DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02087-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41131362
تاريخ النشر: 2025-10-23
المؤلف: Jiahe Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الاتصال الوظيفي في الدماغ
نظرة عامة
تبحث الدراسة في قدرة الدماغ على توقع وتنظيم احتياجات الجسم الطاقية من خلال عملية تُعرف باسم الألوستاز، مدعومة بالإحساس الداخلي – نمذجة الدماغ لحالته الحسية الداخلية. باستخدام تصوير الرنين المغناطيسي الوظيفي بدقة فائقة 7 تسلا مع عينة من 90 مشاركًا، تعزز الدراسة رسم خرائط المناطق القشرية الأمامية تحت الجسيمات وتوسع فهم نوى جذع الدماغ. تكشف النتائج عن الاتصال الوظيفي الذي يتماشى مع أكثر من 96% من الاتصالات التشريحية المحددة في دراسات الحيوانات غير البشرية، مما يبرز نظام دماغي متماسك يسهل نمذجة وتنظيم البيئة الداخلية للجسم.
تعزز هذه الدراسة الفكرة القائلة بأن الألوستاز هو عملية نشطة بدلاً من حالة ثابتة، حيث يقوم الدماغ بتنسيق أنظمة الجسم المختلفة استجابةً لبيئة خارجية غير متوقعة. تبني على الأبحاث السابقة، بما في ذلك دراسات تتبع المسارات ومناقشات حول المعالجة التنبؤية، لدعم وجود شبكة دماغية موحدة وموزعة تتوقع الاحتياجات الأيضية. تشير النتائج أيضًا إلى أن نمذجة الدماغ للحس الداخلي ضرورية للحفاظ على التوازن الداخلي، مما يتوازى مع معالجة الإشارات الحسية الخارجية للتحكم الحركي.
النتائج
في هذه الدراسة، تم استخدام استراتيجية إعادة التقدير لاكتشاف إشارات ضعيفة ولكنها مهمة في تحليل الاتصالات القشرية تحت القشرية عبر الدماغ. شمل التحليل 1,000 تكرار، كل منها يعيد أخذ عينة من 80% من المشاركين (n = 72) لتقييم ارتباطات إشارة مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) لجميع فوكسي الدماغ، مع تطبيق عتبة دلالة على مستوى الفوكسل بقيمة $P < 0.05$. تم إنشاء خرائط اكتشاف لكل منطقة بذور، تشمل كل من الاتصالات القشرية وتحت القشرية. لتحليل البيانات بشكل أكبر، تمت مقارنة الطوبوغرافيات المكانية لخرائط الاكتشاف، وتم بناء مصفوفة تشابه، والتي خضعت لتجميع ك-المتوسطات لتحديد شبكة الألوستاز-الإحساس الداخلي. افترض الباحثون أن الاتصال سيكون أقوى بين مناطق بذور قشرية مقارنة بتلك تحت القشرية، منسوبين هذا التوقع إلى المسارات الزمنية الأكثر ضجيجًا وتأثيرات الحجم الجزئي المحتملة المرتبطة بالمناطق تحت القشرية الأصغر، مما قد يؤدي إلى تقليل قيم الارتباط.
المناقشة
استخدمت الدراسة تصوير الرنين المغناطيسي الوظيفي بدقة فائقة 7 تسلا للتحقيق في نظام الألوستاز-الإحساس الداخلي لدى البشر، مؤكدة أكثر من 96% من الاتصالات التشريحية التي تم تحديدها سابقًا في الثدييات غير البشرية. كشفت النتائج عن اتصال قوي بين القشرة القشرية والقشرة تحت القشرية، بما في ذلك الاتصالات المتبادلة بين القشرة الأمامية تحت الجسيم (sgACC) واللوزة، والتي لم تُلاحظ في دراسات سابقة بدقة 3 تسلا. حدد التحليل مناطق “المحور” الرئيسية داخل النظام، مثل القشرة الوسطى الأمامية (aMCC)، والقشرة الخلفية (PCC)، ومناطق لوزية مختلفة، العديد منها ينتمي إلى “نادي الأثرياء” – عقد مترابطة للغاية تسهل التواصل العالمي في الدماغ.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت الدراسة الضوء على الآثار الوظيفية لنظام الألوستاز-الإحساس الداخلي، مقترحة أنه يلعب دورًا حاسمًا في تنظيم وظائف الجسم والظواهر النفسية. تشير أنماط الاتصال الملاحظة إلى أن المناطق المرتبطة تقليديًا بالمهام الإدراكية، مثل الحصين والنواة الجانبية (LGN)، تساهم أيضًا في العمليات الإحساسية والفيزيائية الحركية. تؤكد النتائج على الترابط بين شبكة الوضع الافتراضي وشبكات الأهمية في تنسيق تنظيم الجسم جنبًا إلى جنب مع الوظائف الإدراكية، مما يشير إلى الحاجة لمزيد من الاستكشاف لأدوارها في الحالات الصحية العقلية والبدنية. يجب أن تتناول الأبحاث المستقبلية القيود مثل الحاجة إلى التحقق من صحة القياسات الإحساسية واستكشاف مناطق تحت القشرية ذات الصلة الإضافية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02087-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41131362
Publication Date: 2025-10-23
Author(s): Jiahe Zhang et al.
Primary Topic: Functional Brain Connectivity Studies
Overview
The research investigates the brain’s capacity to anticipate and regulate the body’s energetic needs through a process known as allostasis, supported by interoception—the brain’s modeling of its internal sensory state. Utilizing ultrahigh precision 7 Tesla functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a sample of 90 participants, the study enhances the mapping of subgenual and pregenual anterior cingulate regions and expands the understanding of brainstem nuclei. The findings reveal functional connectivity that aligns with over 96% of anatomical connections identified in nonhuman animal studies, highlighting a cohesive brain system that facilitates the modeling and regulation of the body’s internal environment.
This study reinforces the notion that allostasis is an active process rather than a static state, wherein the brain coordinates various bodily systems in response to an unpredictable external environment. It builds upon previous research, including tract-tracing studies and discussions on predictive processing, to support the existence of a unified, distributed brain network that anticipates metabolic needs. The results also indicate that the brain’s internal sensory modeling is crucial for maintaining homeostasis, paralleling the processing of external sensory signals for motor control.
Results
In this study, a bootstrapping strategy was employed to uncover weak yet significant signals in the analysis of cortical-subcortical connections across the brain. The analysis involved 1,000 iterations, each resampling 80% of the participants (n = 72) to assess blood oxygen level dependent (BOLD) signal correlations for all brain voxels, applying a voxel-wise significance threshold of $P < 0.05$. Discovery maps were generated for each seed region, encompassing both cortical and subcortical connections. To further analyze the data, the spatial topographies of the discovery maps were compared, and a similarity matrix was constructed, which underwent k-means clustering to delineate the allostatic-interoceptive network. The researchers hypothesized that connectivity would be stronger among cortical seed regions compared to subcortical ones, attributing this expectation to the noisier time courses and potential partial volume effects associated with the smaller subcortical regions, which could lead to diminished correlation values.
Discussion
The study utilized ultrahigh-field 7 Tesla fMRI to investigate the allostatic-interoceptive system in humans, confirming over 96% of anatomical connections previously identified in nonhuman mammals. The findings revealed robust cortico-cortical and subcortico-cortical connectivity, including reciprocal connections between the subgenual anterior cingulate cortex (sgACC) and the insula, which were not observed in earlier 3 Tesla studies. The analysis identified key ‘hub’ regions within the system, such as the anterior midcingulate cortex (aMCC), posterior cingulate cortex (PCC), and various insular regions, many of which belong to the ‘rich club’—highly interconnected nodes that facilitate global brain communication.
Additionally, the study highlighted the functional implications of the allostatic-interoceptive system, suggesting that it plays a crucial role in regulating bodily functions and psychological phenomena. The connectivity patterns observed indicate that regions traditionally associated with cognitive tasks, such as the hippocampus and lateral geniculate nucleus (LGN), also contribute to interoceptive and visceromotor processes. The results underscore the interconnectedness of the default mode and salience networks in coordinating bodily regulation alongside cognitive functions, suggesting a need for further exploration of their roles in mental and physical health conditions. Future research should address limitations such as the need for validation against interoceptive measures and the exploration of additional relevant subcortical areas.