使用隐马尔可夫模型的静息态fMRI揭示哮喘患者异常的动态脑功能状态

为何呼吸困难牵涉到大脑

哮喘通常被视为一种肺部疾病，但任何有此经历的人都知道，其体验也深受感觉、注意力和情绪的影响。本研究提出一个看似简单的问题：当哮喘患者安静地躺在扫描仪中静息时，他们的大脑是否会进入与无哮喘者不同的活动模式，这些模式是否能帮助解释他们如何察觉并管理症状？

窥视静息中的大脑

研究者使用静息态脑扫描——志愿者闭眼静躺不动——以捕捉众多脑区同时出现的自然活动模式。他们研究了60名病情稳定的成人哮喘患者和60名在年龄、性别与教育程度上匹配的健康对照。研究没有将脑活动在整个扫描期间平均化，而是使用一种称为隐马尔可夫模型的统计工具，将数据分解为一组反复出现的“状态”，大脑在数秒内在这些状态间切换。这种方法使科学家不仅能探究哪些网络相互关联，还能分析大脑在每个状态停留多长时间以及多频繁从一个状态跳到另一个状态。

发现大脑的反复活动状态

分析识别出九种不同的功能状态，每种状态反映了在运动、注意、自我反思和感知外界等已知脑网络之间的不同通信模式。其中一种状态尤为突出：在该状态下，负责身体感觉和自上而下注意的脑区共同呈现较强的活动。与健康志愿者相比，哮喘患者在该状态上花费的总时间更多，并且在切换到其他状态之前停留更长时间。其他一些状态——包括混合了感觉与情绪处理的状态——在哮喘组也显示出连接强度和切换模式的改变。

当注意力不断回到身体上

作者提出，这种以感觉为中心的状态可能反映了一种大脑密切监测与呼吸相关信号的模式，如胸闷或气流变化。在哮喘中，反复的呼吸困难发作可能让大脑习得对这种监测模式的优先倾向，导致作者所描述的在感觉主导状态中的“粘滞”现象。他们还发现，一旦哮喘患者的大脑进入某些感觉状态，就倾向于在该状态中徘徊较久，并且不太可能通过那些可能支持灵活思考与情绪调节的中间状态进行过渡。这种模式暗示了一个脑活动被拉向预期呼吸问题的配置的景观。

与哮喘控制感之间的潜在关联

研究还探讨了这些脑动态与日常症状之间的关系。在哮喘组内，那些大脑在感觉监测状态中停留更多时间的人，倾向于在标准问卷上报告稍微更好的哮喘控制，尽管这一趋势在严格的统计校正后并不显著。脑状态度量与肺功能检测（如最大用力呼气量）之间没有明显关联。这种不一致表明，大脑的动态模式可能更贴近患者如何体验和管理病情，而不是临床上测得的气流力学指标。

这些发现对哮喘患者可能意味着什么

总体而言，这项工作支持了这样的观点：哮喘不仅是肺部疾病，还涉及大脑如何随时间组织感觉与注意的改变。哮喘患者似乎在调向身体信号的脑状态上花费更多时间，并且在状态切换上表现出较低的灵活性。虽然观察到的脑与症状之间的联系仍属初步，且不能证明因果关系，但这些动态模式或许最终能解释为何一些人在肺功能相似的情况下感到更受病情困扰。未来的研究可检验针对注意力或身体觉察的干预是否能重塑这些脑状态，从而改善哮喘患者的实际体验。

引用: Xu, C., Wei, X. Resting-state fMRI using hidden Markov models reveals abnormal dynamic brain functional states in asthma. Sci Rep 16, 15315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44794-w

关键词: 哮喘, 脑网络, 静息态fMRI, 动态连接性, 症状感知