对于脑部的奇异微观结构,罗莎琳达·罗伯茨(Rosalinda Roberts)已经司空见惯。三十多年来,在用电子显微镜观察脑组织时,她常常遇到“不明物体”——各种不该出现的颗粒和团块,跟她研究的突触和结构对照起来,似乎也没有关联。

“以前,我就直接跳过了。”她说。而现在,情况变了。

脑部出现细菌,这通常都是不祥之兆。人脑在血脑屏障的保护下,与躯体的“细菌动物园”隔离开来,因而被视为一种无菌器官。这道屏障若是打破,结果就是脑炎、脑膜炎。所以,当罗伯茨和同事们意识到,切片内的不明物体是细菌时,他们的意外之情可想而知。

这些细菌中,很多都被定格在生命活动的某个瞬间,有正进入神经元的,有正穿透轴突的,还有刚分裂到一半的。它们也很挑剔,明显青睐脑部某些区域。它们所在之处,周围脑组织并无炎症迹象。如果活人的脑部就有它们存在,这些细菌就不算病原。

这些切片有可能受到过污染,这种可能性仍未排除,但上述猜测若得到证实,那么在微生物群和疾病领域,新的研究途径将就此开启。

在美国神经科学学会于去年年底召开的年会上,该团队介绍了他们的研究成果。科学杂志Nautils采访了罗伯茨,访谈内容如下:

脑部的肠道细菌.jpg

红色箭头所指为人脑轴突旁的细菌。最左侧的细菌似乎正在钻入轴突内部

人脑中的细菌是怎样发现的?

 这些图片让学界很兴奋,你认为原因是什么?

罗伯茨:如果在活人体内,真有细菌进入脑部,这将是一场范式转变,因为大脑一直以来都被视为一种无菌器官。在无创伤、无感染的样本中发现细菌,这实在出人意料。

这条研究思路是怎么来的?

罗伯茨:我的整个职业生涯几乎都在研究精神分裂。方法是观察精神分裂症患者死后的脑组织切片,对照突触的差别,寻找可能存在的病原体。这些年来,我常常看到这些不明物体,然后直接忽略。后来我带了一个本科生,名叫考特尼·沃克(Courtney Walker)。当时,她正在研究黑质——含有多巴胺神经元的脑区。她不断地看到那些物体,也不断试图解决这个疑问。渐渐地,整个实验室开始为它着迷。

你们是怎么发现这些神秘物体是细菌的?

罗伯茨:从形态学标准来判断,我开始怀疑是细菌。我拿着这些图片,找到了一名细菌学家,他说,这就是细菌。接着,我们做了核糖体分析,发现它们是肠道细菌,这就很有意思了,因为这几年,涉及肠脑关系的研究很受关注。

对于肠脑行为,哪些是我们已经知道的?

罗伯茨:你可以通过微生物群,操纵行为、认知,乃至控制结构。取一只不带微生物群的无菌小鼠,通过粪便移植,将普通小鼠的微生物群移植到它体内,之后,它们的很多行为症状都会趋同。给小鼠注入幽门螺旋杆菌,小鼠会出现新的认知与行为问题。此外,不同疾病的人,其粪便微生物群(从粪便中获取的肠道微生物群)也互不相同。帕金森病患者与非帕金森病患者,他们的微生物群也不相同。

学界提出过哪些可能的机制,来描述微生物群对脑部的影响?

罗伯茨:我一个也没听说过。不论存在哪些猜测,这些猜测围绕的都是信息——信息是怎么到达脑部的。一种猜测是,它经由支配胃部的神经,一路上溯至大脑。其中一种名为迷走神经。在一项研究中,科学家切断了迷走神经,这时,他们再改动微生物群,就无法操纵脑部行为了。这表明,迷走神经一断,那个东西就不能到达脑部了。至于那是什么东西,他们并没有说。

细菌是如何进入大脑的?

如果细菌真的是从肠道进入脑部,它们是怎么跑上去的?

罗伯茨:我不是微生物学家,所以我只能猜测。如果细菌走的是迷走神经,它就得一头扎进髓磷脂,经由这个内部通道,上至背核,继而离开,进入脑部其他区域。但也可能走血脑屏障。这道屏障中,有些地方并不是严丝合缝的。其中一个就叫化学敏感触发区,位于脑干。那个地方的血脑屏障满是空洞。这是因为,如果你吃了有毒的东西,脑部需要及时知道,并触发呕吐反应。垂体周围的血脑屏障也不太密实,原因类似。我想仔细研究一下血脑屏障的多孔区域,看那里的细菌是不是更多。

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你看到的细菌是不是偏爱脑部的某些区域?

罗伯茨:我们观察到,它们喜欢待在血脑屏障附近的星形胶质细胞里。它们还喜欢待在轴突里,轴突是脑区之间传递信息的投射装置。轴突浸润在髓磷脂里,那是一种脂肪储备。另外,在小鼠体内,细菌喜欢钻进神经元的细胞核,人体内则不然。至于这能说明什么,科学家尚不清楚。它们为什么喜欢侵入特定类型的细胞?我知道,某些类型的细菌喜欢脂肪,有的则喜欢糖类。髓磷脂是脂肪,而星形胶质细胞含有糖类。细菌的分布情况也表明,我们观察到的现象不全是标本污染的结果。如果是标本污染,细菌将到处都是,而不会在特定区域出现。

有没有可能是死后细菌才入侵脑部?

罗伯茨:一开始,我也这么想——也许只是在死后,细菌才开始入侵、蚕食脑部。但有一些小鼠,它们的大脑是死后立即用固定液固定的,不涉及任何死后人为现象,也没有时间供细菌侵入,在这些小鼠的脑部,我们也发现了细菌。所以,不是尸体腐败这类死后人为现象所致。另外,处理过程是将脑部置于固定液中,或是冷冻。细菌是如何在处理后,依然能进入脑部的呢?这一点我没法解释。它们都泡在抗菌溶液里了,细菌又何苦去送死呢?

你能否排除其他形式的污染?

罗伯茨:目前为止,我还不能排除污染的可能性。但就算是污染的结果,这些细菌的分布也非常特别。它们并没有均摊开来,而是聚集在特定的细胞间区室,这一点本身就很耐人寻味。我们必须通过系统化的研究,将所有东西进行消毒和高压灭菌,对无菌小鼠、普通小鼠和人脑样本加以处理,以排除污染的可能性。

在那些样本中,你有没有看到细菌感染的迹象?

罗伯茨:细菌似乎并没有激发炎症反应,这一点也跟预想中不同。这意味着,它们要么是死后或固定后发生的污染,要么不会在脑部致病。

这些细菌是活的吗?

罗伯茨:我觉得是活的——而且看起来很健康。死去的细菌看着就像幽灵,是一些碎片化的细胞形态而已。而这些不像。如果它们是活的,只是在大脑死后被定格,那就太有意思了。我想试试能不能培养,看它们究竟是不是活的,然后做几个实验,看它们为什么喜欢某些脑区。虽然检测了16S核糖体RNA,但这种微生物群分析法不能告诉我们细菌有多少,以及它们是不是活的。

你有没有观察到死去的细菌?

罗伯茨:没有看到。一般情况下,它们会被巨噬细胞吞噬掉,或者被溶酶体处理掉。我看到的那些都有完整的结构,而且很多都存在隔膜,说明它们能分裂。

你把无菌小鼠的脑部当成另一个控制组,你有什么发现吗?

罗伯茨:我们观察了四个无菌的小鼠脑部。其中两个是用电子显微镜观察的,没有发现任何细菌。另外两个进行了16S微生物群分析,显示存在细菌。但它不能告诉我们细菌有多少,只能显示给定样本中不同细菌的比例。所以,也许无菌小鼠体内有0.0001克细菌,而野生型(即自然型)小鼠体内有150克,但微生物群分析法体现不出这一点。16S分析所体现的那些细菌片段,有的可能是食物中已被杀死的细菌。我们还得分析16S检测所用的试剂,看细菌是不是试剂引入的。

所以,大脑中发现了细菌,接下来呢?

你还有什么想尝试的?

罗伯茨:我听到的其中一个提议是,将细菌打上标记,移植到无菌小鼠身上,看它们需要多久进入脑部。我还想研究一下脑部细菌的位置或类型,看它们会不会因疾病而异。有意思的是,我没有在脑部发现任何幽门螺旋杆菌,据说这种细菌会损害认知。

你为什么觉得你的实验室能有这样的发现?

罗伯茨:如今,世界上的电子显微镜工作者已经不多了。现在的神经科学家想要的是分子级别、细胞内级别、生物机械级别,以及更加全面的研究。针对死后人脑的电子显微镜观察已经很罕见了。除了我们,另外只有一个团队在做这个。关键是让电子显微镜工作者接触到一个脑标本库,或是标本集,而且它们要在死后极短时间内完成固定。而这些条件往往凑不到一块儿。

看来在这次研究中,由你牵头的“阿拉巴马脑标本集”是一笔宝贵的财富。

没错,但有一点要注意:对于电子显微镜,你需要的是死亡八小时内处理完毕的大脑。但平均而言,目前这个间隔时间是死后24或30小时。所以,可能我的样本库里,只有10%或15%是适合电子显微镜的。


翻译:雁行

校对:Lily

编辑:漫倩

来源:nautil.us 

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