炎症如何重塑青少年注意力网络的β和γ振荡动力学：一项脑磁图研究

《Brain Communications》：Inflammation-related aberrations in beta and gamma oscillatory dynamics serving attention processing in typically-developing youth

本研究针对青少年时期注意力网络发育可塑性高但易受炎症影响的问题，通过结合脑磁图（MEG）与唾液炎症标志物检测，首次揭示了低度炎症与典型发育青少年视觉空间注意力处理过程中神经振荡动力学的特异性关联。研究发现，炎症水平升高与背侧注意网络（DAN）区域β（18-24 Hz）反应增强、腹侧注意网络（VAN）区域γ（70-88 Hz, 66-82 Hz）反应减弱显著相关，表明炎症可能导致自上而下控制效率降低和自下而上资源脱离异常。尤为重要的是，左侧额下回（IFG）的γ活动介导了炎症对任务反应时间的影响。该研究为理解神经免疫相互作用如何影响发育关键期的认知功能提供了新的神经生理学证据，对探索注意力缺陷相关疾病的早期生物标志物具有重要意义。

　　

在我们日常生活的方方面面，注意力都扮演着至关重要的角色。从课堂学习到社交互动，再到体育运动，有效分配注意力的能力是成功完成这些活动的基础。然而，这种看似简单的认知功能，实则依赖于大脑中一个精密而复杂的网络系统协同工作。这个系统主要包括负责自上而下、目标导向控制的背侧注意网络（DAN），处理自下而上、刺激驱动注意转换的腹侧注意网络（VAN），以及进行实时认知调整的执行控制网络。

儿童期至青春期是大脑发育的关键时期，注意力网络在此期间经历着快速的成熟和精细化。这种高度的可塑性虽然为学习提供了绝佳机会，但也意味着大脑更容易受到各种内外因素的负面影响，其中就包括炎症。急性炎症是身体应对损伤或疾病的正常反应，但长期的低度炎症则可能由慢性疾病、环境毒素暴露或持续的心理社会压力等因素引发。在成年人中，炎症水平升高已被反复证明与注意力能力下降以及注意力网络相关的脑结构和功能异常有关。那么，一个悬而未决的重要问题是：在正处于大脑发育敏感期的儿童和青少年群体中，这种低度炎症是否也会影响支撑注意力处理的神经活动？

为了回答这个问题，发表在《Brain Communications》上的这项研究进行了一项开创性的探索。研究人员招募了100名8至15岁的典型发育青少年，旨在精确描绘低度炎症与注意力处理神经动力学之间的关联。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：研究人员首先通过被动流涎法收集青少年唾液样本，并利用电化学发光法等多种技术定量分析了C反应蛋白（CRP）、白细胞介素-1β（IL-1β）、IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）五种炎症标志物，最终合成为一个炎症综合评分。所有青少年参与者均在MEG扫描期间完成了一项成熟的视觉空间注意任务，该任务能有效引发与注意力相关的神经振荡反应。采用306通道的MEG系统连续采集脑磁信号，并经过信号空间分离等方法进行降噪和预处理。通过波束成形技术将传感器水平的MEG信号溯源至大脑三维空间，生成全脑的神经振荡活动图谱。最后，利用全脑线性回归分析探究炎症综合评分与特定频段（如β和γ波）神经振荡活动之间的关联，并控制了年龄、性别、体重指数（BMI）、母亲教育水平和信噪比（SNR）等潜在混杂因素。

研究结果

炎症与β振荡动力学的关联

研究发现，在控制了一系列混杂因素后，炎症水平较高的青少年在完成视觉空间注意任务时，其大脑特定区域表现出更强的β波段（18-24 Hz）振荡反应。这些区域包括左侧内侧前额叶皮层（mPFC）、左侧顶下小叶（IPL）、右侧尾侧前扣带皮层（cACC）以及右侧尾状核。这些脑区是背侧注意网络（DAN）和执行控制网络的关键节点，通常与自上而下的注意力控制、空间线索处理和认知定势的维持密切相关。β振荡活动的增强可能反映了神经效率的降低，即炎症水平高的青少年需要投入更多的神经资源才能达到与同龄人相当的行为表现水平。

炎症与γ振荡动力学的关联

研究还发现了炎症与γ波段振荡活动之间的负相关关系。在较早的γ₁窗口（70-88 Hz），炎症水平高的青少年在左侧额下回（IFG）的γ反应显著减弱。在较晚的γ₂窗口（66-82 Hz），炎症水平与右侧缘上回（延伸至颞顶联合区TPJ和顶下小叶）的γ反应减弱相关。这些区域是腹侧注意网络（VAN）的核心组成部分，主要负责自下而上的注意力重新定向、抑制无关信息以及协调不同脑网络间的交互。γ振荡通常被认为反映了大脑皮层抑制性中间神经元GABA能（γ-氨基丁酸能）的活动。因此，炎症相关的γ反应减弱可能暗示了GABA能活动的下调，这可能是炎症对大脑产生兴奋毒性效应的电生理学表现。

神经动力学对行为表现的中介作用

通过中介分析，研究揭示了一个有趣的机制：炎症对任务反应时间的影响，是通过改变左侧额下回的γ活动来实现的。具体而言，更高的炎症水平导致了左侧额下回γ活动的减弱，而这种减弱又与更快的反应时间相关。左侧额下回通常与反应抑制功能有关，其活动减弱可能意味着抑制控制能力的下降，从而导致反应速度加快。这一发现表明，尽管炎症并未直接影响总体的任务表现（准确率未受影响），但它可能通过改变特定的神经动力学过程，以一种补偿性或代价性的方式影响信息处理速度。

综上所述，这项研究首次在典型发育的青少年群体中，系统地揭示了低度炎症与注意力处理过程中多频段神经振荡动力学异常之间的特异性联系。研究结果表明，炎症可能通过不同的机制影响注意力网络：一方面，它可能导致背侧注意网络相关的自上而下控制过程出现神经效率低下，表现为β振荡异常增强；另一方面，它可能通过影响GABA能抑制性活动，导致腹侧注意网络相关的自下而上处理过程出现功能失调，表现为γ振荡减弱。这些发现将外周免疫活动与大脑高级认知功能的神经生理基础直接联系起来，深化了对神经免疫相互作用的理解。特别是在发育关键期，即使是非临床水平的炎症，也可能对正在精细调整的大脑网络产生细微但重要的影响。这为未来研究注意力缺陷多动障碍（ADHD）等神经发育障碍的早期生物标志物和干预靶点提供了新的视角和重要的理论基础。未来的研究需要结合纵向设计、更丰富的环境暴露评估以及中枢神经系统炎症的直接测量，来进一步阐明这些关联的因果方向和具体机制。