腸道細菌竟能「入侵」大腦,但是我們為什麼直到現在才發現?

大腦受到血腦屏障的保護，一直被認為是無菌的。但是在最近舉辦的神經科學學會年會上，有科學家展示了有細菌的大腦切片電鏡圖像，引起了學界的關注。

目前研究團隊還不能完全排除汙染，並且他們也在尋求微生物專家的幫助。但一旦這項發現得到證實，這將為我們理解微生物與人體的關係指明新的方向。

圖片來源：Nautilus

來源 Nautilus

作者 Michael Segal

翻譯 雨風

審校/編輯 戚譯引

美國阿拉巴馬大學（University of Alabama）的羅莎琳達·羅伯茨（Rosalinda Roberts）已經習慣了在大腦中看到奇怪的形狀。在電子顯微鏡下觀察腦組織超過三十年，她經常會在圖像中發現一些 「未知物體」——那些亮斑和斑點原本不該出現在那裡，並且似乎與她正在研究的突觸和結構沒有關係。她解釋說：「過去我只會說，『好吧，不管它』。」現在，這一切都改變了。

在大腦中發現細菌通常是非常壞的消息。大腦受到血腦屏障的保護，免受人體細菌的侵擾，被認為是一個無菌器官。一旦邊界被打破，就會導致腦炎和腦膜炎等疾病。當羅伯茨、夏琳·法默（Charlene Farmer）和考特尼·沃克（Courtney Walker）意識到切片上的不明物體是細菌時，這一切變得更加令人驚訝。

許多細菌正要進入神經元或深入軸突，就被抓了個正著。還有一些細菌正在分裂。但它們也很挑剔，尤其偏愛大腦的某些區域。周圍的腦組織並沒有出現炎症跡象。如果這些細菌在人活著的時候就存在於大腦中，那麼它們就不會致病。

科學家目前還沒有完全排除汙染的可能，但一旦這項工作得到證實，它將為研究微生物菌群和疾病開闢新的途徑。在 11 月舉行的神經科學學會年會（Society for Neuroscience）年會上，研究小組展示了他們的研究結果。Nautilus 於 11 月採訪了羅伯茨。

「現場」實拍：人腦中的軸突旁邊的細菌（紅色箭頭）。最左邊的細菌似乎正在鑽進一個軸突體。圖片來源：羅莎琳達·羅伯茨

您認為您的照片為什麼會引起這麼大的轟動呢？

如果真的有細菌在一個人活著的時候從腸道進入大腦，那麼這是一個真正的顛覆性發現，因為相比於其他器官，大腦被認為是無菌的。在非創傷性、非感染性樣本中發現細菌真的是完全出乎意料的。

這項研究是如何開始的？

我的整個職業生涯幾乎都在研究精神分裂症。我研究的主要手段就是分析精神分裂症患者死後的大腦標本，從中尋找可能存在的突觸的差異和病理變化。我看到這些未知的物體已經很多年了，但是我無視了它們。後來，我有一個本科生考特尼·沃克（Courtney Walker），她是阿拉巴馬大學榮譽項目的一員。她正在研究黑質（substantia nigra），大腦中的一個含有多巴胺神經元的區域。她不斷地看到這些物體（我們管它們叫「那些東西」），並一直追問這個問題。於是它開始成為實驗室的謎團。

您是怎麼知道神秘物體就是細菌的呢？

根據形態學標準，我開始懷疑它們是細菌。我向一個細菌學家展示了照片，他說：「這就是細菌。」然後我們繼續進行核糖體分析，發現它們是腸道細菌。這是非常有趣的，因為最近人們對腸道-大腦的研究特別感興趣。

我們對腸道-大腦的行為了解多少？

你可以用微生物菌群操控行為和認知，甚至是結構。如果你取一些沒有微生物菌群的無菌小鼠，並用常規老鼠的糞便進行糞便移植來定殖，那它們的許多行為症狀會將都會得到改善。如果你把幽門螺桿菌植入小鼠體內，它們會產生新的認知和行為問題。不同疾病人群的糞便菌群（即從糞便中獲得的腸道菌群）是不同的。帕金森病患者與健康人的微生物群不同。

存在哪些已經提出的機制，能夠描述微生物菌群如何影響大腦？

你知道，我從沒見過這樣的機制。無論有什麼猜測，都和信息到達大腦的途徑有關。一種推測是它通過支配胃的神經向上傳播。其中一條叫做迷走神經。有一項研究，科學家切斷了迷走神經，然後他們就無法通過改變微生物菌群來操縱大腦行為了。這項研究表明細菌對大腦的影響都是通過迷走神經來完成的，但是他們從來沒有說過具體是什麼。

如果細菌確實從腸道來到了大腦，那它們是如何到達那裡的呢？

我不是微生物學家，所以請謹慎對待我的推測。如果細菌沿迷走神經進入大腦，那它就必須鑽入髓鞘，並通過內部運輸到達背核，然後離開，進入大腦的其他地方。細菌也可能通過血腦屏障進入大腦。大腦中有些地方並沒有那麼嚴密。其中一個區域被稱為化學敏感觸發區（chemo-sensitive trigger zone），它位於腦幹，是血腦屏障漏洞最多的地方，這是因為大腦需要知道你是否吃了有毒的東西，如果有的話就會引起嘔吐。由於類似的原因，腦垂體周圍的血腦屏障也不是很嚴密。我想更仔細地觀察血腦屏障有漏洞的地方，看看那裡是否存在著更多的細菌。

您看到的細菌是否更偏愛大腦的某些部位？

我們發現它們喜歡待在血腦屏障周圍的星形膠質細胞內。它們也喜歡呆在軸突裡，那是大腦中連接不同區域、負責傳導信息的突出結構。軸突被髓鞘覆蓋，那是一種脂肪沉積物。此外，在小鼠身上，細菌喜歡進入神經元的細胞核，但在人類身上就沒有這種現象。目前我們還很不清楚這意味著什麼。為什麼它們更喜歡入侵某些類型的細胞呢？我知道有些細菌喜歡脂肪，而有些細菌喜歡糖；髓磷脂是脂肪，而星形膠質細胞中有糖。細菌的分布也表明我們的觀察結果並不完全是由於汙染，否則我們就會在任何地方看到細菌，而不僅僅是在特定的區域。

含有細菌的人腦切片，細菌位於血管的左側。這項發現令人好奇，它可能是「大腦菌群」存在的初步證據。圖片來源：ROSALINDA ROBERTS, COURTNEY WALKER, AND CHARLENE FARMER

這有可能僅僅是死後進入大腦的細菌嗎？

這確實是我最初的想法：可能是細菌入侵並開始吞噬大腦。但是在死亡後立即固定的小鼠腦中，沒有任何死後人為現象或細菌侵入的時間，也發現了這些細菌。所以它不是死後腐爛的產物。此外，在處理過程中，大腦要麼被放入固定劑中，要麼被冷凍。我不知道如何解釋細菌在處理後是如何進入大腦的。當大腦被泡在對它們極其有害的抗菌溶液裡，它們怎麼進得去？

你能排除其他形式的汙染嗎？

目前我還不能排除汙染的可能性。但即使是汙染，細菌的分布也非常有特點。它們並非到處都是，而是聚集在某些細胞間隙，這本身就很有趣。我們必須通過非常系統的研究排除汙染，所有的東西都經過滅菌和高壓消毒，然後對無菌小鼠、常規小鼠以及人類大腦樣本進行處理。

你觀察過的大腦是否有因為細菌而出現任何炎症跡象的呢？

細菌似乎不會引起炎症反應，這很奇怪，因為我們認為它們會。這說明這些細菌要麼是死後或固定後的汙染，要麼就是它們對大腦沒有致病性。

細菌是活的嗎？

我想它們是活的。它們顯然看起來很健康。死細菌看起來就像鬼魂，只是細胞的碎片形態。這些細菌看起來不是那樣的。如果它們在大腦中是活的，並且在死後的大腦中立即被凍結，那將是最有趣的。我想看看我能否培養我看到的細菌，看看它們是否真的活著，然後做一些實驗，試圖了解為什麼它們喜歡大腦的不同區域。我們進行的 16S rRNA 測序無法了解有多少細菌，或者它們是否活著。

您看到死細菌了嗎？

我沒看見死細菌。如果有細菌死去，它們會被巨噬細胞以常規方式吞噬，或者通過溶酶體途徑被處理。我看到的這些是結構完整的，其中許多都有細胞板，這表明它們正在分裂。

您使用的另一個對照是無菌小鼠的大腦。你看到了什麼呢?

我們分析了四隻無菌小鼠的大腦。其中兩個我們用電子顯微鏡檢查，沒有發現任何細菌。還有兩個我們用 16S rRNA 測序檢測，結果顯示它們帶有細菌。但是測序無法告訴你有多少細菌，它只告訴你在給定樣品中不同細菌的比例。因此，有可能在無菌小鼠樣品中有 0.0001 g 細菌，而在野生型小鼠樣品中有 150 g 細菌，但是微生物組分析不能反映這一點。如果對食物進行 16S rRNA 測序，你也能找到死細菌的片段。我們還需要測量測序中使用的試劑，看看是否有任何試劑引入細菌。

您還想作哪些嘗試呢？

我想到的一個方法是把標記好的細菌移植到無菌小鼠體內，看看它們需要多長時間才能到達大腦。我還想分析屍體標本，看看不同的疾病是否會改變細菌在大腦中的位置或細菌的類型。有趣的是，我沒有在大腦中發現任何幽門螺旋桿菌。據說這種細菌會導致認知障礙。

為什麼要在海報上展示這項研究呢？

我需要了解科學界的看法。我想看看能否聯繫上一些微生物學家，或者其他可能正在研究這個的人，因為這對我來說很難。結果呢，我接到一些科學家的電話說：「嘿，讓我們我們交換論文，談談這個問題吧。」要發表一篇論文需要很長時間，等到它發表的時候，你已經在做別的事情了。因此，這種形式可以讓你展示你的初步工作，和同事們談談他們的想法，並討論你要做什麼，而不只是坐在辦公室撓頭想：「這是什麼呢？」

為什麼你認為是你的實驗室作出了這一項發現呢？

世界上已經沒有那麼多電子顯微鏡專家了。神經科學家現在想知道分子的、細胞內的、機械的、甚至更全面的東西。人體死後電鏡檢查是非常少見的。實際上，除了我們就只有另一個小組在做這個。這個發現需要讓電子顯微鏡師與腦庫結合，或者其他死後間隔非常非常短的標本。而這種組合通常不會出現。

你領導的阿拉巴馬大腦標本項目（Alabama Brain Collection）聽起來像是這項研究的重要資產。

是的，但是我要提醒一下。對於電子顯微鏡，你需要在死亡後 8 小時內對大腦進行處理。對於一般的標本，處理的時候平均死亡時間接近 24 到 30 小時。所以可能只有 10% 或 15% 的大腦捐獻者適合電子顯微鏡檢查。