在自然界中，动物需要根据外界环境和自身生理状态动态调整行为优先级，例如，在面临威胁时，心跳会加速，同时行为模式也会发生改变。这种心脑协同的精密调控对生存至关重要，但其背后的机制一直是神经科学和生理学领域的核心问题。传统理论如James-Lange模型认为，生理状态的改变（如心跳加速）是情绪状态（如焦虑）的原因。近年研究发现，某些类型的自主神经功能障碍（dysautonomia）常伴有认知功能下降，例如原因不明的“脑雾”（brain fog），而小鼠中的光遗传学操控心脏节律可直接引发焦虑样状态。这些观察表明心脏功能改变可能影响行为，但心脏操控是否重现了自然心动过速期间产生的内感受（interoception）表征，抑或其本身就是一种独特的刺激，仍不清楚。
为了解决这一问题，需要在执行任务的动物中结合内脏记录或操控，同时监测内部状态的神经表征。斑马鱼（Danio rerio）幼体由于其通体透明、易于进行全光学非侵入性操作等优势，成为研究这一问题的理想模型。尽管其一些高阶前脑区域（如岛叶皮层）在硬骨鱼类中界定不清，但即使是发育中的幼体也拥有内感受网络的大部分关键元件，包括自主神经系统的双向交感神经和迷走神经通路，这表明在该模型中发现的原理可能适用于所有脊椎动物。
在此背景下，研究人员利用斑马鱼幼体，聚焦于心血管生理变化如何与一个特定的视动任务——视动反应（Optomotor Response, OMR）相整合。OMR是一种稳健的行为，鱼会跟随全场运动刺激转向。近期研究表明，幼鱼可以在OMR的参与（engagement）和脱离（disengagement）状态之间转换，但尚不清楚何种线索可能触发或表征这些状态。此外，从感觉输入到运动输出，调控OMR的神经回路已有深入研究。因此，通过识别内脏活动如何与这种特征明确的神经转换过程相协调，有望为进一步剖析连接身体和行为的细胞与回路机制打开大门。
本研究主要运用了以下关键技术方法：利用斑马鱼幼体模型，通过尾部运动跟踪和心脏光学记录同步监测行为与心电动态；采用双光子钙成像技术（two-photon calcium imaging）在全脑范围及特定神经节（如交感神经节、迷走神经节）记录神经元活动；运用光遗传学（optogenetics）技术，分别在心肌细胞（myl7启动子）和去甲肾上腺素能神经元（DβH启动子）中表达CoChR，进行心脏光控起搏（optopacing）和神经激活；利用双光子激光精准消融（ablation）技术切断胆碱能节前神经输入或迷走神经；以及通过药理学方法（如使用β-肾上腺素能受体阻滞剂普萘洛尔propranolol）干预交感信号。
结果
斑马鱼在威胁后改变心电动力学
为了测试斑马鱼幼体是否耦合心电动力学和行为状态，研究人员首先建立了一个范式，在监测尾部运动的同时引发心率的稳健变化。他们测试了两种刺激：视觉“暗闪”（dark flash）和化学“盐脉冲”（salt pulse），这两种刺激均能在头部固定的幼体中引发“挣扎”（struggles）行为。研究发现，这两种刺激通常会在刺激开始后几秒内引发挣扎，并伴随心率的增加。心率反应有时以短暂的心动过缓（bradycardia）开始，随后是持续的心动过速（tachycardia），该过程在15-20秒内增强，并在至少一分钟后衰减回基线。当威胁未能诱发挣扎时，则没有心脏调节发生。相比之下，自发的挣扎之后也会出现心动过速状态，并且95%的心动过速事件都在挣扎发生后10秒内开始，这表明观察到的心动过速与高能量运动输出相关，而非测试刺激本身。
斑马鱼幼体在心心动过速期间对全场运动（OMR）的反应性降低
研究人员探讨了威胁相关的心率变化是否与OMR的变化相关。他们比较了鱼执行OMR的次数与心率的关系。发现威胁诱导的以及自发的心动过速都与OMR响应试验的显著减少相关。在OMR试验中，当幼体确实有反应时，心动过速也与更长的反应潜伏期相关。在这些试验中，转向条纹运动方向的概率与心率无关，表明它们仍在与刺激互动。除了OMR的变化，对暗闪的响应率在较高心率时也较低。这些数据表明，在挣扎之后，一个运动反应被抑制的大脑状态与心动过速同步出现。
大脑中分布广泛的神经群体反映心率
心脏-行为耦合状态的存在表明，大脑中应有活动与心率同步波动。为了识别这些区域，研究人员对暴露于产生心动过速的威胁下的幼体进行了双光子钙成像。通过将谷氨酸能神经元的活动记录并注册到Z-brain图谱，他们观察到特定区域中其活动与心率强烈相关或强烈负相关的细胞。在心动过速期间，更多区域（包括部分皮层、丘脑、缰核和下橄榄核）的神经活动受到抑制。最突出的是一个丘脑结构“中脑-vGlut-簇1”（mesencephalic-vGlut-cluster 1），被认为与调节反应潜伏期和唤醒状态的Edinger-Westphal核同源。在心动过速期间活动增加的区域包括缰核、松果体和最后区（area postrema）。
交感神经操控表明威胁独立影响心脏和行为状态
心动过速和行为状态是内脏动态的下游（如James-Lange模型所推测），还是共享中枢控制的下游？研究人员通过钙成像证实，威胁诱导的心动过速很可能是通过交感神经激活介导的。在交感神经节中，几乎所有成像的交感神经元的动态在整个成像会话期间（无论是静息还是受威胁下）都与心率高度相关（>0.5）。然而，威胁后的短暂心动过缓并不存在于交感神经动态中，而是对应于编码心率的一个胆碱能迷走运动神经元亚群的瞬时激活。
如果心动过速本身负责抑制OMR，那么直接交感神经激活应同时驱动心动过速和OMR抑制。通过光遗传学兴奋去甲肾上腺素能神经元，研究人员观察到短暂的蓝光照射在表达CoChR的鱼中诱导了持续性心动过速，而未诱发挣扎。在这种光遗传诱导的心动过速期间，幼体执行OMR的可能性显著降低，而对照鱼暴露于蓝光则无此效应。此外，使用普萘洛尔阻断β-肾上腺素能受体激活，导致平均基线心率降低，伴随基线OMR概率增加。应激源继续产生挣扎，但随后的心动过速被减弱，而行为抑制也被减弱。同时，心率的残余变化仍然可以预测OMR概率和潜伏期。
为了精确定位外周交感神经节的影响，研究人员使用双光子激光切断了从脊髓到交感神经节的胆碱能节前神经输入。该操作后，基线心率和OMR未受影响，威胁期间挣扎的倾向也未受影响。然而，鱼在威胁后不再增加心率。尽管没有心动过速，OMR响应性在威胁后仍然急剧下降，并以与假手术消融相似的动态恢复至基线。这些结果表明心率变化对于OMR的减少并非必需。最简单的解释是心率和OMR是并行调控的，推测是由高阶中枢神经系统神经元完成的。
如果心率和OMR的协调是通过大脑的“自上而下”编排发生的，那么移除身体的“自下而上”信号不应影响相关性。为了验证这一预测，研究人员切断迷走神经或损毁最后区，均未发现对心率与OMR参与度之间的相关性产生影响。这些结果表明心脏变化并非产生相关性行为状态所必需的，但并不排除其潜在的因果作用。
直接操控心电动力学通过调节心脏充盈影响OMR
为了直接控制心脏节律，研究人员采用了光控起搏技术。他们在心肌细胞中表达CoChR，并使用定时照明以定义的频率（2 Hz和2.5 Hz，分别类似于基线和威胁诱发的心动过速）对心脏进行起搏。对照幼体暴露于这种光刺激没有表现出行为效应。相比之下，在表达CoChR的鱼中，这种起搏对其行为有强烈影响。即使在2 Hz起搏也会降低OMR反应，而增加刺激频率则进一步抑制它。
起搏在基线速率下减少OMR表明光遗传技术可能具有非变时性（non-chronotropic）的心血管效应。例如，与正常搏动相比，光控起搏可能会减少每次搏动射出的血量（每搏输出量，stroke volume）。通过光学密度变化推断相对每搏输出量，研究人员观察到，与未起搏的心脏相比，起搏心脏的心室在舒张期（diastole）充盈较少。这在2 Hz和2.5 Hz时均成立，其幅度（10%–20%）明显高于威胁后所见（∼5%）。通过改变LED脉冲的持续时间，研究人员测试了舒张期与收缩期（systole）时间比例的影响，发现即使在相同心率下，舒张期时间减少会导致OMR率降低，这表明起搏期间每搏输出量的减少是抑制OMR的主要原因。
减少流向大脑的血流量会降低氧气输送和神经功能。因此，研究人员测试了提供补充氧气（70%）的效果，发现这减轻了起搏诱导的OMR减少。相比之下，威胁诱导的OMR减少在高氧条件下仍然存在。因此，研究人员得出结论，光控起搏驱动行为抑制的机制与伴随威胁相关心动过速的机制不同，前者更与大脑氧输送受损相关。
自然心动过速和光控起搏对内感受群体有不同的影响
光控起搏和环境威胁抑制OMR的不同生理机制表明它们的感官表征是不同的。为了验证这一假设，研究人员对 putative 内感受区域——迷走神经节和最后区的神经元活动进行了成像。在迷走神经节中，研究人员发现了跨不同感觉神经节的初级感觉神经元，其动态与心率相关。然而，在光控起搏下，这些神经元没有反应，表明两种形式的心动过速在初级感觉神经元中的记录方式不同。
研究人员还检查了最后区，这是一个 circumventricular 器官，可能作为内感受器监测与血流动力学相关的因素，并且是研究人员发现的在应对威胁时与心率正相关神经元频率最高的区域。他们发现两种诱导心动过速的模式都改变了最后区的活动，但是在不同的神经元群体中。这些数据进一步支持了光控起搏具有与威胁相关心动过速不同的感觉表征的观点。
结论与讨论
本研究旨在理解动物如何协调其行为状态与内部生理动态。研究人员聚焦于心血管动态与特定视动任务OMR之间的联系，发现随着心率增加，OMR的参与度降低。然而，这种联系的机制取决于心动过速的产生方式。具体而言，在威胁期间，心率变化可以与OMR的变化分离，表明两者受中枢并行控制。另一方面，光遗传学起搏损害了心输出量，进而导致行为抑制。
研究人员发现直接光控起搏心肌细胞会降低OMR率。然而，这种扰动具有继发的血流动力学效应，即光控起搏的搏动具有降低的每搏输出量。研究人员认为起搏效应主要源于这种受损的血流，因为光控起搏的效果可以通过高氧条件消除。这种效应类似于在小鼠焦虑原性光控起搏实验中记录的血压突然下降，并让人联想到人类中单独心室起搏时出现的所谓“起搏器综合征”（pacemaker syndrome）。在这些患者中，从心室而非窦房结发起搏动的异常部位导致每搏输出量减少，有时伴随意识模糊或其他脑状态改变。
运动行为伴随心率的变化是脑状态改变的替代指标。这种耦合的几种机制作为同时存在自主神经功能障碍和认知障碍的疾病的潜在基础而受到关注。例如，长新冠（Long COVID-19）和其他病毒感染后常包括心率控制问题（如体位性心动过速综合征POTS）以及“脑雾”。其机制尚不清楚，但在POTS中，例如，体位性血压控制不良在某些情况下似乎与中枢驱动的超肾上腺素能驱动有关，而在其他情况下则与脑血流量减少有关，类似于研究人员在此揭示的心动过速诱导变化的不同原因。
研究的局限性包括：明确存在中枢对威胁诱导的OMR变化的贡献，以及舒张期充盈成分对光控起搏引起的变化的贡献。研究人员不能明确排除心率本身具有调节作用的可能性。这在心脏被传入神经元更密集支配的年长胚胎中可能会出现或更容易界定。目前，也不清楚动物利用哪种上游威胁诱导信号来驱动OMR的减少。一种可能性是通过星形胶质细胞的去甲肾上腺素能信号传导，这在斑马鱼中已知会触发被动的、OMR不专注的状态。此外，研究人员在下丘脑视前区和Edinger-Westphal核中发现了与心率负相关的神经元群体，这些区域对于管理唤醒、能量稳态以及缰核（通过其到脚间核和中缝核的投射）至关重要，缰核是鱼类和哺乳动物行为选择的关键枢纽。随着斑马鱼连接组学工作揭示斑马鱼大脑的全面接线图，解析这些分布广泛的神经群体如何相互作用将变得可行。
