Investigating Interoception in Smokers: A Computational Modeling Approach = 흡연자에서의 내수용감각 탐구: 계산 모델링 접근법

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Interoception, the perception of internal bodily states, has been increasingly recognized as an important construct in substance use behavior, and research in this area has grown in recent years. However, empirical validation of key theoretical proposals remain limited, and existing findings are difficult to integrate due to inconsistencies across studies and methodological constraints. This thesis addresses these gaps by providing a systematic review of interoception in substance use disorders (SUDs) and an empirical investigation in smokers that was designed to overcome the limitations identified in the review.

This thesis is structured into three chapters. Chapter 1 presents a systematic review that synthesizes 39 empirical studies examining interoceptive dimensions, including accuracy, sensibility, and awareness, across individuals with SUDs and related substance use conditions. The review found reduced interoceptive accuracy in individuals with SUDs, with this impairment being most consistent in alcohol use disorder and less consistent across other substance use populations. In contrast, findings for interoceptive sensibility were highly heterogeneous, and studies of interoceptive awareness were notably scarce. The review also identified key methodological limitations, including an emphasis on only two interoceptive dimensions (accuracy and sensibility), overreliance on cardiac measures at the expense of other modalities, widespread use of the heartbeat counting task despite well-documented validity concerns, and inadequate reporting and control of smoking status as a potential confound.

To address these limitations, Chapter 2 reports an empirical study comparing cardiac and respiratory interoception between smokers and nonsmokers, while also examining smokers under both nicotine-satiated and deprived states. Smokers (n = 55) and nonsmokers (n = 55) completed three interoceptive tasks, including the heartbeat tapping task, heart rate discrimination task, and respiratory resistance sensitivity task, along with self-report questionnaires. To move beyond accuracy-based summaries and infer latent interoceptive mechanisms, Bayesian computational modeling was used to estimate interoceptive precision and prior beliefs, psychometric parameters (slope, threshold), signal detection indices (d′, c), and metacognitive sensitivity and efficiency (meta-d′, M-ratio). In the heartbeat tapping task, deprived smokers exhibited higher prior beliefs during guess trials (p = 0.004) and lower interoceptive precision during breath-hold trials (p = 0.004), indicating altered top-down expectations alongside impaired dynamic precision modulation. In the heart rate discrimination task, deprived smokers showed a perceptual bias toward perceiving faster heart rates (p = 0.018), while satiated smokers demonstrated reduced metacognitive sensitivity (p = 0.01), suggesting that smoking affects both low-level perceptual processes and high-level metacognitive monitoring of cardiac interoception. In contrast, respiratory interoception showed no significant differences between groups or smoking states, demonstrating robust modality-specificity of nicotine's effects on interoceptive processing. In contrast, respiratory interoception did not differ by group or state, providing evidence for modality-specificity of nicotine's effects on interoception.

Chapter 3 discusses these findings within predictive coding and active inference frameworks, outlines limitations, and considers clinical implications Predictive coding conceptualizes interoception as precision-weighted integration of visceral signals and predictions; nicotine deprivation was characterized by a failure to dynamically upweight sensory precision, resembling a computational signature reported across chronic substance use. Active inference extends this account by proposing that interoceptive predictions function as allostatic setpoints that motivate regulatory action. Consistent with this view, impaired interoceptive precision predicted withdrawal severity, and anticipatory tapping patterns predicted time to first cigarette, linking perceptual inference to motivated substance seeking behavior. Moreover, the modality-specific pattern challenges unitary models of interoception and aligns with hierarchical, multidimensional accounts in which different bodily axes rely on partially distinct mechanisms. Clinically, the results suggest a hierarchical dual-pathology model in which deprivation is associated with low-level perceptual bias, whereas satiation is associated with impaired metacognitive insight, implying that interventions may need to target both levels. Overall, this thesis demonstrates that interoceptive alterations in smokers are complex, hierarchical, modality-specific, and state-dependent, underscoring the need for multidimensional assessment grounded in computational theory.

국문 초록 (Abstract)

내수용감각(interoception)은 신체 내부 상태를 지각하는 감각으로, 물질사용 행동을 이해하는 데 중요한 개념으로 점점 더 주목받고 있으며, 최근 관련 연구도 증가하고 있다. 그러나 주요 이론적 제안에 대한 실증적 검증 연구는 상대적으로 부족하며, 연구 간 결과의 불일치와 방법론적 제약으로 인해 기존 연구 결과를 통합적으로 해석하는 데 어려움이 있다. 본 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해 물질사용장애에서의 내수용감각 연구를 체계적으로 고찰하고, 고찰에서 확인된 방법론적 한계를 고려하여 흡연자 대상 실증 연구를 수행하였다.

본 논문은 총 세 개의 장으로 구성되어 있다. 제1장은 물질사용장애를 포함한 다양한 물질사용 관련 집단을 대상으로 내수용감각의 하위 차원인 정확성(accuracy), 민감성(sensibility), 인식(awareness)을 검토한 39편의 실증 연구를 종합한 체계적 문헌고찰을 제시한다. 문헌고찰 결과, 물질사용장애 환자에서 내수용감각 정확성이 전반적으로 감소되어 있었으며, 이러한 손상은 알코올사용장애에서 가장 일관되게 관찰되었고, 다른 물질사용 집단에서는 상대적으로 덜 일관되었다. 반면, 내수용감각 민감성에 대한 결과는 매우 비일관적이었고, 내수용감각 인식을 다룬 연구는 현저히 부족하였다. 또한 본 문헌고찰은 기존 연구가 내수용감각의 일부 차원(정확도와 민감성)에만 편중되어 있음을 확인했으며, 심장 영역 측정에 과도하게 의존한 나머지 다른 영역(예: 호흡 등)은 상대적으로 소홀히 다루어졌다는 점을 보여주었다. 아울러 타당도에 대한 우려가 제기되어 온 심박수 세기 과제가 광범위하게 사용되고 있었고, 잠재적 혼란변수인 흡연 상태에 대한 보고 및 통제가 충분하지 않다는 방법론적 한계도 확인하였다.

이러한 한계를 보완하기 위해 제2장은 흡연자와 비흡연자 간 심장 및 호흡 내수용감각을 비교하고, 흡연자를 니코틴 만족 상태와 금단 상태에서 모두 평가한 실증 연구를 보고한다. 흡연자(n = 55)와 비흡연자(n = 55)는 심박 탭핑 과제, 심박수 변별 과제, 호흡 저항 민감도 과제를 포함한 세 가지 내수용감각 과제와 자기보고식 설문을 수행하였다. 단순한 수행 정확도 비교에 그치지 않고 잠재적인 내수용감각 기제를 추론하기 위해, 베이지안 계산 모델링을 사용하여 내수용감각 정밀도와 사전 믿음, 심리물리적 지표(기울기, 역치), 신호탐지 지표(d′, c), 그리고 메타인지 민감도 및 효율성(meta-d′, M-ratio)을 추정하였다. 심박 탭핑 과제에서 니코틴 금단 상태의 흡연자는 추측 조건에서 더 높은 사전 믿음을 보였고(p = 0.004), 호흡 참기 조건에서는 더 낮은 내수용감각 정밀도를 나타내어(p = 0.004), 이는 하향식 사전 믿음의 변화와 상향식 감각 처리에서 정밀도를 동적으로 조절하는 능력의 저하를 시사한다. 심박수 변별 과제에서는 흡연자가 금단 상태에서 심박수를 더 빠르게 지각하는 편향을 보였으며(p = 0.018), 만족 상태에서는 메타인지 민감도가 감소하였다(p = 0.01). 이는 흡연이 심장 내수용감각에서 하위 수준 지각 과정과 상위 수준 메타인지적 모니터링 모두에 영향을 미침을 시사한다. 반면, 호흡 내수용감각에서는 집단이나 흡연 상태에 따른 유의한 차이가 관찰되지 않아, 니코틴이 내수용감각 처리에 미치는 영향이 양식 특이적임을 보여준다.

제3장은 이러한 결과를 예측 부호화(predictive coding) 및 능동 추론(active inference) 이론 틀 내에서 논의하고, 연구의 한계와 임상적 시사점을 제시한다. 예측 부호화 이론은 내수용감각을 내부 신호와 예측을 정밀도에 따라 가중하여 통합하는 과정으로 개념화한다. 본 연구에서는 니코틴 금단 상태에서 내수용감각 정밀도를 상황에 따라 동적으로 상향 조절하지 못하는 양상이 관찰되었으며, 이는 만성 물질사용에서 보고된 계산적 특성과 일치하는 경향을 보인다. 능동 추론은 이러한 틀을 행동으로 확장하여, 내수용감각 예측이 항상성적 기준점(allostatic setpoint)으로 작용하여 조절 행동을 유도한다고 제안한다. 본 연구에서도 내수용감각 정밀도의 저하가 금단 증상의 심각도를 예측하였고, 예측적 탭핑 패턴이 첫 흡연까지의 시간을 예측하여, 지각적 추론과 동기화된 물질추구 행동 간의 연관성을 시사하였다. 또한 심장과 호흡 간에 관찰된 양식 특이적 결과는 내수용감각을 단일한 기제로 설명하는 모델에 의문을 제기하며, 서로 다른 신체 영역이 부분적으로 구별된 처리 기제를 가진다는 위계적·다차원적 관점과 부합한다. 임상적으로는 금단 상태에서의 하위 수준 지각 편향과 만족 상태에서의 상위 수준 메타인지적 통찰 저하라는 이중 병리 모델을 시사하며, 효과적인 개입이 두 처리 수준을 모두 표적으로 삼아야 함을 의미한다. 종합하면, 본 논문은 흡연자에서의 내수용감각 변화가 복잡하고 위계적이며, 양식 및 상태 의존적임을 보여주며, 계산 이론에 기반한 다차원적 평가 접근이 내수용감각을 이해하는 데 중요한 기여를 할 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. A Systematic Review of Interoception in Substance Use Disorders 1
• 1.1. Introduction 1
• 1.1.1. Dimensions of Interoception 2
• 1.1.2. Measures of Interoception 5
• 1.1.3. Role of Interoception in SUDs 8
• 1.1.4. Aims 9
• 1.2. Methods 10
• 1.2.1. Search Strategy 10
• 1.2.2. Inclusion and Exclusion Criteria 11
• 1.2.3. Data Screening 11
• 1.2.4. Data Extraction and Synthesis 14
• 1.3. Results 29
• 1.3.1. General Characteristics of the Included Studies 29
• 1.3.2. Interoception Measures 30
• 1.3.3. Non-Interoception Measures 32
• 1.3.4. Results by Substance Type 33
• 1.3.5. Studies on Intervention and Clinical Outcomes 40
• 1.3.6. Evidence from Neuroimaging Data 43
• 1.3.7. Summary Across SUD Studies 45
• 1.4. Discussion 47
• 1.4.1. Overview of Findings 47
• 1.4.2. Limitations in the Current Literature 48
• 1.4.3. Limitations of the Systematic Review 51
• 1.4.4. Conclusions 52
• Chapter 2. Investigation of Interoception in Smokers 55
• 2.1. Introduction 55
• 2.1.1. Epidemiological and Public Health Significance of Smoking 55
• 2.1.2. Limitations in Interoception Research on SUDs 56
• 2.1.3. Specific Limitations and Opportunities in Smoking Research 56
• 2.1.4. Research Aims 58
• 2.2. Methods 59
• 2.2.1. Participants 59
• 2.2.2. Study Procedures 60
• 2.2.3. Interoception Tasks 62
• 2.2.4. Computational Modeling 68
• 2.2.5. Interoceptive Parameters and Relevance to Substance Use 72
• 2.2.6. Self-Report Questionnaires 73
• 2.2.7. Statistical Analysis 74
• 2.3. Results 81
• 2.3.1. Participant Characteristics 81
• 2.3.2. Heartbeat Tapping Task 83
• 2.3.3. Heart Rate Discrimination Task 98
• 2.3.4. Respiratory Resistance Sensitivity Task 103
• 2.3.5. Correlation, Moderation, Mediation Analyses for HTT 108
• 2.3.6. Correlation, Moderation, Mediation Analyses for HDT 111
• 2.3.7. Correlation, Moderation, Mediation Analyses for RRST 113
• 2.4. Discussion 117
• 2.4.1. Comparison with Previous Interoceptive Studies in Smokers and SUDs 117
• 2.4.2. Cardiac Interoception: Task-Specific Dissociations Across Processing Levels 119
• 2.4.3. Respiratory Interoception: Preserved Main Effects but Altered External Correlates 120
• 2.4.4. Domain-Specific Dissociation and Modality Independence 122
• 2.4.5. Limitations of the Empirical Study 123
• 2.4.6. Clinical Implications 126
• Chapter 3. General Discussion 128
• 3.1. Theoretical Frameworks: Predictive Coding and Active Inference 128
• 3.1.1. Predictive Coding: A Hierarchical Model of Perception 129
• 3.1.2. Active Inference: From Perception to Action and Allostasis 130
• 3.1.3. Distinguishing Predictive Coding and Active Inference: Empirical Implications 131
• 3.1.4. Precision Weighting in Interoception: Implications for Psychopathology 132
• 3.2. Direct Evidence for Predictive Coding: Heartbeat Tapping Task Results 133
• 3.2.1. Interoceptive Precision and Dynamic Precision Weighting 133
• 3.2.2. Prior Beliefs and Top-Down Predictions 134
• 3.2.3. Nicotine as a Precision Modulator: Cholinergic Mechanisms 136
• 3.3. Indirect Evidence for Active Inference: Linking Precision to Behavior 137
• 3.3.1. Interoceptive Precision Predicts Drug-Seeking Behavior 137
• 3.3.2. Precision Weighting Failure Relates to Withdrawal Symptom Severity 138
• 3.3.3. Interoceptive Precision and Autonomic Physiology 39
• 3.3.4. Limitations: What Would Constitute Direct Active Inference Evidence? 140
• 3.4. Hierarchical Interoceptive Dimensions: Integrating HDT and RRST Findings 141
• 3.4.1. Mapping Task Parameters to Hierarchical Dimensions 141
• 3.5 Limitations of the Study 142
• 3.6 Future Directions 143
• 3.6.1. Methodological Priorities 143
• 3.6.2. Mechanistic Studies 145
• 3.7. Conclusion 146
• References 150