摘要
使用fMRI设备和BrainAmp EXG生理信号对静息状态下的胃网络进行追踪研究，旨在探究静息状态下，胃节律与大脑皮层感觉区、运动区之间的相互作用。研究发现，绝大部分（67%）的胃网络中有38%分布在躯体感觉-运动-感觉静息状态网络(Resting state network,RSN)，剩余29%分布在视觉静息状态网络中。在静息状态下，与外部感觉方式和内部感觉方式相对应的所有感觉皮层和运动皮层都与胃节律相互作用。但是，在认知网络和跨模态区域，胃脑相互作用却很少发生。
研究背景
前人研究发现，静息状态网络（RSN）能促进我们对大脑功能结构基础的理解，但是RSN的功能机制尚不明确。同时，研究也发现，身体节律和大脑活动之间存在相互作用，但是大脑在处理信息时，更多集中于感觉和运动模块的组织，较少关注身体内部信息的处理。
胃节律是一种缓慢的（0.05Hz）电振荡，由一种特殊的Cajal间质细胞在胃壁中产生。本研究旨在对静息状态下胃节律与大脑皮层感觉区、运动区的相互作用进行研究，可能会有助于更好的理解身体节律与感觉-运动过程相互作用的机制，一定程度上也是对大脑经典分层组织的补充。
研究方法
被试：
本次研究一共招募63名被试，所有被试均无消化道疾病、脑疾病或神经损伤，BMI都在18-25之间，63名被试均能够与MRI记录兼容，且都为右利手。实验开始前，每名被试至少有90分钟的时间去熟悉实验。实验已获得伦理委员会批准，被试均签署知情同意书，并能够在实验结束后获得一定的报酬。
MRI数据采集：
核磁共振成像使用西门子 MAGNETOM Verio 扫描仪（西门子）和 32 通道相控阵头部线圈进行了 3 Tesla核磁共振成像。采用静息态功能磁共振成像(Resting-state functional MRI, rs - fmri）技术，进行EPI平面回波成像，采集时间为900s，共扫描450个全脑volume，TR为2000ms，TE为24ms，翻转角为78°FOV为204mm，采集矩阵为 68x 68x40。
生理信号采集：
使用双极肌电电极（20kΩ , 120 cm长）连接到BrainAmp EXG生理信号放大器（由Brain Products生产，国内由深圳瀚翔脑科学技术股份有限公司代理）来获取胃电图（Electroencephalogram,EGG）和心电图(Electrocardiograph,ECG)。
被试平躺进行磁共振扫描，生理信号放大器放置在被试两腿之间。EGG（胃电图）通过放置在腹部上三排的四个双极电极记录，负导联放置在正导联左侧4厘米处。ECG是使用三个具有相同负导联数的双极电极记录的，放置在第三肋间隙。
EGG的采集频率为5000 Hz，分辨率为0.5μV/bit，采用1000 Hz低通滤波器，无高通滤波器（直流记录）。ECG的采集频率为5000 Hz，分辨率为10μV/bit，低通滤波器为1000 Hz，高通滤波器为0.016 Hz。
量化胃电信号-脑血氧水平BOLD信号的相位同步：
本文采用Rebollo等人(2018)中描述的程序来量化胃电信号-BOLD信号相互作用：首先对所有脑部体素的 BOLD 信号进行了带通滤波。从 BOLD 和 EGG 时间序列中分别舍弃了前后各 15 个体素（30 秒）。在剩余的时间序列(840s)中，对 BOLD 和 EGG 时间序列应用 Hilbert 变换，以得出信号的瞬时相位。每个体素的相位与胃电图信号相位之间角度差的绝对值的时间平均作为相位锁定值（PLV），PLV 衡量了两个时间序列之间相位同步的程度，即两个时间序列之间的时间滞后的稳定性，而与两个时间序列的振幅无关。
胃网络在静息状态网络（RSN）、皮层梯度以及个体区域中的解剖特征:
胃网络是指静息状态期间fMRI信号与胃节律同步的大脑区域。
首先我们计算了在显著的胃网络体素之间的效应大小，并利用 FreeSurfer 原生空间中提供的七个RSN皮层分区，来识别具有更多胃网络顶点和最大效应大小的网络。为了确定构成胃网络的个体区域，研究使用了最新的大脑皮层多模态分区方法。对于分区中的每个区域，研究确定了其与胃网络的重叠程度（在胃网络中的区域面积百分比），以及胃网络显著顶点上的平均效应大小。
研究结果
行为数据：
如表1所示，胃脑相互作用强度在性别之间没有显著差异（t（61）= 0.48，p= 0.634，Bayes factor= 0.279）；对BMI指数、状态焦虑分数、EGG和心率变异性(Heart rate variablity,HRV）等生理指标和头部移动等实验变量进行回归分析，仅有HRV的低频成分（LF-HRV）与胃脑相互作用强度相关（t（50）= 3.76，r 2 = 0.22，p = 0.0004）。
表1 行为学结果
MRI结果：
胃电信号与体感、运动、视觉和听觉区域同步。
如图1所示，除了嗅觉皮层外，躯体感觉、运动、视觉、听觉皮层都与胃网络存在相互作用。
胃网络涵盖了双侧区域（图 1A；Extended Data Fig. 1-1），沿中央、扣带和外侧沟以及枕-顶-颞区域，以及左侧纹状体（图 1B）、双侧丘脑（图 1C）和小脑（图 1D）。
研究发现，绝大部分（67%）的胃网络中有38%分布在躯体感觉-运动-感觉静息状态网络，剩余29%分布在视觉静息状态网络中。在感觉-运动-听觉网络中，胃脑相互作用涵盖了围绕中央、侧和扣带沟的感觉、运动和听觉区域。在视觉网络中，胃脑相互作用涵盖了条状和额外条状的视觉区域，并且在中央和腹侧枕叶区域表现特别明显。在视觉和感觉-运动网络中（图 1E，右侧），胃脑相互作用的效应大小（通过实验和随机 PLV 配对 t 检验的 Cohen's d）相似。在默认、显著性、控制和注意力网络的少数胃脑相互作用区域中，效应大小仅略小于感觉和运动皮层（图 1E，右侧）。
此外，如图2所示，胃的节律更多出现在单模态区域（与外部环境相互作用的的感觉、运动区），而较少出现在认知水平更高的跨膜态区域。
图1 胃网络和静息状态网络
图2 胃网络和大脑皮层的功能性连接梯度04
研究结论
研究发现，胃网络更多存在于单模态感觉运动区，较少存在于跨模态区。所有的感觉和运动皮层都与胃节律存在相互作用，不仅包括对触觉、视觉和听觉有反应的区域，还包括内感受性岛叶，在较小程度上也包括初级嗅觉皮层（梨状皮层）。但是，仅有少数跨模态区与胃节律相互作用。除此之外，在小脑中也存在显著的胃脑相互作用。
除了HRV的低频成分（LF-HRV）外，其他个体、生理和实验等一系列变量与胃脑相互作用强度没有关联。综上，研究结果支持在静息状态下，胃节律与大脑皮层感觉区、运动区的相互作用。
参考文献
Rebollo I, Devauchelle A-D, Béranger B, Tallon-Baudry C(2018) Stomach-brain synchrony reveals a novel, delayed-connectivity resting-state network in humans.
