情绪与哮喘症状恶化之间相互作用的神经回路

摘要

以炎症失调为特征的慢性疾病，如哮喘，特别容易受到压力和情绪的调节(1,2)这表明炎症可能是将情绪下的神经回路与症状加重联系起来的最终共同途径。在对这些联系的调查中，刘和他的同事(2)研究表明，与相对无应激期的相同挑战相比，在期末检查周期间，哮喘大学生受试者的气道炎症更严重，吸入过敏原后肺功能下降。其他研究表明，免疫细胞细胞因子谱在长期压力下向促进过敏反应和炎症转变(三,4). 尽管有人强烈支持一种将心理和生理因素整合到哮喘中的模型，但关于大脑的机制基础的任何讨论基本上都没有涉及到大脑。现有文献表明，生理和心理应激都会激活类似的神经回路，作为大脑和免疫系统之间双向通信网络的两条不同途径(5,6). 与这个模型一致，压力和情绪背后的神经回路可以调节炎症(7,8)外周炎症介质可以影响情绪和认知功能(9). 例如，抑郁症状与哮喘反应期间释放的相同促炎细胞因子升高有关(10,11). 因此，我们试图确定一种特定的神经回路，认知和情绪因素可通过该神经回路与急性哮喘反应的生理事件相互作用，从而影响哮喘症状表达的严重程度。

我们关于这个神经回路的成分的假设主要集中在脑岛和前扣带回（ACC）。两者都接受来自第一层脊髓丘脑皮层束的传入输入，携带与身体生理状况有关的信息(12)（例如，呼吸急促；参考文献。13和14)与处理情感信息所必需的神经结构有着密切的联系(15,16). 病变研究结果支持这一观点，因为前岛叶的局灶性损伤导致疼痛的情感成分减少，并破坏其相关的稳态后果(17). 此外，神经影像数据显示，岛叶激活的程度可以预测刺激强度评估的个体差异(18)和发自内心的意识(19). 同样，ACC与感觉的情感和动机方面有关，如催眠暗示持续刺激的不愉快增加时激活增加所示(20). 该区域的损伤导致避免疼痛刺激的动机降低（而不会破坏疼痛感知）(21)以及上下文适当的交感神经活动的失败(22).

在哮喘中，吸入过敏原会导致急性肺肥大细胞脱颗粒和介质释放，从而引发支气管平滑肌收缩，这是过敏反应早期的特征。其他细胞，包括淋巴细胞亚群（例如Th2），被激活并释放细胞因子，在4-8小时后启动炎症反应。这种炎症反应导致晚期反应，包括嗜酸性粒细胞（EOS）的募集和气道阻塞的再现。与早期不同，晚期气道阻塞是由炎症引起的，因此在研究炎症过程的失调作为压力和情绪与哮喘症状表达相关的机制时，最感兴趣的是炎症。

糖皮质激素（GC）抑制炎症反应的能力对于防止过度组织损伤至关重要。内源性糖皮质激素在这方面的重要作用可以通过培养产生糖皮质激素能力降低的大鼠对炎症疾病的易感性增加来说明(23). GC抑制炎症的能力不仅取决于其产生量，还取决于其与免疫细胞的相互作用。心理应激可导致免疫细胞对GC抑制的敏感性降低(24,25)这可能是炎症疾病中应激诱导症状恶化的部分原因。同样，由于GC抑制作用减弱，促炎细胞因子的产生增加，可能会影响心理功能。虽然目前尚不清楚是什么导致了敏感性的降低，但通过交感神经系统，情感神经回路的输出可能会下调免疫细胞上的GC受体(26).

本研究使用对吸入抗原的过敏性哮喘反应的晚期成分作为模型，来识别被情绪和生理线索激活的大脑区域，这些区域可能参与肺部炎症的发展和调节。功能性磁共振成像用于非侵入性成像脑功能，以反映吸入激发后哮喘相关情绪刺激的反应。我们预测，与阴性（Ng）或中性价（Ne）刺激相比，在抗原（Ag）相对于乙酰甲胆碱（Meth）或生理盐水激发期间，岛叶和ACC对哮喘相关（As）刺激的反应会显示出差异。此外，我们预计这种差异性激活仅在过敏反应的晚期阶段发生，因为我们假设这种激活反映了对与晚期过敏反应相关的炎症信号的调节。此外，我们预测这种差异激活的个体差异将与外周对银的生理反应程度有关。

方法

实验设计。哮喘患者每人接受三次吸入挑战(图1)隔开至少4周：生理盐水（基线对照）；Meth，一种急性支气管收缩剂，无引起炎症的能力；以及引起早期和晚期反应的受试者特异性Ag。Meth和Ag挑战的管理是双盲的，任务与第二次和第三次扫描会话相对应。该设计被用作分析与银暴露相关的大脑激活变化以及与支气管收缩相关的随后炎症的手段就其本身而言并使我们能够确定与哮喘发作的炎症成分相关的潜在中枢神经系统活动。

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图1。

实验设计：实验挑战的时机和收集的措施。参与者在完整的受试者内交叉设计中接受Ag和Meth挑战，间隔至少4周。质询令被抵消。

对于每一次激发，在激发后1 h和4 h进行功能性磁共振成像扫描，扫描时间分别与早期和晚期的分辨率一致。因此，每个受试者进行了六次单独的功能性磁共振成像治疗。在神经成像过程中，参与者执行反应时间任务，识别As、阴性或Ne单词的颜色。肺功能（1s内用力呼气量，FEV₁)在激发前、激发中和激发后测量局部炎症潜能（痰EOS）。使用GC抑制外周血白细胞（PBL）细胞因子生成来评估GC调节炎症的能力，并在激发后1小时和4小时进行测量。

参与者。本研究招募了6名患有轻度过敏性哮喘的参与者（3名女性）。每个参与者对猫皮屑、屋尘螨或豚草提取物的皮肤点刺试验均呈阳性，并且有哮喘病史，既往使用过哮喘药物。所有参与者均表现出早期反应（FEV下降>20%₁Ag激发后1小时内）和后期反应（FEV下降>15%₁Ag激发后4–8小时），以在筛查期间吸入过敏原激发。在研究期间，没有参与者需要吸入皮质类固醇，没有呼吸道感染的证据，也没有参与者在过去4周内哮喘加重。

肺功能和炎症测量。根据美国胸科学会标准测量肺功能(27)使用FEV早期反应后每15分钟至45分钟₁此外，使用便携式肺活量测定仪每小时测量肺功能8小时。对刺激（生理盐水、蛋氨酸和银）的反应作为FEV的变化进行测量₁与质询前值相比。

在诱导痰中测量炎症细胞差异。如参考文献所述进行痰诱导。28挑战前和挑战后24小时。差异（每片300个细胞）以单核细胞/巨噬细胞、淋巴细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞的百分比报告。

吸入挑战。通过使用特定主题的商用过敏原提取物（屋尘螨提取物、，n个= 3; 豚草提取物，n个= 3). 简单地说，受试者吸入了不断增加剂量的过敏原提取物（Ag激发）和原胆碱（加拿大安大略省布兰特福德市Methaphart）（Methacholine激发）。每次服用激发材料后进行肺活量测定，当受试者的基线FEV时停止激发₁与挑战基线相比减少了至少20%。

糖皮质激素敏感性。在基线检查时以及激发后1小时和4小时在肝素化管中采集血液。全血与脂多糖（LPS）和地塞米松（DEX；一种合成糖皮质激素）在37°C和5%CO下孵育20 h₂(29). LPS是一种细菌细胞壁成分，激活PBL，使其释放促炎细胞因子。DEX将减弱免疫激活并减少细胞因子的产生。使用夹心ELISA分析上清液中的TNF-α。DEX对细胞因子生成的抑制作用计算为存在DEX时TNF-α的生成量相对于不含DEX时的TNF-β的生成量（%），去掉基线值。然后将Meth激发的结果值从Ag激发的结果中减去，以获得反映Ag激发期间GC灵敏度相对于Meth激发降低的测量值。随后的分析中使用了所得的差异分数。

脑图像采集。使用带有正交磁头线圈的GE Signa 3.0-Tesla高速成像设备（General Electric Medical Systems，密尔沃基，威斯康星州）获取解剖和全脑功能图像。两组功能图像由覆盖整个大脑的30×4-mm矢状面回波平面成像切片组成[1 mm层间间隙；64×64面内分辨率，240 mm视野（FOV）；重复时间/回波时间/翻转=2000 ms/30 ms/60]。在采集功能图像之前，立即采集全脑高分辨率T1加权解剖扫描（3D T1加权反转恢复快速梯度回波；256×256面内分辨率，240 mm视野；124×1.1 mm轴向切片）。使用真空枕头将头部移动降至最低（S&S Par Scientific，休斯顿）。

成像任务。刺激物为20个As（如喘息）、20个阴性（如孤独）和20个中性（如窗帘）单词，使用数字方式呈现四种颜色（蓝色、黄色、绿色或红色）中的一种e-prime（电子素数）软件（心理学软件工具，匹兹堡）。As单词是与哮喘患者产生的哮喘发作相关的单词。从ANEW数据集中选择阴性词和阴性词(30). 每组在单词长度、使用频率和词性上进行匹配。刺激是使用VisuaTim XGA护目镜系统（谐振技术，加利福尼亚州北岭）以800×600像素的分辨率呈现的。我们指导参与者通过按下MRI兼容响应板（费城Current Designs）上的四个按钮之一来识别每个刺激的颜色。在第一次扫描之前学习任务和颜色按钮的关联，并在第一次功能扫描之前采集解剖图像期间进行练习。使用e-prime（电子素数）刺激呈现的开始与扫描仪的开始同步。每次实验运行后，都会进行20秒的功能数据收集基线期。在每次运行中，30个刺激（每类10个，按随机顺序）被呈现2s，每个刺激的伪随机刺激间隔为8-12s。

数据预处理。所有离线数据处理都是通过使用功能性神经影像分析软件(31). 图像重建后，通过将每个时间序列与第一幅采集的图像重新对齐，对其进行运动校正。然后，使用通用线性模型（GLM）反褶积对每次跑步的个体受试者数据进行分析，并针对每个实验条件（即As、Ng和Ne）使用单独的回归变量，以估计血流动力学反应。GLM得出了每个个体曲线对比图下的一组面积（As-Ne、Ng-Ne、Ag-Ng、As-固定、Ng-固定和Ne-固定）。然后将这些对比度图转换为Talairach空间，并使用7 mm全宽半最大高斯空间滤波器进行空间模糊。

统计分析。将哮喘相关刺激与Ng和Ne刺激进行比较，以确定对特定情境线索敏感的大脑区域。通过将所有受试者的对比图输入到混合效应分析中，以受试者作为随机因素和挑战（Meth vs.Ag）以及阶段（早期vs.晚期），测试主要对比效应（即在扫描过程中保持稳定的对比效应）和会话效应（即扫描过程中对比度的变化）的统计显著性作为固定因素。进行全脑搜索以识别激活区域，这些区域在每个对比度图中显示挑战×相位相互作用（例如As-Ne）。

为了预测Ag激发期间ACC和岛叶对As刺激的反应幅度的个体差异与肺功能和炎症的外周测量值的变化有关，我们测试了神经激活与每个外周测量之间的相关性。对于每个参与者，通过从Ag激发的相应对比度图中减去Meth激发的对比度图，为每个价态创建差异图像[例如，Ag-（As-Ne）对Ag-（As-Ne）对于Meth]。我们进行了全脑搜索，寻找显示肺功能测量值和炎症过程标记物之间关系的区域。使用未修正的体素阈值对图像进行阈值化P（P）<0.01，结合248 mm的簇大小阈值^三。通过蒙特卡罗模拟使用afni（字母）给出单尾修正P（P）<0.05，基于灰质先验的仅限于大脑前部的搜索量（Talairach坐标年> -35).

除了使用Ag与Meth激发期间大脑激活的差异来预测外周测量值外，我们还检查了每次激发期间大脑活动（As-Ne对比）与外周测量变化之间的独特关联。在回归分析中，我们将从As-Ne对比图中提取的Ag和Meth挑战的信号变化百分比作为两个独立变量输入，以预测每个外围测量的Ag-Meth差异分数。这种方法使我们能够确定每次挑战期间大脑调制对两次挑战之间外围测量差异的相对贡献。我们预测，Ag激发过程中发生的大脑活动变化将主要是相关分析中确定的与外周的关联。

结果

外围措施。FEV没有变化₁在生理盐水挑战期间的任何时候。Meth和Ag导致FEV的类似下降₁在挑战之后。恢复到基线后，FEV出现二期下降₁，仅在Ag激发后4-8小时测量(图2一;F类(2, 4) = 24.2,P（P）< 0.01; 有关时间进程，另请参见图5，该图发布为支持信息在PNAS网站上）。激发24小时后测量的痰EOS仅在Ag激发后显著增加(图2b;F类(2, 4) = 26.4,P（P）<0.01），验证了该炎症标志物对Ag激发的特异性。与对照（生理盐水）和Meth条件相比，在Ag激发过程中，GC对TNF-α产生的抑制作用减弱(图2c（c）;F类(4, 16) = 5.06,P（P）< 0.01). 这些观察结果表明，PBL对Ag激发所特有的生理信号作出反应。

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图2。

Ag激发时炎症潜能增加，肺功能下降。(一)FEV峰值下降₁在每个挑战的早期（1h）和晚期（6-8h）（阶段×挑战交互作用；F类(2, 4) = 24.2,P（P）< 0.01). (b)激发前和激发后24小时的EOS百分比（时间×激发交互；F类(2, 4) = 26.4,P（P）< 0.01). (c（c）)基线（之前）、早期（之后1小时）和晚期（之后4小时）（阶段×激发相互作用）的PBL TNF-α生成量（相对于无DEX的生成量的%）；F类(4, 16) = 5.06,P（P）< 0.01). 误差条表示平均值的标准误差。

功能性神经成像测量。与预测相反，没有发现挑战的交互作用或主要影响。然而，我们的个体差异分析表明，Ag挑战与Meth挑战之间痰EOS百分比的增加呈正相关(第页= 0.92,P（P）<0.01），ACC中As-Ne对比度对应的Ag与Meth差异(图3一)用于后期扫描会话，但不用于早期扫描会话(第页= -0.35,P（P）=不重要）。等效正相关(第页= 0.99,P（P）<0.001）发现于左侧脑岛(图4一; 早期，第页= 0.40,P（P）=不重要）。这些相关性的方向表明，仅在晚期扫描中，ACC和脑岛对As和Ne单词的反应信号变化较大的受试者，^**显示了EOS在Ag与Meth挑战下的较大增加。ACC的同一区域显示出正相关(第页= 0.98,P（P）<0.001），仅在晚期扫描期间（早期，第页= 0.66,P（P）=不显著），PBL对Ag和Meth挑战的GC敏感性与As-Ne对比度的相应差异(图3b). 换句话说，该区域的活性被调节得越多，PBL产生的TNF-α越少，对DEX的抑制敏感。在Ag激发期间，脑岛对As和Ne词汇的反应与FEV峰值下降呈负相关₁(图4b; 后期，第页= -0.97,P（P）< 0.01; 早期阶段，第页= -0.13,P（P）=不显著），表明Ag激发期间该区域的调制越多，肺功能下降越大。

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图3。

前扣带皮层活动可预测炎症潜能的外周测量值。与中性词[As-Ne]相比，哮喘反应中ACC的信号变化百分比，以及与乙酰甲胆碱激发相关的晚期抗原中EOS的百分比[Ag-Meth](一)(第页= 0.92,P（P）<0.01）和与乙酰甲胆碱激发相关的晚期抗原期间TNF-α的PBL生成（相对于无DEX生成的%）[Ag-Meth](b)(第页= 0.98,P（P）< 0.001). 请注意一和b是独立确定的，虽然它们在很大程度上重叠，但并不完全相同。

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图4。

胰岛素活性可预测炎症潜能和肺功能的外周测量值。与Ne单词[As-Ne]相比，As引起的左脑岛信号变化百分比以及晚期抗原与乙酰甲胆碱激发相关的EOS百分比[Ag-Meth](一)(第页= 0.99,P（P）<0.001）和峰值下降FEV₁晚期抗原[Ag]挑战期间(b) (第页= -0.97,P（P）< 0.01). 请注意一和b是独立确定的，虽然它们在很大程度上重叠，但并不完全相同。用于FEV分析₁，只使用Ag挑战的值，因为一名参与者缺少Meth挑战的数据。

通过回归分析，我们确定了Ag激发期间ACC和脑岛的晚期百分比信号变化（As-Ne对比度），特别是在控制Meth激发期间的信号变化的情况下，在外周测量中占很大一部分，在40%至57%之间（ACC/EOS:ΔR（右）²= 0.40,t吨(5) = 3.7,P（P）< 0.05; ACC/TNF-α：ΔR（右）²= 0.53,t吨(5) = 9.3,P（P）< 0.01; 岛叶/EOS：ΔR（右）²= 0.57,t吨(5) = 18.1,P（P）< 0.001). 此外，与Meth激发相比，Ag激发期间岛叶与痰EOS和ACC与TNF-α的相关性更强（EOS:β=0.76 vs.0.59；TNF-β=0.75 vs.-0.51）。

为了进一步确定与哮喘相关刺激的脑-免疫关联的特异性，我们测试了与Ne单词（Ag[Ng-Ne]-Meth[Ng-Ne]）相比，这些大脑区域对阴性反应的活动与外围测量之间的关联。两个脑区与任何外周测量值均无显著相关性（ACC/EOS：第页= 0.00,P（P）= 0.99; ACC/TNF-α：第页= 0.2,P（P）= 0.7; 岛/EOS：第页= 0.04,P（P）= 0.95; 岛叶/FEV₁:第页= -0.46,P（P）= 0.36).

讨论

通过对比Ag激发和Meth激发引起的大脑活动变化，我们能够区分气流阻塞的一般经历和炎症性气道反应开始引起的调节。此外，通过对比As刺激与Ne和负性刺激的大脑调制，我们能够识别出可能对环境显著线索反应过度的大脑区域。目前，我们不知道我们在大脑中观察到的信号是通过肺部信号来代表神经活动的传入调制，还是反映调节肺部的中枢传出过程。我们所知道的是，这种影响对哮喘含量具有高度的特异性。事实上，它们对抗原的反应也更强，这表明与炎症发展相关的传入信号可能在调节ACC和岛叶对As刺激的敏感性方面起着关键作用。事实上，这些发现为之前的研究增加了功能意义，该研究建立了一条信号通路，以提醒岛叶和ACC肺部正在发生的事件(三,16)通过肺和含化学受体的迷走神经传入纤维被促炎细胞因子激活。

在本研究中，选择过敏性哮喘参与者是因为他们对过敏原激发产生了即时和晚期反应。出现晚期反应的患者肺部发生的事件，包括痰EOS增加，与那些对过敏原无早期反应的患者无明显区别(32). 也就是说，痰嗜酸性粒细胞增多可以在Ag激发后发生，而不依赖于肺晚相反应，这表明差异可能来自气道外。岛叶和ACC对早期反应的内部线索和显著的外部线索的反应程度可能是决定气道对炎症介质反应程度的一个因素，并随后确定谁是晚期反应者或更容易出现气道阻塞和哮喘症状。

我们的数据还表明，晚期应答者的PBL在Ag激发期间对GC的抑制不太敏感，导致TNF-α的产生增加。GC可以抑制炎症反应，以防止或减少免疫反应后的损伤(33). 对人类哮喘患者和哮喘动物模型的研究清楚地证明了这一现象，研究表明，在接触过敏原之前使用GC抑制炎症级联反应，可以预防后期反应(4,34). 与许多炎症疾病一样，哮喘患者在压力下表现出迟钝的GC释放(35)，一些显示对其免疫抑制作用的敏感性降低(36). GC反应降低可能导致哮喘炎症过程增强，或反映慢性炎症的后果。GC在Ag激发期间减弱炎症反应的能力可能是晚期反应状态的另一个决定因素，可能是通过调节促炎细胞因子诱导的神经激活，应在未来的研究中进行检查。

鉴于这一领域的研究相对刚刚起步，对这些发现的解释应该进行衡量，复制是至关重要的。参与者的总数很少，因此，只有那些活动与周围生理指标有很强关联的大脑区域才会被检测到。因此，很可能其他大脑区域，尤其是涉及自主神经和神经内分泌输出的区域，参与了这一神经回路，但在本研究中没有出现。与此相关，我们的分析旨在比较不同生理环境下对As和Ne单词刺激的神经反应，因此，无法检测到大脑活动的变化，而这些变化在配价条件下是恒定的。此外，样本量较小，无法解释各个测量值的绝对大小，因为每个级别的值范围和个体数量非常有限。

然而，如果采取适当的谨慎措施，这些数据可能会对中枢神经系统在炎症调节和失调中的作用产生更广泛的影响。它们代表了一种以前未描述的方法，用于理解大脑中情绪处理电路和与疾病进展相关的外周生理过程之间的功能联系。我们不知道这项研究中突出显示的大脑区域的反应性增强是否反映了哮喘特有的过程，或者是一种更普遍的现象，涉及到根据情绪和认知背景监测体内稳态过程，如炎症。虽然一个更普遍的现象可能适用于其他应激相关疾病，但我们的数据强调了这样一个事实，即来自外围的信号使脑岛和ACC对特定于该疾病的刺激敏感。这种特异性的机制是否取决于外周信号产生的位置，或者负责信号传递的特定分子，目前尚不清楚。最重要的是，这些数据强调了特定中枢神经系统回路在监测和调节外周疾病中的重要性，并为开发应激反应性生物医学疾病的治疗干预措施提出了潜在的新靶点。

补充材料

致谢

笔记

作者贡献：M.A.R.、W.W.B.、T.J.、C.A.S.和R.J.D.设计的研究；M.A.R.、G.M.C.、M.M.J.、J.A.B.和J.F.S.进行了研究；J.A.B.和J.F.S.贡献了新的试剂/分析工具；M.A.R.、T.J.、C.A.S.、G.M.C.、J.A.B.和J.F.S.分析数据；M.A.R.、W.W.B.和R.J.D.撰写了这篇论文。

这篇论文是直接提交给PNAS办公室的（第二轨道）。

缩写：ACC，前扣带皮层；抗原；As与哮喘相关；地塞米松；EOS，嗜酸性粒细胞；FEV公司₁，1秒用力呼气量；GC，糖皮质激素；甲基，乙酰甲胆碱；Ne，价态-中性；Ng，阴性；PBL、外周血白细胞。

数据存放：fMRI数据存放在fMRI数据中心，网址：www.fmridc.org（加入号：2-2005-119R1）。

脚注

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