Large-scale intrinsic brain systems have been identified for exteroceptive senses (such as sight, hearing and touch). We introduce an analogous system for representing sensations from within the body, called interoception, and demonstrate its relation to regulating peripheral systems in the body, called allostasis. Employing the recently introduced Embodied Predictive Interoception Coding (EPIC) model, we used tract-tracing studies of macaque monkeys, followed by two intrinsic functional magnetic resonance imaging samples (N = 280 and N = 270) to evaluate the existence of an intrinsic allostatic–interoceptive system in the human brain. Another sample (N = 41) allowed us to evaluate the convergent validity of the hypothesized allostatic–interoceptive system by showing that individuals with stronger connectivity between system hubs performed better on an implicit index of interoceptive ability related to autonomic fluctuations. Implications include insights for the brain’s functional architecture, dissolving the artificial boundary between mind and body, and unifying mental and physical illness. Kleckner et al. use monkey and human data to identify an intrinsic brain system that supports interoception (that is, sensations from within the body) and allostasis (that is, the process by which the brain maintains energy regulation in the body).

In this paper, we integrate recent theoretical and empirical developments in predictive coding and active inference accounts of interoception (including the Embodied Predictive Interoception Coding model) with working hypotheses from the theory of constructed emotion to propose a biologically plausible unified theory of the mind that places metabolism and energy regulation (i.e. allostasis), as well as the sensory consequences of that regulation (i.e. interoception), at its core. We then consider the implications of this approach for understanding depression. We speculate that depression is a disorder of allostasis, whose myriad symptoms result from a ‘locked in’ brain that is relatively insensitive to its sensory context. We conclude with a brief discussion of the ways our approach might reveal new insights for the treatment of depression. This article is part of the themed issue ‘Interoception beyond homeostasis: affect, cognition and mental health’.

Abstract Behavioral contexts can evoke a variety of autonomic modes of response, characterized by reciprocal, coactive, or independent changes in the autonomic divisions. In the present study, we investigated the reactive autonomic control of the heart in response to psychological stressors, using quantitative methods for analyzing single and double autonomic blockades, and through the use of noninvasive indices based on heart period variability and systolic time intervals. Analysis of the effects of pharmacological blockades revealed an overall pattern of increased sympathetic and decreased parasympathetic control of the heart during speech stress, mental arithmetic, and a reaction‐time task. Unlike the classical reciprocal sympathetic‐parasympathetic response to orthostatic challenge, however, the responses of the autonomic branches to stress were uncorrelated. This reflected notable individual differences in the mode of autonomic response to stress, which had considerable stability across stress tasks. The putative noninvasive indices of sympathetic (preejection period) and parasympathetic (respiratory sinus arrhythmia) control changed in accord with the results of pharmacological blockades. Together, these results emphasize the substantial individual differences in the mode of autonomic response to stress, the advantages of a quantitative approach to analyzing blockade data, and the importance of validity estimates of blockade data.

ABSTRACT A rational strategy for the automated detection of artifacts in heart period data is outlined and evaluated. The specific implementation of this approach for heart period data is based on the distribution characteristics of successive heart period differences. Because beat‐to‐beat differences generated by artifacts are large, relative to normal heart period variability, extreme differences between successive heart periods serve to identify potential artifacts. Critical to this approach are: 1) the derivation of the artifact criterion from the distribution of beat differences of the individual subject, and 2) the use of percentile‐based distribution indexes, which are less sensitive to corruption by the presence of artifactual values than are least‐squares estimates. The artifact algorithms were able to effectively identify artifactual beats embedded in heart period records, flagging each of the 1494 simulated and actual artifacts in data sets derived from both humans and chimpanzees. At the same time, the artifact algorithms yielded a false alarm rate of less than 0.3%. Although the present implementation was restricted to heart period data, the outlined approach to artifact detection may also be applicable to other biological signals.

Abstract Heart period, systolic time intervals, low and high frequency heart period variability, blood pressure, and respiration were measured in female subjects under three drug conditions (saline, atropine sulfate, metoprolol) while sitting and standing on three consecutive days. Following preinfusion baseline recordings, saline, metoprolol (14 mg), or atropine sulfate (2 mg) was infused for 15 min (by using a double‐blind procedure). Recordings were taken during a postinfusion baseline and in response to an orthostatic stressor (standing versus sitting postures). At the end of the metoprolol session, atropine sulfate was infused and responses were monitored during the post‐infusion (i.e., double blockade) baseline and during orthostatic stressor. Analyses of the blockade data revealed that the preejection period (PEP) reflected sympathetic but not vagal influences on the heart, and high frequency (HF, 0.12–0.40 Hz) heart rate variability (respiratory sinus arrhythmia) reflected vagal but not sympathetic influences on the heart. No other measure provided a specific index of the tonic sympathetic or vagal activation of the heart. Postinfusion PEP under saline predicted individual differences in postinfusion cardiac sympathetic activation, whereas postinfusion heart period (but not HF variability) under saline predicted individual differences in postinfusion cardiac vagal activation.

People differ in the extent to which they emphasize feelings of activation or deactivation in their verbal reports of experienced emotion, termed arousal focus (AF). Two multimethod studies indicate that AF is linked to heightened interoceptive sensitivity (as measured by performance on a heartbeat detection task). People who were more sensitive to their heartbeats emphasized feelings of activation and deactivation when reporting their experiences of emotion over time more than did those who were less sensitive. This relationship was not accounted for by several other variables, including simple language effects. Implications for the role of interoception in experienced emotion and the validity of self-reported emotion are discussed.

Abstract Predictive processing is emerging as a common computational hypothesis to account for diverse psychological functions subserved by a brain, providing a systems-level framework for characterizing structure-function relationships of its distinct substructures. Here, we contribute to this framework by examining gradients of functional connectivity as a low dimensional spatial representation of functional variation in the brain and demonstrating their computational implications for predictive processing. Specifically, we investigated functional connectivity gradients in the cerebral cortex, the cerebellum, and the hippocampus using resting-state functional MRI data collected from large samples of healthy young adults. We then evaluated the degree to which these structures share common principles of functional organization by assessing the correspondence of their gradients. We show that the organizing principles of these structures primarily follow two functional gradients consistent with the existing hierarchical accounts of predictive processing: A model-error gradient that describes the flow of prediction and prediction error signals, and a model-precision gradient that differentiates regions involved in the representation and attentional modulation of such signals in the cerebral cortex. Using these gradients, we also demonstrated triangulation of functional connectivity involving distinct subregions of the three structures, which allows characterization of distinct ways in which these structures functionally interact with each other, possibly subserving unique and complementary aspects of predictive processing. These findings support the viability of computational hypotheses about the functional relationships between the cerebral cortex, the cerebellum, and the hippocampus that may be instrumental for understanding the brain’s dynamics within its large-scale predictive architecture.

Abstract The periaqueductal gray (PAG) is a small midbrain structure that surrounds the cerebral aqueduct, regulates brain–body communication, and is often studied for its role in “fight-or-flight” and “freezing” responses to threat. We used ultra-high field 7-Tesla fMRI to resolve the PAG in humans and distinguish it from the cerebral aqueduct, examining its in vivo function in humans during a working memory task (N = 87). Relative to baseline fixation, both mild and moderate task-elicited cognitive demands elicited bilateral BOLD increases in ventrolateral PAG (vlPAG), a region previously observed to show increased activity during anticipated painful threat in both non-human and human animals. The present task posed only the most minimal (if any) “threat”. The mild-demand condition involved a task easier than remembering a phone number, elicited a heart rate decrease relative to baseline, yet nonetheless elicited a bilateral vlPAG response. Across PAG voxels, BOLD signal intensity correlated with changes in physiological reactivity (relative to baseline) and showed some evidence of spatial organization along the rostral–caudal axis. These findings suggest that the PAG may have a broader role in coordinating brain—body communication during a minimally to moderately demanding task, even in the absence of threat.

Abstract Periaqueductal gray (PAG) columns mediate affective experience, physiological regulation, and survival-related behavior; yet, only 7T imaging can resolve these small structures in humans. In a social stress task, participants prepared a speech, and we observed (a) bilateral ventrolateral PAG activity, relative to baseline, and (b) distinct spatial patterns of correlation between PAG activity and physiological response (i.e., cardiac interbeat interval, reparation rate, and tonic electrodermal activity).

Large-scale intrinsic brain systems have been identified for exteroceptive senses (e.g., sight, hearing, touch). We introduce an analogous system for representing sensations from within the body, called interoception, and demonstrate its relation to regulating peripheral systems in the body, called allostasis. Employing the recently introduced Embodied Predictive Interoception Coding (EPIC) model, we used tract-tracing studies of macaque monkeys, followed by two intrinsic functional magnetic resonance imaging samples (N = 280 and N = 270) to evaluate the existence of an intrinsic allostatic/interoceptive system in the human brain. Another sample (N = 41) allowed us to evaluate the convergent validity of the hypothesized allostatic/interoceptive system by showing that individuals with stronger connectivity between system hubs performed better on an implicit index of interoceptive ability related to autonomic fluctuations. Implications include novel insights for the brain's functional architecture, dissolving the artificial boundary between mind and body, and unifying mental and physical illness.