人类炎症内感受性反应中疾病的神经起源

摘要

在健康哺乳动物中，全身感染会引发一系列行为、心理和生理变化，统称为“疾病行为”(1,2). 症状包括动力下降（如疲劳、嗜睡、无活动能力和厌食症）、精神运动迟缓、发烧、认知和情感变化、注意力不集中、困惑、抑郁和记忆力受损(3–5). 在一系列感染性和炎症性疾病中，也会引发相同的疾病行为定型模式，这表明身体的生理和动机状态会进行高度协调的重组，以优先考虑对病原体的适应性反应并保持身体的完整性(6). 这些行为也可能是由干扰素-α（IFN-α）治疗慢性病毒感染和癌症的医源性诱导的(7,8). 后一项观察提供了直接证据，表明细胞因子是人类疾病行为病因学的核心，并代表了确定其潜在神经生物学基础的临床动力。

利用实验诱导的外周炎症对啮齿动物进行的研究强调了促炎细胞因子在介导疾病行为产生中的作用(6, 9). 外周炎症信号的早期中枢沟通(10)随后的动机性再定向似乎依赖于迷走神经内感受传入的完整性，其内脏末梢表达细胞因子结合位点(11). 在炎症反应早期，抗原提呈细胞聚集在迷走神经传入纤维附近，作为免疫化学感受元件，通过细胞因子依赖性向迷走神经细胞发出信号(12)和独立机制(13).

使用即刻早期基因c-Fos来指示神经激活的免疫组织化学研究证实，外周炎症和促炎细胞因子与迷走神经受体的特异性结合激活了与体内稳态和体内状态（内感受）表征相关的脑结构(10). 这种传入信号很快；外周炎症激发60分钟内，外周炎症诱导迷走神经初级投射核（孤束核[NTS]）和次级投射区（包括臂旁核、室旁核和视上核、中央杏仁核和终纹床核）c-Fos表达(10). 在啮齿动物中，迷走神经的损伤会减弱特定的疾病行为，包括动机的改变(14)和社会行为(15).

通过脊髓传递的传入性内感受信息也可能参与外周炎症的中枢信号传递。通过椎板I传递的信息主要针对激励性的显著感觉，包括疼痛(16, 17)，温度(18)，瘙痒(19)，和感性的触摸(20)与脑干和丘脑内的迷走神经传入信息汇合(21). 在人类中，会聚性传入迷走神经的中央末端和前岛叶皮层内的脊髓内感受通路可能支持有意识地表达身体健康(22)这被认为是主观情感的神经基质(17,22). 这些神经传入途径是否也为人类外周炎症的快速中枢信号传递提供了主要通道，以前还没有确定。

我们将功能性磁共振成像（fMRI）与外周炎症的实验模型相结合，以解决炎症信号在大脑中如何表现的问题，并描述动机行为早期转变的神经生物学机制。关于外周炎症如何导致情绪和情绪处理变化的补充问题是本杂志另一篇文章的重点(23). 我们使用伤寒沙门菌接种Typhim Vi疫苗是我们的炎症挑战。这种炎症模型以前曾被证明能刺激低度外周炎症反应，并与疾病的认知、行为和情绪成分相关(24,25). 重要的是，我们之前也报道过，在该受试人群中用该模型诱导的外周炎症不会导致神经活动和血氧水平依赖（BOLD）信号之间耦合的一般变化，这是fMRI研究中推断的基础(26). 我们预测，外周炎症的中枢沟通与促炎细胞因子的释放有关，并通过直接调节产生疾病行为核心认知和动机成分（包括主观疲劳和嗜睡）的内感受途径实现。我们使用彩色单词Stroop作为一项高要求的认知任务，通过显著的注意负荷和反应控制要求诱发精神压力。Stroop任务经常用于评估高要求的认知过程，包括注意力和执行控制、刺激冲突、反应监测和抑制，以及描述良好的行为效应和神经基础(27,28). 这些过程通常受到疾病的影响，是本报告的重点。我们以前曾报道过，炎症对低水平精神运动反应的影响是通过对黑质的作用来调节的(26).

方法和材料

结果

伤寒疫苗诱导炎症细胞因子和疾病反应

在接种伤寒疫苗而非安慰剂后，参与者表现出明显的炎症反应，血浆IL-6增加了两倍以上，从基线时的.66±.38 pmol/L增加到3小时时的1.66±.86 pmol/L(第页< .001) (图1A） ●●●●。安慰剂组IL-6的升高幅度较小（基线时为.60±.41 pmol/L，3小时时为.87±.63 pmol/L，第页= .05 (图1A） 与实验压力的响应一致(30). IL-6的治疗×样本（基线和3小时）交互作用显著(F类= 7.98,第页= .013). 血浆TNF-α或IL-1RA的增加没有达到显著性，与之前的研究结果一致(25). 伤寒疫苗接种而非安慰剂也会导致3小时时主观疲劳、困惑和注意力受损的显著增加(图1B） ●●●●。接种疫苗后3小时，总情绪评分也显著恶化[单尾配对t吨(15) = 1.86,第页<.05]但不是安慰剂[t吨(15) = 1.43,第页>.05]，如中所述(23). 如之前在独立人群中所示(24)伤寒疫苗对其他POMS亚量表或疾病症状评级（包括发热、关节疼痛、恶心和头痛）没有影响。心理变化也与体温或皮质醇水平的潜在混杂增加无关(24) (图1C） ●●●●。请参阅补充1了解更多详细信息。

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图1

对炎症挑战的反应。伤寒疫苗接种诱导了强烈的炎症细胞因子反应和疾病行为症状。（A）伤寒和安慰剂（氯化钠[NaCl]）注射后基线和3小时的血浆炎症细胞因子水平（±SEM）。白细胞介素-6（IL-6）对伤寒有显著反应，但对氯化钠无明显反应(*第页< .001;n个= 16). 伤寒患者IL-1Ra无显著增加，肿瘤坏死因子α无变化（未显示）。（B）基线检查时以及伤寒和安慰剂治疗后3小时的疾病症状。接种疫苗后，困惑和疲劳明显加剧(**第页< .01;n个=16），但不是安慰剂。（C）炎症反应的其他指标。接种疫苗或安慰剂后，温度或唾液皮质醇没有显著的潜在混淆性升高(第页> .05).（D）颜色词Stroop任务。在不一致和一致的条件下，受试者选择正确识别上述目标词颜色的反应词。（E）炎症和安慰剂条件下不一致和一致试验的反应时间（RT）和总误差。在疫苗和安慰剂条件下，不一致的试验的反应时间和错误显著增加。^§平均RT差值（±SEM）=377.6毫秒（±21.6）[t吨(23) = 17.46,第页< .001].^§§平均差误差（±SEM）=4.21（±.66）[t吨(23) = 6.38,第页< .001]. 炎症状态对两种RT均无显著的主要影响(第页= .31,n个=24）或错误(第页= .79,n个= 24).

Stroop任务中的炎症和行为表现

与一致的Stroop试验相比，所有受试者在不一致项上的反应时间和错误率都显著增加。这种模式与要求“冲突”试验的更大认知成本相一致(图1E） 在疫苗和安慰剂条件下都很明显。值得注意的是，伤寒疫苗和安慰剂条件下的表现没有显著差异，尽管有主观报告称与炎症相关的精神错乱增加和注意力减少（尽管正如我们之前报告的那样，疫苗诱导的IL-6和跨任务反应时间之间存在相关性[26]). 任务表现的这种对等性减轻了神经成像数据解释中潜在的行为混淆，因此，神经活动的差异可以被解释为反映了为满足任务需求而招募认知资源的变化，而不是由于行为表现的变化而产生的非特异性变化(图1E） ●●●●。

颜色词不一致激活额顶叶认知控制网络

与要求较少的一致性试验相比，要求认知的不一致性试验诱发了强烈的激活(第页<.05 FDR校正）涉及认知和注意力控制的区域内，包括双侧前额叶皮层（FDR校正第页<.001双侧）和顶内沟（FDR校正第页<.001双边）(31,32) (图2A）(附录1表2). 相反的对比（一致>不一致）强烈激活了两个区域，即眶-中-前额叶皮层（布罗德曼区[BA]10）（FDR第页<.004）和，遵循Vogt的命名法(33)、腹后扣带回（vPCC）（FDR第页< .004). 这一反应概况与关于其功能作用的现有文献一致。因此，众所周知，在广泛的认知范式中，中间BA10活动与反应时间（和任务难度）呈负相关(34)，并且中间BA10和vPCC都是假定的默认模式网络的一部分，在外部任务需求较低时表现出更大的活动性(35).

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图2

彩色单词Stroop任务的功能磁共振成像分析。（A）不一致的试验增强了双侧颞下交界区、双侧顶叶内沟和右侧V4的活动（为说明目的绘制的假检出率[FDR]第页<.05修正）。（B）Stroop任务在迷走神经和第一椎板传入通路的炎症激活投射区以及中脑导水管周围灰质、中央自主传出区（在FDR上绘制第页<.05修正）。（C）经MacMillan Publishers Ltd许可改编的迷走神经传入和第一椎板传入的初级和次级投射区图解：自然评论神经科学(17)版权所有2002。（D）任务和炎症状态的相互作用。炎症征集的右背外侧前额叶（DLPFC）和双侧前扣带回（ACC）下认知需求不一致事件的表现（为说明目的绘制于第页<.005未修正）。

胰岛素活性预测炎症引起的疲劳

个体对炎症的认知和动机影响表现出不同的易感性。为了探讨这种变异性，我们对神经影像数据进行了相关分析，以研究个体间对炎症诱导的疲劳和困惑的敏感性差异，以及个体对比图（不一致>一致）和参与者自己对疫苗和安慰剂后主观变化的报告。通过双侧中/后岛叶的活动变化预测炎症相关疲劳(第页< .00002,R（右）²=.72，以及第页< .001,R（右）²=.49，右侧和左侧）和左侧前扣带（aMCC/pACC）(第页< .00003,R（右）²= .71). 在共价计算出疫苗相关的舒张压和收缩压变化的个体差异后，这些激活仍然存在(图3A）(附录1表3)这表明与外周炎症的传入而非传出自主神经效应有关。重要的是，生理盐水注射后的疲劳与任何脑区均无显著相关性，尤其是与脑岛或扣带回的活动无关，即使在自由阈值为第页<0.01，表明安慰剂状态下疲劳机制的异质性。

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图3

与疫苗相关疲劳相关的神经区域（A）和混乱（B）所示的值是针对以中所示的坐标为中心的8mm直径的感兴趣区域的第一本征变量附录1表3.左侧左侧；右侧为Rt；BOLD，血氧水平依赖性。

右中岛叶预示着混乱加剧(第页< .001,R（右）²=.50）和更多的左后扣带回（dPCC）(第页< .00006,R（右）²=.67）活动(图3B和​和3C）。三C） ●●●●。再次，这些激活与服用安慰剂后报告的混淆无关，这表明在炎症相关的混淆中起着机械作用。与疫苗接种后疲劳和混乱相关的脑岛区域也在炎症对刺激过程的“主要影响”中被激活；因此，我们的数据表明，症状性疲劳和精神错乱是疾病行为的核心心理成分，是由认知过程的传出生理需求和自下而上的内部幸福感表征之间的相互作用产生的。然而，有趣的是，在本研究中采用的严格阈值下，任何报告的激活与外周IL-6水平之间均无显著相关性。

讨论

对啮齿动物的研究表明，与迷走神经一起运动的传入性内感受纤维在与外周炎症相关的动机性重新定向中起着重要作用。据我们所知，这是第一项针对人类疾病行为的类似机制的研究。众所周知，大脑离散区域内的神经元表达细胞因子受体，包括丘脑内侧核、下丘脑腹内侧核、基底外侧杏仁核和小脑浦肯野细胞(37). 因此，一种可能性是，我们因接种伤寒疫苗而观察到的中枢神经反应代表了循环细胞因子对大脑的直接影响，甚至是作为系统免疫反应的一部分的细胞因子的局部合成。然而，与这种解释相反的是，有证据表明，外周炎症激发后神经组织内细胞因子水平的增加通常发生在炎症激发后约8小时（并且尚未证明在3小时内发生）(38). 此外，这种中央细胞因子的表达受到早期迷走神经介导机制的调节(39, 40). 相反，我们认为，内感受信号为内感受（和认知）区域内观察到的活动变化提供了最简约的解释。

在本文报道的保守阈值下，我们观察到右侧内侧丘脑内的炎症依赖性活动，包括背中核。该核是I层内感受通路的一部分，投射到扣带回和前额叶皮层。丘脑外侧活动更多，与基底核和后腹内侧核（VMb和VMpo）内的激活相一致，投射到背侧中/后岛叶，在较不严格的阈值下明显(第页<.001未修正）。然而，双侧岛叶背中部和前部区域的炎症相关活动也出现在更严格的阈值。这些激活的位置值得注意。VMb主要接受迷走神经纤维，VMpo（主要是交感神经纤维）以口轮回的地形方式投射到岛叶背侧的中部/后部，迷走神经投射更向嘴部延伸。因此，有趣的是，与热感觉相比，我们的激活发生在更多的内感受皮层的嘴侧区域(18)有毒疼痛和瘙痒（非迷走神经性），但接近Rosenkranz报告的激活等。(41)哮喘患者对抗原诱导的炎症气道反应的反应，通过与迷走神经一起旅行的传入纤维介导。

人类直接刺激和失活研究(42)和动物(43)然而，表明脑岛活动与传出自主神经改变有关。为了从炎症的传入效应中分离传出效应，我们在分析中使用了炎症和安慰剂相关的血压变化作为联合回归因子。这证实了在调节传出自主活动的变化后，岛叶活性仍然显著。然而，血压变化与臂旁核周围区域的脑桥背侧活动高度相关，炎症后该区域的变化主要由传出自主神经活动的变化引起。有趣的是，尽管在脑干稳态反射（包括血压调节）中发挥作用，但臂旁核并不构成投射到岛背的人类I层棘丘脑皮质内感受通路的一部分(17).

在Stroop任务中，炎症与处理不一致（与一致）刺激的增强认知需求之间的相互作用使我们能够研究疾病行为认知伴随物的神经基础。值得注意的是，与安慰剂组相比，我们观察到在处理高要求不一致试验时，与疫苗诱导炎症期间表达的背外侧前额叶和中扣带回（aMCC/pMCC）皮层相比，大脑参与更广泛(图3D） ●●●●。由于受试者没有因炎症而表现出表现差异，因此这些影响很可能归因于在炎症状态下需要额外的神经资源来保持同等的任务表现。随着认知需求的增加，背外侧前额叶和背侧前扣带回皮质的活动通常会增强。在面对跨模态听觉干扰物时，这两个区域在执行认知要求较高的视觉任务时也表现出活动增加(36). 因此，它们的同时激活表明相互依赖的认知/注意(44)和躯体（自主）(45)在炎症状态下，由于接受间处理需求的冲突增加，认知过程中的流畅性受到影响，因此需要调用机制来维持表现并补偿这种影响。

对炎症和胎盘相关疲劳和混乱变化的神经基础的分析也强调了岛叶和扣带回皮质在调节外周炎症后的主观症状中的关键作用。通过双侧岛叶中部/后部和右前扣带回（pACC/aMCC）的活动变化预测炎症相关而非安慰剂相关疲劳。这些发现表明，疲劳与外周炎症相关的神经机制具有一定程度的特异性，这在更普遍的胎盘相关疲劳中是不存在的（这可能是由更异质的机制引起的）。先前的研究显示岛叶对分级冷却的反应(18)，痒(46)以及动态锻炼的强度(47)支持我们的假设，即炎症相关疲劳是由类似的基于岛叶的内感受机制引起的。有趣的是，这个扣带区也被疼痛激活(48,49)尤其是内脏引起的疼痛多于躯体感觉刺激引起的疼痛(50). 在这种情况下，pACC/aMCC活性与报告的不愉快程度的相关性大于刺激强度，表明疼痛的情绪而非躯体感觉定位成分中起作用(51). 这种作用也可能得到其强大的杏仁核连接的支持。在我们目前的研究中，它与炎症相关疲劳的密切关系表明，扣带亚区在处理不愉快的内脏刺激的情绪成分方面可能发挥更广泛的作用。

值得注意的是，报告的激活与外周IL-6水平之间没有显著相关性（在整个当前研究中采用的严格阈值下），此外，IL-6水平与受试者的主观症状评分之间也没有相关性。这一发现值得注意，尤其是与我们之前的研究结果相比，该研究发现炎症相关运动减慢的个体间易感性、外周细胞因子（IL-6）水平和黑质活性之间存在相关性(26). 这一发现表明，与反映外周细胞因子水平的简单指数不同，外周炎症后的主观症状可能是由自下而上的过程（与外周炎症相关）和这些过程的自上而下的调节以及由此产生的主观症状之间的复杂相互作用引起的。此外，尽管IL-6是一种有用的炎症指标，并以内分泌方式发挥作用，以协调炎症反应，但它还是促炎细胞因子和抗炎细胞因子相互作用网络的一部分。这种与其他炎性细胞因子的复杂关系，尤其是IL-1β（也作用于迷走神经传入），表明IL-6水平与神经反应之间的简单关系可能是例外，而不是规律。

总之，我们的经验性研究为周围炎症状态（通常与全身感染有关）如何调节注意力和动机大脑系统提供了一个总体框架。它补充了我们之前的研究，该研究表明，在炎症的低水平精神运动反应中，黑质活动发生了变化(26)以及本杂志正在考虑的第二篇文章(23)这表明炎症通过对Cg25连接的影响调节情绪，Cg25是一个与原发性抑郁症发病机制相关的区域。我们承认功能磁共振成像主要是一种相关技术，我们的实验无法证明炎症直接导致所见的激活模式，而且，我们在一群健康年轻男性中的发现可能无法推断出其他年龄、性别或健康状况。此外，在这方面值得注意的是，文献表明慢性低度全身炎症，循环炎症介质轻微增加，与年龄相关的认知能力下降有关(52)和痴呆症(53). 同样，在治疗恶性肿瘤和慢性病毒感染时使用细胞因子（尤其是IL-2和IFN-α）往往会因认知、情绪和行为障碍而变得复杂(54). 疾病行为本身可以通过调节宿主对病原体的敏感性，影响先天免疫系统的激活程度和外周细胞因子的产生，从而导致免疫能力的变化。免疫和心理状态之间的双向互动最终决定了健康的程度(4).

我们提供的数据的主要含义是，它们突出了人类外周炎症中枢表征的神经生物学底物，并提出了这些表征如何与复杂认知处理的资源需求相互作用。我们的研究结果表明，支持个体间对炎症性疾病相关心理症状易感性的神经机制，并对医学专业具有更广泛的临床意义，这些常见症状可能针对中枢神经系统水平。

致谢

脚注

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