炎症通过改变膝下扣带回活动和中边缘连接引起情绪变化

摘要

临床和动物研究表明，全身炎症与抑郁症的发病机制有关(1). 在健康哺乳动物中，全身感染会引发深刻的行为改变，包括认知和情绪症状（例如，记忆障碍、快感减退、焦虑、抑郁）、动机改变（厌食症、失食症）和神经营养症状（睡眠障碍、精神运动减慢）(2–4)称为疾病行为。动物和人类的研究表明，炎性细胞因子通过将外周炎症传递给大脑，在介导这些与疾病相关的行为方面发挥着中心作用。这些细胞因子诱导的疾病行为显示出与抑郁症症状惊人的相似性(5)这可能是内科疾病患者抑郁发生率高的原因，尤其是那些感染、自身免疫、组织损伤或恶性肿瘤继发炎症或免疫激活的患者。

在啮齿动物中，全身注射白细胞介素（IL）-1β或细菌脂多糖（LPS），这是一种强有力的细胞因子释放刺激物，可以迅速诱发抑郁样综合征，其特征是积极主动的接近行为减少，如探索、社交和食物奖励的操作行为(6–9). 用两种脂多糖诱导健康人体炎症的类似实验(4)或伤寒疫苗接种(10,11)急性诱发疲劳、精神运动减慢、轻度认知混乱、记忆力减退、焦虑和情绪恶化等症状，反映出抑郁症的特征。此外，长期或反复服用干扰素（IFN）-α治疗的患者显示，炎症细胞因子可在多达50%的个体中诱发真正的重度抑郁发作(12). 此外，在重度抑郁症（MDD）患者中，存在高水平的促炎细胞因子（尤其是IL-6）(13)和急性期蛋白(14)提示即使在没有疾病的情况下，炎症介质也可能参与抑郁症的病理生理学。

抑郁症越来越被认为是一种涉及动机改变的多成分疾病；认知、注意力、记忆和情绪障碍；以及食欲紊乱、睡眠和性功能障碍等生物学特征。因此，有趣的是，在多周内反复使用干扰素-α诱导的临床抑郁症的不同特征似乎随着特定的时间进程而发展(12,15). “神经营养”症状，如疲劳、精神运动迟缓、厌食症和睡眠障碍，通常在开始IFN-α治疗后2周内出现(12)而用临床抑郁量表评估的抑郁情绪、快感丧失、焦虑、易怒、记忆和注意力障碍的主观报告通常在干扰素-α治疗的第一个月和第三个月后出现(12). 炎症相关临床抑郁症个体特征差异演变的神经生物学基础目前尚不明确；然而，急性炎症能够迅速诱发多种抑郁样症状，这表明免疫系统可以快速调节中枢神经回路，以组织和重组复杂的动机行为，从而可能导致情绪障碍的形成。

在本杂志发表的另一篇报告中，我们使用功能性磁共振成像（fMRI）显示伤寒沙门菌疫苗诱导的炎症调节代表身体内部状态的大脑区域层次的活动(16). 这些在人类参与者身上的观察结果与啮齿动物研究一致，啮齿动物的研究表明，细胞因子作用于自主传入神经，在炎症早期调节动机重新定向(17,18). 此外，这项研究和最近的另一项研究表明，疲劳和精神运动迟缓与脑岛内活动的相应变化有关(16)和黑质(19).

本研究旨在探讨炎症通过影响情绪处理而导致情绪急性恶化的神经生物学机制。特别是，我们希望研究情绪募集回路中炎症相关的恶化是否与抑郁症的病理生理学有关。作为情绪处理的模型，我们选择了一种面部感知任务的变体，已知该任务会以情绪依赖的方式激活杏仁核、颞上沟（STS）和梭形皮层(20).

方法和材料

从伦敦大学学院（UCL）校园广告中招募了16名健康男性学生，平均年龄（±SD）24.9（±4.8）岁。其中10人是白种人，3人是印度人，2人是亚洲人，1人是拉丁美洲人。志愿者由精神科医生（NAH）进行审查，并筛查任何相关的身体或精神疾病史。一名参与者有花粉热病史，另一名参与者对贝类过敏。四名参与者将其总体健康状况评定为优秀，7名非常好，5名良好。没有参与者将他们的总体健康评定为较差或一般。所有患者均无药物治疗，在前2周内未使用非甾体或甾体炎性药物，均为非吸烟者。不包括3年内接种伤寒疫苗或6个月内接种其他疫苗的志愿者。研究人员建议参与者在测试前12小时内不要饮用含咖啡因的饮料或酒精，避免高脂肪饮食，并避免过度运动。他们被要求在测试前14天内不要服用阿司匹林、布洛芬或抗生素。向受试者完整描述研究后，获得书面知情同意书。程序由伦敦大学学院/伦敦大学学院联合医院道德委员会批准。其他地方也报告了同一组参与者的调查结果(19,16).

我们采用了一种随机、双盲、交叉重复测量设计，所有参与者在两个单独的疗程中进行成像，如前所述，平均间隔7天(16). 在第一次治疗中，参与者被随机分配到两种实验条件中的一种（伤寒疫苗或安慰剂）。采集基线血样；然后注射0.025 mg伤寒沙门菌将胶囊多糖疫苗（Typhim Vi，Aventis Pasteur MSD，Berkshire，United Kingdom）或.5 mL生理盐水安慰剂肌肉注射到三角肌。注射后2小时，在60分钟内进行功能磁共振成像。在每节课中，参与者执行三项任务。本文主要关注在隐式面部情感处理任务中获取的数据。扫描后立即采集第二份血样（注射后3小时）进行细胞因子测量。在基线检查时以及2小时和3小时时使用舌下数字温度计评估体温。请参阅图1研究时间表。第二次治疗是相同的，只是参与者接受了另一次注射（即，如果他们之前接受过生理盐水，则接种伤寒疫苗，反之亦然）。

情绪和其他心理症状用改良版的情绪状态档案（POMS）进行评估(21). 这由36个项目组成，每个项目都按照五分制评分（0=一点也不得分，4=得分极高）。从POMS的活力、紧张-焦虑、抑郁-喷射和困惑量表中抽取6个项目，从疲劳量表中选取5个项目。此外，还有四个症状（发烧、关节疼痛、恶心和头痛）和三个补充项目。参与者被要求评价他们当时的感受。五个POMS子量表的得分是通过计算各个项目的评分总和来计算的。情绪总分是通过POMS评分手册中详细说明的标准方法得出的，即从活力评分中减去负面评分（紧张焦虑、抑郁沮丧、困惑和疲劳）(21). 值得注意的是，这种方法产生了一个综合的情绪总分，它对认知情绪和神经营养因子对情绪的影响变化很敏感。

我们采用了一种带有标准伤寒的轻度实验性炎症模型(伤寒沙门菌)先前已证明的疫苗接种可诱导低水平的toll-like-receptor-4介导的炎症细胞因子反应（与外周IL-6水平约翻一番有关，峰值在2至3小时之间）(22)和短暂的负面情绪（注射后1.5–3小时达到峰值）(10,11). 注射.025 mg伤寒沙门菌由合格医生（NAH）将疫苗（Typhim Vi，Aventis Pasteur MSD）或0.9%氯化钠安慰剂在相同的2-mL注射器中肌肉注射到三角肌。两种注射均无并发症。

在基线检查时以及注射疫苗和安慰剂后3小时分别进行静脉穿刺。将血液（10 mL）吸入含有乙二胺四乙酸（EDTA）抗凝剂的Vacutainer管（Becton Dickinson and Company，Franklin Lakes，New Jersey）中，在1250℃立即离心克在室温下保持10分钟。在分析之前，去除血浆，进行校准，并在−70°C下冷冻。采用高灵敏度双位点酶联免疫吸附试验（ELISA）（英国牛津研发系统公司）评估血浆IL-6和肿瘤坏死因子α（TNF-α）。IL-6试验的检测限为.09 pg/mL，试验内和试验间变异系数（CV）分别为5.3%和9.2%。TNF-α试验的检测限为.10 pg/mL，试验内和试验间CV分别为6.9%和8.4%。通过R&D Systems的商业ELISA测定血浆IL-1RA浓度。该试验的检测限为15 pg/mL，组间和组内CV小于10%。在基线检查时、2小时和3小时（英国莱斯特萨尔斯特萨利维特斯）用棉花牙卷收集唾液皮质醇，并用荧光检测时间分辨免疫分析法进行分析。组内和组间变异性<8%。

标准化面部表情系列中的二十张脸（10名男性）（卡罗琳斯卡定向表情面部表情集[KDEF]）(23)被选中的人表现出高兴、悲伤、愤怒和中立的表情。每个面部以随机顺序呈现500毫秒，试验间隔为3400毫秒。每个识别-表达组合被呈现4次，以及48个基线试验（交叉头发固定）。注射疫苗和生理盐水安慰剂后使用相同的刺激组。参与者执行了一项附带的年龄判断任务：如果年龄大于或小于25岁，则用右手反应板指示。选择正交任务和短刺激呈现来诱发附带的情感加工，先前的数据表明可能先于显性加工(24).

采用梯度回波单次回波平面成像技术，在配备标准头套的1.5-T西门子Sonata（德国埃朗根西门子股份公司医疗解决方案）扫描仪上获取T2*加权图像体积。使用外部约束来最大限度地减少头部运动。我们获得了284个体积，每个体积有44个切片（连续的2mm切片，层间间隙为1mm，回声时间为40msec：空间分辨率为3mm×3mm×3m）。切片与耳间平面倾斜−30°，以减少因额窦敏感性伪影而引起的眼眶前额脱落(25). 还获得了高分辨率反演回波平面图像，以帮助图像配准。

fMRI数据用SPM5进行分析(网址：http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm). 丢弃前5个体积，以允许T1平衡。使用标准SPM方法，使用8-mm全宽半最大高斯核对单个扫描进行重新对齐、去毛刺、归一化和空间平滑。将高通频率滤波器（截止120秒）和连续扫描之间的自相关校正（自回归[AR]1）应用于时间序列。每个事件都由整个大脑中每个体素的标准合成血流动力学响应函数建模。中性、高兴、悲伤和愤怒的面部表情被建模为单独的回归变量。包括空白事件（15%的呈现），以便于识别随机顺序刺激的血液动力学反应。

一级个性化设计矩阵以以下方式估计：在一般线性模型中，以离散对比度的SPM形式，在疫苗接种和安慰剂条件下，以体素为基础计算每个参与者的任务效果（观看快乐、悲伤、愤怒和中性的面部表情）。随后采用4（情绪表达）×2（炎症状态）析因设计对SPM对比图像进行二级分析，以对人群影响进行正式推断。

观察面部表情（在疫苗和安慰剂条件下）的主要影响是在二级方差分析中计算的，方差分析包括每个情绪表情的个体对比。双侧梭状回（梭状面区[FFA]）和STS中的功能激活簇在以下家族错误校正阈值（FWE）下被识别第页<.05并使用图像分析包MarsBaR提取(26). 来自同一包装的解剖定位仪用于双侧杏仁核。通过从每个区域的峰值体素中提取对比度估计值，并在SPSS（SPSS，芝加哥，伊利诺伊州）中进行4（情绪表达）×2（炎症状态）重复测量方差分析，确定炎症对每个区域活动的影响。

然后，我们进行了受试者之间的分析，以确定情绪面部表情的内隐观察的反应作为炎症相关总情绪变化的一个功能而被调节的区域。这项全脑回归分析使用面部情绪表达的个体激活图（与内隐基线相比）进行，炎症相关情绪变化作为受试者之间的因变量。报告了STS、FFA和杏仁核在未校正和严格的小体积FWE校正阈值下的结果。

根据梅伯格先前的研究，我们扩展了这一方法，以确定炎症相关情绪变化对先前与抑郁症病因相关的大脑区域的影响，靶向特定的皮层（sACC、内侧前额叶、前扣带回）和皮层下（丘脑、伏隔核）感兴趣的区域等。(27)和其他。这项受试者之间的全脑回归分析（以炎症相关的总情绪变化为因变量）确定，双侧sACC与炎症相关的总体情绪恶化表现出最强的正相关，这与之前关于抑郁症神经生物学基础的分析一致(27)和无快感(28). 值得注意的是，在未校正的阈值为第页<.001，10个连续体素。

接下来，我们进行了有效的连通性分析，以测试与sACC活动（生理变量）和报告的总情绪（心理变量）之间的心理生理交互作用（PPI）相关的区域间神经连通性的变化（即，哪些大脑区域以情绪依赖的方式增加或减少与sACC的连接）。报告了未经校正和严格的全脑或感兴趣区域的结果，很少对多次比较进行校正。最后，我们使用外周细胞因子反应（IL-6）作为外周炎症的指标，进行相关分析，以确定外周细胞素对情绪面孔处理的影响，其与炎症相关情绪变化的相互作用，以及sACC的情绪依赖性连接性。

结果

与安慰剂注射相比，参与者在伤寒疫苗接种后3小时的血清IL-6显著增加（平均差异[±SE]疫苗1.00[±.21]pmol/L与安慰剂.27[±.13]pmol/L）[配对t吨(15) = 2.84,第页=0.01]，证实了强烈的炎症反应。疫苗接种后血清IL-1RA和TNF-α的增加没有达到显著性，第页>.05（参见图1在我们的附文中[16]). 此前没有受试者接种过伤寒疫苗，因此这些疫苗反映了初级免疫反应。接种疫苗和伤寒患者的唾液皮质醇和核心体温随时间的变化没有显著差异，尽管两者在两种情况下均随时间显著降低（参见随附的补充1[16]). 值得注意的是，这种温度降低可能是由于在凉爽的扫描环境中放置了1小时。唾液皮质醇平均变化（±SE）：疫苗−2.85（±3.31）nmol/L，安慰剂−5.63（±1.76）nmol/L[配对t吨(15) = .71,第页= .49]. 平均体温变化：疫苗−.71℃（±.14℃），安慰剂−.46℃（±0.19℃）[配对t吨(15) = 1.13,第页= .28].

参与者报告在接种疫苗3小时后总情绪显著恶化[单尾配对t吨(15) = 1.86,第页=.041]但服用安慰剂后没有[t吨(15) = 1.43第页=纳秒]；这与之前两项研究的结果一致，这两项研究报告了POMS对伤寒疫苗接种的总情绪反应(10,11). 在基线检查时，受试者表现出较高的积极活力得分和较低的消极评分，表明受试者普遍处于积极情绪中。正如之前所观察到的那样，更消极的总情绪与更高的特质焦虑相关(10). 对有助于POMS总情绪得分的子量表的检查表明，情绪/认知（混乱）和神经营养（疲劳）症状的增加都会导致总情绪得分中炎症相关的变化。炎症相关紧张焦虑的增加对情绪总分变化的贡献较小。抑郁和活力分量表的变化几乎没有影响，这表明总体情绪中与炎症相关的变化在很大程度上反映了困惑、疲劳和较小程度的紧张焦虑的增加，而不是抑郁或活力的增加（见[16]). 虽然我们没有观察到总情绪变化与IL-6反应量之间的显著线性相关性，但在IL-6反应最大的个体中，情绪有更大恶化的趋势[T型(15) = −1.77,第页= .099,第页= −.43]. 疫苗对包括发烧、恶心、关节疼痛或头痛在内的疾病症状分级没有影响。

查看所有面部表情（包括安慰剂和疫苗条件）会激活支持情绪面部感知的大脑区域，包括面部选择性梭形皮层(29)颞上沟和双侧杏仁核(表1). 额外的任务特定激活，在相同的严格FEW-corrected阈值下，第页<0.05见于初级视觉、感觉运动、脑岛、运动前区、背侧前扣带回和右背外侧前额叶皮质（DLPFC）。

与中性表达相比，情绪表达与左侧杏仁核和双侧颞上沟的活动显著增强有关，这些区域以前与观看情绪化面孔有关。纺锤形皮层面部选择区域的活性没有显著差异(表2)，符合任务的偶然性。纺锤形脸皮层活动的二次情绪增强在很大程度上依赖于任务，一些研究报告了这种影响(30)其他没有(31). 炎症对右侧STS对观看情绪面部表情的反应有轻微影响[F类(15,1) = 4.37,第页=0.055]对报告中的任何其他面部反应区域的活动没有显著影响表1.

炎症后3小时总情绪的显著恶化（而不是安慰剂）与sACC（包括细胞结构定义的Cg25）、蒙特利尔神经研究所坐标（−2，22，−28）内对情绪面部表情的诱发反应增强高度相关(图2A和​和2B，2B、，表3). 该区域与抑郁症的神经生物学机制以及通过脑深部刺激成功治疗抑郁症的靶点密切相关(图2C） ●●●●。杏仁核是处理面部情绪信息的关键区域，其活动相应减弱(表1). sACC活动反映了情绪面部表情处理与炎症相关的总情绪变化之间的相互作用，而不是作为情绪面部处理的主要影响。

我们用连接性分析方法（PPI）扩展了这种相互作用的研究。具体来说，我们首先确定了大脑中处理情绪面孔的活动变化与sACC活动（有效连接）相关的区域，然后研究了炎症相关的总情绪变化如何调节与sACC的连接(表3). 外周炎症后总体情绪恶化最严重的个体显示，sACC与前嘴内侧前额叶皮质（arMPFC）、（Brodmann区[BA]32、BA10）、MNI坐标（10、48、8）、伏隔核活动之间的功能关系显著降低(图3B和​和3A，三A、 分别），右杏仁核，STS(图3C） 和FFA。情绪相关回路中没有一个先验区域显示与sACC的连接增加，抑郁增强。

最后，我们研究了外周炎症细胞因子水平（IL-6）是否影响sACC活性或其情绪依赖性连接。虽然循环IL-6水平与sACC内（或任何其他脑区）对情绪面孔的神经反应没有直接关联，但它确实对sACC与右杏仁核的情绪依赖性连接有调节作用(R（右）²= .49,第页=0.004），伏隔核(R（右）²= .33,第页=.025），arMPFC(R（右）²= .37,第页=.016），右STS(R（右）²= .31,第页= .032).

讨论

本研究的结果表明，在正常健康男性志愿者中，伤寒疫苗诱导的实验性炎症会在3小时内显著增加促炎细胞因子（IL-6），并降低情绪的综合测量值（包括认知情绪和神经营养成分）。这与体温升高、唾液皮质醇升高或疾病症状分级（包括发烧、恶心和关节疼痛）无关，表明总情绪降低可能是相关细胞因子反应的直接结果。正如之前所观察到的，这种情绪测量中对炎症相关恶化的更高敏感性与更高的焦虑相关(10). 这与有关临床抑郁症易感因素的广泛文献一致(32)以及IFN-α诱导抑郁症的研究，其中人格特征预测患者在丙型肝炎或恶性黑色素瘤治疗期间最易患抑郁症(33).

来自功能性脑成像、治疗和损伤研究的证据已导致将抑郁症概念化为影响离散但功能整合路径的多维系统级障碍(34,35). sACC越来越被认为是情绪调节功能和解剖模型的关键节点(36)以及情绪处理的协调。它也与MDD的病理生理学密切相关(37). 抑郁症患者sACC活性的增加也被证明与选择性5-羟色胺再摄取抑制剂治疗抑郁症的成功逆转(38,39)，脑深部刺激(27,40)相邻白质束，甚至安慰剂(39). 因此，令人惊讶的是，炎症相关的总情绪恶化与sACC中情绪面部表情诱发的活动相关。炎症激发后3小时内发生的sACC活性的这些早期情绪依赖性变化表明，这种复合情绪测量中的炎症相关变化征募了类似于原发性抑郁症的神经回路。细胞因子相关情绪变化对选择性血清素再摄取抑制剂治疗的反应性也支持了这一点。

我们的连接性分析表明，与情绪调节的理论模型一致，总情绪的炎症相关变化调节了sACC和伏隔核的连接力，有效连接性的降低预示着总情绪的进一步恶化。这些发现支持了动物研究表明，炎症相关的积极动机、抑郁行为的减少与伏隔核活动的减少相关(8). 在我们的研究中，伏隔核活动的情绪依赖性调节突显了炎症通过改变sACC对奖赏相关脑区的影响来调节享乐音调的潜在机制，并可能是抑郁症另一个核心特征享乐障碍的基础(28).

炎症相关的整体情绪恶化也与杏仁核活动显著减少有关，杏仁核是处理面部情绪信息的中心区域。连通性分析还显示，炎症相关的情绪变化调节了sACC和arMPFC之间的连通性，后者是思考他人时激活的区域，而右侧STS和杏仁核则是处理面部社交/情感信息的区域。这些变化可能是与急性病相关的社会行为显著减少的基础，可能反映了注意力集中的内在自我取向(9)炎症相关情绪变化相关症状的异质性。有趣的是，抑郁症通常与杏仁核活动增加有关(41)面对情绪化的面孔(42)这表明持续的情绪变化可能会调节这个电路中的连通性。值得注意的是，我们对异质性情绪相关症状敏感的情绪变化综合测量也揭示了与sACC相关的区域网络内活动的调节，而sACC本身就涉及整合情绪稳态的多个组成部分。未来的研究应该关注炎症对这些回路中每一个的不同影响是否是与重复和延长细胞因子给药相关的抑郁症个体成分时间演变差异的基础。

在本研究中，外周细胞因子水平（IL-6）与炎症相关情绪恶化之间的相关性没有达到显著水平，尽管这些IL-6反应最强的受试者有报告总情绪恶化程度更大的趋势[t吨(15) = −1.77,第页= .099,第页= −.43]. 之前，Wright等。(11)在伤寒疫苗炎症模型和POMS总情绪评分相同的情况下，IL-6反应和主观情绪恶化之间存在显著相关性，且影响大小相似。然而，这项研究使用了30名健康男性志愿者的较大样本。我们研究中诱发的炎症反应也不能直接预测sACC内活动量的变化，这是一项关于哮喘受试者对炎症激发的TNF-α反应的报告(43). 然而，IL-6反应确实影响了sACC与杏仁核、arMPFC、伏隔核和STS的情绪依赖性连接，表明炎症相关的总情绪恶化是通过调节sACC和奖赏、情绪和社会处理调节中心的连接而产生的。似乎外周炎症介质对sACC活性的更直接影响可能被参与者的体质差异所掩盖，包括性别和年龄（我们当前的研究是在年轻健康男性受试者中进行的，而Rosenkranz的研究人群等。[43]哮喘患者中50%为女性）。这个问题需要在未来对更大和更异质的人群进行的研究中加以解决。

我们的发现为疾病行为的异质情绪相关成分提供了一个机制神经生物学解释，并为MDD和疾病相关情绪变化和抑郁提供了共同的病理生理学基础。据推测，这些观察结果表明，在疾病期间支持适应性动机重新定向的中枢神经生物回路可能在临床抑郁症期间被“劫持”。

致谢

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