心理所研究揭示化學感覺在島葉表征的拓撲結構特征

　　中國科學院心理健康重點實驗室王亮研究組使用顱內電刺激(intracranial electrical stimulation，iES)方法揭示了化學感覺在島葉表征的拓撲結構特征。近期，該研究成果在線發表在臨床神經病學頂級期刊Annals of Neurology上，題為Responses of chemosensory perception to stimulation of the human brain。 

　　化學感覺包括嗅覺、味覺和三叉感覺，其在進化早期就發展起來，在人類生存、繁殖、營養等方面起著至關重要的作用。化學感覺障礙已被證明是許多疾病的早期生物標志物之一，如阿爾茨海默病和帕金森病。以往研究發現梨狀皮層(piriform cortex)、島葉(insula)、眶額皮層(orbitofrontal cortex)、額葉蓋部(frontal operculum)、前扣帶皮層(anterior cingulate cortex)等參與化學感覺加工。然而，如何以較高的精度定位產生化學感覺的腦區，并進一步勾畫出化學感覺不同維度的拓撲結構特征，是重要且富有挑戰性的問題。 

　　清醒狀態下癲癇病人的顱內電刺激(iES)為理解腦區功能提供獨特的貢獻¹，是大腦實時因果映射的最精確工具²，廣泛被用于檢驗大腦區域功能特異性³。為此，王亮研究組與首都醫科大學三博腦科醫院合作，基于302例難治性癲癇患者電刺激后的行為反應，分析了化學感覺不同維度信息加工的腦區及其拓撲特征。 

　　研究結果發現，302例患者中21例(7%)被誘發出化學感覺。21,661個電刺激位點中，有53個(0.2%)位點被誘發化學感覺。其中，島葉的響應率最高，具體表現為，163名有島葉電極的患者中有15例被誘發出化學感覺，2051個電刺激位點中有37個被誘發出化學感覺（圖1）。島葉被誘發的化學感覺位點集中在島葉中央溝附近（圖2）。 

圖1.電刺激大腦皮層引起化學感覺的部位分布

圖2. 電刺激島葉引起化學感覺的部位分布與腦島中央溝的距離有關

　　根據患者臨床報告的具體內容，研究者將化學感覺按照不同維度進行劃分：(1)兩種感受部位：鼻腔或口腔；(2)三種化學感覺形態：味覺、嗅覺、三叉感覺；(3)三種價態:愉快(積極)、不愉快(消極)、偏好不明確(中性)；(4)兩種具體性:特異性和一般性。對于嗅覺，研究者進一步將其劃分為鼻前嗅覺和鼻后嗅覺。結果發現，電刺激前腹側島葉主要引起鼻前嗅覺，而電刺激背側中部島葉引起多種化學感覺反應（圖3）。這表明島葉中央溝可能在多模態整合的風味感覺 (flavor) 中起重要作用。 

　　綜上所述，這項研究以較高的空間分辨率定位了化學感覺產生的腦區，刻畫了化學感覺在島葉表征的拓撲結構特征。此外，研究還將伴隨化學感覺癥狀的癲癇發作可能起源從島葉中央溝中背側延伸至包括前腹側在內的島葉中央溝皮層。該研究啟示，在臨床工作中，術前評估發現有化學感覺相關的癲癇發作先兆時，可以考慮沿島葉中央溝植入電極。 

圖3. 化學感覺在島葉表征的拓撲結構特征

　　這項研究獲得國家科技創新2030-腦科學與類腦研究項目(2022ZD0205000)、國家自然科學基金 (32020103009、31500923、31771255)、中國科學院創新團隊(JCTD-2018-07)、中國科學院心理研究所科學基金(E2CX4215CX)、首都醫科大學三博腦科醫院基金(2021ZZLX02)等的資助。 

　　論文第一作者為心理所李妍妍助理研究員，通訊作者為王亮研究員。這項工作還得到了來自心理所的周雯研究員、譚政博士、碩士研究生蔡雨霏以及首都醫科大學三博腦科醫院王夢陽主任和王靜主任的大力支持。 

　　論文信息： 

　　Li Y, Tan Z, Wang J, Cai Y, Wang M, Zhou W, Wang L. Responses of Chemosensory Perception to Stimulation of the Human Brain. Ann Neurol. 2022 Oct 11. doi: 10.1002/ana.26532.  

　　參考文獻： 

　　Borchers S, Himmelbach M, Logothetis N, Karnath HO. Direct electrical stimulation of human cortex - the gold standard for mapping brain functions? Nat Rev Neurosci. 2011 Nov 30;13(1):63-70. doi: 10.1038/nrn3140. 

　　Siddiqi SH, Kording KP, Parvizi J, Fox MD. Causal mapping of human brain function. Nat Rev Neurosci. 2022 Jun;23(6):361-375. doi: 10.1038/s41583-022-00583-8. 

　　Reid AT, Headley DB, Mill RD, Sanchez-Romero R, Uddin LQ, Marinazzo D, Lurie DJ, Valdés-Sosa PA, Hanson SJ, Biswal BB, Calhoun V, Poldrack RA, Cole MW. Advancing functional connectivity research from association to causation. Nat Neurosci. 2019 Nov;22(11):1751-1760. doi: 10.1038/s41593-019-0510-4.