细胞因子诱导的抑郁情绪和社交疼痛的功能磁共振成像研究：性别差异的作用

参与者

39名参与者完成了研究（20名女性；平均年龄21.8±3.4岁；年龄范围18-36岁；平均体重72.6±13.0 kg；年龄范围47.0-98.2 kg），其中36名参与者完成神经成像疗程（20名接受内毒素治疗，16名接受安慰剂治疗；每种情况下，男性和女性人数相等）。未接受扫描的三名参与者是试验参与者，他们接受了内毒素检查，但没有完成神经成像课程，以确保参与者能够离开加州大学洛杉矶分校临床研究中心（GCRC），在没有护士监督的情况下完成神经成像课。

参与者是从加州大学洛杉矶分校医学中心发布的传单和校园报纸上发布的广告中招募的。通过结构化电话访谈，患有以下症状的潜在参与者被排除在外：幽闭恐怖症或体内金属（与研究的神经成像部分相关）、慢性精神或身体疾病、严重的身体或心理健康问题、过敏史、自身免疫性疾病、肝脏、，或其他严重的慢性病，目前使用的处方药，夜班工作或前6周内的时区轮班（>3小时）。参与者也必须是右撇子。

电话面试后，如果仍然合格，参与者将完成额外的面对面筛选面试，以确保有资格参加研究。参与者因完成此次筛选会议而获得20美元。在这一环节中，一位经过培训的采访者与参与者一起回顾了研究程序，包括内毒素的后果和可能出现的症状类型。在此之后，参与者被问及一系列关于身体健康和药物使用的问题。参与者随后完成了DSM障碍结构化临床访谈（SCID；First等人，1996年)确保他们没有心理健康问题。最后，测量身高和体重，评估生命体征（如体温、心率、血压），收集尿样以检查药物使用情况（大麻、鸦片制剂、可卡因、安非他明、甲基苯丙胺），如果是女性，则抽血筛查怀孕情况。进行了筛查实验室检查，包括完整的血细胞计数、化学组和肝功能测试。此外，任何参与者：1）BMI大于30，2）报告身体健康问题或药物使用，3）根据SCID评估证明存在Axis I精神障碍，4）尿检呈阳性，5）妊娠试验呈阳性，如果是女性，或6）显示其筛选实验室测试中的任何异常均不符合研究条件。最后的样本是39%的欧美人、18%的亚洲人、18%的西班牙裔、7%的非洲裔美国人和18%的“其他人”。实验程序由加州大学洛杉矶分校人类受试者保护委员会批准。

程序

该研究在加州大学洛杉矶分校GCRC进行，采用随机、双盲、安慰剂对照设计。参与者于上午7:30（n=31）或8:30（n=8）到达加州大学洛杉矶分校GCRC，并被分配到单人或双人房间的床上。到达后，收集尿样并进行药物使用和妊娠测试，以确保继续有资格参与研究。没有参与者的测试结果呈阳性。完成后，参与者开始研究程序。

GCRC的一名护士对这种情况一无所知，她获得了基线生命体征（血压、脉搏、体温）以及身高和体重。然后，护士将一根带肝素锁的导管插入主要前臂（右），每小时抽血一次，将一根导管插入非主要前臂，进行连续盐水冲洗和给药。导管就位后，护士开始滴生理盐水，以保持参与者水分充足（1000cc生理盐水，150cc/hr）；在整个研究过程中，除了参与者离开去完成神经成像疗程外，都在继续输注生理盐水。参与者在服用药物或安慰剂之前完成一些人口统计学调查问卷并吃一顿清淡的早餐，以此开始这项研究。

到达GCRC后90分钟，每位参与者被随机分配接受内毒素（0.8纳克/千克体重）或安慰剂（相同体积的0.9%生理盐水），由护士静脉注射。本研究中使用的内毒素来源于大肠杆菌(大肠杆菌O组：113），由美国国立卫生研究院临床中心提供，作为人体实验性炎症研究的参考内毒素(Suffredini等人，1999年). 以前的研究已经证明在许多不同的样品中安全使用这种参考内毒素(Andreasen等人，2008年;苏弗雷迪尼和奥格雷迪，1999年). 两组之间在年龄、教育年限或体重方面没有发现显著差异。

在整个研究过程中，每半小时对生命体征（血压、脉搏和体温）进行一次评估（神经成像期间除外），并在基线检查时采集血样（两次基线检查：上午8:30和8:45或上午9:30和9:45，取决于开始时间）然后在接下来的六个小时里，大约每小时一次。随后对这些抽血进行了IL-6和皮质醇水平的检测，此前已证明，这些水平随着内毒素的作用而升高(Reichenberg等人，2001年). 此外，随后对基线抽血进行雌二醇和孕酮水平分析，以控制女性月经周期的阶段。参与者还完成了每次抽血时身体症状（如肌肉疼痛、疲劳）和抑郁情绪的自我报告测量。

注射后约两小时，即先前研究显示促炎细胞因子达到峰值时(Krabbe等人，2005年;Reichenberg等人，2001年;Suffredini等人，1999年;Wright等人，2005年)，参与者完成了一次神经移植课程。参与者被护送至加州大学洛杉矶分校大脑映射中心，在那里他们在扫描仪中完成了Cyberball社交排斥任务（详见fMRI范式）。神经成像课程结束后，参与者返回GCRC，吃午饭，并完成剩余的研究程序。出于安全原因，研究医生（M.I.）知道每个参与者的分组，但没有参与测试程序。研究医生在每次实验期间都会随时待命。经研究医生批准，参与者在最后一次抽血后从GCRC出院；如果自我报告的身体和心理症状恢复到基线水平，则获得批准。因此，所有参与者离开研究时的感觉与开始时一样好。在研究结束时，参与者得到了感谢、汇报，并为他们的参与支付了费用（200美元）。

行为评估

fMRI范式

为了评估对社会排斥的神经认知反应，参与者在完成Cyberball社会排斥任务时进行了扫描，扫描方式与之前的工作类似(Eisenberger等人，2003年,2007;Williams等人，2000年). 在GCRC期间（内毒素/安慰剂给药后），参与者被告知，他们稍后将被护送到加州大学洛杉矶分校脑标测中心，在那里他们将完成神经成像课程。据解释，在本次会议期间，他们将与另外两名同样在fMRI扫描仪中的人玩一个虚拟的击球游戏。然而，事实上，没有其他玩家；参与者玩一个预设的电脑程序。为了支持参与者与其他两人一起玩的封面故事，参与者（仍在GCRC）被要求填写一份简短的问卷，在问卷中回答关于他们自己的问题（例如，“你将来想从事什么职业？”“你的爱好或其他兴趣是什么？”）并被告知，其他两名玩家会看到他们的答案，他们会在扫描之前看到其他两名球员的答案。到达加州大学洛杉矶分校脑图中心后，每个受试者阅读另外两个假定受试者对这些问题的答案；事实上，这些问卷都是提前写好的，每个受试者都读了相同的问卷。

在阅读了其他假定受试者的问卷后，参与者被安置在扫描仪中，并进行了网络游戏。每个游戏开始时，屏幕上角有两个虚拟玩家的静态图片，屏幕中下角有一只代表参与者的手。9秒后，左上角的卡通玩家开始游戏，将球扔给其他卡通玩家或参与者。参与者可以按下右手按钮盒上的两个键中的一个，将球交还给其中一名球员。Cyberball程序设置为每场比赛60次投球，电脑玩家在投球前等待0.5-3.0秒（随机确定），以增强参与者实际上是在和其他人一起玩的感觉。

在任务期间，参与者完成了两次扫描。在第一次扫描（包括）中，参与者在整个扫描期间与其他两名球员一起玩，每个虚拟球员向参与者投掷约50%的球。在第二次扫描（排除）中，参与者只接受了总共十次投掷的球，然后在剩下的扫描中，当两名球员停止向参与者投掷球时（50-70秒），参与者被排除在外。尽管在参与者之间平衡纳入和排除扫描的顺序是理想的，但这很可能改变了被试拒绝心理体验的含义。因此，为了确保有意义的排除体验，所有受试者首先完成了包括扫描。

fMRI数据采集和数据分析

数据通过西门子Allegra 3T正面扫描仪采集。用泡沫垫和外科胶带在每位参与者的额头上固定头部运动。每个参与者的高分辨率结构T2加权回波平面成像体积（自旋回波；TR=5000ms；TE=33ms；矩阵大小128×128；36个轴向切片；视野=20-cm；3-mm厚，跳跃1-mm）与功能扫描共面。采集两次功能扫描（回波平面T2*加权梯度回波，TR=2000ms，TE=25ms，翻转角度=90°，矩阵尺寸64×64，36个轴向切片，视野=20-cm；3-mm厚，跳跃1-mm），每次持续2分48秒。

使用SPM’5（英国伦敦神经病学研究所威康认知神经病学系）对影像数据进行分析。对每个受试者的图像进行重新校准，以纠正头部运动，将其归一化为标准立体定向空间，并使用8mm高斯核（最大宽度为一半）进行平滑处理，以提高信噪比。该设计采用与典型血流动力学响应函数卷积的箱形函数进行建模。对于每个参与者，根据参与者的包含和排除事件的长度，将包含和排除的时间建模为时间段（由于虚拟球员在投球时的随机延迟以及受试者自己返回投球的反应时间，参与者之间的时间略有不同）。在对每个参与者的任务进行建模后，将计划的比较计算为线性对比，以调查排除事件与包含事件之间的神经活动。使用为每个参与者生成的对比度图像计算该组的随机效应分析。

血浆IL-6、皮质醇、雌二醇和孕酮水平

血浆样本收集在含有乙二胺四乙酸钠和抑肽酶的预冷试管中，立即离心、校准并放置在-70°F的冰箱中。采用高灵敏度酶联免疫吸附测定法（明尼苏达州明尼阿波利斯R&D Systems）定量血浆IL-6水平。所有样品均重复运行，并在同一时间进行分析，单个操作员使用单个批次的试剂和消耗品，所有变量的组内变异系数均小于5%。使用DPC IMMULITE 1000免疫分析化学分析仪（美国加利福尼亚州诊断产品公司）测量血浆皮质醇水平。IMMULITE 1000皮质醇分析是一种固相竞争性化学发光酶免疫分析，根据制造商的说明进行。该分析的分析灵敏度为0.2μg/dL（5.5 nmol/L）。对基线时采集的血浆样本进行雌二醇和孕酮的激素评估。使用涂层管放射免疫分析试剂盒。使用的特异性试剂盒为DSL-4300 ACTIVE®雌二醇包被管放射免疫试剂盒和DSL-5000 ACTIVE®17αOH孕酮包被管放射免疫试剂盒。

统计分析

内毒素的生理和行为反应

与安慰剂相比，内毒素导致除最后一个时间点外的所有时间点的IL-6水平显著增加（注射后2-3小时达到峰值），与基线（T1（注射后1小时）到T5（注射后5小时）相比，每个时间点的显著时间X条件交互作用证明了这一点：F（1,37）=23.19、144.14、177.11、63.67、11.36，所有p＜.005；图1a). 与安慰剂相比，内毒素还导致除基线检查后第一个时间点外的所有测量时间点的皮质醇水平显著增加（注射后3小时达到峰值；T2-T6时间X条件相互作用：F（1,37）=21.83、52.78、20.59、10.29、7.96，所有p均<0.01）。此外，与安慰剂相比，内毒素在所有测量时间点都显著增加了自我报告的身体疾病症状（注射后2小时达到峰值；T1-T6的时间X条件相互作用：F（1,37）=9.08，32.37，13.60，8.54，11.65，8.01，注射后3小时开始，体温显著升高（时间X条件相互作用：T3-T6:F（1,37）=14.18，17.14，17.93，5.70，所有p<.05）和脉搏显著升高（温度X条件相互影响：T3-T7:F（1,33）=48.43，24.01，23.74，14.59，所有p<.001）。最后，我们发现内毒素组与安慰剂组相比，注射后两小时自我报告的抑郁情绪显著增加（时间x条件交互作用：F（1,35）=8.13，p<0.01；图1b). 在这些影响中没有任何性别差异。此外，这些影响似乎不是由于月经周期的阶段，因为在控制了作为月经周期阶段标志物的雌二醇和孕酮的基线水平（无论是在完整样本中还是在单独检查女性时）后，这些影响都没有改变。

社会排斥的神经反应

细胞因子相关抑郁情绪和排斥反应的性别差异

有趣的是，促炎细胞因子活性、抑郁情绪和对社会排斥的神经反应之间的关系出现了性别差异。首先，对于暴露于内毒素的女性，IL-6水平的增加与抑郁情绪的增加显著相关，而对于暴露于毒素的男性，没有显著关系。此外，对于接触内毒素的女性，IL-6的增加几乎完全与社会疼痛相关神经活动的更大活动有关，而这种活动介导了IL-6增加和抑郁情绪增加之间的关系。对于男性，IL-6的增加与一些与社会疼痛相关的神经区域以及参与心理化和情绪调节的区域的增加相关；然而，这些区域中没有一个与自我报告的抑郁情绪增加显著相关。换句话说，虽然IL-6水平的增加与男性和女性更大的社会疼痛相关神经活动有关，但这些神经激活与抑郁情绪之间的关系是女性特有的。

目前尚不清楚是什么导致了这些性别差异；有几种不同的可能性。在文化或社会层面上，本研究中的男性不太可能报告感到抑郁，因为这与性别刻板印象背道而驰，性别刻板观念规定男性表达悲伤或抑郁的情绪在社会上不太被接受(Fabes和Martin，1991年). 尽管内毒素与安慰剂对自我报告的抑郁情绪的影响没有性别差异，但低估抑郁情绪细微变化的倾向可能使我们无法发现抑郁情绪与男性IL-6变化或对排斥的神经反应之间的显著关系。除自我报告外，未来的研究还应收集抑郁情绪的行为指数，以减少男性和女性报告特定负面情绪状态时的偏见。

在神经水平上，细胞因子相关抑郁情绪的性别差异可能部分归因于男性与女性典型参与的不同神经过程。在当前的研究中，女性主要表现出IL-6的增加与社会疼痛相关的神经活动之间的相关性，而男性表现出IL-60的增加与几种不同类型的神经活动（包括社会疼痛相关神经活动以及心理化和情绪调节神经活动）之间的相关性。事实上，对于男性来说，rVLPFC（一个参与情绪调节的区域）的活动与前岛叶的活动呈负相关，前岛叶与介导IL-6增加和女性抑郁情绪增加之间关系的岛叶激活类似。因此，男性在社会排斥期间可能参与更多的调节性神经活动，这与情感神经反应性降低有关；我们推测，这种增强的神经调节活动可能在一定程度上缓冲了男性IL-6反应、社会疼痛相关神经活动和女性抑郁情绪之间的强烈联系。然而，为什么炎症反应更强的男性会比女性招募更多的神经调节活动，目前尚不清楚。

在神经化学水平上，性别特异性激素底物可能导致细胞因子相关抑郁情绪的性别差异。基于女性抑郁症和自身免疫性疾病的较高患病率(Nolen-Hoeksema，2001年;Whitacre等人，1999年)性激素似乎是导致细胞因子相关抑郁情绪性别差异的因素。这是否属实尚不清楚。然而，基于对抑郁症性别差异的研究(Nolen-Hoeksema和Girgus，1994年)虽然我们的分析没有揭示雌二醇或孕酮水平的变化对我们的研究结果有影响，但性激素与其他生物系统结合可能导致细胞因子相关抑郁症的性别差异。

最后，炎症信号过程中的性别差异（除外周炎症外）也可能与观察到的神经差异有关。周围的炎症反应被传递到大脑，以改变神经活动和抑郁情绪。因此，除了“信号生成”（外围释放的细胞因子）外，神经和行为反应还可能反映“听到的信号”，这在一定程度上取决于炎症细胞因子（如IL-6）对大脑中炎症信号的影响。核因子κ-B（NF-κ-B）是一种协调炎症信号级联的关键转录因子，被炎症和其他挑战激活。我们推测，炎症信号传导神经反应的性别差异可能部分是由于NF-κ-B激活的差异。事实上，我们之前发现，女性而非男性在急性应激源（睡眠不足；Irwin等人，2008年)已知其可增加促炎细胞因子(Mullington等人，2009年). 需要进一步研究，以确定女性与男性相比，是否在NF-κ-B激活或其他核信号通路对内毒素的反应中表现出差异性增加。

局限性和结论

出于几个原因，应对此处报告的调查结果进行谨慎解释。首先，观察到的性别差异是基于非常小的样本量，因此未来需要进行包括更多男性和女性的研究，以确定这些性别差异是否重复。第二，尽管本研究的目的是检查促炎性细胞因子对社会排斥的神经敏感性的影响，但所有的神经发现都是基于仅在内毒素条件下受试者之间进行的相关分析。因此，尚不清楚促炎细胞因子是否在此处观察到的神经反应中起到因果作用，或者是否有第三个变量促成了细胞因子（IL-6）增加与排除神经反应之间的相关性。然而，观察到的神经活动不太可能导致IL-6增加，因为我们对IL-6增加的测量发生在神经成像治疗之前。此外，应该强调的是，内毒素已被证明能增加几种不同促炎细胞因子的产生和分泌，包括TNF-α和IL-1受体拮抗剂(Reichenberg等人，2001年). 因此，尽管我们在当前研究中仅检测了IL-6增加与神经活动之间的相关性，但其他促炎细胞因子可能显示出类似或不同的关系模式。对未来的研究来说，检查与其他促炎细胞因子的关系也很重要。

此外，与观察到的神经活动有关，尽管我们已经将脑岛或dACC等区域描述为参与社会疼痛处理，但这些区域也已被证明在许多其他过程中发挥作用（例如，厌恶、行为监测；菲利普斯等人，2003年)因此，这里观察到的活动可能不是特定于社会痛苦。然而，鉴于这些神经反应是针对被社会排斥而进行评估的，因此这些类型的激活更有可能与社会痛苦经历相关，而不是与其他类型的过程相关。最后，本研究和其他实验诱导的促炎细胞因子活性研究的固有局限性是，我们只能检测细胞因子对抑郁情绪的影响，而不能检测全面抑郁。尽管如此，了解细胞因子激活和抑郁情绪之间的因果关系可能会为我们提供有关炎症过程和抑郁之间关系的宝贵信息。

总之，实验诱导的细胞因子激活并没有全面提高社会疼痛敏感性；然而，对于女性，内毒素注射后促炎细胞因子（IL-6）增加与社会排斥导致的社会疼痛相关神经活动增加以及抑郁情绪增加有关。对于男性，内毒素注射后IL-6增加与与社会疼痛敏感性、心理化和情绪调节相关的神经活动增加有关；然而，这些激活都与抑郁情绪的变化无关。虽然还需要进一步研究来确定这些发现是否重复，但这项研究提高了我们对与细胞因子激活变化相关的社会和情感变化的理解，这些变化可能对理解促炎细胞因子活动对抑郁情绪的贡献至关重要。