岛叶的结构和功能 / 四六文摘

岛叶皮质位于大脑外侧沟的深处。Johann Christian Reil在1809年首次发现岛叶，也被称为“雷尔岛”(Island of Reil)，岛叶是一个从表面上看不到的皮质区域。传统上，岛叶皮质被描述为边缘旁或边缘整合皮质。随着脑科学研究的不断深入，研究者们发现脑岛在人脑支持的各种认知功能中扮演着极为重要的角色，本文对脑岛的功能和结构进行了详细的总结概括。本文发表在Journal of Clinical Neurophysiology杂志。(可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文及补充材料，另思影提供免费文献下载服务，如需要也可添加此微信号入群，原文也会在群里发布)。

脑回细分和解剖学定义

岛叶大部分被岛叶周围沟包围，并被中央岛叶沟一分为二。虽然岛叶脑回的数量有一定的可变性，但岛叶的更前部通常由前、中、后短岛回组成，它们被前岛叶沟（即脑岛中央沟前部）和中央前岛叶沟分开。岛叶的后部由前、后长岛回组成，由中央后岛沟隔开(图1)。

图1.人类岛叶皮质及其广泛功能分化的图解。AC，副回；AS，前短岛回；MS，中短岛回；PS，后短岛回；AL，前长岛回；PL，后长岛回；CIS，中央岛沟。Kurth等人对功能性神经成像实验的荟萃分析评估了功能分化：红色，感觉运动；黄色，化学感觉；蓝色，社会情绪；绿色，认知。

血管化

岛叶皮质隐藏在密集的动、静脉血管之下，手术有一定困难。脑岛的动脉供应由大脑中动脉的M2区域通过穿支血管提供。这些血管起源于岛叶的下部，沿着岛沟而行。大脑中动脉上干供应前、中、后短岛回，下干供应后长岛回。岛叶静脉血主要流向大脑中深静脉。

细胞结构、结构和功能的连通性

早期研究发现人类岛叶被中央岛沟隔为后颗粒区（posterior granular area，即为颗粒细胞构筑）和前非颗粒区（anterior dysgranular area）。使用独立于观察者的方法综合分析人类岛叶后部(posterior insula, PI)的细胞结构的唯一研究指出，其中存在三个不同的区域：在PI（岛叶后部）背侧发现了两个颗粒区，分别称为Ig1和Ig2(“insular lobe granular areas”, 岛叶颗粒区)，在腹侧PI发现了一个标记为Id1(“d”代表非颗粒区)的颗粒区。与此类似，人类岛叶前部尚未进行详细的细胞构筑图谱。

关于岛叶结构连通性的大部分信息都来自已知的有关猕猴岛叶解剖的信息。早期研究使用侵入性的直接皮质刺激和切除技术（ablation techniques）来研究猕猴脑岛的结构联系。对岛叶的直接皮质刺激在猕猴的面部、身体和尾巴产生运动，还导致呼吸、心跳、血压和唾液/粘液产生的改变。这表明脑岛和运动皮质以及自主神经系统之间存在直接的结构联系。切除技术通过与手术引起的与岛叶病变相关的神经变性来确定岛叶的连接。在外囊和极囊、放射冠、胼胝体、前连合和上/下纵束中发现了岛叶消融后的结构性白质变性：这些白质束将岛叶与额叶、顶叶、颞叶、扣带、嗅觉和皮质下的脑区，如海马和杏仁连接起来。后来的猕猴研究使用示踪技术来识别从岛叶到额叶、嗅皮层、顶叶和顶叶的结构连接。此类示踪研究还确定了一种前部-后部差异或岛叶结构连接，其中岛叶前部的更多部分与额叶皮质有更多的连接，而后部的部分与扣带皮质和顶叶皮质有更多的连接。

人类弥散加权成像研究的发现与在猕猴中发现的类似，岛叶结构连接的前部-后部差异。岛的前部主要与前扣带回、额叶、眶前区和前颞区有联系，而PI（岛叶后部）主要与颞叶后部、顶叶和感觉运动区有联系。弥散研究还发现了一个岛叶中部“过渡区”，其结构连接与皮质前部和PI皮质相似。

利用静息状态功能磁共振成像可以检测人类岛叶皮质的功能连通性(例如，血氧水平依赖信号中的时间相关性)，它测量了脑区之间的内在、自发的相关性。这些功能连通性研究为人类岛叶内至少三个不同分区提供了证据。岛叶背侧前部(dAI)与额区、扣带前区和顶区有联系，参与认知控制过程；岛叶腹侧前部与边缘区有联系，参与情感加工；PI中部与感觉运动脑区有联系。使用动态功能网络连通性分析来检验岛叶分区和其他脑区之间相互作用的时变特性，发现dAI比其他岛叶分区表现出更多的可变连接。这与早期关于dAI的功能多样性的研究是一致的，dAI跨多个任务域激活。

时变的动态功能网络连通性分析和静态分析也表明，在fMRI扫描期间，三个不同的岛叶功能分区也可以协同行动，在认知、情感、视觉和感觉运动网络内和之间整合信息。因此，上述三个岛叶分区既可以独立运转也可以合作运转，展示了岛叶如何既可以是专门化的，也可以是一体化的。这可能有助于解释岛叶是如何起到网络中枢的作用，协调多个认知域和认知加工中的信息。

在迄今为止最全面的多模态全脑分区研究中，Glasser等人根据来自静息态fMRI、任务态fMRI、髓鞘图谱和皮质厚度的特征组合，描绘了13个岛叶/额盖区分区。在它们的分区方案中，这些区域被标记为52，岛叶旁皮质，Ig ，PI区PoI1和PoI2，额盖区FOP2和FOP3，岛叶中部MI，前腹侧岛区AVI，前非颗粒岛复合体AAIC，梨状皮质Pir，以及额盖区FOP4和FOP5(图2)。

图2.人类岛叶皮质的多模态分区。根据皮质结构、功能激活、连通性和/或地形图，已经确定了脑岛上的13个区域。

FC，功能连接；MGN，内侧膝状体(丘脑)；TOM，心理理论。

2.岛叶功能

岛叶是人们最不了解的大脑区域之一。这主要是因为它位于外侧裂的深处，使得一般的观测手段很难进入其内，并且孤立性岛叶病变的发病率非常低。关于人类岛叶作用的最早见解来自Wilder Penfield在20世纪中期使用皮层刺激的开创性著作。在切除颞叶以治疗癫痫患者的药物难治性癫痫发作后，刺激暴露的岛叶皮质下部可引发各种内脏感觉和运动响应，以及体细胞感官反应,尤其是脸、舌头和上肢。这促成了岛叶主要是内脏-躯体区域的概念。虽然最近的研究重复了这些发现，但也有其他类型的感觉和运动反应被记录下来，这要归功于颅内电极对岛叶皮质的更完整的覆盖，暗示了内脏-躯体加工之外的作用。

自从功能性神经成像技术问世以来，人们对岛叶皮质功能的兴趣急剧增加，这种技术揭示了岛叶对各种刺激和范式的反应，通常是出乎意料的。对Kurth等人近1800个功能神经成像实验的荟萃分析表明，人类岛叶内存在四个功能不同的区域：(1)位于PI中部的感觉运动区；(2)中央嗅觉味觉区；(3)位于前腹侧岛叶的社会情绪区；(4)认知前背侧区域。虽然这些功能的细分可能是对岛叶的实际功能神经解剖学的过度简化，这种宽泛的分类有助于理解岛叶的主要功能以及其与其他大脑区域的连接有关。

感觉运动加工

内脏感觉、自主神经控制和内感

早期报道称，对岛叶的直接电刺激引起了很大一部分内脏反应，这促使研究人员将其称为“内脏脑（visceral brain）”。近年来，纤维追踪研究支持了岛叶具有中枢内脏-躯体感觉作用的观点，目前已知岛叶接受内脏传入投射，传递来自全身各处的内脏感觉信息。后来对直接皮层刺激的研究证实了Penfield的发现。这种在内脏处理中的作用使研究人员认为，岛叶也可能在自主神经功能的调节中发挥重要作用。这一猜想得到了有关电刺激和局部损伤后心率和血压变化的报道的支持。

除了内脏信息处理之外，有人提出岛叶在内感方面发挥着更广泛的作用，即对身体生理状况的感觉。事实上，功能神经成像研究报告称，当参与者意识到他们的口渴、心跳和食道、胃、膀胱或直肠扩张时，岛叶的激活程度增加。岛叶病变与心血管感觉的延迟意识和偏瘫失认症有关。Craig提出了一种从后到前整合内脏信息的过程，即初级拦截信号首先在其后部被表征，然后在中部和前部被提取，在那里有机体的完整知觉图更加精细。

躯体加工与疼痛

电刺激人类岛叶皮质引起的躯体感觉反应占很大比例。这包括感觉异常，如刺痛、电、热、冷、颤抖和收缩，主要发生在对侧面部和手臂区域，但也可能累及同侧、双侧和中线区域。在神经成像研究中，非痛性触觉和痛性刺激都会导致岛叶的激活。PI在热敏功能和疼痛中的作用已受到相当大的关注。在一项开创性的正电子发射断层扫描研究中，Craig等人发现，右手的渐进式降温强度与对侧中部/PI背侧边缘的活动相关，但与顶叶躯体感觉区的活动无关，这表明热觉皮层位于岛叶。这得到了损伤PI（岛叶后部）后温度感知的孤立缺陷的支持。PI也被认为在痛觉中起着基础性作用，在神经成像研究中显示出对伤害性刺激的持续激活，与模态或身体部分无关。涉及PI和最内侧顶盖部的卒中和皮质切除与中枢疼痛综合征伴随着分离的对侧热痛性感觉丧失有关，表明岛叶的热功能和伤害性功能之间存在密切关系。

听觉加工

岛叶皮质参与中枢听觉加工并不奇怪，因为它从初级听觉、听觉联系和听觉后皮质接收到传出的投射。因此，在电刺激岛叶后部下部后，听觉反应主要是幻觉和失真。在涉及声音检测、听觉时间处理、非语言刺激和语音处理的功能性神经成像范例中，也典型地观察到岛叶激活。同样，孤立岛叶病变后的中枢性听觉缺陷也相对常见。在一项研究中，8名中风患者的岛叶受到影响，所有患者都有中枢性听觉缺陷，包括时间分辨率和序列缺陷。听觉亢进(即，对声音的敏感度增加)，表现为响度不适程度降低，在孤立性岛叶卒中和作为癫痫手术一部分的岛叶切除后也有记录，表明了岛叶在听觉强度处理中起作用。已报道的也是更多听觉损伤包括单侧语音处理缺陷和非语言听觉失认。

化学传感功能

非人灵长类动物的主要味觉区域位于岛叶前部和毗邻的额叶盖部，功能神经成像研究表明，它在人类中更靠近尾部，可能在岛叶中部。岛叶被认为参与处理味觉刺激的强度、质量和情感价值。然而，岛叶初级味觉皮质的精确定位是复杂的，因为同一区域也参与口腔躯体感觉加工和与注意相关的更高级别的加工。少数案例研究也报道了岛叶受损后的味觉缺陷，包括ipsi-和双侧味觉识别和强度缺陷。

岛叶也参与嗅觉，尽管其具体作用尚不清楚。在功能神经成像研究中，岛叶持续受到嗅觉刺激的激活，其他区域包括梨状皮质和眶前皮质、杏仁核和腹壳核。先前有报道称，左侧PI中风后，对侧对气味和味觉的敏感度增加。有趣的是，气味强度的变化在不愉快的气味中更为明显。据报道，一名癫痫患者在接受右侧岛叶切除术后，对气味的敏感度也有所增加，这可能暗示了其在调节嗅觉刺激强度方面的作用。

前庭功能

不同的发现支持顶盖-岛叶区域参与前庭功能。前庭反应是由PI刺激引起的。最近的激活似然估计Meta分析确定顶叶后部顶盖部和岛后区是中央前庭加工的关键区域。然而，PI本身是否在前庭加工中起重要作用仍然是模棱两可的。只有一个病例研究报告了孤立性岛叶损伤后的前庭症状(即眩晕和失衡)，并且损伤出人意料地局限在岛叶的前部。在一项连续10例局限于岛叶的急性单侧中风的研究中，没有一例患者表现出前庭耳石功能障碍或眩晕。

社会情绪加工

情绪体验

James–Lange情绪理论认为，情绪是由情绪刺激引起的身体变化所激活的，强调身体内部感觉对情感主观体验的重要性。作为内脏信息处理和内部感觉的皮质中枢，岛叶前部被认为在情感体验和主观感觉中起着关键作用。事实上，个体间感觉敏感度的差异与负面情绪体验的报道相关，这两者都是在关注身体内部的同时，通过右前岛叶的激活来预测的。此外，使用情绪唤起刺激的功能神经成像，如恶心、惊吓、快乐、悲伤或性爱的图片，也一致地报告了在岛叶的激活。

涉及岛叶的脑损伤与主观情绪体验的各种改变有关。Calder等人首先描述了一例年轻的成人患者，在涉及岛叶和基底神经节的左半球梗死后，他在对厌恶情绪的体验和识别方面表现出特殊的损害。然而，其他研究没有发现在孤岛损伤后的厌恶体验中有这种特定的损害。Borg等人报告了一个有趣的案例，一个罕见的病人报告说她的情绪不那么强烈，并且在左侧PI-SII区域中风后产生了新的强迫需要绘画。在创伤性脑损伤患者中使用基于体素的病变-症状图的研究发现，岛叶病变与神经衰弱和焦虑相关。

移情与社会认知

移情是感知、理解和体验他人对自己的感觉的能力，暗示着一种情绪和认知反应。要被处理和感受，这种情绪需要与他人的感觉相关的内感和自我意识，以及社会认知和主观感觉和社会互动的感觉运动系统，所有这些都是与孤岛有关的功能。许多神经成像研究都支持岛叶前部在移情中的作用，这些研究报告在对其他疼痛（疼痛的物理或热刺激）的反应时激活。在一项关于同理心的功能磁共振研究的荟萃分析中，Fan等人发现，右前岛叶与情感-知觉形式的同理心有关，而左侧岛叶与情感-知觉形式和认知-评估形式的同理心都有关。岛叶在移情和社会认知中的作用已经在病变研究中得到证实。在一项基于体素的病变-症状图谱研究中，在一大群局灶性穿透性脑损伤患者中，发现局限性病灶与左侧岛叶难以识别不愉快和愉快的情绪有关。与早期关于厌恶识别特异性损害的报道相比，一项对15名癫痫患者进行的连续研究显示，他们在识别恐惧、快乐和惊讶的面部表情方面存在明显的损害，但厌恶的面孔识别没有明显的损害。最近一项在接受神经外科手术切除神经胶质瘤的清醒患者中使用术中刺激的研究表明，刺激左侧脑岛会改变面部表情中识别情绪的能力，这一点仅在厌恶情绪中具有统计学意义。综上，这些研究启发了左侧岛叶前部在社会情感中的重要作用，如共情，以区分厌恶、恐惧和快乐等原始情绪。

风险决策

不确定性下的决策是理性和情绪驱动的结果，情感状态和判断偏差对决策的影响说明了这一点。 “躯体标记（somatic marker）”假说认为，情绪通过与强化刺激相关的内部感觉、内脏和肌肉骨骼生理变化影响决策过程。鉴于其在视觉感觉加工中的作用及其与决策环路中的眶额皮质关键结构的联系，岛叶可能在风险决策中发挥关键作用。这得到了赌博任务中神经影像学揭示的强岛叶激活的支持，其中必须在与不确定结果相关的选项之间做出决定。在一项功能磁共振成像实验中，发现岛叶前部激活介导情绪状态和决策偏差之间的关系。尽管受到小样本量和大脑损伤程度异质性的限制，但越来越多在岛叶损伤患者中使用赌博任务的研究报告了决策缺陷。赌徒谬误和未遂效应是影响健康个体决策的两种认知偏差，在岛叶受损的中风患者中被发现是不存在的。在一组因耐药性癫痫发作而接受选择性岛叶切除术的患者中，当面临潜在损失时，对风险决策和安全决策的期望值的敏感性被发现选择性受损，这与损失厌恶的作用一致。综上所述，这些发现表明岛叶积极参与风险决策的情感方面。

认知功能

注意和突显加工

岛叶是认知神经科学中最受欢迎的脑区之一，在各种状态下激活的可能性很高。关于岛叶功能最一致的发现之一是它参与了跨感觉方式的新刺激的检测。岛叶的激活，连同背侧前扣带一起，对散布在一系列相同项目中的oddball刺激有反应。岛叶和背侧前扣带、杏仁核和其他皮层下结构一起，通常被称为“突显网络（salience network）”，其功能是在多个竞争的内部和外部刺激中识别最稳态相关的。跨听觉、视觉，并且无任务条件表明背侧岛叶前部因果影响其他大规模的大脑网络，包括默认网络(潜在的自我相关和社会认知加工)和中央执行网络(实现信息和决策的维护和操纵)。在需要更大认知控制的任务中，dAI（岛叶背侧前部）发挥更强的因果效应。总之， dAI能够将外部感觉信息与内部情绪和身体状态信号整合起来，以协调大脑网络动态，并启动默认网络和中央执行网络之间的切换。

言语

尽管布罗卡区对语言产出的贡献是无可争议的，但有大量证据表明岛叶皮层也参与了言语，尽管关于其贡献的性质仍有争议。Dronkers发现，在她所有患有言语失用症的中风患者中左侧中央前岛叶回受损，这表明在言语的运动规划中发挥了作用。后来，一项基于体素的病变-症状映射研究支持了这一观点，该研究表明，发音任务的表现取决于左侧中央前岛叶回。然而，尽管在孤立的左侧岛叶卒中和切除后报告了言语缺陷，但患者通常在病变后几天或几周内完全康复，这质疑了左侧岛叶在言语产生中的关键作用。此外，岛叶对语言的贡献可能不局限于优势半球，因为右PI（岛叶后部）损伤也与构音障碍有关。同样，来自两个半球的岛叶皮层的电刺激也与言语停止、构音障碍和声音强度降低有关。在他们对10例孤立性岛叶卒中患者的研究中，Baier等人报告，只有左半球损伤的患者在急性期表现为失语，而任一半球的损伤表现为构音障碍。在一组接受部分脑岛切除术的18名癫痫患者中，尽管在左半球切除术患者的术后期间观察到表达性失语，但在标准神经心理学评估组中，唯一具有统计学意义的长期(6个月)恶化是口腔运动速度的轻微延迟，并且当分析仅限于右半球手术时，这种影响也存在。总之，岛叶似乎参与了言语产生，但这种作用是关键的还是次要的(例如，通过高阶发音过程)仍不清楚。

结语

尽管岛叶隐藏在皮层内侧，但它有多种对人类认知和行为至关重要的功能。这里提供的人类岛叶皮质结构和功能的总结表明：需要超越最初将岛叶描述为边缘皮质的范围，对岛叶功能的关注应当从感觉运动、疼痛和社会情感过程扩展到高级注意力和决策的各种其他功能。随着更高分辨率的磁共振手段的使用，对岛叶功能的研究将更加深入。

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