孤独症及干预的靶向：脑岛枢纽

来源：武汉自闭症儿童康复机构-东方启音时间：2023/4/25 9:53:39

　　目录

　　★  脑岛是连接大规模脑系统的枢纽

　　★  脑岛皮质的功能：

　　✩  从内心感受到情绪及返回

　　✩  脑岛皮层连接感官体验和情绪效价

　　✩  脑岛在学习和记忆效价中的作用

　　✩  脑岛直接影响行为

　　✩  脑岛评估风险并在不确定的情况下指导决策

　　✩  作为共情的神经基质的脑岛皮层

　　✩  人类脑岛在自我意识中的作用?

　　★  脑岛和孤独症

　　不管你是看到你爱的人，还是试着听自己的心跳，还是头痛，还是渴望吃一块巧克力饼干，你大脑的一部分肯定会强烈地增加它的活动：脑岛皮层。脑岛皮层，或简称为“脑岛”，是大脑皮层的一部分。德国神经学家J.C. Reil在19世纪初为这个大脑结构命名。随后的研究发现，脑岛具有各种各样的功能，从感觉处理到表现情感和情绪，自主和运动控制，风险预测和决策，身体和自我意识，以及复杂的社会功能，如同理心。

　　群居动物必须发现、评估并对群体中其他个体的情绪状态做出反应。一组手势、发声和化学信号使动物能够以微妙的、多感官的方式向他人传达情感和激励。观察者将社会信息与环境和内部因素结合起来，通过一个称为社会决策的过程来选择对他人的行为反应。社会决策网络(Social Decision Making Network，SDMN)是一个由大脑结构和神经化学物质组成的系统，这些神经结构和化学物质在物种(哺乳动物、爬行动物、两栖动物、鸟类)中保存下来，它们是大多数社会行为的近端中介体。在社会场合中，经验数据证明了感觉系统在检测社会刺激的必要性，脑岛皮层在解剖学上的定位是整合和传达来自外部环境的社会情感线索到社会决策网络，从而产生灵活的、与环境相适应的社会行为反应。

　　脑岛是连接大规模脑系统的枢纽

　　在包括人类在内的灵长类动物中，脑岛隐藏在脑侧裂中，脑侧裂是发育过程中形成的个沟。脑岛折叠在每个半球外侧沟的深处，隐藏在额叶、顶叶和颞叶下方，形成所谓的脑盖，或“盖子”。这个独特的位置催生了“insula”(拉丁语意为“岛”)、“隐藏的第五瓣”和“Reil岛”等名字。从宏观上看，人脑岛由中央岛沟分为前部和后部。这两个部分的末端与大脑其他区域的连接有很大的不同，而中间的“中间”岛状带则表现出前后混合的连通性特征。在无脑回物种中，如小鼠和大鼠，脑岛暴露在脑半球的外侧表面，大部分在鼻裂上方。

　　脑岛的三个部门，每一个都由几个有不同连接和功能角色的划分的建筑区域组成。它由内感受皮层锚定，内感受皮层是灵长类动物特有的身体生理状况的辨率表征。多模式整合的从后到中到前的进展较终在前岛的高度相互联系的枢纽中达到顶点。这些枢纽支撑了所有主观感觉，参与一系列的认知、情感和感觉功能。前脑岛参与情绪显著性检测，前脑岛和它所包含的纺锤形的Von Economo神经元有助于体现认知和人类自我意识；后脑岛(PI)参与感觉运动整合和反应选择。脑岛皮层的大多数病变都破坏了内感受和自我意识的感觉。

　　脑岛皮层是一个真正的解剖整合中心，与广泛的皮层和皮层下大脑区域网络紧密相连，这些区域负责感觉、情感、动机和认知功能。它接收来自所有模式的大量感觉输入。直接的丘脑和水平的皮质传入神经从身体外部(听觉、体感、嗅觉、味觉和视觉信息)和身体内部(内感受信息)向脑岛传递信息。这些输入中有几个投射到地形组织的脑岛感觉区域，产生了“内脏脑岛皮层”， “味觉皮层”(初级味觉皮层)，以及脑岛听觉区和体感区。需要注意的是，这些感觉区域中没有一个只处理主要的感觉输入：脑岛的所有区域都接受大量的跨模态传入，较好将其视为多模态集成点。

　　除了它的感觉传入外，脑岛还与边缘系统相互连接。例如，外侧和基底外侧杏仁核会向脑岛的颗粒状和非颗粒状区域投射，反过来又向基底外侧，外侧和中央杏仁核发送密集的传出神经纤维。脑岛也连接到端纹床核的外侧，丘脑的内侧核，外侧下丘脑, 和海马旁区域，包括周围的和外侧内嗅皮质。

　　脑岛与额叶大脑区域相互连接，如前扣带皮层、眶前额皮质和内侧前额皮质，与认知、情感和执行功能有关，并投射到大脑中与动机和奖励有关的部分，如伏隔核和壳核尾状核。总的来说，脑岛皮质接收来自胆碱能、多巴胺能、血清素能和去甲肾上腺素能传入的强神经调节输入。

　　脑岛皮质的功能

　　在脑岛皮质内，来自感觉脑、边缘脑、自主脑和额叶脑区域的传入神经汇聚并混合，为跨模式和跨功能的联系以及可能的结合奠定了基础。

　　从内心感受到情绪及返回

　　内感受，即对身体状态的感知，是脑岛皮质的一个关键功能。脑岛接收来自不同的丘脑中继核的地形上有组织的传入信号，并整合有关血压和氧合、消化系统的运动、心跳的时间和强度，以及疼痛、饥饿、恶心、痒和许多其他身体感觉的信息。除了感知身体状况外，脑岛还对自主神经功能发挥强大的自上而下的控制，例如对心跳、血压或胃动力的调节，较有可能是通过它对下丘脑外侧区、臂旁核和孤束核的直接投射。

　　因此，脑岛皮层是身体感觉、自主控制和杏仁核等与情绪处理有关的大脑区域传入神经汇聚的地方。事实上，对人类和动物的研究表明，脑岛皮层负责处理积极和消极情绪，包括愤怒、悲伤、恐惧和焦虑、厌恶、快乐或喜悦、信任、惊讶以及社会情绪。有趣的是，脑岛参与情绪处理是跨模式的——通过语言、声音、图片甚至触觉等不同模式引发的情绪都与脑岛有关。

　　有特别有力的证据支持脑岛在调节恐惧和焦虑方面的作用。在人类和老鼠身上进行的功能成像研究发现，脑岛与一组被统称为“恐惧网络”的大脑区域共同激活。此外，脑岛和杏仁核之间的功能和结构连接与健康人的状态焦虑和特质焦虑相关。在实验室里，使用经典的巴甫洛夫恐惧条件反射范式进行的实验显示，从老鼠到人类，不同物种的人的脑岛皮层都受到了恐惧的激活。损伤研究和对大鼠不同脑岛亚区域的药理学抑制的证据表明，脑岛在习得性恐惧的巩固中发挥了作用，但引人注目的是，在安全线索的学习中也有作用，它抑制了条件性恐惧的表达。因此，促进恐惧和抑制恐惧的回路可能同时存在于脑岛中。

　　脑岛皮层连接感官体验和情绪效价

　　除了来自身体内部的感觉信号外，脑岛还接收来自环境的感觉信息。但是，虽然脑岛有几个离散的感觉区，它们可以重新映射外部感觉，但脑岛的损伤并不改变感觉知觉阈值，而是影响对给定的感觉输入或一组刺激的识别或效价。例如，脑岛损伤可能会影响风味识别，而风味识别是通过包括嗅觉、视觉和味觉在内的不同感觉模式的整合而促进的。因脑岛的损伤，条件厌恶味觉的获得和表达也会受到干扰。有条件的味觉厌恶指的是一种长期的厌恶感，这种厌恶感是由于一种新鲜的味道伴随着内脏的不适而产生的。因此，它依赖于学习和记忆摄入某种食物与其对身体的负面影响之间的联系。在实验室里，人们已经在啮齿类动物身上广泛研究了条理性味觉厌恶的神经机制。这些研究揭示了胆碱能和多巴胺能信号在调节脑岛可塑性中的重要作用，以及基底外侧杏仁核和脑岛皮层之间的交流是条件性味觉厌恶记忆形成的基础。

　　感觉-情绪整合缺失的一个显著例子是“疼痛不对称症”，即患有岛状病变的患者能够识别疼痛，但缺乏适当的情绪反应，并且不将这种通常的不良经历归为负面情绪。有趣的是，老鼠的前脑岛损伤也显示出疼痛不对称，这表明脑岛在啮齿类动物和人类中都产生了与疼痛相关的负面影响。

　　另一个突出脑岛在给感官体验分配积极效价方面的作用的例子是社会性接触。脑岛是C触觉(CT)纤维传入的受体，当以令人愉快的、爱抚般的速度抚摸皮肤时，纤维传入都会增加激活。CT纤维的放电频率与抚摸者的主观享乐体验有关。有趣的是，在人类中，即使抚摸没有被主动感觉到，但被观察到会影响他人，脑岛皮层也会做出反应。

　　脑岛在学习和记忆效价中的作用

　　监控内部感觉和外部线索的效价和调节自主反应对于维持体内平衡和确保未来幸福很重要。除了这种在线监测之外，脑岛皮层还介导食欲、厌恶或新奇驱动的学习的长期保持。有趣的是，脑岛对记忆的参与依赖于线索或事件的显著性，这些线索或事件通过多巴胺能和胆碱能信号被标记出来。例如，如上所述，脑岛皮层在条件性味觉厌恶的基础上巩固和储存味觉厌恶是必要的。在这个范例中，记忆的形成依赖于刺激的新奇性——熟悉的味道通常与不安无关，而这种区别的机制在于脑岛中乙酰胆碱的新奇特异性释放。

　　类似的，干扰大鼠脑岛的胆碱能信号会损害物体识别记忆，而这种物体识别记忆是基于探索新事物而非熟悉事物的动物自然倾向。总之，这些结果强调了脑岛皮层在确保长期获取关于外部刺激的效价和显著性以及行动结果的信息方面是至关重要的。

　　脑岛直接影响行为

　　较近的证据表明，脑岛不仅仅是处理和链接跨模态信息的基底，它还直接影响行为。一项对老鼠的研究表明，对味觉脑岛皮层中代表甜味和苦味的大脑区域的光遗传学操作，会引发吸引和厌恶的行为。在本研究中，糖皮质区和苦皮质区激活时的行为输出是独立于学习和经验的。

　　有趣的是，另一项研究表明，厌恶糖的条件反射改变了甜味的地形表示，从而增加了它与苦味的重叠，这表明脑岛将体验整合到效价地图中。综合起来，这些发现可能暗示了对行为有直接影响的硬连线效价域的存在。然后，传入的感觉刺激可以被归因于这种效价域，要么是天生的，要么是通过学习，以施加直接的行为控制，导致吸引或厌恶的表现。

　　脑岛评估风险并在不确定的情况下指导决策

　　在决策过程中，对一项行动预期结果的效价、大小和概率的估计被综合起来并相互权衡。这些估计受到身体需求和“内脏感觉”的强烈影响。安东尼奥·达马西奥的“躯体标记假说”提出，在决策过程中, 认知功能、身体感觉和情绪总是一起起作用，并强调了脑岛皮层在大脑的其他区域中的作用，作为体细胞标志物的重要神经底物，指导决策。事实上，人类和啮齿类动物脑岛的损伤会导致在报酬和风险不确定的情况下决策的改变，并干扰对结果概率变化的行为调整。

　　此外，在人类和啮齿动物身上的研究发现了对消极和积极结果的预期的神经元特征，以及在脑岛皮层中风险预测偏差的编码。较近，在大鼠和小鼠身上的电生理记录显示，在预期的感觉线索中，脑岛皮层神经元改变了它们的神经元放电，这些感觉线索预测食物的传递。重要的是，只有在出现预期线索时，脑岛皮层的光遗传学沉默才会干扰对食物奖励的接近行为，这表明脑岛在预测奖励环境和直接指导依赖于预期结果的行为方面的作用。

　　作为共情的神经基质的脑岛皮层

　　在人类成像研究中一个值得注意的发现是，脑岛不仅会被主观情绪激活，而且在观察到他人的情绪时也会激活。例如，当一个人经历疼痛或观察到其他人的疼痛时，或者当一个人品尝或看到其他人品尝愉快或不愉快的食物时，人的脑岛前部就会被激活。这些数据表明脑岛在调节同理心(理解和分享他人感受的能力)方面的作用。与典型受试者相比，那些难以理解自己情绪和身体状态的人(这种情况被称为述情障碍症)，在评估自己或他人的感受时，脑岛活动更少，这证实了这一观点。这些发现为脑岛在连接感觉输入和情绪方面的作用提供了一个惊人的例证。

　　人类脑岛在自我意识中的作用?

　　由Bud Craig提出的脑岛功能的主要理论认为，脑岛前部皮层内感受性感受的表征构成了人类主观感觉、情绪和自我意识的神经基质。虽然在健康的受试者中，脑岛皮层很可能有助于有意识地获得感觉和自我意识，但这一独特的说法受到了质疑，因为这一发现表明，双侧脑岛的损伤并不能消除所有的情感感受和自我意识。

　　在这些和其他临床发现的基础上，安东尼奥·达马西奥提出感觉和情绪产生于中枢神经系统的多个层次。他和其他人认为，脑岛在情感的处理和体验中并没有生成作用，相反，脑岛的作用是促进情绪调节和灵活行为，如果脑岛受损，更多由驱动和身体感觉驱动的静态行为模式会持续。

　　因此，脑岛牵涉到多种不同的功能，乍一看，这可能有些令人困惑。然而，从对不同物种进行的不同研究中出现了一些通用的方案。首先，尽管它的名字是脑岛，但它并不是一个孤立的“岛”，而是一个完整的大脑中枢，连接着不同的功能系统，这些系统是感知、情感、动机和认知过程的基础。通过它的连接性，脑岛非常适合监控当前的环境，以及当前的情绪和身体状态，并根据经验预测未来的行为可能如何影响生存和幸福。因此，它在决定内外刺激的效价方面是至关重要的。总之，这些特征解释了脑岛在强化学习、情绪控制和决策等多种形式中的重要作用。进一步的研究表明，脑岛作为一个显著检测器，标记出较相关的刺激，以便在其他大规模的大脑网络中进一步处理。除了这些一般的作用之外，脑岛还包含多个亚区域，每个亚区域都以与大脑其他部分连接的不同模式和乍看之下截然不同的功能角色为特征。这些不同的脑岛区域是如何相互作用的，它们的功能，尽管看起来非常不同，但是否被普通的神经元计算所辅助，或者它们是否作为独立的模块运作，这是推进我们对脑岛功能理解的关键问题。

　　脑岛皮层功能集成模型的图示。一个关于岛屿功能和计算如何相互作用的示意图模型，举例说明了社会交往的背景。（1）脑岛皮层接收多感觉信息。在这个例子中，它会对听到或看到的人做出反应。(2)它处理外来刺激的显著性，也就是说，它对已知的人(红色轮廓)的反应比对未知的人(灰色轮廓)的反应更强烈。(3)脑岛评估刺激的效价，例如，这个人是令人喜爱的还是令人恐惧的，通过(4)整合来自多个大脑系统的信息，包括对人的情感感受和认知信息，例如对人的了解。脑岛还感知(5)身体感觉，(6)直接参与社会接触引起的身体反应，例如心跳加快或胃里感到紧张不安。(7)通过与其他大脑网络的相互作用，脑岛(8)评估相互作用的风险，通过(9)预测可能的结果，即接受或拒绝。(10)身体感觉和认知过程，例如对结果的想象，可能会导致愉悦或恐惧等情绪相互作用。(11)他人反应的不确定性促使脑岛决定下一步做什么。在做出决定后，脑岛会预测结果(12)，并影响寻求或避免接触的行为。

　　脑岛和孤独症

　　孤独症谱系障碍是一种病因不明的复杂神经发育障碍，主要特征是在多种情境下的社会交往和社会互动中出现异常，如社交情感互惠和用于社会互动的非言语交际行为，以及行为、兴趣或活动的限制性、重复性模式(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders DSM-5, American Psychiatric Association)。尽管其神经生物学和病理生理机制尚不清楚，但有明确证据表明，孤独症是一种复杂的、异质性的疾病，具有多系统和多基因起源，即使相同的遗传变异也可能导致不同的表型。较近的神经影像学研究表明，孤独症是一种以分布式脑网络广泛异常为特征的疾病，但是关于孤独症的认知和行为症状背后的大规模脑网络相互作用的差异性，仍然缺乏明确的证据。大量的实证结果表明，分布式大脑网络的功能和结构连通性降低，这支持了“未完全连通性理论”。这一理论和功能连通性的发现表明孤独症患者存在局部过度连通性，但长距离连通性不足。这种底层的突触连接的广泛性紊乱导致了分布式网络功能的改变，也被认为是孤独症症状表型异质性的较适用的解释。

　　脑岛参与了内感受、情感和共情过程，新出现的证据表明，它是整合外部感觉刺激和内部状态的“显著网络”的一部分。网络分析表明，脑岛的前部是一个独特的位置，作为一个中枢，在涉及到外部和内部的认知加工的大规模网络之间调节相互作用。荟萃分析确认了前脑岛是孤独症患者活动减退的一致部位。我们认为功能障碍的脑岛连通性在孤独症中起着重要的作用，脑岛是干预的核心靶点。从系统神经科学的角度对这些异常进行研究及治疗应该是孤独症神经生物学进一步研究的事项。

　　脑岛一直被认为是孤独症谱系障碍中缺乏活动和功能障碍连接的场所，脑岛的功能连接模式可以用来区分孤独症谱系障碍患者和正常发育的儿童。如前所述，脑岛主要参与多感觉和情感处理，以及移情等社会功能，这些功能在孤独症患者中都受到了强烈的影响。孤独症的啮齿动物模型显示，由于脑岛内抑制回路的改变，感觉超反应性和多感觉整合缺陷，这些结果与临床结果非常相似。

　　自我报告的对自己和他人的感受意识不强，无论是孤独症患者还是正常发育的个体，都与内感受脑岛皮层的反应减弱有关。Silani等人报告，在高功能孤独症/阿斯伯格患者中，脑岛反应减弱与对自己和他人感受意识不足之间存在关系。在随后的一项研究中，Bird等人观察到，与对照组参与者相比，孤独症患者在遭受共情性痛苦刺激时，左侧AI的激活减少，并得出述情障碍介导了孤独症的共情缺失的结论。

　　在网络层面上，脑岛是所谓的“显著网络”的核心，它在检测与行为相关的刺激和启动大脑区域的“执行控制网络”之间的动态切换方面发挥着关键作用，驱动外部导向的注意力和“默认模式网络”， 它致力于内部导向的认知加工。显著网络连接的不规则与孤独症症状的严重程度有关。孤独症中的脑岛低激活可能与脑岛和投射到它的感觉和边缘结构之间的断开有关，导致显著性检测以及随后引导适当的社会行为所需的注意力资源的调动的减少。总之，这些发现表明，脑岛内部以及脑岛和相关大脑区域之间的远程连接的功能变化，都导致了孤独症的行为和认知症状。

　　孤独症谱系障碍，影响所有这些功能区域的神经发育状况，特征是缺乏社会交往和沟通，它越来越多地与脑岛皮质的非典型激活和连通性有关。鉴于孤独症中所观察到的社会损伤以及脑岛在社会信息处理(SIP)中的作用，研究该结构在孤独症中的功能组织是很重要的。鉴于脑岛与边缘区域的连接，以及它在整合外部感官刺激与内部状态方面的作用，这个结构中的非典型活动可能与孤独症谱系障碍的社会缺陷有关。

　　额叶-脑岛皮质的参与系数，包括额顶控制和显着网络的核心节点。额叶-脑岛皮质的参与系数的变化预测行为评定量表执行功能得分，指数化关注任务导向输出、计划组织和维持工作记忆的能力。尽管有一些核心的社交症状，在孤独症谱系障碍中的执行功能缺失或障碍导致适应性功能障碍的。相对于休息的任务期间，额叶-脑岛皮质的参与系数在正常发育的儿童中显著增加，而在孤独症儿童中则没有。孤独症的执行障碍是由于额叶-脑岛控制区在大脑功能网络结构中未能发挥适应性和整合中枢的作用而造成的。

　　任务转换和设置转换的神经影像学研究为孤独症个体在认知灵活性任务执行中不典型的外侧额顶叶和中扣-脑岛网络激活提供了证据。较近的工作还研究了内在的大脑网络动力学如何支持灵活的认知。这些动态的功能连接性研究为孤独症青少年的大脑状态之间转换数量的改变以及功能连接的高变性提供了证据。该领域的未来方向包括解决与认知灵活性测量相关的问题，使用生态效度和构建效度的指标组合。还必须分析孤独症执行功能能力的异质性，以确定哪些个体将从什么样的干预中获益较多，以提高认知的灵活性。

　　与神经正常的个体不同，表现出独立的外显和内隐学习机制，孤独症患者似乎依赖于相同的心理过程。孤独症中的经典的恐惧条件反射研究也显示了视觉和听觉模式的联合学习受损。有趣的是，研究表明，通过外显记忆测试来衡量，学习事件的外显意识增强与更好的联想学习表现有关。这些结果也指出了外显学习策略的补偿作用，这可能会在代谢活动的工具学习中同样被采用。

　　孤独症的概率强化学习也被证明与正常发展的个体不同，在需要学习刺激对之间的关系的任务中，ASD在使用积极反馈来利用奖励选择方面有进一步的缺陷。此外，较近的研究结果表明，孤独症患者发展有效的基于奖励的工作记忆的能力受损，并且主要依靠学习过程中的逐次反馈处理。

　　迄今为止，数不胜数的精力、金钱和研究为孤独症功能障碍的大脑机制提供了重要的神经生物学见解，但转化率极低，只有极少的研究是利用了这些结果来开发新的治疗方法，比如新范式的干预技术。

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