非感染腦組織中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌 如何進(jìn)入大腦的？

一項(xiàng)令人意外的新研究結(jié)果吸引了神經(jīng)科學(xué)界的關(guān)注。羅莎琳達(dá)·羅伯茨是美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家，她已經(jīng)習(xí)慣于在大腦中看到各種奇怪的形狀。過(guò)去30多年里，她在電子顯微鏡下觀察了無(wú)數(shù)的大腦組織，經(jīng)常會(huì)遇到“未知物體”—;—;不應(yīng)該出現(xiàn)在組織里的小顆粒或小球體，而且似乎與她研究的突觸等結(jié)構(gòu)沒(méi)什么關(guān)系。她解釋道：“我會(huì)說(shuō)，好吧，我不會(huì)注意那些。;”現(xiàn)在一切都改變了。

在大腦中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌通常是非常糟糕的消息。人體通過(guò)血腦屏障來(lái)保護(hù)大腦免受各種細(xì)菌的侵襲，而大腦也被認(rèn)為是一個(gè)無(wú)菌器官。當(dāng)屏障被破壞時(shí)，諸如腦炎和腦膜炎等疾病就可能發(fā)生。當(dāng)羅伯茨和她的同事，夏琳·法默和考特尼·沃克，意識(shí)到組織玻片中的這些未知物體其實(shí)是細(xì)菌時(shí)，都感到非常驚訝。

這些細(xì)菌中有許多剛好處在“舉步欲邁”的時(shí)刻，正準(zhǔn)備進(jìn)入神經(jīng)元或穿過(guò)軸突。還有些細(xì)菌正處于分裂過(guò)程。它們還很挑剔，十分偏愛(ài)大腦中的某些區(qū)域，而周?chē)拇竽X組織并沒(méi)有出現(xiàn)炎癥跡象。當(dāng)這些細(xì)菌存在于大腦中時(shí)，如果那個(gè)人是活著的，就說(shuō)明它們并不是致病菌。

如果研究結(jié)果能被證實(shí)—;—;尚未明確排除污染的可能—;—;那么這項(xiàng)工作就開(kāi)辟了研究微生物組和疾病的新途徑。研究小組在今年11月的神經(jīng)科學(xué)協(xié)會(huì)年會(huì)上發(fā)表了他們的結(jié)果。近日，Nautilus網(wǎng)站采訪了羅莎琳達(dá)·羅伯茨，以下就是此次訪談的主要內(nèi)容。

你覺(jué)得是什么使你的圖像引起這么多人的關(guān)注？

如果在一個(gè)人活著的時(shí)候，真的有細(xì)菌從腸道進(jìn)入大腦，那這就是真正的范式轉(zhuǎn)變，因?yàn)榇竽X與其他器官相比，一直都被認(rèn)為是無(wú)菌的。在非創(chuàng)傷、非感染的大腦組織樣品中找到細(xì)菌，完全出乎了我們的意料。

這一系列研究是如何開(kāi)始的？

我的整個(gè)職業(yè)生涯幾乎都在研究精神分裂癥。我的研究方法是觀察精神分裂癥患者死后大腦中可能存在的突觸差異和病理學(xué)特征。多年來(lái)，在看到這些未知物體時(shí)，我會(huì)忽視它們。然后，我有一個(gè)本科生，考特尼·沃克，她正在阿拉巴馬大學(xué)修讀榮譽(yù)課程。當(dāng)時(shí)她研究的是黑質(zhì)（substantia nigra），這是大腦中含有多巴胺神經(jīng)元的區(qū)域。她一直看到這些物體—;—;我們稱之為“那些東西”—;—;并且一直在探討這個(gè)問(wèn)題。這開(kāi)始成為困擾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)謎團(tuán)。

你是怎么知道這些物體是細(xì)菌的？

根據(jù)形態(tài)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，我開(kāi)始懷疑它們是細(xì)菌。我向一位細(xì)菌學(xué)家展示了這些圖片，他說(shuō)“這些是細(xì)菌”。然后，我們又進(jìn)行了一次核糖體分析，發(fā)現(xiàn)它們是腸道細(xì)菌。這非常有趣，因?yàn)槟壳皩W(xué)界對(duì)腸道-大腦的研究很感興趣。

我們對(duì)腸道-大腦行為的了解有多少？

你可以通過(guò)調(diào)整微生物群來(lái)操縱（動(dòng)物的）行為和認(rèn)知，甚至結(jié)構(gòu)。以無(wú)菌小鼠為例，它們體內(nèi)沒(méi)有微生物群，如果你用糞便移植的方法將正常小鼠的糞便植入它們體內(nèi)，就會(huì)使它們的許多行為得到改善。如果你將幽門(mén)螺旋桿菌植入小鼠體內(nèi)，它們就會(huì)產(chǎn)生新的認(rèn)知和行為問(wèn)題?；加胁煌膊〉娜梭w內(nèi)具有不同的糞便微生物群。帕金森氏癥患者體內(nèi)的微生物群就與其他人不同。

研究者提出了哪些描述微生物群影響大腦的機(jī)制？

我還沒(méi)見(jiàn)到這樣的研究。關(guān)于信息通過(guò)什么路線進(jìn)入大腦的問(wèn)題，可能有很多猜測(cè)。其中一個(gè)猜測(cè)是，信息通過(guò)支配胃部的神經(jīng)向上傳遞，其中一條神經(jīng)便是迷走神經(jīng)。在一項(xiàng)研究中，科學(xué)家切斷了迷走神經(jīng)，結(jié)果就再也不能通過(guò)改變微生物群的方法來(lái)操縱大腦行為。這表明無(wú)論他們?cè)谧鍪裁矗寂c迷走神經(jīng)有關(guān)；至于究竟做了什么，他們并未說(shuō)明。

如果細(xì)菌真的能從腸道進(jìn)入大腦，那它們是如何做到的？

我不是微生物學(xué)家，所以也只能做出推測(cè)。細(xì)菌如果從迷走神經(jīng)進(jìn)入大腦，就必須鉆入髓鞘，并通過(guò)內(nèi)部運(yùn)輸?shù)竭_(dá)迷走神經(jīng)背核，然后離開(kāi)并進(jìn)入大腦的其他區(qū)域。這些細(xì)菌也可能通過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦。大腦中有些地方并不十分緊密，比如一個(gè)被稱為“化學(xué)敏感觸發(fā)區(qū)”的區(qū)域。該區(qū)域位于腦干，是血腦屏障中充滿孔洞的地方。之所以會(huì)這樣，是因?yàn)榇竽X有時(shí)需要知道你是不是吃了有毒的東西，從而觸發(fā)嘔吐反應(yīng)。由于類(lèi)似的原因，垂體周?chē)难X屏障也不是很緊密。我想更仔細(xì)地觀察這些血腦屏障中存在許多孔洞的區(qū)域，看那里是否有更多的細(xì)菌。

你看到的細(xì)菌是否會(huì)偏愛(ài)大腦中的某些部分？

我們看到，它們喜歡鉆到血腦屏障周?chē)男切文z質(zhì)細(xì)胞內(nèi)部。它們還喜歡鉆到軸突中。軸突是進(jìn)行信息傳遞的大腦區(qū)域之間突出的部分，表面覆蓋著富含脂質(zhì)的髓鞘。此外，在小鼠（而非人類(lèi)）體內(nèi)，細(xì)菌喜歡進(jìn)入神經(jīng)元的細(xì)胞核。目前還不清楚這意味著什么。它們?yōu)槭裁聪矚g侵入某些細(xì)胞類(lèi)型？我知道某些細(xì)菌種類(lèi)喜歡脂肪，另一些喜歡糖類(lèi)。髓鞘含有很多脂質(zhì)，而星形膠質(zhì)細(xì)胞含有糖類(lèi)。細(xì)菌的分布也表明我們的觀察并不完全是由于污染，否則我們就會(huì)其他地方也發(fā)現(xiàn)細(xì)菌，而不僅限于特定區(qū)域。

有沒(méi)有可能這些是在人死后進(jìn)入大腦的細(xì)菌？

這正是我最初的想法。也許這些細(xì)菌是在人死后入侵了大腦，并開(kāi)始以大腦組織為食。但是，它們也出現(xiàn)于那些死亡時(shí)立即被固定的小鼠大腦中，沒(méi)有任何死后人為干預(yù)或時(shí)間可以讓細(xì)菌入侵。因此，這并不是一種死后人為改變的現(xiàn)象。而且，在處理過(guò)程中，大腦不是放在固定劑中，就是在冷凍。我無(wú)法解釋細(xì)菌在人為處理之后還能進(jìn)入大腦。它們?yōu)槭裁匆M(jìn)入一個(gè)不友好的、固定在抗菌溶液里的大腦呢？

你能排除其他形式的污染嗎？

現(xiàn)在我還不能排除污染的可能性。但是，即使這是污染，細(xì)菌的分布也非常特別。它們傾向于特定的細(xì)胞間部分，這本身就非常有趣。我們必須通過(guò)非常系統(tǒng)的研究來(lái)排除污染的可能性，一切都經(jīng)過(guò)滅菌和高壓消毒，準(zhǔn)備無(wú)菌小鼠、常規(guī)小鼠和人類(lèi)大腦的樣品。

你觀察的大腦是否應(yīng)為細(xì)菌而出現(xiàn)任何炎癥跡象？

這些細(xì)菌似乎沒(méi)有引起炎癥反應(yīng)。這很特別，因?yàn)槟阋詾樗鼈儠?huì)。這意味著，或者整個(gè)事情是死后或固定之后的污染，或者它們只是對(duì)大腦沒(méi)有致病性。

這些細(xì)菌是活的嗎？

我認(rèn)為它們是活著的。顯然它們看起來(lái)很健康。死亡細(xì)菌看起來(lái)有點(diǎn)像幽靈，只是碎片化的細(xì)胞形態(tài)。這些細(xì)菌看起來(lái)不是那樣。如果它們當(dāng)時(shí)活著，并且在死后大腦中被凍結(jié)在某一時(shí)刻，那將非常有趣。我想知道能否培養(yǎng)我看到的這些細(xì)菌，觀察它們是不是真的活著，然后做一些實(shí)驗(yàn)，了解它們喜歡大腦不同區(qū)域的原因。我們進(jìn)行的16S微生物組分析并不能告訴你有多少細(xì)菌，或者它們是否活著。

你們有沒(méi)有看到死亡的細(xì)菌？

我沒(méi)看到死亡的細(xì)菌。通常它們會(huì)被巨噬細(xì)胞吞噬，或者在溶酶體途徑中被處理掉。我看到的細(xì)菌具有完整的結(jié)構(gòu)，其中許多具有中隔的細(xì)胞板，表明它們正在分裂。

你們使用的另一組對(duì)照是無(wú)菌小鼠的大腦，你們看到了什么？

我們看到的是4個(gè)無(wú)菌的小鼠大腦。其中兩個(gè)用16S微生物組分析進(jìn)行了檢查，顯示它們不具有任何細(xì)菌。但是，微生物組分析不能告訴你有多少細(xì)菌，只能告訴你在一個(gè)給定樣品中不同細(xì)菌的比例。所以，假設(shè)無(wú)菌小鼠體內(nèi)有0.0001克細(xì)菌，野生型小鼠體內(nèi)有150克細(xì)菌，而微生物組分析不能反映這些。你可以在16S微生物組分析中發(fā)現(xiàn)在食物中被殺死的細(xì)菌片段。我們還需要檢測(cè)16S分析中使用的試劑，看看是否有任何試劑引入了細(xì)菌。

你們還想做什么嘗試？

我得到的方法建議之一，是將標(biāo)記的細(xì)菌移植到無(wú)菌小鼠體內(nèi)，看它們進(jìn)入大腦需要多長(zhǎng)時(shí)間。我還想看看我的那些死后標(biāo)本，看看不同的疾病是否會(huì)改變大腦中細(xì)菌的位置或細(xì)菌的類(lèi)型。有趣的是，我沒(méi)有在大腦中看到任何幽門(mén)螺旋桿菌。這是一種據(jù)稱能導(dǎo)致認(rèn)知障礙的細(xì)菌。

為什么選擇在海報(bào)上展示這項(xiàng)研究？

我需要了解科學(xué)界對(duì)該研究的看法。我想看看自己能否聯(lián)系上一些微生物學(xué)家，或者其他可能正在以我很難做到的方法研究這一問(wèn)題的人。于是，結(jié)果就是這樣。我已經(jīng)接到一些科學(xué)家的電話，說(shuō)“嗨，讓我們交換論文，談一談這個(gè)問(wèn)題吧”。一篇論文的發(fā)表需要很長(zhǎng)時(shí)間，到它真正發(fā)表時(shí)，你可能已經(jīng)在做別的事情了。因此，通過(guò)這種（海報(bào)的）形式，你可以展示初步的工作，與同行交談并了解他們的想法，討論下一步的目標(biāo)，而不是僅僅坐在你的辦公室里，撓著頭問(wèn)自己，“這到底是什么？”

為什么你認(rèn)為只有自己的實(shí)驗(yàn)室取得了這一發(fā)現(xiàn)？

世界上并沒(méi)有那么多電子顯微鏡專(zhuān)家?，F(xiàn)在的神經(jīng)學(xué)家想要了解分子、細(xì)胞內(nèi)部、機(jī)械論以及更加全面的信息。對(duì)人類(lèi)死后的電子顯微鏡檢查非常少見(jiàn)，只有另外一個(gè)研究小組在做這個(gè)。這個(gè)研究需要電子顯微鏡專(zhuān)家與“大腦銀行”合作，或者取得一個(gè)死后間隔非常、非常短的大腦組織標(biāo)本。這樣的組合并不總是會(huì)一起發(fā)生。

你所領(lǐng)導(dǎo)的“阿拉巴馬大腦標(biāo)本館”似乎是這項(xiàng)研究的重要資產(chǎn)？

是的，但是我要說(shuō)明一下。對(duì)于電子顯微鏡，你需要在死亡后8小時(shí)內(nèi)處理大腦。目前平均的死后時(shí)間間隔接近24或30小時(shí)。因此，實(shí)際上可能只有10%或15%的受試樣品適合電子顯微鏡檢查。