DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb3326
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40950467
تاريخ النشر: 2026-07-29
المؤلف: Joshua Y Assi وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب المتعلقة بالتنفس والنوم
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الآليات العصبية الكامنة وراء اكتشاف الإنسان واستجابته للاضطرابات في التنفس، مما يبرز تعقيد التحكم في التنفس بما يتجاوز العجز التقليدي في الرئة وجذع الدماغ. شملت الدراسة تسجيل النشاط القشري داخل الجمجمة لدى مرضى جراحة الأعصاب خلال مهمة داخلية قدمت تحديات تنفسية عابرة. تشير النتائج إلى أن الوعي الواعي بهذه الاضطرابات يتم تسهيله بشكل أساسي من خلال النشاط المبكر في القشرة المعزولة الأمامية، والتي تنقل بعد ذلك المعلومات إلى القشرة المدارية الأمامية والقشرة الحركية الأمامية لمزيد من التقييم والإجراءات التعويضية.
ومن الجدير بالذكر أن القشرة المدارية الأمامية والقشرة الحركية الأمامية أظهرت معالجة محددة للإشارات، مشفرة بشكل تفضيلي جوانب مثل جهد الشهيق وتدفق الهواء. وهذا يشير إلى تمييز وظيفي مشابه لذلك الذي لوحظ في مراكز جذع الدماغ، مما يدل على بنية عصبية متطورة للوعي بالتنفس. تقترح النتائج دائرة ديناميكية بين القشرة المعزولة والقشرة الأمامية تلعب دورًا حاسمًا في استشعار والتكيف مع التحديات التنفسية، مما يعزز فهمنا للأساس العصبي للوعي بالتنفس والاضطرابات المحتملة له في مختلف الأمراض.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على تعقيد تنظيم التنفس، مشددة على أنه ينطوي على دوائر جذع الدماغ وكذلك مناطق الدماغ الأمامية العليا التي تراقب وتعدل التنفس. في القوارض، تم تأسيس اتصالات بين المناطق القشرية وتحت القشرية ومعقد بوزينجر الأمامي، حيث أدت التلاعبات في هذه المسارات إلى تغييرات مختلفة في أنماط التنفس، مثل فرط التنفس، ونقص التنفس، وانقطاع النفس. ومع ذلك، لا يزال العلاقة بين هذه التغيرات الفسيولوجية والإحساس بالتنفس الواعي أو ضيق التنفس غير مفهومة جيدًا، خاصة في البشر حيث تفشل الطرق غير الغازية في التقاط معالجة القشرة بدقة.
يقترح المؤلفون أن الاضطرابات في معالجة الإشارات التنفسية في القشرة قد تفسر لماذا قد لا يدرك بعض الأفراد، مثل مرضى الربو أو مستخدمي الأفيون، مشاكل التنفس التي تهدد الحياة، بينما يعاني آخرون من ضيق التنفس على الرغم من وظيفة الرئة الطبيعية. للتحقيق في ذلك، تهدف الدراسة إلى استكشاف كيف يبني الدماغ الأمامي تجارب التنفس الواعية من خلال الاستفادة من تسجيلات جراحة الأعصاب البشرية وعلم وظائف التنفس. يفترض الباحثون أن مناطق قشرية مختلفة تظهر أنماط استجابة مميزة للتغيرات الحادة في ميكانيكا التنفس، حيث تكتشف القشرة المعزولة القيود التنفسية وتشارك القشرة المدارية الأمامية والقشرة الحركية الأمامية في الاستجابات التقييمية والتعويضية. سيختبرون هذه التوقعات من خلال مهمة جديدة لاكتشاف مقاومة الشهيق خلال تسجيلات EEG داخل الجمجمة (iEEG)، مما يسمح بتتبع دقيق لمعالجة الإشارات التنفسية عبر المناطق القشرية ذات الصلة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع البيانات من أحد عشر مريضًا في جراحة الأعصاب يعانون من الصرع المقاوم للعلاج الذين خضعوا لمراقبة EEG داخل الجمجمة (iEEG) في مستشفى نورث شور الجامعي، نيويورك. حصلت الدراسة على موافقة من مجلس مراجعة المؤسسات في معاهد فاينشتاين (IRB) بموجب البروتوكول 07-125، وقدم جميع المشاركين موافقة خطية مستنيرة وفقًا لإعلان هلسنكي. تألفت المجموعة من خمس إناث تتراوح أعمارهن بين 19 و54 عامًا (متوسط العمر = 34.2)، جميعهن لم يكن لديهن تاريخ من التدخين أو الأمراض القلبية التنفسية.
أكمل المشاركون مهمة حساسية مقاومة التنفس (RRST) بعد تأكيد وظيفة الرئة الطبيعية عبر مقياس تنفس محمول، حيث تجاوز حجم الزفير القسري في ثانية واحدة (FEV₁) والسعة الحيوية القسرية (FVC) كلاهما 80% من القيم المتوقعة، ونسبة FEV₁/FVC لا تقل عن 0.70، مع تعديلها للطول. تراوح مؤشر كتلة الجسم (BMI) للمشاركين بين 19.3 و29.4 كجم/م². لتقليل آثار الحركة أثناء الاختبار، تم وضع المرضى في سرير مستشفى مائل مع دعم كافٍ لظهرهم وأذرعهم ورقبتهم ورؤوسهم.
النتائج
في هذه الدراسة، بحث الباحثون كيف تكتشف القشرة القيود التنفسية من خلال تسجيل EEG داخل الجمجمة (iEEG) من 11 مريضًا بالصرع مع وضع أقطاب كهربائية في مناطق الدماغ الداخلية أثناء مهمة حساسية مقاومة التنفس (RRST). بعد استبعاد ثلاثة مرضى بسبب عدم الامتثال أو النشاط الكهربائي المفرط، تم تحليل بيانات من 8 مشاركين و1,328 قطبًا كهربائيًا. خلال مهمة RRST، تنفس المشاركون من خلال قطعة فم مع مشبك أنف بينما كانوا يواجهون مقاومات شهيق عابرة وغير متوقعة بأحجام متفاوتة، سواء فوق أو تحت عتباتهم الإدراكية الفردية. بعد ذلك، أبلغ المشاركون عن اكتشافهم للحمل، وتوقيته، وشدته، مع الحفاظ على معدل التنفس وحجم المد والجزر ثابتين طوال التجارب.
توفر هذه النتائج رؤى حول الآليات العصبية الكامنة وراء إدراك القيود التنفسية، مما يبرز دور مناطق الدماغ المحددة في معالجة الإشارات الداخلية المتعلقة بالتنفس. يسمح التصميم التجريبي المنضبط بفهم دقيق لكيفية تأثير مستويات المقاومة المتغيرة على الوعي الإدراكي في سياق وظيفة التنفس.
المناقشة
تستكشف الدراسة الآليات العصبية الكامنة وراء اكتشاف الأحمال التنفسية، كاشفة عن تجمعات قشرية متميزة تشارك في الإدراك الداخلي للتنفس. تلعب القشرة المعزولة الأمامية (AIC) دورًا حاسمًا في الاكتشاف الواعي للاضطرابات التنفسية، حيث تظهر نشاطًا عالي التردد (HFA) عابرًا يتوافق مع حجم الأحمال الشهيقية. على وجه التحديد، أظهر المشاركون زيادة كبيرة في ضغط الفم (iMP) وانخفاض في تدفق الهواء الشهيقي (iAF) عند تعرضهم لأحمال شهيقية، مما يؤكد فعالية توصيل الحمل. اختلفت معدلات الاكتشاف لهذه الأحمال، حيث كان المشاركون يحددون بشكل موثوق الأحمال التي تزيد عن 5 سمH₂O/L/s، بينما تم اكتشاف الأحمال الأقل بشكل غير متسق. ومن الجدير بالذكر أن نشاط AIC كان أكثر وضوحًا خلال الأحمال المكتشفة مقارنة بالتجارب المفقودة، مما يدل على دورها في معالجة القيود التنفسية حتى بدون وعي واع.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على الانفصال الوظيفي بين AIC والقشرة المدارية الأمامية (OFC)، حيث تشارك AIC بشكل أساسي في الاكتشاف المبكر للأحمال التنفسية، بينما تدمج OFC المعلومات الحسية للتقييم الأعلى. تم إظهار تأثير AIC على OFC لتعزيز دقة اكتشاف الحمل، مما يقترح آلية قشرية تكمن وراء التباين الفردي في الوعي بالتنفس. علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أنه بينما تكون AIC حساسة للتغيرات المبكرة في ضغط الشهيق، فإن OFC والمناطق الحركية الأمامية تحافظ على استجابات مستمرة طوال دورة الشهيق، مما يعكس أدوارها في التعويض الحركي والتقييم الإدراكي. توفر هذه الدراسة فهمًا أساسيًا للمسارات القشرية المعنية في الإدراك التنفسي وآثارها على الحالات التي تؤثر على الوعي والسيطرة على التنفس.
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb3326
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40950467
Publication Date: 2026-07-29
Author(s): Joshua Y Assi et al.
Primary Topic: Neuroscience of respiration and sleep
Overview
This research investigates the neural mechanisms underlying human detection and response to disruptions in breathing, highlighting the complexity of respiratory control beyond traditional pulmonary and brainstem dysfunctions. The study involved recording intracranial cortical activity in neurosurgical patients during an interoceptive task that presented transient breathing challenges. The results indicate that conscious awareness of these disruptions is primarily facilitated by early activity in the anterior insula, which subsequently relays information to the orbitofrontal and premotor cortices for further appraisal and compensatory actions.
Notably, the orbitofrontal and premotor cortices exhibited signal-specific processing, preferentially encoding aspects such as inspiratory effort and airflow. This suggests a functional segregation similar to that observed in brainstem centers, indicating a sophisticated neural architecture for respiratory awareness. The findings propose a dynamic insular-frontal circuit that plays a crucial role in sensing and adapting to respiratory challenges, thereby enhancing our understanding of the neural basis of breathing awareness and its potential disruptions in various diseases.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the complexity of respiratory regulation, emphasizing that it involves not only brainstem circuits but also higher forebrain regions that monitor and modulate breathing. In rodents, connections between cortical and subcortical areas and the preBötzinger complex have been established, with manipulations of these pathways leading to various alterations in breathing patterns, such as hyperventilation, hypoventilation, and apnea. However, the relationship between these physiological changes and conscious breathing sensations or dyspnea remains poorly understood, particularly in humans where noninvasive methods fail to accurately capture cortical processing.
The authors propose that disruptions in cortical processing of respiratory signals may explain why some individuals, such as asthmatics or opioid users, may not perceive life-threatening respiratory issues, while others experience breathlessness despite normal lung function. To investigate this, the study aims to explore how the forebrain constructs conscious respiratory experiences by leveraging human neurosurgical recordings and respiratory physiology. The researchers hypothesize that different cortical regions exhibit distinct response patterns to acute changes in respiratory mechanics, with the insular cortex detecting respiratory constraints and the orbitofrontal and frontal motor cortices engaging in evaluative and compensatory responses. They will test these predictions through a novel inspiratory resistance detection task during intracranial EEG (iEEG) recordings, allowing for precise tracking of respiratory signal processing across relevant cortical areas.
Methods
In this study, data were collected from eleven neurosurgical patients with drug-resistant epilepsy who underwent intracranial EEG (iEEG) monitoring at North Shore University Hospital, New York. The research received approval from the Feinstein Institutes Institutional Review Board (IRB) under protocol 07-125, and all participants provided written informed consent in accordance with the Declaration of Helsinki. The cohort consisted of five females aged between 19 and 54 years (mean age = 34.2), all of whom had no history of smoking or cardiorespiratory diseases.
Participants completed the Respiratory Resistance Sensitivity Task (RRST) after confirming normal pulmonary function via a hand-held spirometer, with forced expiratory volume in one second (FEV₁) and forced vital capacity (FVC) both exceeding 80% of predicted values, and a FEV₁/FVC ratio of at least 0.70, adjusted for height. The body mass index (BMI) of participants ranged from 19.3 to 29.4 kg/m². To minimize motion artifacts during testing, patients were positioned in a reclining hospital bed with adequate support for their back, arms, neck, and head.
Results
In this study, the researchers investigated how the cortex detects breathing constraints by recording intracranial EEG (iEEG) from 11 epilepsy patients with electrodes placed in interoceptive brain regions during a respiratory resistance sensitivity task (RRST). Following the exclusion of three patients due to noncompliance or excessive epileptiform activity, data from 8 participants and 1,328 electrodes were analyzed. During the RRST, participants breathed through a mouthpiece with a nose clip while experiencing brief, unpredictable inspiratory resistances at varying magnitudes, both above and below their individual perceptual thresholds. Participants subsequently reported their detection of the load, its timing, and intensity, with respiratory rate and tidal volume maintained constant throughout the trials.
These findings provide insights into the neural mechanisms underlying the perception of respiratory constraints, highlighting the role of specific brain regions in processing interoceptive signals related to breathing. The controlled experimental design allows for a nuanced understanding of how varying resistance levels influence perceptual awareness in the context of respiratory function.
Discussion
The research investigates the neural mechanisms underlying the detection of respiratory loads, revealing distinct cortical populations involved in breathing interoception. The anterior insular cortex (AIC) plays a critical role in the conscious detection of respiratory anomalies, exhibiting transient high-frequency activity (HFA) that correlates with the magnitude of inspiratory loads. Specifically, participants demonstrated a significant increase in mouth pressure (iMP) and a decrease in inspiratory airflow (iAF) when subjected to inspiratory loads, confirming effective load delivery. Detection rates for these loads varied, with participants reliably identifying loads above 5 cmH₂O/L/s, while lower loads were detected inconsistently. Notably, AIC activity was more pronounced during detected loads compared to missed trials, indicating its role in processing respiratory constraints even without conscious awareness.
Additionally, the study highlights the functional dissociation between the AIC and orbitofrontal cortex (OFC), where the AIC is primarily involved in early detection of respiratory loads, while the OFC integrates sensory information for higher-order evaluation. The AIC’s influence on the OFC was shown to enhance load detection accuracy, suggesting a cortical mechanism that underlies individual variability in breathing awareness. Furthermore, the findings indicate that while the AIC is sensitive to early inspiratory pressure changes, the OFC and premotor regions maintain sustained responses throughout the inhalation cycle, reflecting their roles in motor compensation and perceptual evaluation. This research provides a foundational understanding of the cortical pathways involved in respiratory perception and their implications for conditions affecting breathing awareness and control.