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老頑童說
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在衰老的過程中，記憶與認知能力衰退常常伴隨其左右。雖然也有宋代陸遊「健忘閒何害？貪眠老正宜」般的豁達，但是研究人員在探索如何延緩記憶與認知能力衰退的道路上卻從來沒有放慢腳步。今天小編要跟大家分享史丹福大學Anne Brunet 教授團隊2020年7月發表在Cell Stem Cell雜誌上，題為「Aging and Rejuvenation of Neural Stem Cells and Their Niches」的綜述文章。這篇文章對神經幹細胞代謝、遺傳調控和微環境對其衰老與再生的影響因素，以及目前已知的幹預神經幹細胞衰老、恢復記憶與認知能力的靶點與措施進行了詳細總結。
通訊作者：Anne Brunet
（圖片來源於網絡）
摘要
衰老對大腦具有長久且破壞性的影響。衰老普遍會伴隨認知功能下降和患腦部疾病（包括癌症和神經退行性疾病）的風險增加。一個關鍵的問題是具有再生能力的細胞是否有助於大腦健康，甚至使大腦「年輕化」。本篇綜述討論了調控神經幹細胞(neural stem cells, NSCs)衰老的機制，重點關注了代謝、遺傳和微環境等因素。除此之外，本文還概述了目前使衰老NSCs年輕化的新興策略。最後，本文討論了在生理和病理性衰老過程中這些新技術如何增強神經幹細胞功能進而恢復大腦健康。
引言
與其他器官相比，大腦具有協調高級認知功能的能力，因此對機體來說至關重要。但是腦功能會隨著年齡的增長而下降。同時，神經退行性疾病（如阿爾茨海默症和帕金森病）以及腦癌（例如神經膠質瘤）的發病率在老年人中激增。儘管大腦中的所有細胞類型都會在衰老過程中受到影響，並可能導致生理性功能衰退和疾病，但是成年大腦中駐留的NSCs能夠生成新的神經元（即神經發生）並恢復大腦部分功能。因此，在衰老過程中維持健康的幹細胞儲存庫對於改善大腦整體健康並降低神經退行性疾病和癌症的發生率至關重要。
成年哺乳動物大腦有兩個主要的NSC儲存庫（稱為「神經微環境」[neurogenic niches]）：側腦室下區(subventricular zone, SVZ)和海馬齒狀回(dentate gyrus, DG)（圖1）。此外，近期有文章報導下丘腦是第三個神經微環境。本篇綜述主要側重於SVZ和海馬神經微環境，但也略有涉及下丘腦神經微環境。神經微環境是含有多種不同類型細胞的特化微環境，包括NSC譜系細胞以及血管內皮細胞和小膠質細胞。
圖1. 衰老過程中的神經發生 NSC增殖和產生新神經元的能力在發育後急劇下降，並在衰老過程中持續下降，這與年齡有關的神經退行性疾病發生率增加相關（該圖顯示了神經發生和神經退變的概念軌跡）。成年哺乳動物的大腦含有兩個NSC儲存庫：海馬的DG和側腦室的SVZ（青綠色）。這些神經微環境含有可以被激活以產生活躍增殖神經幹細胞(aNSCs)的靜息態神經幹細胞(qNSCs)。aNSCs具有分化為神經元、少突膠質細胞或星形膠質細胞的潛能。
NSC譜系的始端由靜息態神經幹細胞(quiescent NSCs, qNSCs)組成，它們通常處於休眠狀態，被激活後可生成具有增殖能力的神經幹細胞。激活態的神經幹細胞(activated NSCs, aNSCs)可以產生神經祖細胞(Neural Progenitor Cells, NPCs)，神經祖細胞主要可以分化為新的神經元，小部分分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞。SVZ和海馬神經微環境在整體細胞組成和神經發生潛力上具有相似性。但是，這些神經微環境在周轉動力學（對稱分裂與不對稱分裂）、產生膠質細胞的能力（少突膠質細胞與星形膠質細胞）以及對腦功能的貢獻度等方面存在差異。
在SVZ中，NSCs位於「風車(pinwheel)」結構內，並與大腦的脈管系統和側腦室中的腦脊液(Cerebrospinal Fluid, CSF)相接。SVZ神經幹細胞產生的神經祖細胞可以沿著喙側遷移流遷移，在齧齒動物的嗅球或在人的紋狀體中產生新的神經元。SVZ神經發生對於齧齒動物的各種嗅覺功能很重要，例如氣味識別和嗅覺學習記憶。有趣的是，小鼠的SVZ神經幹細胞能夠被損傷（如中風）激活，以產生新的神經元和星形膠質細胞，從而有助於修復腦損傷。
在海馬神經微環境中，NSCs位於DG內顆粒細胞層的邊界，其產生的神經母細胞能夠沿顆粒下區域遷移，產生顆粒神經元。海馬神經發生有助於小鼠的學習、記憶形成以及應激適應。人類海馬神經發生的水平和持續時間一直存在爭議，但是在成年人中確實存在具有再生潛力的神經發生區域。
在衰老過程中，NSC增殖並產生新神經元的能力急劇下降。體內標記和顯微鏡檢查顯示，衰老過程中SVZ和海馬神經微環境的神經發生減少。這種減弱可能涉及多個細胞過程，如休眠的NSC增加、NSC自我更新減弱、神經元命運決定的衰退以及NSC死亡。隨著年齡的增長，神經發生的減弱會伴隨著學習和記憶能力下降以及嗅覺辨別減弱，這表明與年齡有關的NSC缺陷可能會造成廣泛的功能衰退。老年人的神經發生下降與認知障礙和神經退行性疾病有關。因此，這一領域的關鍵問題可能包括以下幾個方面：包含NSCs的神經發生區域在生命周期中是如何變化的？不同的神經微環境是依賴於不同的還是相似的機制？年老大腦中分裂的細胞與年輕大腦中已分裂並產生神經元的細胞是否相同？如何利用NSCs的再生潛能來促進腦內穩態和修復？
本篇綜述討論了最近發現的導致脊椎動物神經發生衰老的相關機制，主要包括內在因素（如代謝和遺傳調控）和外在因素（如系統性因子和其他類型細胞）。同時還回顧了NSCs與腦部疾病之間的聯繫，以及在衰老過程中緩解NSCs衰退的新興策略。此外，本文還從人類神經發生的角度推測了脊椎動物神經發生的進化作用。最後，本文介紹了新技術的發展如何從分子、微環境、大腦和機體角度幫助我們理解NSCs衰老，並提供了新的方法來緩解甚至逆轉與年齡有關的神經發生衰退。
NSC衰老過程中的營養感應途徑、代謝和蛋白質穩態
神經微環境對營養獲得和信號傳遞的變化（包括衰老過程中發生的變化）十分敏感。神經微環境中的各種細胞類型具有不同的代謝和蛋白質穩態需求，具體取決於其狀態（如靜息態NSC和活躍增殖的NSC）。本節主要回顧了NSC衰老和再生過程中上述變化具有重要作用的證據。
營養感應途徑
營養感應途徑，如胰島素/胰島素生長因子1(Insulin Growth Factor 1, IGF1)-FOXO途徑，是重要的進化保守的衰老調節途徑，對於SVZ和DG中NSCs的功能維持是必不可少的。例如，胰島素/IGF1途徑的下遊效應物FOXO轉錄因子(FOXOs)的喪失會導致NSC儲存庫的過早耗竭。同樣地，FOXO上遊PTEN磷酸酶的丟失也會引起NSCs的耗竭，儘管PTEN丟失的早期會刺激NSCs增殖。最近的研究表明，在年輕的NSCs中通過條件性敲除IGF1受體(IGF1 receptor, IGF1R)可以抑制IGF1信號傳導（導致FOXO激活），進而改善SVZ的神經發生，增加新生神經元的棘密度，並增強嗅覺學習能力。總之，這些結果表明，抑制胰島素/IGF1信號傳導（以及激活FOXO）有利於NSC儲存庫的長期維持。胰島素/IGF1下遊信號傳導途徑（如mTOR途徑）的抑制也可能會有助於NSCs的維持。然而，值得注意的是，增強IGF1信號傳導也可以促進海馬和嗅球神經發生過程中神經元的分化和組織化，進而提高神經元功能。因此，周期性的改變胰島素/IGF1信號強度可能有助於維持幹細胞儲存庫，同時增強NSCs的增殖和神經元分化。周期性的禁食會改變胰島素和IGF1的水平，從而增強海馬體神經發生和認知能力。
線粒體
線粒體能夠維持衰老過程中NSCs的狀態，因此具有重要作用。從SVZ或海馬體中分離的NSCs的轉錄組學分析顯示，qNSCs表達參與β-氧化的基因（β-氧化部分發生在線粒體中），而aNSCs表達參與線粒體氧化磷酸化的基因。事實上，成年海馬體中qNSCs和aNSCs的線粒體在形態上也有所不同。qNSCs中線粒體是細長形的，而aNSCs中的線粒體為球形和管狀。在衰老過程中，SVZ qNSCs中的線粒體分布更分散且逐漸遠離核周。而衰老會導致海馬體aNSCs中線粒體分布更密集、電位下降、ATP水平降低。用吡乙醯胺（一種用於治療與年齡有關的認知功能下降的藥物）恢復衰老aNSCs中線粒體的功能可以改善老年小鼠海馬體神經發生。同樣，異位表達過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α (Proliferator-Activated Receptor Gamma Coactivator 1α, PGC1α，一種通過激活線粒體生物發生和代謝相關基因轉錄而增強細胞有氧能力的因子)也可以改善SVZ中的神經發生。由於aNSCs和qNSCs需要依賴線粒體來有效地控制細胞新陳代謝，因此恢復老年個體中線粒體的功能可以改善整個NSC譜系的細胞功能，進而從總體上增強神經發生。
脂質代謝
脂質代謝作為NSCs調控的重要環節逐漸被關注，但其在NSC衰老過程中的作用仍然不明。脂肪酸氧化(Fatty Acid Oxidation, FAO)介導的脂質降解對於維持年輕海馬體內qNSCs的靜息狀態十分重要。體外實驗發現，通過添加丙二醯輔酶A抑制FAO能夠誘導NSCs退出靜息狀態，增強NSCs增殖。FAO是造血幹細胞、腸道幹細胞和肌肉乾細胞靜息狀態的主要調控過程。其是否隨NSC衰老而發生變化還未得到證實。但是，科研人員發現在腸道幹細胞，FAO隨年齡的增長而降低，這表明FAO在衰老過程中可能起著維持qNSCs的保護作用。相反，海馬體中年輕的aNSCs能夠通過脂肪酸合成酶(Fatty Acid Synthase, FASN)依賴的脂質從頭合成途徑上調脂質的產生。體內抑制FASN消除了跑步對小鼠海馬神經發生和認知功能的有益影響。小鼠和人類海馬NSCs的增殖也需要FASN發揮合適功能。因此，維持aNSCs的脂肪生成對於抵抗衰老過程中NSCs的耗竭可能是必不可少的。神經微環境中其他細胞的脂質積累也可能間接地導致NSCs衰老。例如，單不飽和脂肪酸油酸的飲食習慣會導致室管膜細胞中脂質滴的形成，這與SVZ中神經發生的減少有關（在阿爾茨海默症小鼠模型3xTg-AD中）。同樣，肥胖會導致SVZ中含有過多脂肪沉積的衰老神經膠質細胞的積聚，清除衰老的神經膠質細胞可以恢復SVZ微環境的神經發生。未來有多個問題需要特別關注，如特定的脂質在衰老過程中如何調節NSCs的功能，脂質是否可能在新陳代謝之外的過程，如膜穩態和信號傳導中發揮關鍵作用。考慮到飲食幹預的可塑性，調節飲食中的脂質組成可能是衰老NSC「年輕化」的新方法。
蛋白質穩態
原始蛋白質組的穩定對於必須長期維持功能的細胞（如NSCs）來說至關重要。NSCs及其後代細胞利用不同的策略來維持蛋白質穩態(proteostasis)：qNSCs及其分化後代主要依賴溶酶體自噬途徑，而aNSCs則利用活性蛋白酶體和伴侶蛋白。在衰老過程中，來自SVZ的qNSCs中溶酶體自噬途徑功能受損，導致其退出靜息狀態的能力下降，從而減弱了其增殖能力。但是，這種下降是可避免的。如在原代培養的年老SVZ的qNSCs中，過表達能夠激活溶酶體自噬途徑的關鍵轉錄因子(Transcription Factor EB, TFEB)提高了這些衰老qNSCs退出靜息狀態的能力。在造血幹細胞和線蟲中曾報導過溶酶體自噬途徑在靜息期的作用（並且發現其隨年齡增長而下降），這表明在衰老qNSCs中靶向該途徑可能改善休眠細胞功能和刺激後重激活能力。自噬在增殖的NSCs中也很重要。例如，在成年小鼠SVZ aNSCs原代培養細胞中，FOXO家族成員FOXO3能夠調節誘導自噬基因。分化後細胞（即新神經元）主要依靠溶酶體自噬途徑來維持健康的蛋白質組。通過FOXO轉錄因子誘導自噬可以調節成年小鼠新生海馬神經元的形態和棘密度。因此，在老年個體中靶向自噬途徑可能通過改善qNSCs、aNSCs及新生神經元的功能而產生多種有益作用。
在衰老過程中aNSCs的蛋白酶體功能逐漸惡化，進而可能導致細胞的增殖能力降低。隨著年齡的增長，SVZ aNSCs中蛋白酶體組分的表達下降。在幼年小鼠體內以及體外培養細胞中，通過過表達PSMB5（20S蛋白酶體複合物的組成部分）或18α-GA（蛋白酶體激活劑）來增強蛋白酶體的活性能夠增強NSCs的增殖能力。但是，蛋白酶體活性的增加是否也能促進老年人NSCs的增殖還有待確定。同樣，其他的增殖性幹細胞儲存庫（包括胚胎幹細胞和誘導型多能幹細胞）也具有較高的蛋白酶體活性，這可能就是其具有「永生」特徵的原因。增強衰老的增殖幹細胞儲存庫中蛋白酶體的活性可能有助於緩解蛋白質穩態應激並恢復其再生潛力。
伴侶蛋白網絡也隨著衰老而減弱，並會影響aNSCs和其後代細胞。伴侶蛋白在NSCs分化過程中被重塑：增殖的NSCs表達高水平的伴侶蛋白TRiC/CCT，而分化後的細胞表達小熱休克蛋白。海馬體aNSCs中的TRiC/CCT蛋白水平隨衰老發生下降。因此，確定伴侶蛋白網絡對衰老過程中NSCs功能和分化的影響以及其與蛋白穩態網絡其他分支的相互作用也是十分重要的。
蛋白質聚集體
衰老過程中蛋白穩態的下降導致蛋白聚集體積累。有趣的是，年輕的成體qNSCs已經含有蛋白質聚集體，而年輕的aNSCs卻很少有蛋白質聚集體。這些結果表明，靜息狀態的幹細胞可能耐受蛋白質聚集體能力更強，或者他們需要易聚集的蛋白來完成特定的功能，但是這些易聚集的蛋白可能在衰老過程中帶來有害影響。剛從SVZ分離出來的衰老qNSCs中蛋白聚集體比年輕細胞多，這與衰老細胞中的溶酶體自噬功能下降相一致。從海馬體中分離的qNSCs也含有蛋白質聚集體。由中間絲波形蛋白介導的蛋白酶體在這些蛋白質聚集體中的定位對於細胞從靜息狀態到增殖狀態的轉變是非常重要的。
aNSCs和qNSCs之間蛋白質聚集體含量的差異可以通過蛋白質合成速率和蛋白穩態策略的不同來解釋。aNSCs的蛋白酶體在消除蛋白質聚集體方面可能更高效，且蛋白酶體和自噬誘導的結合也可能有助於高效地去除蛋白質聚集體。此外，增殖的NSCs中伴侶蛋白TRiC/CCT的高表達也可能有助於維持錯誤摺疊蛋白的可溶性。最後，由於aNSCs是增殖性幹細胞，其可能在細胞分裂和分化過程中稀釋或差異分散了蛋白質聚集體。當年輕的aNSCs分裂時，內質網(Endoplasmic Reticulum, ER)形成了一個物理屏障，將受損的蛋白質分離到了非乾性的子細胞中，從而保護了aNSCs免受蛋白水解壓力的影響。在原代培養的老年小鼠海馬體的aNSCs中，這種物理屏障隨著年齡的增長而減弱，這使得細胞分裂過程中受損蛋白質在幹細胞和非幹細胞之間均等分布，進而加重了aNSCs中蛋白水解的負擔。蛋白水解負擔的增加可能通過減慢NSCs的增殖速度或進入一個更靜息的狀態而導致NSCs功能的年齡依賴性受損。蛋白聚集體中的某些特定蛋白質也可能參與NSCs功能缺陷，但無論是年輕還是年老的NSCs，其蛋白質聚集體的組成仍然完全未知。
NSC中營養感應、代謝和蛋白穩態的偶聯
總的來說，qNSCs、aNSCs及其後代中不同代謝和蛋白質穩態策略可能是這些細胞類型之間基本功能存在差異的原因（圖2）。休眠的、不分裂的qNSCs具有較低的代謝需求，並採用能長期產生能量的機制，如溶酶體自噬途徑和FAO。相反，活躍分裂的aNSCs具有更高的代謝和蛋白質合成速率，因此它們主要依賴於氧化磷酸化（一種高效的能量產生過程），並且會上調脂質生成代謝。活躍增殖的aNSCs還需要伴侶蛋白和活性蛋白酶體來清除短壽命的蛋白質（如細胞周期調節因子）以及受損或未摺疊的蛋白質，以防止它們形成可能損害其功能或轉移至子代的大聚集體。儘管新陳代謝和蛋白水解過程都會隨著年齡的增長而下降，但這種下降可以被緩解。誘導自噬不僅可以促進蛋白質聚集體的清除，而且還可以降解有缺陷的線粒體（線粒體自噬，mitophagy），促進脂質的降解（脂質自噬，lipophagy）以產生用於氧化磷酸化的游離脂肪酸。同樣，減少營養攝入或阻斷營養感應途徑（胰島素/IGF1和mTOR）也可以激活協調新陳代謝和蛋白質穩態的轉錄因子（FOXO和TFEB），進而改善NSCs功能。鑑於這些途徑之間相互聯繫，在衰老NSCs中僅靶向單一途徑也可能恢復其他相關途徑，從而整體上改善NSCs功能。
營養感應、新陳代謝和蛋白水解途徑的調控也可能隨著年齡的增長而出現差異，這取決於細胞類型甚至是神經微環境。有趣的是，由於生物代謝調節的許多途徑都是非細胞自主的，因此一個神經微環境的年齡依賴性變化可能也會影響其他區域。例如，下丘腦NSCs中代謝調節途徑也可能參與機體代謝的調節。了解不同途徑的相互作用及其在神經微環境內或整個生物體內的特定作用，對於探索應對NSC衰老的策略至關重要。
圖2. NSCs衰老涉及的細胞通路 圖中顯示了衰老過程中維持NSCs及其分化後細胞穩態的細胞和代謝途徑。
NSCs衰老過程中轉錄組、表觀基因組和細胞周期變化
衰老NSCs神經發生能力的下降在一定程度上是因為其轉錄和表觀基因組發生變化進而影響幹細胞功能。在這些變化中，細胞周期調節因子的表達變化已成為NSCs激活、耗竭和衰老的關鍵，因為它們可以很容易地進行調節以改善衰老NSCs的功能。
衰老NSC微環境的轉錄組分析
分析NSCs轉錄組能夠全面快速地尋找受年齡影響最大的細胞過程和途徑。年輕和衰老的小鼠SVZ星形膠質細胞、qNSCs、aNSCs和NPCs的RNA測序(RNA-seq)顯示了qNSC和aNSC狀態的基本轉錄組差異。在衰老過程中，靜息態細胞（星形細胞和qNSCs）比增殖細胞（aNSCs和NPCs）經歷了更多的轉錄變化，包括蛋白穩態（溶酶體和蛋白酶體）的變化。同樣地，體外培養的幼鼠和衰老小鼠的SVZ aNSCs轉錄組幾乎沒有差異。由於aNSCs來自qNSCs，因此這些結果給人們帶來了許多有趣的啟發，如瞬時aNSCs群體的快速增殖和分化可能會阻止轉錄變化的積累。另外，激活過程可能從功能上重塑了qNSCs的衰老標誌，從而使其轉錄組更「年輕」。
揭示衰老如何影響複雜組織（如神經微環境）道路上的一大阻礙就是細胞異質性。單細胞RNA-seq技術的快速發展已經幫助科研人員揭示了SVZ和海馬體中神經微環境細胞類型和轉錄圖譜的年輕年老差異。通過捕獲連續分化譜系中單個細胞的轉錄組，科研工作者已經鑑定出了神經激活和分化過程中的中間細胞狀態，以及NSCs整個分化過程中的關鍵變化基因。整個SVZ微環境單細胞轉錄組的分析表明，大多數與年齡相關的轉錄變化發生在特定的細胞群體（小膠質細胞、內皮細胞、少突膠質細胞、星形膠質細胞和qNSCs）中，所有這些細胞都表現出強烈的年齡相關幹擾素信號上調。單細胞RNA-seq分析還顯示，老年小鼠SVZ中qNSCs和aNSCs群體數量明顯減少，這與先前通過免疫螢光染色和溴脫氧尿苷(BrdU)摻入實驗的數據相符。總的來說，這些單細胞轉錄組學研究已經建立了全面的神經微環境細胞圖譜，並揭示了隨著年齡增長，細胞組成的變化（NSCs的的減少）以及特定細胞群體（如小膠質細胞）轉錄組的變化。確定這些年齡相關的變化中哪些可以通過已知的「年輕化」幹預措施（例如飲食變化）來逆轉是一個非常值得探究的問題。
染色質修飾和表觀基因組變化
研究人員對衰老過程中NSCs的表觀基因組及染色質狀態進行了分析，揭示了衰老如何影響細胞身份及功能等關鍵信息。由於表觀基因組標記的可逆性，鑑別NSC衰老過程中負責調控表觀基因組的酶是一種有吸引力的治療幹預策略。
歷史上，許多研究致力於探究DNA甲基化及其上遊修飾因子（例如DNA甲基轉移酶）在胚胎和成體神經發生中的作用。最近，研究開始關注整個衰老過程中全基因組DNA甲基化變化的特徵。有研究證明，在海馬中5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine, 5hmC）的總體水平隨衰老而下降，並且與衰老相關的神經發生減少有所關聯。同時，TET2（通過氧化作用催化5-甲基胞嘧啶（5-methyl cytosine, 5mC）形成5hmC）的mRNA水平也會隨衰老而降低。在體內，減少年輕海馬NPCs中TET2表達（通過在Tet2flox/ flox小鼠或NestinCre-ERT2小鼠中注射他莫昔芬）會降低小鼠神經發生和認知能力，揭示了一種細胞自主效應。相反地，通過慢病毒在成年小鼠的DG中過表達TET2，能夠增加小鼠海馬中新生神經元的數量，並改善其空間學習能力與記憶能力。因此，在中年動物中過表達或激活TET2，可能是增強衰老動物神經發生和認知能力的一種策略。
組蛋白甲基化標記（histone H3 lysine 4 trimethylation [H3K4me3], histone H3 lysine 27 trimethylation [H3K27me3]）和DNA甲基化標記（5mc, 5hmC）的全基因組分析，揭示了來自年輕和年老SVZ區域中aNSCs在培養過程中的變化。儘管表觀基因組（和轉錄組）差異相對較少，但研究人員還是發現了與Dbx2基因位點相關的調控標記隨衰老而變化。Dbx2基因位點編碼一個與脊髓發育有關的轉錄因子。在年輕的aNSCs中過表達DBX2會導致NSC增殖減少，並且轉錄組會發生類似於衰老aNSCs中的變化。因此，降低DBX2表達水平在改善老年個體神經發生上可能具有潛在治療優勢。
儘管尚不知道在衰老過程中這些表觀基因組標記受到怎樣的影響，但多項研究還是揭示了來自於胚胎幹細胞ESCs或新生小鼠的qNSCs及aNSCs之間的全基因組表觀遺傳學差異。研究人員常用H3K27ac（histone H3 lysine 27 acetylation）（一個與增強子相關的染色質標記）和p300（一種結合增強子的轉錄輔助激活物）的共定位來鑑定由ESCs分化的NSCs中全基因組沉默與激活的增強子。靜息細胞中的增強子表現出對NFI （Nuclear Factor One, NFI）轉錄因子家族基序的富集。缺失NFIX（Nuclear Factor One X, NFIX）（在Nfix-/-小鼠中）會減少新生小鼠海馬中qNSCs的比例，表明NFIX是靜息狀態的關鍵調節因子。研究人員還通過長程結合相互作用的表觀基因組分析，例如ChIA-PET（chromatin interaction analysis with paired-end tag sequencing）發現了轉錄因子如何結合，以調節NSC的穩態。此外，對新生小鼠前腦來源的aNSCs進行的ChIP-seq（chromatin immunoprecipitation sequencing）和ChIA-PET，揭示出SOX2結合位點主要位於啟動子和增強子中。SOX2是NSC維持穩態的重要轉錄因子，其缺失會導致NSC自我更新缺陷。SOX2增強子-啟動子的相互作用對於調節Socs3基因（JAK/STAT信號抑制因子）非常重要，過表達SOCS3可以改善在Sox2-/- NSCs中的自我更新缺陷。然而，NFIX和SOX2及其靶基因如何隨年齡變化而影響NSC衰老尚不清楚。
在衰老的神經微環境中，全基因組的表觀遺傳變化分析已經揭示了潛在的治療靶點，如DBX2和TET2。然而，到目前為止，大多數研究都是在整個組織樣本或在培養的細胞中進行的。因此，有必要使用單細胞表觀基因組分析（例如scATAC-seq [single-cell assay for transposase-accessible chromatin using sequencing]）來鑑定各細胞類型內及其之間的異質表觀基因組調節。此外，在衰老過程中，對微環境中離體的特定細胞群體進行更多樣性的表觀遺傳標記物分析，將為如何恢復年輕的表觀遺傳修飾狀態及微環境提供關鍵信息。
細胞周期和細胞衰老的調控
NSCs有效進入細胞周期的能力隨衰老而下降。參與細胞周期調控的基因，包括腫瘤抑制因子，在NSC的穩態和激活中發揮著關鍵作用。這些相同的細胞周期調節因子參與了細胞衰老的起始，可能與衰老過程中幹細胞庫的減少有關。接下來，文章將討論如何調控基因表達來維持細胞靜息和增殖之間的平衡，這對於保證終身神經發生和避免過早的幹細胞衰竭與細胞衰老至關重要。
p16INK4a是細胞周期的負調控因子，細胞衰老（一種以不可逆的細胞周期停滯和明顯的形態和轉錄變化為特徵的細胞狀態）的重要生物標誌物。SVZ中p16INK4a的表達隨衰老顯著增加，並可能通過抑制aNSCs和NPCs的細胞周期而導致神經發生的減少。在中年小鼠中，p16INK4a抑制海馬中對運動響應的NSC增殖。這種抑制可能是由p16INK4a誘導衰老的能力介導的。事實上，p16INK4a的上調由去除單核細胞的白血病鋅指蛋白（monocytic leukemia zinc-finger protein, MOZ）驅動，確實會導致ESC來源的NSCs複製性衰老。在來自下丘腦體外培養的NSCs中，p16INK4a位點的上遊抑制因子非編碼RNA Hnscr的表達隨衰老而下降。在體內，敲低下丘腦NSCs中Hnscr的表達會促進細胞衰老，導致認知能力（即對新物體的識別能力）下降。相同地，降低p19ARF（另一個與p16INK4a基因位點相同的抑癌基因）mRNA水平可以通過組蛋白乙醯轉移酶對基因座的表觀基因組調控，避免原代NSCs（來自早衰小鼠模型——SAMP8小鼠的SVZ）衰老表型的產生。總的來說，這些研究表明，細胞周期負調控因子（例如p16INK4a和p19ARF）的表達增加，會導致NSCs的衰老表型，並且似乎在一定程度上導致衰老過程中NSCs神經潛能降低。
相反地，細胞周期正調控因子（例如PCGF4[Polycomb family member BMI-1]和CDKs[cyclindependent kinases]）能夠促進NSC的增殖，提高認知能力。BMI-1是已知的細胞周期抑制劑的轉錄阻遏物，包括p19ARF/Mdm2/p53，BMI-1的上調可增強海馬NSCs中的自我更新。此外，通過慢病毒在老年小鼠（16月齡）海馬NSCs中同時過表達CDK4和cyclin D1促進了海馬神經發生，並改善了與衰老相關的認知障礙。
然而，令人驚訝的是，在小鼠中低水平過表達細胞周期負調控因子（p16INK4a/p19ARF/p53），增加了老年個體SVZ和DG中的NSCs數量，並改善了認知能力。細胞周期負調控因子低水平過表達的有益作用，可能是由於它們能夠防止幹細胞庫過早衰竭。因此，細胞周期調控因子表達的時機和水平是維持NSC持久健康的關鍵。總體而言，細胞周期調節因子（如p16INK4a，p19ARF，p53和BMI-1）在調節NSC活力和神經發生中的關鍵作用，已讓研究人員將其定位為衰老NSC再生的潛在治療靶標。但是，這些途徑受到精細地調控。研究人員仍需做進一步的工作以確定正確的表達量與時機，以改善NSC的健康，而不會無意中引起幹細胞衰竭或細胞衰老。
微環境和炎症在NSC衰老中的作用
NSCs位於大腦內部複雜而專門的微環境中，該環境包含不同的細胞類型，並受多種系統性及局部因素的影響。NSC可以整合來自微環境的信號，以將其激活狀態和細胞命運與組織需求聯繫起來。NSC微環境的細胞組成，它們對系統或局部信號的響應，甚至其物理性質（例如硬度）在衰老的過程中都會改變。在本節中，我們探討了與衰老相關的微環境變化（例如系統或局部的細胞外信號或其他細胞類型）如何影響並促進衰老過程中神經發生減少及最新進展（總結於圖3）。儘管尚不清楚NSC對這些外部信號做出反應的許多機制，但它們很可能會通過影響上述的內在途徑來影響NSC功能。在未來，更好地了解NSC衰老的外在和內在調節因素之間的相互作用將會非常有趣。
圖3. 微環境和炎症在NSC衰老中的作用 在衰老過程中，NSC微環境（描繪了SVZ區域）中發生的變化（左，年輕；右，年老）。微環境中炎症增加，突出表現為炎性細胞因子增加，小膠質細胞活化和T細胞浸潤。
系統性血液因子和局部因子
血液中的系統性因子在NSC衰老過程中起重要作用。異體共生研究將年輕小鼠和老年小鼠的循環系統結合在一起，發現了年輕和年老血液對DG中神經發生和SVZ區域中神經微環境的正面及負面影響。研究人員已經確定多種系統性因子和信號通路介導這些效應，其中許多與免疫相關。炎症細胞因子CCL11/Eotaxin和主要組織相容性複合體（major histocompatibility, MHC）I類成分b2-微球蛋白在衰老血液中升高，並且對年輕動物的神經發生和認知有負面影響。相比之下，循環轉化生長因子GDF11在年輕血液中含量更高，並且對衰老的SVZ區域中的NSCs有正面影響。但是GDF11在再生中的能力還不清楚。TIMP2是人類臍帶血漿中發現的一種金屬蛋白酶抑制劑，當系統性注射到老年小鼠中時，可改善突觸可塑性及認知能力。然而，注入TIMP2後海馬中的新生神經元數量並沒有變化。這表明TIMP2的作用與神經發生無關，其可能是通過改變細胞外基質的性質來發揮功能的。這些因子是否通過直接作用於微環境細胞，或間接使微環境變為低炎症狀態來介導它們對神經發生的作用，還有待確定。除系統性因素外，Notch, Wnt, sonic hedgehog和骨形態發生蛋白（bone morphogenic proteins, BMPs）等局部形態發生因子在胚胎發育過程中也很重要，並在整個生命過程中調控著NSCs的穩態。海馬中的Wnt信號上調可以改善與衰老相關的神經發生減少及認知能力下降。Notch信號在維持SVZ和海馬微環境中NSC靜息和激活方面起著重要作用，並且在衰老過程中也可能至關重要。
脈絡膜叢和腦脊液
脈絡膜叢是腦室中一層上皮細胞，可產生腦脊液，並構成血液-腦脊液屏障，整合來自兩個系統的信號。分析側腦室脈絡膜叢分泌物組對新鮮純化的NSCs體外生長的影響表明，SVZ的aNSCs對脈絡叢分泌因子的衰老相關變化非常敏感。具體來說，可以誘導NSC增殖的因子，例如BMP5和IGF1，在老年小鼠的脈絡膜叢分泌物中已經耗盡。老年脈絡叢也表現出與I型幹擾素（type I interferon, IFN-I）反應（即IFNα和IFNβ）相對應的表達譜。值得注意的是，通過將抗IFNα受體的抗體輸送到腦脊液來阻斷IFN-I信號傳導，可以改善老年小鼠海馬神經發生和認知功能。下丘腦NSCs可在第三腦室分泌胞外體到腦脊液。因此，下丘腦微環境的NSCs可能不僅受腦脊液的影響，還可能參與影響衰老過程的系統性變化。脈絡叢和腦脊液將大腦環境的變化（包括衰老過程中的炎症信號）傳遞給NSC微環境，並在此過程中起著至關重要的作用。
內皮細胞和周細胞
大腦的血管系統（內皮細胞和周圍的周細胞）在循環系統和腦實質之間形成了一個稱為血腦屏障的緊密調控界面。最近的研究表明，神經微環境中內皮細胞的轉錄組隨著衰老而急劇向炎症性轉錄組的狀態轉變。內皮細胞和周細胞可以分泌諸如胎盤生長因子2（placental growth factor 2, PlGF-2）等因子。這些因子可促進從年輕小鼠SVZ中分離出的NSCs的增殖。然而，在中年小鼠中，內皮細胞開始大量產生一種通過TGF-β和SMAD3信號觸發NSC凋亡的炎性細胞因子——轉化生長因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）。相同地，通過遺傳或藥理學方法抑制TGF-β通路能夠改善老年小鼠的神經發生。此外，在老年腦的內皮細胞中，血管細胞粘附分子（vascular cell adhesion molecule, VCAM1）也表現出了局部上調。研究人員發現通過遺傳途徑或全身注射VCAM1抗體，降低內皮細胞中VCAM1水平，可以逆轉老年血漿對年輕小鼠大腦中的負面影響，並增加老年小鼠海馬中NSCs的數量。儘管眾所周知VCAM1可促進血管-免疫細胞相互作用，但在衰老過程中，VCAM1可能會將血細胞與內皮細胞綁定在一起，不允許其轉運，從而可能引起內皮細胞的慢性炎症。內皮細胞的炎症狀態可能繼而導致小膠質細胞活化（見下文），抑制NSC增殖，並造成認知障礙。因此，恢復衰老大腦內皮細胞的功能可能有助於減輕炎症，改善NSC減少及大腦功能。
小膠質細胞
小膠質細胞是大腦中常駐的免疫細胞。這些細胞在腦實質中巡查，通過吞噬作用，吞噬和降解細胞外物質來維持體內穩態。小膠質細胞的吞噬活性在新生的NPCs變成神經細胞之前通過令其凋亡將其清除，有助於維持成年海馬神經微環境的動態平衡。此外，在海馬NSCs的培養中加入吞噬小膠質細胞的分泌體，或直接將其注射到年輕的成年小鼠海馬中均會限制新神經元的產生。但是，在衰老過程中，小膠質細胞的吞噬功能受損，這可能導致細胞碎片和聚集物在微環境中的積累，並可能擾亂NSC微環境的穩態。小膠質細胞通常也通過產生生長因子和細胞因子，來促進海馬和SVZ中的神經發生。但衰老過程中持續的炎症將會導致小膠質細胞活化增強（即分泌炎性細胞因子的增殖性小膠質細胞），隨後SVZ和海馬的NSC增殖會有所減少。因此，改善老年大腦小膠質細胞的功能，在微環境中不僅可以增強其他細胞（例如NSCs）的功能，還可以促進免疫細胞的清除而減少其浸潤。
T細胞浸潤
長期以來，特別是在生理條件下，大腦被認為是一個免疫特權器官。然而，有趣的是，免疫細胞（例如T細胞）卻能浸潤到老年小鼠和人類的大腦中。研究人員通過對整個SVZ微環境的單細胞測序發現老年SVZ中有CD8+ T細胞浸潤，並通過免疫細胞化學染色在老年小鼠和人類中進行了驗證。T細胞受體測序顯示，大腦中T細胞是克隆性增殖的。這表明它們可能會識別大腦中的特定抗原，從而浸潤到大腦中，而不是被動地通過衰老的血腦屏障擴散。這些T細胞可能被腦特異性抗原和趨化因子的結合吸引到衰老的神經微環境。令人興奮的是，他們或許可以識別衰老NSCs中來自聚集蛋白的新抗原，例如在帕金森症和多發性硬化症中，T細胞能夠分別識別α-突觸核蛋白和β-突觸核蛋白。
浸潤性T細胞是SVZ微環境中IFNγ的主要來源。眾所周知，IFNγ在成體神經微環境中起著抗增殖的作用。這表明T細胞的積累可能會導致與衰老相關的神經衰退。實際上，IFN響應與SVZ中NSC增殖的減少有關。有趣的是，抑制IFN信號傳導（使用IFNα和IFNγ受體敲除小鼠）對老年動物SVZ中NSC的增殖有較強的促進效果。類似地，抑制響應IFNγ釋放的趨化因子CXCL10減少了qNSCs的數量，並增加了衰老SVZ中神經微環境中成神經細胞生產的數量，這揭示了炎症與NSC無法在衰老大腦中激活之間的因果關係。因此，儘管浸潤的T細胞可能在發育過程中具有有益作用（成年早期T細胞缺陷的小鼠，海馬中神經發生及空間學習能力顯著降低），但它們在衰老過程中可能由於分泌炎症性細胞因子等原因，對NSCs產生有害作用。
探究發育和衰老過程中浸潤的T細胞和NSCs之間的關係，以及T細胞從發育過程中的保護作用轉變為有害作用（可能由於衰老大腦炎症中的T細胞毒性）的過程將會十分有趣的。探索不同的神經微環境如何響應免疫細胞浸潤和炎症信號也非常重要。例如，Iκβ激酶（Iκβ kinase, IKKβ）和其下遊的核因子-κB（Nuclear Factor κB, NF-κB）的促炎途徑損傷了下丘腦神經微環境中成年NSC的存活，增殖和分化，並導致小鼠的肥胖及前驅糖尿病。因此，阻斷T細胞或減輕衰老神經微環境中的炎症水平可能是恢復衰老大腦功能的有效策略。
腦膜淋巴管和淋巴系統
大腦的腦膜中包含背側和基底淋巴管，有助於將腦脊液和腦膜免疫細胞排入頸淋巴結。此外，「膠質細胞」系統（膠質細胞相關的淋巴系統）可能與淋巴管相連，並且研究人員已證明其與β-澱粉樣蛋白清除有關。腦膜淋巴管和淋巴系統在中樞神經系統和外周免疫系統之間構建了新的潛在聯繫。有趣的是，腦膜淋巴系統在衰老過程中也會功能下降，並且用光動力藥物（Visudyne）破壞腦膜淋巴管會導致年輕小鼠的認知障礙。雖然增強腦膜淋巴系統功能可改善老年小鼠的學習和記憶能力，但不會促進這些小鼠海馬中分裂的NSCs數量增加。儘管如此，探索腦膜淋巴管和淋巴系統如何與神經微環境相互作用，以及在衰老過程中，腦膜淋巴管和淋巴系統如何整合影響NSCs和神經微環境中其他細胞，還是令人興奮的。
室管膜細胞
室管膜細胞排列在腦心室壁上，形成一層上皮細胞。室管膜纖毛的協同搏動有助於腦脊液動態更新，這對於NSCs交換營養因子和代謝物，以及清除大腦中的代謝廢物和毒素至關重要。儘管qNSCs和室管膜細胞在發育過程中來源於共同的放射狀膠質細胞祖細胞，並具有共同的表型標記物（SOX2、SOX9、NESTIN和CD133），但這兩種細胞在成體大腦中有著不同的形態和功能。以α-平滑肌肌動蛋白（Smooth Muscle Actin, SMA）為標記物，通過流式細胞螢光分選技術（Fluorescence-Activated Cell Sorting, FACS）分離出的室管膜細胞與NSCs在轉錄上不同，在體外或體內正常誘導NSCs增殖的促生長條件下，室管膜細胞不會增殖。單細胞測序證實室管膜細胞不具有NSC的功能。但是，室管膜細胞纖毛對腦脊液動態更新的調控能夠影響NSCs的功能和神經發生，這在衰老過程中可能至關重要。例如，在小鼠中室管膜纖毛的搏動對於成神經細胞向嗅球的定向遷移是必須的。在衰老的過程中，室管膜細胞積聚中間絲、緻密體和脂滴，纖毛逐漸減少。此外，在老年小鼠中，室管膜細胞纖毛簇更加紊亂，導致擴展心室區域中纖毛完全缺失。儘管尚未直接實驗證實，但這些與衰老相關的室管膜細胞變化可能導致神經衰退並對成神經細胞的遷移產生負面影響。因此，準確揭示室管膜細胞如何將信號從心室和脈絡叢傳遞到SVZ微環境，以及它們在衰老過程中經歷的變化，可能有助於探索應對NSC和腦功能衰退的策略。
神經元輸入
神經微環境嵌入大腦中的神經網絡並與之進行交互。在海馬中，來自parvalbumin蛋白陽性的中間神經元的GABAergic神經元負責維持NSC的靜息，而其本身受內側隔核的遠距離調控。海馬苔蘚細胞是支配成熟顆粒細胞和局部中間神經元的穀氨酸能神經元，它也通過對NSCs穀氨醯胺的直接神經支配，調控NSC和中間神經元的激活，從而促進NSC的靜息，進而促進了這種循環。同樣，SVZ的前腹側也受到來自下丘腦的POMC（Proopiomelanocortin, POMC）神經元的支配，POMC能促進NSC的增殖和深顆粒神經元的生成。有趣的是，飢餓和飽足狀態可影響依賴於POMC神經元途徑的NSC增殖。儘管所有這些研究都是在年輕動物中進行的，但這些研究表明，通過電刺激或通過進食間接向下丘腦輸入信號來調控衰老NSC微環境的神經迴路，或許能夠改善NSC功能及神經發生。
從SVZ和海馬微環境生成的新生神經元，必須在功能上整合到現有的神經迴路中才能存活。在嗅球中，新生神經元整合到顆粒細胞和血管小球層中，在其中充當中間神經元。長期體內成像顯示，新生神經元不競爭而是非選擇性地向嗅球中整合。在海馬中，未成熟的新生神經元遷移到DG的顆粒細胞層，並分化為齒狀顆粒細胞。新整合的神經元為學習提供了新的基礎，並可能促進新記憶的形成。令人興奮的是，通過暫時性過表達成熟顆粒細胞中樹突的負轉錄調節因子KLF9（Kruppel-Like factor 9, KLF9）來促進成年齒狀顆粒細胞的整合，能夠促進DG中新神經元的再生，並改善老年小鼠的認知功能。然而，是否有新生神經元替代大腦中衰老的神經元和功能喪失的神經元，或者它們是否取代了其他神經元（尤其是DG中的）還有待確定。另外，隨著新細胞的整合，原有的迴路也會被改變，這可能會使已建立的記憶在以後更難被回憶起。因此，確保新生神經元整合到正確的迴路中，對於恢復衰老大腦的功能同樣至關重要。
神經微環境間的異同
儘管在SVZ和海馬微環境之間有許多共有的調控NSC譜系的分子機制，但是在不同的區域，一些信號通路對NSC調節有拮抗作用。例如，在生命早期，IFN信號對於維持海馬的神經發生是非常重要，而在衰老過程中，這一通路的過度激活則會對SVZ的神經微環境產生負面影響。相似地，抑制p38絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）信號（一條協調炎症、增殖和凋亡的重要信號通路）可緩解衰老相關的海馬神經發生減少，抑制老年小鼠SVZ分離的NSCs中p38信號也同樣提高了其神經潛能。此外，來自海馬和SVZ的NSCs在長期動態更新上存在差異。海馬中NSCs大量不對稱分裂，導致神經元的產生和NSCs的減少；而SVZ的NSCs經歷了對稱的自我更新和分裂，使其在之後能夠同時進行自我更新和神經元的產生。通過對SVZ和海馬微環境之間異同以及它們衰老相關調控機制的更加全面的了解，將幫助我們在促進老年大腦再生的一般策略和特殊策略上產生新的認識。
NSCs和疾病：與衰老和轉化潛能的關聯
由於NSCs所具有的再生能力，涉及NSC的治療幹預有可能改善大腦的病理性表型。因此，NSCs如何受到疾病狀態的影響，以及如何利用這一影響來改善病理狀態，將是一個令人非常感興趣的研究方向。
神經退行性疾病
隨著年齡的增長，神經發生能力下降，患神經退行性疾病（包括阿爾茨海默症和帕金森氏症）的風險逐漸增加。最近的一項研究表明，人類阿爾茨海默症的進展伴隨著海馬體新生神經元數量和成熟程度的下降，且比非病理性衰老過程中的下降更為顯著。這一現象與「神經發生減少可能是阿爾茨海默症病理學部分誘因」的觀點一致。因此，NSCs產生功能性新生神經元的能力引起了人們對通過移植NSC或激活患病大腦中已有NSCs進行治療的興趣。將人NSC移植到海馬體附近的澱粉樣前體蛋白（Amyloid Precursor Protein, APP）/早老素1（Presenilin1, PS1）阿爾茨海默症小鼠模型中，可減輕澱粉樣斑塊負荷，改善海馬體依賴性認知功能。在阿爾茨海默症小鼠模型中，移植胎鼠NSCs可提高認知能力，減少澱粉樣蛋白加工，增加抗炎細胞因子分泌，並恢復突觸損傷。然而，這種移植療法只有在疾病進展到晚期之前有效，這表明幹細胞移植的時機對提供治療的效果至關重要。對於其他神經退行性疾病，如帕金森氏病（Parkinson’s Disease, PD）、肌萎縮側索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）、亨廷頓氏病（Huntington’s Disease, HD）和多發性硬化症（Multiple Sclerosis, MS），也進行了類似的概念性移植研究。找出激活常駐NSCs的方法可能是一個潛在的、更有效的改善神經退行性病變的策略。同時在阿爾茨海默症小鼠模型中增加海馬體神經發生水平和升高腦源性神經營養因子（Brain-Derived Neurotropic Factor, BDNF）水平可以改善認知能力，儘管僅僅增加神經發生並不能帶來認知水平的提高。同樣需要注意的是，NSC衍生的新生神經元在功能上不同於那些在疾病進展過程中死亡的神經元。因此，需要進一步的研究來評估所觀察到的NSC移植或激活的有益效果是由於新生神經元整合到疾病損傷的神經迴路（如帕金森疾病中的多巴胺能神經元）的結果，還是由於現有神經迴路的重塑（即通過產生其它特定因素實現）。
中風
中風時，由於動脈閉塞或破裂導致的大腦缺氧（缺血），NSCs的再生潛能被激活。缺血性損傷（一種常見的中風模型）後，駐留的NSCs接收到激活和分化為膠質細胞的信號，形成「膠質瘢痕」，神經元遷移到損傷部位，可以改善齧齒動物和人類的神經病理。然而，隨著年齡的增長，NSCs的再生能力急劇下降，限制了它們修復中風後損傷的能力。外源性NSCs移植有可能促進老年中風患者的缺血性損傷恢復。將人NSCs（來源於胎兒腦組織或誘導多能幹細胞[Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs]）注射到小鼠中風模型的同側海馬體內，可減小梗死體積，降低促炎因子表達，並改善中風所致的行為缺陷。將人NSCs（來源於胎兒腦組織）與小分子神經保護劑（3K3A活化蛋白C）聯合應用於小鼠動脈閉塞後的缺血模型，可增加神經元生成，促進突觸迴路修復，並改善缺血後恢復的功能。刺激內源性NSC而不是在缺血損傷後移植也引起了人們極大的興趣。例如，用腦活素（一種神經營養肽的混合物）治療中風後的大鼠，可以增加SVZ神經發生和少樹突發生，並改善神經功能。類似地，中風後注射GDF11可增加SVZ的NPC數量，並改善小鼠的神經元再生。然而，損傷後NSCs的持續激活也會導致幹細胞衰竭，耗盡大腦終生的再生庫。因此，在NSC活化和衰竭之間找到一個平衡點是至關重要的。另外，由於新生神經元功能整合不當，移植外源性NSCs可能會產生有害影響。事實上，中風後海馬神經發生可能會損害時間和空間記憶的表現，新生神經元可能會不恰當地整合到已有的海馬迴路中。在這種情況下，抑制海馬神經發生（使用替莫唑胺或結合遺傳模型[Nestin Cre ERT2/NSE-DTA]）實際上可以改善記憶保持。這些結果強調需要更好地了解神經元迴路整合和突觸重塑，以利用NSCs的再生潛能治療中風患者。
癌症
NSCs的高增殖能力增加了其突變的風險，使其更容易成為某些腦癌（如膠質瘤和膠質母細胞瘤）的誘因。事實上，膠質母細胞瘤始發細胞與非病理性NSCs非常相似。例如，醯基輔酶A結合蛋白（Acyl-Coa-Binding Protein, ACBP）是一種只在星形膠質細胞、NSCs和NPCs中表達的增殖因子，在膠質母細胞瘤細胞中高度表達並促進腫瘤的發生。此外，對人類膠質母細胞瘤樣本的深度測序顯示，SVZ的NSCs含有低水平的驅動突變，與相應的原發性膠質母細胞瘤的突變圖譜相匹配，提示NSCs可能是人類膠質母細胞瘤的起源細胞。因此，了解NSC活化和增殖的過程有助於揭示腫瘤發生的分子觸發因素，並為腦癌提供新的治療方法。此外，通過預防潛在的膠質母細胞瘤的形成，它將有助於確保NSC移植和內源性激活等轉化療法的安全性。
恢復衰老神經元微環境的幹預措施
雖然NSC水平和神經發生潛能在衰老過程中下降，並對其功能帶來有害的後果，但這種下降並非不可避免。如上所述，靶向NSCs中特定的分子途徑和代謝細胞器，如TFEB，溶酶體，轉錄因子和線粒體，可以改善老年人NSC的功能。儘管這種分子幹預手段很有前景，一個有趣的平行研究涉及通過生活方式幹預來改善NSC和大腦功能。到目前為止，有三種幹預措施顯示出了恢復衰老神經元微環境的最大潛力：飲食、運動和全身血液因子（圖4）。
圖4. 恢復衰老神經元微環境的幹預措施 本研究比較了三種有希望的幹預措施，以恢復衰老神經元的微環境（腦室下區[the Sub-Ventricular Zone, SVZ]和海馬齒狀回[Dentate Gyrus, DG]）。飲食幹預分為三個子類（熱量限制[Caloric Restriction, CR]、間歇禁食[Intermittent Fasting, IF]和禁食模擬飲食[Fasting-Mimicking Diet, FMD]）。運動分為中度和劇烈兩組。全身因素分為血液和血漿。這些幹預措施的神經保護作用在各種疾病和損傷中進行評估：阿爾茨海默症（AD）、帕金森病（PD）、亨廷頓病（HD）、多發性硬化症（MS）、中風和創傷性腦損傷（TBI）。問號表示支持該主張的證據相互衝突或不足。
飲食幹預手段
飲食幹預措施，如飲食限制和間歇禁食，可以說是迄今為止最成熟的長壽幹預措施，已被證明具有多種健康益處並可延長小鼠的壽命。研究已經開始探究飲食幹預是否可以防止年齡依賴性神經發生能力衰退，甚至對神經發生有恢復作用。例如，從幼年（4月齡）開始，小鼠的熱量攝入減少40%，可以保護SVZ不受年齡依賴性神經發生能力下降的影響，並提高嗅覺記憶能力。在基礎條件下，間歇禁食3個月可增加中年小鼠DG和SVZ新生神經元的增殖和存活。間歇性禁食也限制了與缺血性損傷相關的細胞死亡的程度，並導致生理上的改善，如感覺運動障礙的減少。然而，在缺血性損傷的情況下，間歇性禁食不能促進新生神經元的生成，這表明觀察到的神經保護作用是神經元細胞死亡減少而不是神經發生增加的結果。其他間斷性的禁食模式，如隔日餵養，伴隨著DG中增厚的錐體細胞層，並導致認知能力的改善，如學習和記憶的改善，這表明禁食和神經發生之間可能存在聯繫。由於長期的飲食限制難以堅持，其他的飲食幹預措施，如已經研究出模擬禁食飲食（Fasting-Mimicking Diet, FMD）以證明限制熱量攝入對健康的益處，同時提高對方案的遵守性。從16個月開始，每月吃兩次FMD飲食4天，小鼠的平均壽命延長了11.3%，評估短期記憶、長期記憶和學習的認知測試成績也有所提高。同時還伴隨著海馬神經發生的增加（在23個月大的動物中通過BrdU摻入和雙皮質醇[Doublecortin, DCX]染色進行測量）。因此，飲食幹預有可能改善神經發生，對神經損傷給予保護作用，並為機體保持整體的健康和長壽。
飲食幹預對NSCs有益的分子機制尚待確定，但營養感應途徑，包括mTOR和胰島素樣生長因子信號，可能起著關鍵作用，因為它們在調節細胞代謝和維持NSC穩態方面很重要。關鍵是要確定這些幹預措施的益處是由于禁食、自噬等過程被激活，還是由於對特定「有害」營養素（如葡萄糖或游離油酸）的攝入總體減少所致。特定的營養素也可能在保存或恢復NSCs活力方面發揮重要作用。例如，飲食限制（Dietary Restriction, DR）和隨機的低蛋白、高碳水化合物（Low-Protein, High-Carbohydrate, LPHC）飲食對老年小鼠海馬體生物學和認知功能有積極影響。同樣，生酮飲食可以重現DR帶來的的壽命延長和健康的益處，甚至可以改善老年動物的記憶力。因此，調節飲食中某些營養素的水平，在改善NSC功能和整體大腦健康方面，可能與大幅度減少進食量一樣有效。
鍛鍊
運動有助於對抗年齡依賴性的認知能力下降，這是通過短期和長期記憶以及執行功能的打分來衡量的。自發有氧運動促進小鼠和大鼠成年海馬神經發生，促進老年海馬新生顆粒細胞神經元的發育和整合。然而，並非所有形式的運動對改善大腦健康都有同樣的效果。自發運動對成年大鼠海馬神經發生的益處似乎比強迫訓練更大。此外，儘管中等強度和疲勞運動可以增加青少年小鼠（2月齡）海馬神經元的分化和遷移，但只有適度的運動才能提高細胞增殖和存活率。與疲勞運動相比，適度的運動也會導致海馬神經發生顯著的增加，伴隨著認知功能的改善，如增強空間分辨力，而這在疲勞組是不存在的。因此，與其他形式的運動相比，適度的有氧運動在神經微環境中可能具有最具活力恢復的效果。
令人興奮的是，對於某些神經退行性疾病，如帕金森和阿爾茨海默症，運動也可以作為一種神經保護幹預措施。在具有共濟失調表型的轉基因小鼠中，自發跑步可以延長壽命，改善運動功能障礙。這些生理上的改善伴隨著小腦少突膠質形成的增加以及隨後VGF分泌介導的新生髓鞘的形成。在一個阿爾茨海默症小鼠模型中，運動增加了海馬神經發生，改善了認知能力，並減少了β-澱粉樣蛋白負荷。當神經發生和BDNF水平同時提高時，運動的這些有益效果可以被重現，這表明運動可以提高系統因子（如BDNF）和神經發生的水平，從而改善神經退行性疾病的病理學表徵。
儘管運動誘發的益處的分子機制在很大程度上仍不清楚，尤其是在老年動物身上，但最近的證據表明，跑步誘導的海馬神經發生和空間記憶改善依賴於組織蛋白酶B（一種已知在人類和猴子運動時表達的蛋白水解酶）的分泌。如活化的血小板等全身性因素，也被認為是運動的神經發生益處的介質。運動誘導的血小板活化促進年輕成年小鼠（8-10周齡）海馬NSC的增殖，並在體內增加隨後的神經發生。這種NSC的增強可能是由血小板因子4介導的，它足以增加DG中DCX+未成熟神經元的水平。確定血小板因子4如何影響老年動物將是一件有趣的事。儘管急性運動會導致肌肉損傷時炎症反應加劇，但定期有氧運動至少部分通過減少全身炎症來發揮其有益作用，如腫瘤壞死因子α（Tumor Necrosis Factor Alpha, TNF-α）和IFNγ等炎症細胞因子水平較低。在年輕（8周齡）和中年（8月齡）小鼠海馬體中跑步的神經發生有益效應與小膠質細胞的密度成反比，小膠質細胞通常會導致老年性神經炎症。考慮到衰老神經微環境的炎症狀態，有人推測運動對老年人神經發生的積極作用也可能是由於衰老微環境中細胞和環境的炎症狀態降低所致。
血液因子
另一個有希望的再生策略是給老年動物注射年輕的血液或其中的因子，以改善日益衰退的神經發生和認知能力。如上所述，老年海馬體和SVZ中受損的神經發生和認知功能可以通過異體共生年輕血液來改善。老年血液中因子的稀釋和年輕血液中因子的存在可能是異體共生對糖尿病具有積極作用的基礎。事實上，注射年輕血漿足以改善情境恐懼條件下的認知能力以及空間學習和記憶，儘管還不清楚這些是由於神經發生的改善還是神經元功能本身的原因。儘管小規模的人體臨床試驗對常規血液注射的安全性和可行性進行了評估，並獲得了可喜的結果，但對老年人普及使用年輕血液的臨床挑戰（以及潛在的倫理問題）依舊促使人們不斷努力，以確定年輕血液中能夠獨立產生健康益處和增加神經發生的特定因素。還需要做更多的工作來從年輕的血液中找出能夠使衰老的神經微環境恢復活力的特定因子，並確定效應細胞。
思考這些不同幹預措施對於神經發生的益處，一個有趣的假設是，兩個或多個這些策略的組合應用可能會產生相加甚至是協同的有益效果。附加的「恢復」策略，如體內部分重編程或微生物群轉移，也可以使衰老的NSCs恢復活力，改善與年齡相關的感覺運動衰退。雖然還需要進一步的研究來確定每種策略的具體作用機制，但飲食幹預、運動因素和血液因子的潛在協同效益有望成為促使大腦從生理性和病理性衰老中恢復的策略。
脊椎動物的神經發生
脊椎動物神經發生的進化
在所有已有研究的脊椎動物中研究者都觀察到了成體神經發生，但不同物種之間的神經發生能力有很大的差異。例如，兩棲動物和硬骨動物的大腦中有許多神經起源區域，並顯示出顯著的神經發生和腦再生能力。相比之下，包括人類在內的哺乳動物在脊椎動物中表現出相對較低的神經發生潛能，他們再生潛能有限，神經微環境較少，儘管它們在整個生命周期內仍能產生新生神經元。雖然新生神經元的產生在胚胎和幼年發育過程中是必要的，但目前尚不清楚為什麼進化壓力會選擇在成體大腦中不斷生成新生神經元，尤其是考慮到其導致的癌症形成風險的增加。事實上，長期以來人們一直認為成體神經發生是一種沒有功能益處的進化遺留物。然而，似乎越來越有可能的是，成體神經發生正處於進化的積極選擇之下，這不僅是因為它在發生腦損傷時具有再生的益處，而且還增加了大腦的可塑性，提高了有機體在一生中整合新信息的能力。這也許是鳴禽大腦（一個重要的歷史性的研究成體神經發生的模型）提供的最好的例證，成年雄椋鳥在學習新歌的能力上表現出明顯的季節性可塑性，這是物種性選擇的一個組成部分。成體神經發生在嚙齒類動物交配行為中也起著重要作用，因為SVZ中NSCs產生的嗅球神經元可能通過嗅覺信息參與配偶選擇。事實上，局部照射SVZ破壞雌性小鼠嗅球神經發生，可能是因為檢測雄性特異性氣味的能力降低，導致配偶選擇受損，最終導致其與雄性小鼠的異常社交互動，但與雌性的社交行為不受影響。
人類神經發生：爭議、挑戰以及未來的道路
雖然人類的大腦長期以來被認為是一個完全終末分化器官，但在20多年前，一項開創性的研究表明癌症患者大腦中的細胞有分裂行為。從那時起，許多研究試圖解釋這個問題，通常依賴於死後人腦的碳年代測定和免疫染色技術。研究者在人類側腦室壁中觀察到了NSCs和神經母細胞。然而，儘管在小鼠和其他哺乳動物的嗅球中植入了SVZ產生的新神經元，但在人類的嗅球中產生的新神經元幾乎可以忽略不計。相反，來自人類SVZ的新神經元整合在成年人紋狀體中，靠近側腦室壁。這些新生神經元是否來源於SVZ中真正的NSCs，以及它們是否具有功能作用還沒有直接檢測證明。因此，我們需要更多的工作來更好地理解神經發生在成體SVZ中的重要性以及它是如何受到衰老的影響的。
多年來一直爭論不休的一個關鍵問題是，神經發生是否發生在人類海馬體的DG區域（該區域對學習和記憶至關重要）。儘管一些研究報告了缺乏青春期後人類神經發生的證據，但另一些研究卻發現了相反的情況：成年後持續的人類神經發生，在衰老過程中略有下降。神經母細胞的數量也與認知狀態相關，認知能力好的個體中有更多的神經母細胞。這些結果表明神經發生可能與人類的認知功能有關。
為了辨析詮釋來自不同研究的相反結果，還需要做更多的工作。例如，比較染色的方案、保存來自人類捐贈者的樣本和死後採集的時間，將有助於解決這些差異。重要的是，單細胞RNA-seq技術的進步將有助於推動這一領域的發展，為NSCs的免疫識別提供更為特異的細胞標記，以及可以跨物種比較的轉錄組特徵。事實上，最近一個來自成體嗅覺神經上皮的單細胞RNA測序數據集將具有NSCs和神經祖細胞特徵的細胞進行了分辨。在基礎條件（如大多數研究方案）和神經發生應改善的條件（如在人類運動或甚至腦損傷後）之間評估神經發生是很有趣的。對人類的分析有助於為促進神經發生和改善人類衰老大腦功能提供新的途徑。
NSC衰老研究的結論與前沿進展
NSCs具有使老年大腦年輕化和改善與年齡相關的神經退行性疾病的潛力。在過去的幾年中，研究者已經發現了NSCs在衰老過程中發生的內在和外在的變化。同時，改善健康和/或壽命的幹預措施（如飲食限制、運動、血液因子等）已被證明可以改善老年人的神經發生能力。將從這兩個領域獲得的知識結合起來，人們可以加速開發專門和有針對性的幹預措施以恢復老年人的大腦功能。新技術的出現和改進（如單細胞測序、多組學、全基因組篩選和創新醫學成像技術）會進一步提高我們對衰老如何影響NSC及其微環境的理解，以及NSCs如何與腦迴路以及系統和組織信號相互作用（圖5）。
圖5. 衰老NSC研究的前沿進展 新技術的出現和改進（圖中右半部分）將進一步加深我們對衰老如何影響NSCs及其微環境，以及NSCs如何與大腦迴路、系統和組織信號相互作用的理解。
在單細胞水平上的下一代測序技術的結合應用，如單細胞RNA-seq、單細胞ATAC-seq或單細胞蛋白質組學，將在分析中捕捉單個細胞的基因組、表觀基因組學、蛋白質組學和代謝組學圖譜。這些技術的研究將有助於完善我們對NSC的激活和分化的中間階段的理解。下一個前沿研究將是利用STARmap或Slide-seq等技術，在原位整合所有這些分子和細胞信息，以提供微環境的空間和「組學」信息。
在原位觀察NSC的激活和分化將為研究衰老過程中神經微環境的動態變化提供有價值的見解。活體成像可以在原位觀察NSC的命運，包括它們的對稱和不對稱分裂以及新生神經元整合到原有的迴路中。譜系追蹤是另一個強有力的工具，可以用來理解NSCs的細胞命運決定，尤其是自我更新與分化的程度。使用CRISPR-Cas9或Cre重組的高級譜系追蹤工具將有助於揭示在正常衰老和疾病期間，NSC譜系中的細胞命運如何隨著時間的推移而變化，以及對促進神經發生的幹預措施的反應。這些在譜系追蹤和成像方面的進展將有助於解決該領域的突出問題，例如單個NSC持續存在並繼續產生新生神經元的程度，以及衰老大腦中神經元更新的程度和功能重要性。
利用不同種類的CRISPR技術進行高通量功能性基因篩選可以揭示NSC衰老的新分子機制。此外，通過將老年健康或患病個體的成纖維細胞直接重編程為NSCs的能力，可以加強對NSC衰老過程的機理研究。最後，通過調整人腦器官系統來研究大腦衰老和相關疾病，可以更深入地研究神經微環境及其如何隨時間變化。
神經微環境中的許多衰老機制仍然是個謎。例如，神經微環境與大腦中周圍神經網絡之間的相互作用，特別是這種相互作用如何隨年齡的增長而受到影響，目前還不清楚。組織光學清除技術與超解析度成像相結合可以幫助揭示NSC微環境的神經元輸入和輸出。光遺傳學或相關的方法也可以用來調節神經元的活動和確定對神經微環境的影響。諸如人類連接體圖譜的定位可能有助於揭示神經迴路和NSC微環境之間的相互作用，以及它們是如何受到年齡和疾病幹擾的。最後，進一步研究神經微環境與機體系統性衰老之間的相互影響是至關重要的。例如，了解晝夜節律、睡眠、生殖內分泌狀況或微生物組分對衰老過程中神經發生功能的系統性影響，可能對於理解間接影響NSC再生的長期誘因至關重要。
在群體水平上，個體間的變異性正在成為衰老的一個決定性方面，它可以反映衰老進程和大腦功能的差異。個體暴露在不同的環境和行為活動中，這些活動在一生中不斷地改變大腦。有趣的是，老年大鼠個體的空間記憶功能的差異與海馬體新生神經元數量呈正相關。同樣，生活在同一大環境中的近交系小鼠在探索行為方面的個體差異越來越大，這種差異與海馬神經發生的差異具有相關性。了解個體之間這些差異的來源和後果，可以為恢復衰老神經微環境提供新的策略，並可能制定個性化和精確的醫療治療。
這些技術和概念上的進步為更好地理解NSC衰老的分子機制提供了前所未有的機會，並為開發大腦再生藥物提供新思路。隨著全球人口結構向老齡化轉變，對抗腦衰老的關鍵點在於如何維持或促進腦功能的健康狀態，而非局限於延長壽命的長壽策略。
來源：老頑童說
1980-2020
原標題：《【前沿進展】神經幹細胞及其微環境的衰老與再生》
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