外周炎症与人类黑质活动改变和精神运动减慢相关

摘要

在健康的哺乳动物中，系统性感染通常会产生一系列行为、心理和生理变化，统称为“疾病行为”。认知和情感症状包括精神运动迟缓、记忆力受损、困惑、动机下降（如厌食症、无底症、疲劳）、焦虑和抑郁(1). 疾病行为可以被概念化为宿主的同源性和行为优先级的适应性重组，以促进免疫反应，而不仅仅是感染本身的有害后果(2).

动物和人类研究表明，炎性细胞因子通过向大脑传递外周炎症，在介导疾病相关行为中发挥关键作用(1,3). 在对感染的先天免疫反应早期，组织巨噬细胞的快速激活会导致细胞因子白介素-6（IL-6）、白介素-1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）以及其他促炎介质的释放。全身注射IL-1β或细菌脂多糖（LPS）（一种有效的细胞因子释放刺激物）会诱发啮齿动物的疾病症状(1). 在人类中，癌症或丙型肝炎的细胞因子免疫治疗经常产生与疾病相关的症状，包括精神运动迟缓和情绪低落(三). 同样，在健康志愿者外周注射细菌内毒素后，循环IL-6水平升高与抑郁情绪和记忆缺陷相关(4–6). 外周细胞因子可通过被动扩散（在室周器官和脉络丛水平）、主动转运（在脑内皮水平）和激活感受性传入神经（尤其是迷走神经）来进入和影响大脑，投射到孤束核和高级内脏感觉中枢(1). 在大脑中，存在一个细胞网络，可以产生细胞因子并表达细胞因子受体(1)中枢细胞因子的产生可以深刻影响儿茶酚胺神经传递、突触可塑性和神经元存活(7).

除此之外，外周炎症导致与疾病相关的精神运动和行为症状的机制尚不清楚。目前的调查旨在通过评估低水平外周免疫刺激的影响来解决这些问题，伤寒沙门菌多糖对健康青年男性认知能力和大脑活动的影响。

方法和材料

低级视觉刺激任务

首先，为了测试全身炎症期间神经血管耦合的总体扰动，每个参与者都进行了低水平视觉刺激任务，包括间歇性呈现高对比度闪烁的黑白棋盘刺激(图1). 刺激分为21.6秒（开）和15.1秒（关）交替进行。在6.4分钟的两节课中，共展示了20个对位和20个非对位。参与者用右手按下按钮来回应中央固定十字架亮度的变化，确保注意力集中在屏幕中央。众所周知，这种低水平视觉刺激范式可在纹状体和纹状体外视觉皮层（V1；Brodmann 17和18区）诱导强有力的血氧水平依赖性（BOLD）反应。

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图1

高对照闪烁棋盘任务用作初级视觉皮层区域的有力刺激。参与者盯着屏幕中央的十字架，每当十字架的亮度发生变化时，他们就会按键。

彩色字Stroop任务

参与者在功能磁共振成像期间执行第二项任务，即彩色Stroop任务(图2). 通过刺激冲突对心理运动反应的影响，这是一项公认的评估高要求认知过程的任务，包括注意力和执行控制过程。已知这些功能会因疾病而受损。该任务要求参与者说出单词刺激物的墨水颜色，在本例中，通过按下四个选择按钮进行响应。目标颜色词下面有四个可能的反应词（红色、黄色、绿色和蓝色）。随机显示目标词和反应词的顺序。参与者被要求使用与下面的回应词相对应的四按钮回应板，尽可能快速地回应目标词的颜色。在一致条件下，所有单词的字体颜色都与目标单词的墨水颜色和语义相匹配，而在不一致条件下则以与目标单词颜色和语义不一致的颜色打印单词。因此，在不一致的试验中，参与者必须克服对目标意义和反应选择墨水颜色的分心(图2). 目标和反应词均显示3000毫秒，之前显示2000毫秒的中央注视交叉。没有给出反馈。试验分为五个组，每组36个项目，组间休息时间为10000毫秒。不同区块之间不一致试验的百分比不同，从14%（两个区块）、28%（一个区块）到42%（两区块）不等，每个区块有17%的无效事件。

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图2

认知色字Stroop任务。参与者按下一个键，选择正确识别目标词打印颜色的响应词。一致和不一致条件分别给出，并在这里举例说明。在同余示例（上部面板）中，正确的响应为绿色。在这个不一致的例子中，需要更多的认知努力（下面板），正确的答案是红色。

结果

接种后的炎症细胞因子反应

在所有参与者中，伤寒疫苗接种引发了强烈的炎症反应，血浆IL-6从基线时的0.66±.38 pmol/L增加到3小时时的1.66±.86 pmol/L，增加了两倍以上(第页< .001) (图3). 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3)与实验压力的生理反应一致(11). 样本（基线和3小时）相互作用对IL-6有显著影响(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(4). 接种疫苗对参与者的核心体温也没有显著影响。

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图3

细胞因子对伤寒疫苗接种的反应。采用高灵敏度双位点ELISA法测量每次治疗开始时（基线）和肌肉注射伤寒疫苗或生理盐水安慰剂（扫描后）3小时后采集的血样中IL-6的血浆浓度。数据以疫苗（实线）和安慰剂（虚线）条件下每毫升血浆中IL-6±SEM的平均增加微克数表示(*第页< .001,n个= 16; 通过样品相互作用进行显著处理，F类= 7.98,第页=.013）.ELISA，酶联免疫吸附试验；IL-6、IL-6。

低水平视觉刺激时的外周炎症和神经反应

正如预期的那样，棋盘任务有效地激活了所有参与者的早期视觉皮层，通过V1中BOLD信号的变化来测量，反映了区域血管反应与诱发神经活动的变化。重要的是，与安慰剂组相比，我们观察到炎症（伤寒疫苗）期间早期视皮层中BOLD反应的大小没有差异，表明炎症对神经血管耦合没有一般影响(图4A） ●●●●。然而，我们观察到，在视觉刺激过程中，黑质内的神经反应发生了高度强烈（但未预测）的炎症相关变化(图4B） ●●●●。与安慰剂组相比，疫苗组黑质对视觉刺激（与非视觉刺激相比）的差异反应减弱(补充1). 值得注意的是，由于参与者在任务期间用右手做出反应，因此这种效应是左旋的。

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图4

低级视觉刺激任务中外周炎症对神经反应性的影响。（A）在棋盘格刺激期间，所有体素的平均BOLD信号变化（+SEM）概率分配给疫苗和安慰剂条件下的Brodmann区域17和18。在两种BA17中，视觉刺激的平均激活与炎症状态之间没有显著的相互作用(第页=.11）或BA18(第页=.34），证实炎症对神经血管耦合没有影响。（B）任务表现和炎症状态之间的相互作用显示，在执行跳棋任务时，左侧黑质内的BOLD信号发生了高度显著的变化(第页=0.002，在全脑家庭错误校正后第页=.05）.BA，布罗德曼地区；BOLD，血氧水平依赖性；FWE，家庭错误。

认知Stroop任务中的外周炎症和反应时表现

与一致的Stroop任务试验相比，所有参与者的反应时间和不一致的错误数量都显著增加[平均RT差异±SE=377.6毫秒±21.6，t吨(23) = 17.46,第页< .001; 平均差误差±SE=4.21±.66，t吨(23) = 6.38,第页< .001]. 接种疫苗不会影响Stroop任务绩效的行为测量；两种反应时间均无显著差异(第页=0.31）或错误数(第页=0.79）。然而，仅在疫苗条件下，IL-6水平（基线水平的平均增加）强烈预测了对一致和不一致Stroop刺激的反应时间（疫苗；第页= .82,第页<.001，安慰剂；第页=.253，ns），表明对伤寒疫苗有较大炎症反应（IL-6）的参与者反应时间显著延长(图5). 有趣的是，刺激冲突的程度与IL-6没有交互作用，因此，对于较难的不一致试验，IL-6相关的反应时间减慢与较容易的一致试验（不一致试验：第页= .72,第页=.006，一致性试验：第页= .83,第页< .001). 因此，接种疫苗后，炎症细胞因子IL-6的水平预示着运动对刺激的反应普遍减慢。此外，对不一致刺激的反应缺乏附加效应，这表明炎症对反应具有预知影响。由于反应错误较少（180次试验中有4次出现平均数错误），我们无法证明错误与IL-6水平之间存在显著关系。反应时间减慢与情绪或疾病症状的主观评分没有显著相关性。

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图5

伤寒疫苗IL-6应答与Stroop任务反应时间表现的关系。散点图显示了平均按键反应时间（以毫秒为单位）（将一致和不一致条件分组）与平均血浆IL-6对伤寒疫苗反应的函数（在基线和3小时之间增加）(第页= .82,第页< .001). IL-6、IL-6。

神经反应性、反应时间表现与外周炎症的关系

我们量化了在疫苗和安慰剂条件下Stroop任务期间反映刺激处理（一致和不一致刺激）的区域大脑活动。接下来，我们进行了相关分析，以确定IL-6反应更强烈的个体中更活跃的大脑区域。对伤寒疫苗IL-6反应更强烈的参与者显示，对Stroop刺激的左侧黑质神经反应增强(第页< .001,图6A）(补充2). 左侧黑质BOLD反应（以体素峰值为中心的8mm感兴趣区域）与伤寒疫苗IL-6反应的相关性(第页= .67,第页=.005）如所示图6B.在安慰剂状态下没有观察到这种关系(第页= .68).

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图6

IL-6对伤寒疫苗的反应预示着Stroop任务执行期间左侧黑质内的神经激活增强。（A）fMRI分析显示，在疫苗条件下执行认知Stroop任务时，左侧黑质内的BOLD活性升高（阈值第页<.001，如图所示第页<.005未修正）。（B）散点图说明了黑质活性（8 mm感兴趣区域内以MNI−12，−2，−8的峰值体素为中心的BOLD反应）与伤寒疫苗的平均IL-6反应之间的关系(第页=.005）.BOLD，血氧水平依赖性；功能磁共振成像；IL-6、IL-6；MNI，蒙特利尔神经研究所。

然后，我们对Stroop任务相关活动和个人平均反应时间之间的关系进行了类似的分析。我们对参与者的脑部成像分析发现，反应时间减慢与左黑质同一区域内BOLD活动变化之间存在显著相关性(图7A和​和7B；7B；感兴趣区域分析：第页= .60,第页=.03）。这些发现进一步暗示了黑质中脑区域在炎症的精神运动后果中的作用。在安慰剂组中未观察到这种关系(第页=71）。同样，由于反应误差的缺乏，我们无法证明区域神经（包括黑质）活动与Stroop任务的表现误差之间的预测关系。黑质活动与情绪或疾病症状的主观评分之间也没有相关性。值得注意的是，黑质内活动变化的位置反映了IL-6反应和精神运动减慢，与棋盘刺激期间观察到的更有力的效应相反。这一观察表明，在同一多巴胺能中脑核内存在功能性地形组织（行为性与知觉性）。

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图7

黑质活性增强预示反应时间减慢。认知Stroop任务的平均反应时间与同一感兴趣左黑质区域的神经活动显著相关。（A）左SN中BOLD反应的放大图像，与疫苗条件下的反应时间相关。（B）散点图说明了伤寒疫苗条件下黑质活性（以MNI−12，−2，−8的峰值体素为中心的8mm感兴趣区域内的BOLD反应）与平均反应时间之间的关系(第页=.03）.BOD，血氧水平依赖性；蒙特利尔神经病学研究所；SN，黑质。

讨论

这是第一项直接解决外周炎症心理运动后果背后的神经机制的实证研究。我们的研究结果提供了客观证据，证明了黑质功能的改变与周围炎症引起的疾病症状（尤其是精神运动迟缓）的产生之间的关系。在低水平视觉刺激和认知任务执行期间，黑质活动对简单运动任务（按钮按下）的执行都受到外周炎症刺激的调节。在认知Stroop任务中，这种效应在对伤寒疫苗有较大炎症IL-6反应的人中最为明显，并且IL-6反应和黑质内的活动都预示着运动反应的提前认知延长。这些影响的方向性值得注意。在棋盘格刺激任务中，炎症减弱了黑质内BOLD信号的正常下降，这是一个封闭的设计，并进行了分析。在Stroop任务中，以事件相关的方式进行分析（即与运动反应更直接地耦合），黑质信号随着反应时间的增加而增加。虽然这两种任务的结构差别很大，但较大的BOLD信号似乎反映了黑质内的功能扰动，其详细机制目前超出了功能磁共振成像的分辨率。

黑质是一个中脑核，与基底神经节系统整合在一起，是大脑中多巴胺的主要来源。黑质纹状体多巴胺通路在促进运动、刺激显著性的信号传递和驱动动机行为中起关键作用(12–14). 黑质多巴胺能投射神经元在纹状体靶区内释放多巴胺，以响应显著刺激，从而调节感觉运动过程和刺激值在大脑皮层、丘脑和杏仁核的表达(15). 增强多巴胺能神经传递的激动剂可以提高动物的运动反应速度，而纹状体多巴胺耗竭和选择性阻断多巴胺D1或D2受体会显著影响反应时任务的表现(13,16,17). 与我们的研究结果类似，任务表现受损是由于反应延迟延长，而不是反应准确性不足，这表明动机相对于执行能力的降低(16, 17). 然而，在接受干扰素-α（IFN-α）治疗的患者中，发现了与表现错误相关的中枢神经改变(18). 在健康老年人中，纹状体多巴胺转运体水平较低与运动反应较慢有关(19)而人类帕金森氏病中黑质纹状体多巴胺能神经元的丢失会导致运动行为启动的严重缺陷，多巴胺能药物可以缓解这种缺陷(20). 我们的结果通过将黑质与炎症细胞因子介导的疾病行为的精神运动成分联系起来，扩展了这些观察结果。

在动物模型和人类中，循环细胞因子升高与精神运动功能障碍相关。在啮齿类动物中，系统给予细菌脂多糖或炎性细胞因子（尤其是IL-1β）持续抑制运动和动机行为，导致不动时间增加，操作人员对食物奖励的反应减少，以及社交退缩(1). IL-6增强了外周血IL-1β对行为的抑制作用(21). 注射抗IL-6抗体可降低炎症激发的运动抑制作用(22,23)并在IL-6敲除小鼠中减弱(24). 我们的数据表明，人类外周炎症的行为效应是通过改变多巴胺能神经传递介导的。相应地，在啮齿类动物中，脑多巴胺水平通过外周给予IFN-α（IL-6的有效诱导剂）和其他炎性细胞因子来调节(25,26). 接受IFN-α免疫治疗的人类患者出现精神运动减慢和疲劳(三). 这些症状与纹状体糖代谢异常相关，提示多巴胺能信号调节异常(27). 临床抑郁症患者的循环IL-6升高，纹状体多巴胺能神经递质改变，精神运动减慢(28,29). 我们的新发现为人类多巴胺系统参与外周炎症的行为后果提供了直接的经验证据，突出了IL-6和黑质神经活动在感染相关精神运动障碍中的作用。

疾病行为可以被视为一种中心介导的动机状态的表现，这种动机状态重新组织有机体的优先次序以促进生存(2). 因此，在感染期间，精神运动减慢可以最大限度地减少能量消耗并保存热量，从而增强免疫功能。因此，细胞因子诱导的疾病反映在大鼠为获得蔗糖奖励而进行的杠杆按压次数减少(30). 这些动机变化在多巴胺缺乏大鼠身上得到了反映，这也减少了对偏爱食物的杠杆压力，同时增加了同时可获得的实验食物的摄入量，从而重新定向到不太费力的觅食行为(31). 在动物身上，这种仍然能够启动正常反应的行为努力无法维持的情况表明，激励显著性的表征发生了变化(13). 在人类中，多巴胺拮抗剂可以削弱腹侧纹状体中与奖励相关的反应，并减少获得奖励的行为努力(32). 帕金森病患者也出现类似的动机缺陷(13). 我们目前的研究结果表明，与运动反应性变化一样，疾病行为中不可或缺的动机和激励显著性变化可能是由发炎引起的黑质多巴胺能神经调节的改变引起的。

控制行为的大脑系统可能通过一系列离散的途径受到外周炎症和细胞因子的影响，包括迷走神经或脊髓内感受传入的激活，细胞因子在缺乏血脑屏障的区域被动扩散到脑脊液中，或通过细胞因子特异性转运分子跨脑内皮细胞的主动转运(1). 啮齿类动物的证据表明迷走神经传入参与早期炎症反应的快速中枢通讯和疾病行为的调节(33–35). 细胞因子受体由聚集在迷走神经神经鞘周围的巨噬细胞和树突状细胞表达(36)在迷走神经感觉传入末梢，循环细胞因子可以刺激迷走神经活动(36). 脂多糖介导的大鼠外周炎症诱导导致迷走神经初级中央投射区（孤束核[NTS]）快速（60分钟内）激活，继而激活次级迷走神经投射区，包括臂旁核、室旁核和下丘脑核，杏仁核和终纹床核(33). 迷走神经切断术减弱了这种对周围炎症挑战的分布式神经反应，并阻断了相应的疾病行为(34). 这些数据表明迷走神经在本研究中观察到的炎症反应的早期中枢通讯中很重要。

动物模型表明，慢性外周炎症也可能导致包括NTS在内的脑干细胞核内小胶质细胞中炎性细胞因子的表达(33–35). 这些反应通常是短暂的，并受到抗炎细胞因子和内源性糖皮质激素的严格调节(1). 然而，在某些神经退行性疾病中，产生细胞因子的小胶质细胞可能被激活，导致过度炎症反应，从而促进神经损伤和行为缺陷(37–40). 黑质包含大脑中密度最大的小胶质细胞，因此特别容易受到慢性炎症反应的影响(41). 在帕金森氏病啮齿动物模型中，黑质内的小胶质细胞激活和细胞因子释放先于神经细胞丢失，并与帕金森氏症患者的疾病进展指数相关(42–44). 我们自己对急性炎症诱导的黑质功能完整性改变的观察，与外周细胞因子反应和精神运动改变有关，进一步强调了该区域对炎症影响的内在脆弱性。

综上所述，我们的研究结果为炎症与神经认知表现之间的相互作用提供了机制性见解，涉及循环细胞因子和中脑多巴胺能核在调节全身感染的精神运动后果中的作用。了解外周免疫刺激与神经活动和心理健康之间的联系机制，对于制定干预措施至关重要，这些干预措施旨在控制感染期间出现的行为和抑郁症状，是动脉粥样硬化等多种炎症疾病的常见共病，肥胖和癌症。我们的研究结果也可能与了解全身炎症可加剧帕金森氏病等神经退行性疾病的行为缺陷和疾病进展的机制有关。

致谢

脚注

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