引言
当剧烈运动或感到紧张时，心跳总会不由自主地加快。无论是心率、血压、体温等，这些生理指标都是由自律神经系统控制的。但神奇的是，尽管如此，我们还是可以通过训练人为地调节心率。有人提出，心率生物反馈训练可为心律失常、疼痛、焦虑和抑郁患者提供更安全、无药物的临床治疗。遗憾的是，控制心率的神经机制仍未得到解答，限制了这一策略的临床应用。
过程
为了破译 "心脑联系 "的机制，东京大学池谷雄司教授领导的研究小组从半个多世纪前的一项研究中汲取了灵感。这项具有历史意义的研究通过电刺激骨骼肌麻醉大鼠的内侧前脑束，改变了大鼠的心率，而且可以训练大鼠获得奖励。
在此基础上，研究小组开发了心率反馈大鼠模型。这种模型可以通过生物反馈训练降低大鼠的心率，从而对大鼠的心率进行操控。具体来说，他们向大鼠的初级体感皮层发送脉冲，告诉大鼠当前心率与目标心率之间的差距。一旦大鼠能够将心率降至目标值以下，作为奖励，它们的内侧前脑束就会受到刺激。
对大鼠模型的训练持续了 5 天，每天 3 小时。训练效果可谓立竿见影——训练第一天，所有老鼠都在 30 分钟内学会了降低心率；训练第 5 天结束时，老鼠的心率几乎下降了 50%。
随后的实验证实了降低心率的长期效果。在 5 天的训练结束后，这种心动过缓的状态和随之而来的血压下降至少还能持续 10 天。与此同时，超声波和病理检测并未发现心脏运动或心肌细胞有任何异常，这表明心动过缓并非心脏功能障碍的结果。
研究还揭示了实验期间大鼠的其他生理变化。在训练的第一天，大鼠的血氧饱和度显著下降；但到了第四天，血氧饱和度不再下降，这表明长时间的心动过缓引发了心血管功能的代偿性改善。研究小组观察到红细胞计数增加，这表明这可能是一种代偿机制。
另一方面，训练也让大鼠表现出抗焦虑行为。在训练期间和训练刚结束时，大鼠表现出压力和焦虑增加的行为变化；但在训练结束五天后，这些现象消失了，大鼠表现出低压力状态。
接下来，终于到了本研究最关键的目标——揭示控制心率下降的神经回路机制的时候了。为了找到与心动过缓相关的脑区，研究小组在大鼠的全脑切片中寻找训练时激活的细胞。结果，他们在新皮层的前扣带回皮层（ACC）区域发现了一些东西。对神经元活动的进一步抑制显示，ACC 在大鼠心动过缓中发挥了作用。值得注意的是，作者还在生物反馈诱导的心动过缓中检测到了来自 ACC 的θ波振荡信号。
由于物理刺激诱发的心动过缓甚至可以发生在麻醉动物身上，因此ACC很可能在自上而下的心率调节中扮演着核心角色。接下来，研究结合了单突触和双突触追踪技术，进一步揭示了从 ACC 到心脏的完整神经通路。
研究发现，通过抑制 ACC 神经元向丘脑腹内侧核（VMT）或丘脑背内侧核（MDT）的投射，可以阻断大鼠的心动过缓。ACC神经元的信号被传递到VMT，然后投射到下丘脑背内侧核（DMH）、疑核（Amb），最终到达心脏。
因此，该研究揭示了 "ACC→VMT→DMH→Amb→心脏 "这一自上而下的心率自动调节途径。此外，上述丘脑内侧背核（MDT）也在这一过程中发挥作用。研究推测，ACC 和 MDT 构成了一个回路，充当θ 振荡的发生器。
这些发现为研究心脑相互作用开辟了新途径。在此基础上，未来的研究可能会为心血管和精神疾病带来有效的临床疗法。
总之，当个体收到实时反馈时，心率（HR）可以自动调节。在大鼠心率生物反馈模型中，新皮质和内侧前脑束分别作为反馈和奖励受到刺激。大鼠在 30 分钟内降低了心率，经过 5 天 3 小时的反馈后，心率降低了约 50%。心率降低的情况在训练后至少持续了 10 天，同时大鼠表现出焦虑行为和红细胞计数升高。通过抑制投射到丘脑腹内侧核（VMT）的前扣带回皮层（ACC）神经元，可以防止这种心动过缓现象。
原文链接：
Airi Yoshimoto et al., Top-down brain circuits for operant bradycardia. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adl3353
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