用数学模型检测隐藏的大脑状态
精神健康障碍只能根据症状进行诊断，而且不能准确预测个体的结果。一位ETH科学家希望借助数学模型来改变这一现状。
为什么我们会有情感?苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和苏黎世大学(University of Zurich)的教授克拉斯·埃诺·斯蒂芬(Klaas Enno Stephan)仔细考虑了这个问题，然后回答:“情绪的目的是让我们意识到身体的无意识过程，这似乎很有道理。”作为一名医生和研究人员，斯蒂芬对大脑和身体之间的相互作用特别感兴趣。他举了一个例子，当我们看到食物时，胰岛素就会释放，甚至在我们吃一口之前，我们的血糖就会上升。“然而，我们对这种生理反应没有有意识的控制，”斯蒂芬说。
我们的大脑不断地解释和更新来自我们周围世界的信息。“大脑构建了世界的模型，并利用它们做出预测，”斯蒂芬说。然后，这些预测可以作为采取预期纠正措施的基础，例如在进食前释放胰岛素。“保持体内平衡是大脑的最终目标，”他解释道。体内平衡是身体试图通过调节血糖水平、核心体温血压和酸碱平衡。当这种平衡被打破时，大脑会采取行动来纠正它——通常我们甚至都没有注意到。
但当我们的身体面临严重的内稳态威胁时，我们在有意识的层面上感知这一点是有意义的。斯蒂芬说:“情绪是一种意识状态，它与旨在维持某些身体功能的非常具体的行为有关，这是非常合理的。”“例如，恐惧和焦虑使我们在意识层面上意识到应对威胁的紧迫性。”
管理通胀预期
但并非所有的恐惧都是尖锐的;事实上，有些人一直生活在高度焦虑的状态中。一种可能的解释可能是过于精确的预测。“如果我的大脑创建了一个模型，假设我的心率应该是完全规律的，这种期望将与现实相矛盾。这反过来又会引发焦虑，”斯蒂芬说。在这种情况下，即使是很小的自然偏差，我们也会认为是一种威胁，并认为我们健康的身体处于持续的危险之中。纠正措施是开始处理这种明显的破坏内稳态。然而，试图调节心脏节律会使它跳得更快，甚至更不规律。交感神经系统强化了这种恶性循环。交感神经系统是自主神经系统的一部分，它使身体对压力情况做出反应。
斯蒂芬和他的同事奥利维亚·哈里森(Olivia Harrison)一起想出了一个巧妙的实验来测试这样一个理论:高度焦虑伴随着对特定大脑区域(前脑岛)身体状态的过度精确预测。使用功能性磁共振通过磁共振成像(fMRI)，研究人员研究了不同焦虑程度的人的大脑活动。参与者躺在核磁共振扫描仪中，同时戴着一种可以用来突然增加呼吸阻力的通气管。
在实验的第一阶段，参与者了解到某些图像的显示是他们是否能够正常呼吸或呼吸是否会变得困难的预测因素。在第二阶段，图像和呼吸阻力之间的相关性被逆转。利用数学模型，研究人员能够研究测量的大脑活动在多大程度上反映了习得的期望和期望的变化。这证实了他们的理论，即预测准确性的信号集中在前脑岛。扫描还显示，这一大脑区域的活动水平取决于个人的焦虑程度。
潜在机制
“我们的终极目标永远是临床应用斯蒂芬说。他解释说精神健康障碍目前只能根据症状进行诊断:“精神科医生根本没有任何测量工具或定量测试来确定潜在的原因或机制。”因此，他热衷于将数学模型应用于观察大脑的活动为了推断隐藏——即。，而不是直接测量神经元群的状态。原则上，这样的模型对于识别疾病可能的生物学机制是有用的，比如某些突触连接强度的变化。
Stephan说:“我们还可以将这些模型应用于具体的临床问题，并使用它们来预测个人的结果。”他举例说，在一项功能磁共振成像研究中，研究人员向抑郁症患者展示了表达不同情绪的面部图片。使用数学方法模型在观察情绪脸时，不同的大脑区域是如何相互交流的，研究人员能够以80%的准确率预测个体是否会在两年内从抑郁中恢复，还是会继续长期抑郁。
斯蒂芬实验室开发的方法还没有准备好用于临床应用，但他的热情并未减弱。“数学模型可以帮助我们解锁进入隐藏状态大脑他说。
