内脏激醒与意识加工的整合。脑岛活动经常和杏仁核一起编码主观性情绪状态以及外界刺激的情绪价值。有趣的是，不同身体状态的代表（即内感受性信息）作图到脑岛的亚区，而且产生可以分开来的情绪内态感状态（例如出现与厌恶相关联的恶心，或者头晕目眩时的心脏和胃反应）［2］。

味觉强有力地关联着行为，明显地联系着营养和代谢状态对选择食谱的影响。缺钠的大鼠选择咸的饮料，而缺维生素B1的大鼠扩展其新食物的来源，以增加获得维生素B1的机会。到腹侧苍白球的中脑-边缘投射（包括来自腹侧被盖区的信号）可以支撑特定营养素的“短缺”；而脑干和下丘脑到脑岛的投射很可能支持味觉嫌恶，支持味觉和疾病之间学习到的关联。迷走神经到NTS和PBN的投射传送机械感受的（胃充胀）饱信号以及化学信号（胆囊收缩素及5-羟色胺）［2］。

进食时的饱足及饱足信号参与整合胃的和肠的食物感觉性质信息的反馈（包括味觉）。胃的满足感信号几乎唯一地反映了胃容积扩张，并不直接来源于营养的或化学的特征。相反，来自肠的饱足信号源于肠对营养素的检测，释放不同的胃肠肽及神经递质。许多这些肠来源的厌食信号刺激迷走反射，减少胃排空，导致胃潴留。进食终止的发生，被认为主要是对胃和小肠负反馈信号进行神经元整合的结果。胃和小肠的厌食信号之间神经元整合的位点之一在迷走背核复合体（DVC），它接受来自胃肠道及前脑的信号。并非每个脑区都表达同样类型的内脏感觉整合。虽然灵长类NTS有味觉反应神经元，但从进食到饱足，味觉丘脑及初级味觉皮层典型地并不改变其反应，眶额叶皮层（OFC）及外侧下丘脑（LH）的味觉反应神经元仅当感到饥饿时才起反应，反映了动机状态［2］。