盘点近期有关大脑健康的研究进展

发布时间:2017-07-06
1. Sci Signal:大脑发育过程中神经网络形成的关键
 
        最近,来自达克萨斯大学医学院的研究者们找到了大脑在发育过程中脑细胞连接的定向分化以及长期时间内的功能维持的原因,相关结果发表在最近一期的《Science Signaling》杂志上。
 
        与其它的网络相似,大脑内部存在多个具备不同功能的区域,例如感知信息,控制机体运动以及形成记忆等等。为了连接不同的区域,共同完成一个较为复杂的工作,大脑需要形成巨大的网络将上述区域进行覆盖。
 
        Krishna M. Bhat等人发现一类叫做Slit的蛋白质对于维持这一网状结构十分重要,在缺失了Slit蛋白的情况下,大脑细胞间的网状结构也就不复存在了。
 
        研究结果发现Slit能够通过与受体蛋白Robo相互作用,帮助脑细胞在正常轨道运行。此外,研究者们还发现这一信号是由一种叫做Mummy的酶所控制的。Mummy能够对Slit进行修饰,从而保证其能够分泌到细胞外侧,此外,Mummy还能够维持Robo在神经系统发育的各个时期的正确分布。
 
        "虽然此前我们对Slit-Robo信号已经有了深入的研究,但研究的重点仍在于大脑发育的早期。我们的研究则表明上述信号对于维持这一神经网络同样重要。这一发现对于防止随着年龄增长出现的大脑功能紊乱具有重要的意义"。
 
        这一研究是果蝇为对象进行的,但相关结果对脑的发育同样具有借鉴意义。
 
 
2. Cell:重磅!揭示肠道-大脑对话新机制
 
        小鼠肠道感觉细胞通过血清素直接与肠道神经元进行对话,让大脑知道某些化合物是否存在。这些肠道细胞将肠道的内含物告诉大脑。但是对这种肠道-大脑对话的分子机制的认识因技术限制受到阻碍。如今,在一项新的研究中,通过研究小鼠肠道类器官和肠道组织切片中的一种关键的肠道感觉细胞(即肠嗜铬细胞),来自美国加州大学旧金山分校等研究机构的研究人员揭示出哪些分子信号激活这些所谓的肠嗜铬细胞(enterochromaffin cell),以及这些细胞如何将这些化合物的存在传递到中枢神经系统。相关研究结果于2017年6月22日在线发表在Cell期刊上,论文标题为"Enterochromaffin Cells Are Gut Chemosensors that Couple to Sensory Neural Pathways"。
 
        肠嗜铬细胞是一种肠上皮内分泌细胞。它们是非常罕见的,仅占肠上皮的1%不到,但是负责产生身体90%的血清素产生。有人已提出这些细胞发挥着化学传感器的作用,检测肠腔中的分子,并且作出反应,分泌血清素来触发神经元控制的肠道运动、收缩和疼痛。但是这些肠腔分子可能是什么,血清素如何发挥它对神经元的影响,仍然是未知的。
 
        论文共同通信作者、加州大学旧金山分校神经科学家David Juliu说,"问题在于血清素仅是扩散出去与远处的神经元相互作用?或者神经元和肠嗜铬细胞之间也存在点对点连接?"他说,这样的突触连接是有先例的,并且解释道,已有人报道一组相关的肠上皮细胞(被称作肠内分泌细胞)与神经元之间存在直接的突触连接(Journal of Clinical Investigation, doi:10.1172/JCI78361)。
 
        鉴于肠嗜铬细胞的罕见性,科学家们很难在体内研究它们。因此,Julius和同事们利用一种近期开发的体外类器官方法在培养皿中再现肠道组织的复杂性。
 
        在来自小鼠的肠道类器官中,Julius团队研究了肠嗜铬细胞的电生理学性质、蛋白表达和血清素分泌等等。他们发现这些细胞表达电压门控离子通路,而且是电兴奋性的(它是感觉细胞的一种特征)。
 
        随后,通过筛选30种可能的肠腔化合物,他们发现几种化合物能够触发肠嗜铬细胞兴奋。它们是异硫氰酸烯丙酯(在山葵和其他的芥菜中发现的一种刺激剂)、异戊酸(肠道细菌产生的一种脂肪酸)、儿茶酚胺类激素(多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素)。
 
        Julius团队继续证实肠嗜铬细胞表达这些化合物的相关受体,而且证实化合物诱导的这些细胞激活促进血清素释放。
 
        接下来,利用来自含有荧光标记肠嗜铬细胞的小鼠的肠道组织样品,Julius团队研究了这些细胞与神经元的关系。他们发现让表达血清素受体的神经元激活似乎是通过与肠嗜铬细胞之间形成突触连接实现的,而且肠嗜铬细胞表达突触前蛋白,而附近的神经元表达突触后蛋白。这些结果都表明这两种细胞彼此之间直接交谈。再者,利用去甲肾上腺素或异戊酸刺激肠上皮会触发这些神经元的活性。
 
        肠嗜铬细胞与神经元形成突触连接的这一发现表明肠道与大脑之间存在直接的连接。这种连接使得信号传递在几微秒而不是几分钟内完成。不过,针对肠道如何与大脑交谈,以及大脑、肠道或者这两种器官发生差错时会发生什么,仍然有很多东西是未知的。
 
3. JAMA Psychiatry :强迫症患者大脑存在炎症反应
 
        最近一项由CAMH研究者们作出的大脑成像研究首次揭示了患有强迫症(OCD)的患者大脑炎症反应相比健康人群有30%的升高。相关结果发表在《JAMA Psychiatry》杂志上。这一研究对于治疗该类精神紊乱疾病具有重要的指导意义。
 
        炎症是身体对感染或损伤的应激反应,能够帮助机体尽快恢复正常。然而,在一些情况下,免疫系统的激活会带来负面的影响。根据最近的这一研究结果,通过降低炎症的有害效应,并提高其保护作用,能够提高OCD患者的治疗效果。在更早的一项研究中,Meyer博士发现患有抑郁症的患者大脑炎症反应明显升高,而OCD患者也具有相同的病理基础。
 
        由于目前的针对OCD的疗法对三分之一的患者效果不佳,而OCD又越来越成为现代社会中常见的一类精神疾病,因此寻找新的治疗手段十分迫切。
 
        该研究囊括了20名患有OCD的患者以及20名健康人。研究者们利用一种化学荧光染料对激活状态下的大脑中一类叫做星状细胞的免疫细胞进行了标记,并且通过大脑成像的手段观察了脑部不同区域的炎症反应。结果显示,OCD患者的平均炎症反应强度比正常人群高出30%。
 
        这一发现能够为OCD的治疗提供新的思路。"针对大脑炎症反应的药物或许也能够有助于OCD的治疗。而我们需要搞清楚哪些因素造成了大脑炎症反应的发生,以及找到能够降低炎症反应的方法,从而改进现有的治疗OCD的手段"。
 
 
4. Sci Rep:大脑基因编辑能力的缺陷导致脑癌的发生
 
        脑癌是一类十分严重的疾病,科学家们长期以来一直致力于寻找大脑肿瘤产生的原因,以及希望找到能够阻止其发生的方法。
 
        如今,一项研究发现脑癌患者脑部的microRNA编辑的能力受到的抑制,这意味着我们能够通过修复大脑组织基因编辑的能力而延缓疾病的发生与发展。
 
        MicroRNA是一类没有编码蛋白能力的锻炼RNA分子,其对基因表达具有重要的作用。事实上,这类调控模式参与了30%的基因表达以及蛋白质产生的调控过程。
 
        RNA分子的变化对于基因表达的微调被称为"基因编辑"。众多研究表明,基因编辑过程能够改变基因组的信息转录的特征,并且将基因的调控网络变得更加复杂化。
 
        其中一类常见的microRNA的编辑是其中的腺苷转变为肌苷,即"A to I"的编辑模式。研究者们认为A-TO-I的编辑对于生物体的正常功能具有重要的作用,尤其是细胞的发育以及稳态的调节。基因编辑发生紊乱,将会导致基因表达的变化,这一现象伴随着许多种类型的癌症的发生,其中就包括脑神经胶质瘤。
 
        在这一研究中,作者们采集了人类的大脑组织样本,并且深入检测了前额叶皮层、脑胼胝体以及胶质瘤组织的特征。结果显示,大脑的肿瘤样本中"A-TO-I"的基因编辑能力出现明显的下降,而健康的组织则显示正常的水平。因此,作者认为这一变化或许与肿瘤的发生具有一定的相关性。
 
        研究者们称他们还需要更多的研究去揭示基因编辑能力的改变是如何导致肿瘤的发生的,另外,他们还希望能够通过鉴定并恢复特定基因编辑的能力抑制肿瘤的形成。
 
        相关结果发表在《Scientific Reports》杂志上。
 
5. Psychol Sci:大脑中的情感是怎么"溢出"的?
 
        生活总是充满了开心与失落:前一天你还在与心爱的人共享美味的晚餐或参加有趣的活动,后一天或许就会因为与同时或家人争吵而闷闷不乐。不过,如果我们把上一件事中产生的情绪带到下一件事中去时,会改变我们对新情景的看法,有时或许会带来更糟的结果。
 
        最近,来自威斯康星麦迪逊分校的研究者们发现大脑情感"溢出"时会发生的现象。他们第一次准确地找到了负责这一活动的大脑区域。这一发现发表在《Psychological Science》杂志上。
 
        在这一研究中,作者检测了志愿者们对同一张脸的两种表情(前一种为展现微笑,后一种则为面无表情)进行观察。利用经颅磁刺激(TMS)的手段,作者发现大脑的外侧前额叶区域在活性受到抑制的时候会出现更多的情感"溢出"的现象。
 
        这一发现能够帮助我们进一步理解大脑功能的复杂性,以及其中负责情感处理的关键区域。TMS目前已经被批准用于治疗抑郁症,而这一工作也揭示了为什么对前额叶区域的刺激能够提高患者调节负面情绪的能力。
 
        研究者们发现,当大脑的前额叶皮层区域完整的情况下,人们并不会发生多少情感溢出的现象,而当该区域活性受到TMS抑制的情况下,情感溢出的几率就得到了明显的增高。
 
        此外,心理治疗的相关研究结果表明提高心理调节能力以及促进前额叶区域与其它负责情感处理的中枢区域的联系能够起到人们情感调节的能力。如果我们了解这些区域的相互关系之后,将会有利于进一步的精准治疗。
 
6. Science:较远处的大脑区域选择性招募神经干细胞
 
        神经干细胞持续存在于成年哺乳动物大脑中,并且在一生当中产生新的神经元。在一项新的研究中,来自美国哥伦比亚大学和瑞士巴塞尔大学的研究人员报道远距离的大脑连接能够靶向干细胞微环境中不同的神经干细胞群体,并且促进它们发生分化,产生特定的嗅球神经元亚型。这允许在成年大脑中"按需"产生特定类型的神经元。相关研究结果于2017年6月15日在线发表在Science期刊上,论文标题为"Hypothalamic regulation of regionally distinct adult neural stem cells and neurogenesis"。
 
        我们的大脑在一生当中产生新的神经元。多种刺激信号促进这种微环境中的神经干细胞形成迁移到它们的作用部位的神经元。在一种模式小鼠中,巴塞尔大学生物中心的Fiona Doetsch教授及其团队如今能够证实作为对进食作出的反应,下丘脑中的进食相关神经元促进不同类型的神经干细胞增殖和成熟为特定的神经细胞。下丘脑是很多生理学功能的大脑控制中心。
 
        神经干细胞产生嗅觉中发挥重要作用的神经元
 
        神经干细胞仅存在于大脑的少数区域中。最大的神经干细胞池是室管膜下区(subventricular zone, SVZ),在那里,静止的神经干细胞紧密地挤在一起。环境信号能够促发神经干细胞开始分化。这种室管膜下区的神经干细胞给嗅球提供神经元。在啮齿类动物中,每天将近100000个神经元从这种干细胞微环境迁移到嗅球中。达到鼻子中的嗅觉刺激信号在嗅球中接受加工,随后这种信号被发送到其他的大脑区域中。这种由多种嗅球神经元紧密交织在一起的网络在区分气味中发挥着重要的作用。
 
        远距离激活神经干细胞
 
        每个神经干细胞依赖于它在室管膜下区中的位置具有它自己的身份。尽管新的神经元持续地产生,但是微环境信号是否控制不同的神经干细胞群体仍然是未知的。Doetsch解释道,"我们在下丘脑和室管膜下区之间发现一种新的远距离的区域化连接,并且证实饥饿和饱腹等生理状态调节对特定的神经干细胞群体招募,接着调节嗅球中某些神经元亚型的形成。"当这些小鼠禁食时,下丘脑中的这些神经细胞的活性下降,与之相伴随的是靶神经干细胞群体的增殖率也下降了。当这些小鼠再次进食时,这些情形都会返回到正常水平。改变进食相关神经元的活性能够控制神经干细胞的分裂。
 
        这些研究人员进一步报道靶神经干细胞亚群在嗅球中产生位于深处的颗粒细胞,这就为对环境产生适应性反应提供基础。激动人心的是,这项研究的结果有可能表明来自不同的大脑区域中的神经回路能够调节不同的神经干细胞群体来对不同的刺激信号和生理状态作出反应。
 
7. Science:揭示生命早期的应激通过转录因子Otx2终生影响大脑机制
 
        在一项新的研究中,来自美国西奈山伊坎医学院和麻省理工学院的研究人员发现生命早期的应激(early life stress)通过一个参与情绪和抑郁的大脑奖赏区域中持久存在的转录编程让小鼠产生终生的应激敏感性。相关研究结果发表在2017年6月16日的Science期刊上,论文标题为"Early life stress confers lifelong stress susceptibility in mice via ventral tegmental area OTX2"。
 
        这项研究着重关注表观遗传学,即研究并不是由从我们的父母中遗传到的DNA编码变化而是由调节我们的遗传物质在何时、何处和在多大程度上被激活的分子导致的基因活性变化。这种调节部分上源自转录因子的功能。转录因子结合到我们的基因中的特定DNA序列上,从而促进或抑制给定基因的表达。
 
        之前在人体和动物中的研究已提示着生命早期的应激增加抑郁和其他的精神综合征的风险,但是在此之前,将这两者连接在一起的神经生物学机制仍然是个谜。
 
        论文第一作者、西奈山伊坎医学院弗里德曼大脑研究所菲什伯格神经科学系研究员Catherine Pe?a博士说,"我们的研究鉴定出在一个敏感的发育窗口期间遭受的应激让小鼠在成年时对应激作出反应的分子基础。我们发现破坏母鼠对幼鼠的照顾会导致幼鼠的中脑腹侧被盖区(ventral tegmental area, VTA,一种大脑奖赏区域)中上百种基因的表达水平发生变化,从而让这个大脑区域处于一种类似抑郁的状态,即便在我们检测到行为变化之前,也是如此。本质上,这个大脑区域产生一种潜在的且持续终生的抑郁敏感性,而且这种易感性仅在遭受进一步的应激之后才会表现出来。"
 
       特别地,这些研究人员鉴定出发育转录因子Otx2(orthodenticle homeobox 2)作为这些持久的基因变化的一种主调节物发挥作用。他们证实在敏感期(从出生后的第10天到第20天)遭受应激的幼鼠抑制VTA中的Otx2表达。尽管Otx2水平最终在成年时会恢复,但是这种抑制已调动这些持续到成年时的基因变化,这表明早年的生活应激破坏由Otx2协调的年龄特异性的发育编程。
 
        再者,这些在生命早期的敏感期遭受应激的小鼠更可能在成年时出现类似抑郁的行为,但是仅在成年时遭受进一步的应激之后才会出现。所有的这些小鼠在成年时遭受进一步的社会应激之前表现正常,但是应激的"二次打击"更可能让这些在这种敏感期遭受应激的小鼠出现类似抑郁的行为。
 
        为了测试Otx2确实导致这种应激敏感性,这些研究人员开发出病毒工具来增加或降低Otx2水平。他们发现在生命早期抑制Otx2表达足以引起成年时应激敏感性增加。
 
        Pe?a博士说,"我们预料我们通过在这个早期的敏感期改变Otx2水平仅能够减轻或模拟生命早期的应激的影响。对类似抑郁的行为的长期影响,这确实如此,但是在某种程度上令我们吃惊的是,我们也能够通过操纵成年时的Otx2水平短暂地改变应激敏感性。"
 
        尽管在生命早期,语言学习等过程存在关键时期已得到人们的理解,但是针对幼年时是否存在压力和逆境最为影响大脑发育(尤其是情绪调节系统)的敏感期,人们知之甚少。这项研究是首次利用全基因组工具来理解生命早期的应激如何改变VTA发育,从而为情绪发展存在敏感期提供新的证据。
 
        论文通信作者、西奈山伊坎医学院弗里德曼大脑研究所主任Eric J. Nestler博士说,"这种小鼠模式将可用于理解生命早期的应激导致的抑郁风险增加的分子关联性。这项研究的最终转化目标是协助获得与在儿童时期经历应激和创伤的人相关的疗法。"
 
8. Nat Commun:大脑如何做出"偏好性"选择的
 
        最近,科学家们发现了指导人们做出基于偏好的选择的大脑运行机制。
 
        这项研究是由来自Glasgow神经与心理学研究所的神经学家们做出的,该研究为"决定做出过程"的神经学机制给出了深刻的解释,有助于未来相关研究的进行。
 
        举例来讲,我们选择吃苹果还是吃蛋糕,是基于偏好做出的选择,而大脑是如何做出这种选择的,则是目前一个十分流行的研究热点。
 
        此前,我们并不清楚大脑的哪一部分结构负责做出基于偏好的选择,同时我们也不清楚这种机制与我们纯粹基于感觉做出的选择有何相同点。
 
        该研究的通讯作者Philiastides 博士称:"我们的研究表明基于偏好的选择以及基于感觉的选择可能受到相同的机制调节。我们的发现同时表明基于偏好的选择与执行决定这两项功能是由同一大脑区域负责。我们的发现对于一系列社会经济学的问题具有深远的意义,例如公共政策分析,健康行为、广告营销策略以及产品设计等等。此外,这项研究还能够提高我们对于心理学以及神经退行性疾病的理解"。
 
        在该研究中,研究者们给予志愿者一对不同的零食,例如巧克力棒以及薯片,并且让他们进行选择。为了鉴定参与作出选择这一行为的大脑区域,研究者们给志愿者们戴上了EEG头套,并且利用大脑成像的技术进行信号捕捉。
 
        EEG的信号能够找到大脑活跃的瞬间,而fMRI则能够找到具体的活跃区域。通过分析,研究者们发现大脑后内侧额叶皮层区域是负责基于偏好决定的关键区域。
 
        相关结果发表在《Nature Communications》杂志上。
 
9. Science:重大发现!大脑中的免疫细胞或和阿尔兹海默病等神经变性疾病发生直接相关
 
        近日,刊登在国际著名杂志Science上的一篇研究报告中,来自索尔克遗传实验室等机构的研究人员通过研究首次对组成大脑一线免疫防御机制-小神经胶质细胞的分子标记特性进行了描述,研究人员发现,小神经胶质细胞在多种神经变性疾病和精神疾病的发生上扮演着关键的角色,包括阿尔兹海默病、帕金森疾病、亨廷顿氏症、精神分裂症等。
 
        研究者Rusty Gage表示,小神经胶质细胞是大脑中的一种免疫细胞,但目前我们并不清楚其在人类大脑中所发挥的功能;本文研究不仅将这种细胞同疾病联系了起来,而且对于我们后期理解小神经胶质细胞的生物学机制提供了一定的线索。此前研究人员认为,相比其它大脑细胞而言,和神经性疾病发生相关的基因在小神经胶质细胞中表达的水平较高。过去研究人员发现小神经胶质细胞和一系列人类疾病发生相关,而本文研究中研究人员阐明了这种关联的分子基础。
 
        Christopher Glass教授表示,这些研究清楚地对小神经胶质细胞进行了解析,相关研究结果或能帮助我们确定小神经胶质细胞的有益或病理学功能。与此同时,小神经胶质细胞也是一类巨噬细胞,其能够帮助破坏机体的病原体和外源性的物质,众所周知,这些细胞对周围环境的反应非常灵敏,而且其能够通过释放促炎性或抗炎性信号来对大脑的改变产生反应。当细胞被损伤或处于疾病状态时,小神经胶质细胞就能够"剪断"神经元细胞之间的连接。
 
        研究者Nicole Coufal想通过干细胞来制造小神经胶质细胞,但她意识到,似乎并没有方法能够帮助鉴别所产生的细胞是否是小神经胶质细胞。而且目前也并没有一种特殊的标志物能够将小神经胶质细胞从循环的巨噬细胞中区分出来。随后研究人员开始着手研究小神经胶质细胞的分子特性,他们通过联合研究收集了19名患者的大脑组织,所有患者都因癫痫症、脑部肿瘤或中风做过脑部手术,研究人员从未受疾病影响的组织中以及小鼠的大脑中分离得到小神经胶质细胞,并对其进行研究。
 
        利用多种分子和生化测试技术,研究人员对小神经胶质细胞中开启和关闭的基因进行了研究,研究者发现,相比其它类型的巨噬细胞而言,小神经胶质细胞中存在着成百上千个高度表达的基因,而且这些基因表达的模式同其它类型的脑细胞并不相同;然而当这些细胞被培养后,小神经胶质细胞中的基因模式便开始发生改变,仅在6小时以内,就有超过两千个基因的表达水平下降了至少4倍。下一步研究人员将会分析是否小神经胶质细胞中的任何基因都会被正向调节,后期研究人员还需要进行大量研究工作来理解患者机体中小神经胶质细胞发生改变的分子机制,本文研究或为后期研究人员对小神经胶质细胞进行更好地培养,以及诱导干细胞分化成为小神经胶质细胞提供新的思路和希望。
 
10. Sci Adv:学习阅读能够在6个月内重新唤醒成年人大脑深处的区域
 
        如果你能看懂这篇文章,那说明你很幸运,在小孩子的时候就接受了识字教育。然而,对于世界上大多数国家来说,文盲的现象使得很多成年人难以接触文字的世界。
 
        如今,研究者们发现当人们开始在成年阶段学习阅读的时候,大脑会发生明显的辩护,而这一变化不仅仅发生于大脑柔性的外周区域,而且也保存深处的区域。
 
        "此前我们一直认为阅读带来的大脑的变化仅仅发生于大脑的外皮层,而该区域主要负责人们对外界挑战的快速适应",来自荷兰的研究者Falk Huettig说道。
 
        然而,通过对21名不识字的印度妇女进行梵文学习,并且进行大脑扫描,结果显示学习阅读不仅仅能够改变大脑皮层,还包括更深处的结构。
 
        这些参与的女性平均年龄在30岁左右,她们在接受阅读学习的6个月前后分别进行了fMRI脑部扫描。半年的时间内,这些女性的识字水平达到了一年级的水平,表明其接受教育的年龄并不算太晚。
 
        "虽然学习一门新的语言是十分困难的,但学习阅读还是相对容易一些。成年人的大脑对此具有较高的柔性"。除此之外,研究者们还看到了学习阅读对她们大脑产生的影响。"我们发现学习的过程中参与者大脑皮层以及深处的其它结构,例如丘脑、脑干等区域都会发生重新调整"。
 
        特别地,研究者们发现学习阅读能够影响脑干中一种叫做"下丘臂"以及丘脑中一种负责视觉注意力的"丘脑后结节"的结构。
 
        在学习梵文之后,女性们的视觉皮层与深处结构之间的得连接明显增强,研究者们认为这是大脑微调血液流向以调节视觉注意力的方式。
 
        需要指出的是,该研究的样本数量较小,只有21名女性参与,因此需要更大规模的研究进行佐证,然而研究者们认为这一发现能够帮助我们找到治疗阅读障碍的方法。


                                                                                                                来源:生物谷网
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