中枢输注前列腺素E2（PGE2）揭示小鼠岛叶皮质对疾病状态的统一表征

《Current Biology》：Central infusion of prostaglandin E2 reveals a unified representation of sickness in the mouse insular cortex

　　

感染期间，脊椎动物出现刻板症状，如体温升高、食欲下降和嗜睡。这些变化统称为疾病综合征（sickness syndrome），由大脑响应系统性炎症期间释放的免疫介质所协调。尽管包括下丘脑和脑干在内的皮质下区域在调节疾病症状中的作用已得到充分确立，但新皮质对疾病编码和调节的贡献仍了解较少。研究人员在清醒小鼠中，于单次脑室内（intracerebroventricular, i.c.v.）注射充分表征的疾病介质前列腺素E₂（prostaglandin E₂, PGE₂）后，检查了新皮质中疾病的神经元相关物。行为分析显示，PGE₂引发快速而强烈的疾病反应，特征为发热、运动减慢、静止、厌食和眯眼。全脑Fos定位显示，PGE₂产生一种独特的神经激活模式，涵盖大部分内感受网络（interoceptive network）。清醒小鼠电生理记录显示，前中岛叶皮质（antero-mid insular cortex, IC）和初级体感皮层（primary somatosensory cortex, SSp）——这两个参与身体状态表征的区域——的神经元群体动态编码疾病相关信息，如体温、行走速度、理毛和眯眼。然而，与SSp不同，IC中正在进行的神经元活动对疾病的多维测量表现出比单个疾病特征更好的解码性能。总之，这些结果表明PGE₂诱导类似疾病状态的协调生理和行为反应，该状态优先由IC编码，为研究免疫系统与大脑之间的相互作用提供了概念框架。

该研究关注感染期间疾病综合征的中枢编码。感染使脊椎动物出现行为与生理改变，包括运动减少、社交和摄食减少、体温升高、皮质酮/皮质醇释放等；这些变化统称疾病综合征（sickness syndrome，感染时机体出现的一组刻板症状），由大脑协调以对抗感染并提高生存。免疫系统识别病原体后释放炎症介质；人类和小鼠研究显示多个脑区响应外周炎症，包括岛叶皮质（insular cortex, IC）和初级体感皮层（primary somatosensory cortex, SSp）等内感受区域。人类中疾病被感知为具有负效价的离散心理状态，研究人员因此假设外周炎症诱导一种独特内部状态，即“疾病状态”。然而，大脑如何编码这种状态仍不清楚。标准触发方法为单次注射细菌脂多糖（lipopolysaccharide, LPS），但反应缓慢、持续数小时且呈多相性，难以在非麻醉动物神经生理记录中实施。替代方法是脑室内（intracerebroventricular, i.c.v.）注射快速起效免疫介质。前列腺素E₂（prostaglandin E₂, PGE₂）是研究充分的短寿命脂质，免疫挑战时脑内产生增加，脑脊液浓度与疾病进展相关，神经元可通过四种G蛋白偶联受体检测。脑内PGE₂可触发发热、痛敏、寻暖、厌食等。研究人员结合行为、全脑活动映射和电生理，检验中央PGE₂是否诱导疾病状态及其神经编码。

研究人员在清醒小鼠中单次i.c.v.注射PGE₂，发现其引发发热、运动减慢、静止、厌食和眯眼等疾病反应；全脑Fos映射显示其激活中央自主网络（central autonomic network, CAN，转换内脏感觉输入并调节生命功能的网络）和内感受网络。电生理记录显示，IC和SSp的神经元群体动态编码体温、行走速度、理毛和眯眼等疾病变量；IC对多维疾病测量（疾病指数，sickness index, SI）的解码优于单个特征，也优于SSp和单独发热。结论是中央PGE₂给药是研究清醒小鼠疾病状态的稳健模型，IC优先表征复杂多维内感受信息，为免疫-脑相互作用和感染后综合征等提供概念框架。重要意义在于将疾病状态纳入动物模型内部状态研究，并表明疾病具有多效行为生理效应、广泛神经激活和统一多维状态表征。

主要关键技术包括：使用C57BL/6J小鼠，雌雄均纳入，来自EMBL群体和Charles River Laboratories；通过立体定位植入i.c.v.导管、头杆和腹部温度记录器。自由活动行为分析采用视频姿态估计、DeepEthogram检测食物交互及线性混合效应模型（linear mixed-effects model, LME）。全脑Fos分析采用iDISCO+（一种组织透明化与免疫标记方法）和光片显微镜，经ClearMap 2分割并与Allen小鼠脑图谱配准，再与Ilanges等LPS i.p. Fos数据集比较。电生理采用Neuropixels 1.0记录IC和SSp单单位，Kilosort4和Phy2处理；行为视频用FaceMap等量化眼开度、跑步机速度和理毛。解码使用CEBRA行为监督降维、支持向量机（support vector machine, SVM）和广义线性模型（generalized linear model, GLM）；SI由体温、负跑步机速度、负眼开度和理毛频率归一化求和定义。

研究结果如下。中枢注射PGE₂在小鼠中产生强烈疾病反应：研究人员以i.p. LPS为定性对照，发现i.c.v. PGE₂产生短暂高热，90 min内恢复，并增加静止、降低行走速度、减少食物交互；LPS产生约4 h中度发热及类似行为改变。两者作用模式和时间不同，但生理行为改变定性相似。发热不约束疾病行为：将行为对齐发热峰值后发现，静止、食物交互和行走速度在体温达峰前已恢复，行为变化局限于发热上升相，提示发热本身不驱动这些行为。性别对PGE₂和LPS诱导的疾病反应影响极小：混合性别队列中，性别多数不影响发热、总运动、静止或食物交互；例外是PGE₂对雌性行走速度降低更强，LPS对雄性总休温影响更强、对雌性行走速度影响更强；雌性基础体温较高。PGE₂激活CAN：注射PGE₂后1.5 h进行全脑Fos iDISCO+映射，发现左侧内侧IC等激活，丘脑部分核团Fos降低，下丘脑多个核团、外侧PAG、PB、NTS等激活，广泛涉及CAN。外周和中枢疾病模型间脑激活模式趋同：与Ilanges等LPS i.p. Fos图谱比较，PGE₂ i.c.v.激活区域中超过70%也被LPS i.p.激活，共享90个区域，PGE₂独有34个；两者共同激活多个CAN节点。LPS激活更广泛（307个核团）而PGE₂激活124个；LPS广泛激活新皮质多数层，PGE₂偏好深层。头固定小鼠疾病神经元相关物的单单位分析：PGE₂在头固定小鼠中引起体温达40°C、眯眼、行走减慢和理毛增加；IC和SSp中与体温及行为正负相关的神经元比例相当，单细胞层面无明显区域差异，整体放电率未因注射或高温广泛改变。新皮质区域间的疾病相关状态：用CEBRA行为监督降维和SVM分类，所有记录区域、SSp或IC的嵌入均可显著区分PGE₂与vehicle，命中率0.76–0.92；IC数据解码常优于SSp，尤其以体温或全部因素为辅助变量时；左半球在体温辅助时表现更好，疾病行为单独在右半球更好。IC与SSp间疾病行为表征的分化：GLM直接解码显示IC比SSp更好预测体温，左半球优于右半球，左IC优于左SSp；该差异仅在发热上升相显著。IC更好解码行走速度和理毛，SSp更好解码眯眼。IC编码统一的疾病读出，优于单独发热：定义SI后，PGE₂组SI显著高于vehicle；单细胞相关比例IC与SSp相当，但群体水平IC解码SI显著优于SSp，左右半球均如此；IC对SI解码优于归一化体温，SSp仅适度改善且单侧不显著。

讨论部分总结：该研究提出研究清醒行为小鼠炎症相关内部状态实时变化的新方法和概念。PGE₂ i.c.v.诱导的疾病反应与多种脊椎动物系统炎症表现一致。Fos激活模式与外周LPS激活子集重叠，并涉及近乎所有主要内感受神经轴节点；LPS激活多层新皮质，而中央PGE₂偏好深层（如第6层），未来需确认其机制。少数区域仅PGE₂激活，提示差异机制需研究。Neuropixels显示IC和SSp整体放电未因PGE₂或vehicle改变，高温下缺乏广泛超兴奋性可能由平衡机制保护。IC对体温表征优于SSp，可能由发热升温相驱动；IC对多数疾病行为解码优于SSp，而眯眼在SSp更好，符合SSp疼痛表征作用。SI使区域差异最大，IC解码显著优于SSp并超过单独体温，说明IC群体活动优先编码多维疾病状态。左IC解码优于右IC，SSp类似；侧化仍需研究。限制包括：中枢输注PGE₂忽略自然感染中的体液介质和内脏输入，假设效应主要来自脑EP受体直接激活；但中央PGE₂可快速驱动ACTH（促肾上腺皮质激素）和皮质酮释放及脾神经激活，介导外周免疫抑制。与Ilanges等LPS数据集热谱不同：中央PGE₂高热，LPS模型双相并最终低温；中央PGE₂即使高剂量也不引起低温，体温约40–41°C平台，因此低温相可能由外周介质驱动。未来需比较致热LPS剂量或病毒、寄生虫感染模型。

研究结论翻译：总之，研究人员的工作确立i.c.v. PGE₂作为研究清醒小鼠免疫-脑通讯的强大方法，并确定IC是优先表征复杂、多变量内感受信息的关键区域。此外，它证明PGE₂触发的疾病表现出内部状态的关键特征，包括多效行为和生理效应、广泛神经元激活，以及在内感受新皮质中作为统一、多变量状态的表征。最后，该研究为将疾病作为内部状态研究提供了互补框架，并将其置于动物模型中已表征的内部状态之列。