大脑的清理系统:高速泵控制下的脑脊液
生物探索 · 2012/08/28
科学家近日发现大脑内的一套“清理系统”,在小鼠身上已经观察到,可用于清理脑内垃圾。由于小白鼠的生理结构与人类类似,因此人类身上可能也存在类似系统。Nedergaard和她的团队使用了一种特殊的双光子显微镜。这种红外光能深入到活脑组织,能在不破坏组织的情况下看清楚脑脊髓液在大脑组织间的流动状况。

示踪分子(紫色)显示了神经细胞的孔隙,而脑脊髓液(绿色)则在大脑组织间流动

科学家近日发现大脑内的清理系统,在小鼠身上已经观察到,可用于清理脑内垃圾。由于小白鼠的生理结构与人类类似,因此人类身上可能也存在类似系统。

血脑屏障,是一道保护大脑组织的天然的墙,可保护大脑器官免于直接接触血液,从而使它免于微生物、病毒和其他病原体的侵害。为了使大脑获取营养物质并清理脑内垃圾,大脑会分泌一种叫做脑脊髓液的液体。但这种液体究竟是如何清理脑细胞分泌的黏糊糊的垃圾呢,这个问题一直困扰着生理学家。

20世纪五十到六十年代的实验暗示说,比如食用色素在水中扩散的这种被动方法,有可能就是使脑脊髓液在大脑中扩散的原因。但是这种扩散实在缓慢,难以解释大脑如闪电般的处理速度和完美的清理能力。事实证明,当研究大脑组织时,20世纪五十到六十年代的研究人员下意识地关闭了大脑清理的通道。

“这种基于压力的清理系统的想法已经有了一段时间了,但如果你在任何地方打开颅骨,就像一个液压泵一样,它会停止。所以他们曾经认为这种清理系统是不存在的。”这项研究的带头人 ,来自罗切斯特大学医学研究所的神经学家Maiken Nedergaard如是说,“泵系统的速度比扩散快上一千倍。我很惊讶,之前居然没有人发现这一点。”

Nedergaard和她的同事们将这种新发现的管道清理系统戏称为新的淋巴系统,并将神经组织称为神经胶质细胞,可控制脑脊髓液的流动。

神经胶质细胞通过在周围血管和静脉血管的血液输送扎根,在管道旁边再接管道,从而达到控制脑脊髓液流动的作用。通过外管的微小孔隙,营养丰富的脑脊髓液被吸入,并通过血管运送到神经细胞密集的管道,而其他部位的孔隙则对这些液体做流体泵作用。这个过程不仅能够带走脑内垃圾,同时也能够使细胞得到应得的营养。

Nedergaard和她的团队使用了一种特殊的双光子显微镜。这种红外光能深入到活脑组织,能在不破坏组织的情况下看清楚。 “这些显微镜的诞生是神经学上的一场新革命,而且在过去的五六年间已经正式转为商用了。”Nedergaard说道。

研究活老鼠的大脑需要打开它们的头骨。然而不像以往的实验一样,研究人员将每一个孔隙用很小的玻璃板封上,使脑内保持液压,同时也能为显微镜提供一个窗口。研究人员将荧光染料注入到老鼠的大脑内,然后就能够录制脑脊髓液在大脑组织间的流动状况了。 “我们能够亲眼看到它,并能将它录制下来,这对展现整个流动过程都是非常重要的。”Nedergaard说道。

临床神经学家Bruce Ransom,研究了神经胶质细胞,但并没有参与到这项研究中来。他说这项研究的成功简直让他的“心脏都开始唱歌了”。 “其实并不难想象脑脊髓液的流动,并能产生足够的力量来建造一个垃圾处理系统,但这毕竟还是纯理论上的。”来自西雅图大学的Ransom说道,“但这支研究队伍,用一种非常聪明的方法发现处理了这个清理系统,展示了它如何工作,如何有效地清理废物。”

如今这个“清理管道”已经被发现,团队带头人Nedergaard和她的同事正在探索这一研究的意义所在。其中的一个很大的可能就是它在阿尔茨海默氏症中所起的作用,阿尔茨海默氏症被认为是一种被称为β-淀粉样蛋白的蛋白质积累后而使脑细胞损坏。如果能够利用这个清理系统将β-淀粉样蛋白清理出大脑的话,阿尔茨海默氏症就得以缓解了。

“接下来,我们不能把目光局限在小白鼠身上了。”Nedergaard说道,“我们需要研究一下人类身上是否也存在着这种清理系统。我认为一定存在的。”

A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β.

Jeffrey J. Iliff, Minghuan Wang, Yonghong Liao, Benjamin A. Plogg, Weiguo Peng, Georg A. Gundersen, Helene Benveniste, G. Edward Vates, Rashid Deane, Steven A. Goldman, Erlend A. Nagelhus and Maiken Nedergaard. 24 AUGUST 2012

Abstract:Because it lacks a lymphatic circulation, the brain must clear extracellular proteins by an alternative mechanism. The cerebrospinal fluid (CSF) functions as a sink for brain extracellular solutes, but it is not clear how solutes from the brain interstitium move from the parenchyma to the CSF. We demonstrate that a substantial portion of subarachnoid CSF cycles through the brain interstitial space.

文献链接A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β.
 

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