T細胞與神經元的對話

科學家證實免疫系統和中樞神經系統之間的對話對健康的社會行為、學習和記憶至關重要。

星形膠質細胞有著被稱為“足”的長而細的延伸，排列在大腦的血管上。這些細胞的“足”上含有水通道，可以讓腦脊液（包括其中的分子）進入星形膠質細胞，然后通入大腦，在那里腦脊液可以與神經元直接相互作用

提洛昂·布羅姆巴赫爾（Tiroyaone Brombacher）坐在她位于開普敦大學的實驗室里，觀察一只白化小鼠在一米寬且裝滿水的浴缸里游泳的視頻。這只缺少一種名為白介素13（IL-13）的免疫蛋白的動物正在尋找一個可以休息的地方，但它卻找不到位于泳池一端，就在水面下的透明有機玻璃平臺。相反，它在浴缸里游來游去穿梭數次，才終于找到可以歇腳的平臺。經過一次又一次反復試驗，這只小鼠還是找不到平臺的位置。與此同時，野生型小鼠學習起來就相當快，它們可以反復游到平臺所在位置上。“當你取出小鼠的IL-13，它就喪失了學習能力。” 布羅姆巴赫爾說道。她研究心理學、神經學和免疫學的交叉學科。

出于好奇，布羅姆巴赫爾決定解剖小鼠的大腦和海綿狀膜——稱作腦脊膜，它將神經組織與顱骨分隔開。她想知道神經系統和免疫系統是否通過像IL-13這樣的蛋白質進行交流。2017年她在相關報告中稱，野生型小鼠的腦脊膜中充滿了IL-13細胞因子，而敲除型小鼠卻沒有。布羅姆巴赫爾和她的同事總結道，事實上，免疫蛋白就分布在大腦外側，它們在學習和記憶中扮演重要角色。

早在2004年，相關嚙齒動物的研究表明，神經細胞和其支持細胞釋放出信號，使免疫系統被動監控大腦中的病原體，毒素，以及在學習和記憶形成過程中可能產生的碎片作為回應， 免疫系統的分子可以與神經元交流，從而影響學習、記憶和社會行為。本研究工作，連同對大腦的常駐型免疫細胞（即小膠質細胞）的研究，推翻了自20世紀40年代以來存在的成見，即大腦擁有“免疫特權”，它與免疫系統完全隔絕。

免疫-神經交流

盡管T細胞很少與神經組織直接接觸，但免疫細胞和神經元之間存在著幾種交流途徑。當腦脊液（CSF）從大腦深處血管周圍的空間流入神經組織然后再流出時，這種交流就會發生。當動物學習新的信息時，改變神經回路會釋放出信號，使免疫系統做出應答。腦級膜（將神經組織與顱骨分離-的海綿狀膜）中的免疫系統也會監測來自大腦的腦脊液是否有感染或損傷的跡象。

1 腦脊膜的最內層，即軟腦膜，位于大腦的邊緣，將神經組織與周圍的液體和組織分離開來。但是存在于薄纖維組織的間隙使得血管能夠延伸到大腦深處。2 沿著大腦血管，有一層緊密排列的內皮細胞層，它們與星形膠質細胞的突起（或稱為“足”）共同組成了血腦屏障，阻止血液進入該器官。但是位于軟腦膜和腦膜上層之間的腦脊液能沿著內皮排列的血管向下流動。3 當動脈隨著心臟的每一次跳動而搏動時，腦脊液便通過AQP4水通道進入星形膠質細胞的足部。這種腦脊液可以攜帶來自免疫系統的信號，如細胞因子IL-17、IL-4和干擾素伽馬，它們也可能直接與神經元交流。4 細胞因子還可以觸發星形膠質細胞釋放腦源性神經營養因子（BDNF）等分子，影響學習、記憶和社交。5 腦脊液一旦進入大腦，就會與神經組織的細胞外液混合，清除排出的細胞廢物，連同毒素、病原體衍生的抗原和正常神經重組形成的碎片。然后這些液體通過星形膠質細胞的足被推出大腦，進入血管周圍的空間，在那里它可以與γδT細胞相互作用。這些T細胞可能會通過釋放IL-17等細胞因子來做出應答，這些細胞因子可以流回大腦，盡管這一點尚未得到證實。6 隨后，腦脊液被輸送到腦脊膜的淋巴管，然后被沖入頸部的淋巴結，那里有更多的T細胞等待著“巡視”這些液體并做出應答。

布羅姆巴赫爾和其他科學家現在正著手研究神經系統和免疫系統之間的交流是如何發生的。在2012年，分子成像顯示，熒光標記的蛋白質可以流過神經支持細胞的投影層，也就是所謂的星形膠質細胞的“足”。星形膠質細胞是一種星形細胞，位于神經和腦膜組織的邊緣處，并沿大腦血管分布；它們的“足”層是腦脊液（CSF）——一種包裹大腦和脊髓的水狀液體——與中樞神經系統神經元之間的屏障。科學家認為，如果這些熒光標記的分子能夠穿過星形膠質細胞進入大腦，那么基于腦脊液的免疫系統蛋白質也可以，因為它們體積更小。

實驗還表明，血液中的細胞因子可以穿越血腦屏障，并可能影響神經元。血腦屏障除了包含星形膠質細胞足組成的壁外，還包括包圍在大腦血管周圍的一層緊密的內皮細胞層。布羅姆巴赫指出，第三種交流方式是通過免疫細胞因子與星形膠質細胞本身的相互作用來實現的：信號分子似乎根本不需要穿透神經組織就能影響大腦。例如，她的研究工作展示了像IL-13這樣的細胞因子是如何刺激星形膠質細胞釋放腦源性神經營養因子（BDNF）和其他可促進神經發育、影響學習和記憶的蛋白質的。

這一系列工作促進了神經免疫學的迅速發展，使之涌現出越來越多的研究領域。這些研究領域重點聚焦于神經系統在行使正常功能中利用免疫細胞的方式，以及這種相互作用在學習、記憶、社會行為以及神經疾病中發揮的作用。一些研究人員甚至提出，免疫系統可能是治療某些形式的認知受損的關鍵。

影響認知的細胞因子

目前就職于圣路易斯華盛頓大學醫學院的喬納森·基普尼斯（Jonathan Kipnis）是最早將免疫系統和大腦功能聯系在一起的幾個研究小組的成員。2004年，基普尼斯和他的同事們發現，沒有獲得性免疫細胞（例如T細胞）的小鼠在游泳時很難記住水下平臺的位置。幾年后，該研究小組重點研究了一種叫做白介素4（IL-4）的T細胞因子，它可以幫助免疫系統功能正常的小鼠形成關于水下平臺位置的長期記憶。IL-4由體內的T細胞分泌，可以遷移到腦脊膜，并以某種方式影響大腦。

在這項工作的后續研究中，當時還是基普尼斯手下的博士后，現在是杜克大學神經外科助理教授的安東尼·菲利亞諾（Anthony Filiano）發現，缺少T細胞的小鼠不會像正常小鼠那樣參與社交活動。如果免疫缺陷小鼠在大約四周大的時候接受免疫細胞注射，它們的社交能力則會增強，在進行補充免疫幾周后就能模仿正常小鼠的行為。對從兩組小鼠獲得的基因表達數據進行分析后發現，干擾素伽馬——一種機體抵御病毒和細菌性病原體所必需的細胞因子——與社交性相關。

為了觀察干擾素伽馬是否對大腦有直接影響，菲利亞諾和他的合作者敲除了小鼠前額葉皮層神經元中的細胞因子受體基因。前額葉皮層是一個對于社會行為很重要的區域。小鼠在與其他小鼠的交流互動上所花時間減少，表明它們的社交欲望降低；該結果為表明來自腦脊膜T細胞的干擾素伽馬直接作用于皮層神經元提供了證據。

受到基普尼斯和菲利亞諾所做工作的啟發，布羅姆巴赫爾和她的同事們決定建立一個類似的實驗。研究小組首先在水迷宮中對IL-4基因敲除型小鼠和野生型小鼠進行了對比測試，并成功復制了基普尼斯的原始結果——免疫缺陷型小鼠的學習能力受損。之后，布羅姆巴赫爾在缺少IL-13（IL-13與IL-4關系密切）的小鼠身上進行了實驗，并得到了更引人注目的結果。“學習能力完全喪失了。”她說道。這兩種細胞因子均明顯影響學習能力，但IL-13的作用似乎比IL-4更顯著，這可能是由一些潛在的生物化學因素造成的：IL-13和IL-4共享一個位于細胞表面的稱為IL-4受體阿爾法的受體，但除此之外，IL-13還可以通過另一種受體傳遞信號。布羅姆巴赫爾正在進行移除該細胞受體的實驗，看看這樣的小鼠在水迷宮中的表現會發生什么變化。

關注免疫系統可能是治療某些形式的認知受損的關鍵。白介素17參與學習和社交的證據也越來越多。2016年，麻省理工學院麥戈文大腦研究所的格洛麗亞·崔（Gloria Choi）及其同事將細胞因子與幼鼠身上出現的類似于人類自閉癥譜系障礙（ASD）癥狀的跡象聯系了起來。特別地，在懷孕期間有過被感染經歷的動物生下的幼仔會表現出類似自閉癥譜系障礙的行為特征。研究人員發現，白介素17（IL-17）是機體分泌的免疫信號中的一種，可以幫助對抗病原體，感染了病毒的母鼠生出的幼鼠與未感染過病毒的母鼠生出的幼鼠相比，其腦細胞中IL-17受體含量更高。在妊娠期使用藥物阻斷IL-17受體，可以保護幼崽免受母體較高含量IL-17的影響；這些幼崽出生后不會表現出自閉癥譜系障礙的特征行為問題。刺激IL-17的釋放或者直接對細胞因子的釋放進行管理也可以減弱曾經在子宮內暴露于高水平IL-17的年輕和年老的成年小鼠 的ASD樣癥狀，這表明在發育過程中暴露于母體高水平的IL-17中，也反常地“啟動”了免疫系統，為其在成熟時得到細胞因子的救援做好了準備。

2019年，里斯本大學的神經免疫學家朱莉·里伯特（Julie Ribot）和她的同事們發現，缺少某種T細胞或細胞因子的老鼠在探索Y形迷宮時，很難形成短期記憶。他們的這一發現為IL-17的故事又增加了新的內容。這與研究人員在水迷宮中發現的IL-4和IL-13對長期記憶形成的影響形成了對比。里伯特說，白介素的不同作用可能與存在于腦脊膜中的可以產生IL-17的γδT細胞有關，在短期記憶形成過程中，它們可以在幾秒鐘內發揮作用。另一方面，產生IL-4和IL-13的T細胞必須從身體的其他地方被招募到腦脊膜上，這是需要花時間的，這表明它們支持需要較長時間形成記憶的產生，里伯特指出。

然而，γδT細胞和IL-17在認知方面的作用并不僅限于與記憶和自閉癥有關。基普尼斯的最新實驗表明，這些細胞及其細胞因子可能在焦慮中發揮作用。他的團隊最近發現，在小鼠中，γδT細胞釋放的IL-17與類似焦慮的行為有關，而從涉及威脅感知和反應的皮層區域的谷氨酸能神經元中敲除IL-17受體可以減少類似焦慮的行為。基普尼斯認為，這些IL-17相關論文的主要結論是相同的。“我們證明了你的體內有一群免疫細胞身處大腦之外卻影響著大腦內部的神經元。”

在展開研究證明細胞因子能夠影響學習與記憶、焦慮和社交行為的同時，科研人員開始解密T細胞與神經元溝通的渠道。雖然尚不清楚這兩個系統具體在物理上是如何相互作用的，但已經確定了幾種可能性，包括T細胞通過與神經元相互作用的細胞因子傳遞的直接信息，以及細胞因子與星形膠質細胞相互作用產生的間接信號。

免疫細胞和神經元之間的通信線路

一些神經科學家仍然堅持認為，除某些藥物外，大多數分子都無法通過將大腦與身體其他部分隔離開來的屏障，除非隔離中樞神經系統的邊緣層出現破裂。但現在，來自多個小組的研究對這一觀點提出了質疑。羅徹斯特大學醫學中心的神經科學家梅肯·內德戈德（Maiken Nedergaard）的實驗室進行的一項重要研究，推翻了長期以來認為大腦具有免疫特權的觀點。2012年，她和同事們觀察了熒光和放射性標記示蹤劑從腦脊液流入麻醉小鼠的大腦。

具體來說，內德戈德的團隊記錄了示蹤劑進出動物大腦皮層的運動。大腦皮層是大腦外層褶曲的灰質，對意識、注意力和記憶的形成至關重要。研究人員發現，攜帶有細胞因子和其他信號分子的腦脊液從腦脊膜流入了大腦血管周圍的空間。當動脈隨著動物心臟的每一次跳動而搏動時，血管擴張，腦脊液被擠壓進星形膠質細胞足部的水通道，然后進入大腦。逆向流動也會發生：進入了大腦的腦脊液與細胞外液或間質液混合，并攜帶著等待被清除的廢物蛋白，又通過星形膠質細胞被壓回到血管周圍的空間。“梅肯非常優雅地將這一點展現出來，”基普尼斯說道，“這徹底推翻了大腦享有免疫特權的教條。”

2020年初，斯坦福大學的安德魯·楊（Andrew Yang）及同事進一步證實了這一發現，并特別指出，血液中由T細胞釋放的細胞因子也可以到達小鼠的大腦。研究人員從動物身上抽取血液，分離出血漿蛋白，并用熒光標簽進行標記，然后將其注射回它們所來源的小鼠血液中。在健康的年輕成年小鼠中，許多熒光標記的蛋白質穿過了血腦屏障進入大腦組織間液中。“這一發現表明，多種神經功能均可被系統蛋白信號調節。”加利福尼亞大學圣地亞哥分校的勒本·穆吉（Roeben Munji）和理查德·戴恩曼（Richard Daneman）在與楊共同撰寫的研究評論中解釋道。

根據布羅姆巴赫爾的研究，腦脊膜甚至血液中的細胞因子可能根本不需要進入大腦就能對中樞神經系統造成影響。IL-13和腦脊液或血液中的其他細胞信號分子可以與血腦屏障或大腦周邊的星形膠質細胞相互作用。用IL-13處理培養的星形膠質細胞，可刺激其產生BDNF，同時也觸發其膠質纖維酸性蛋白（GFAP）的產生，這表明神經連接正在發生重組。里伯特對IL-17的研究也表明，細胞因子可以刺激小鼠的星形膠質細胞向大腦中釋放BDNF。而BDNF和GFAP都與學習和記憶有關，它們能夠促進突觸的重組。

免疫系統和神經系統之間的交流也可以反向進行，來自于大腦的信號可以傳遞給海綿狀、膜狀腦脊膜以及身體其他部位的T細胞。直到幾年前，研究人員還一致認為，大腦缺乏相應的引流系統或淋巴系統來清除廢物和運輸免疫細胞。但是對于基普尼斯來說，身體最重要的器官之一缺乏這樣的排泄系統是完全說不通的，所以他和他的同事們就開始尋找。2015年，他們發現了它——老鼠的大腦確實有淋巴管，將廢物和T細胞從腦脊膜運送到頸部的頸深淋巴結。“這些結構是真正的淋巴管——它們表達的標志物與所有其他組織中的淋巴管是相同的。”他當時對《科學家》雜志如是說。

在小鼠中，腦脊膜中的T細胞對腦脊液進行“巡視”，以尋找神經元回路發生變化時產生的細胞廢物，無論這種變化是對學習和記憶形成的應答，還是發生了功能障礙。然后，淋巴結中的T細胞就有機會檢查腦脊液中是否存在潛在的威脅，比如病原體。追蹤人類大腦中的淋巴系統要困難得多，但是基普尼斯說，有一些證據表明，科學家在嚙齒動物身上的發現確實可以轉化為人類生物學。2017年，他和美國國家神經疾病和中風研究所的合作者們利用核磁共振成像（MRI）非侵入性地證實了人類和非人靈長類動物腦脊膜中淋巴管的存在。

了解免疫細胞-神經元間的交流——T細胞對腦脊液中來自于中樞神經系統的物質應答方式以及它們如何向大腦發送信號——對于理解神經紊亂，如阿爾茨海默氏癥、自閉癥、精神分裂癥，甚至衰老相關的認知能力下降，都是十分重要的。菲利亞諾說：“有報道稱，許多神經系統疾病都伴隨某種免疫系統失調。”他指出，識別出離開大腦的液體中的神經元的錯誤信號可能有助于開發神經紊亂的診斷工具。考慮到腦脊液可以攜帶細胞因子和其他蛋白質進入神經元，基普尼斯說他懷疑“通過腦脊液對病人進行（基于免疫的）治療可能是一種非常有效的途徑”。

用細胞因子治療大腦疾病

開發出能夠注入血液或腦脊液并與大腦交流的分子，需要更好地去理解細胞因子在生物的一生中是如何影響神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞的。例如，干擾素伽馬在影響神經回路時，似乎有兩面性。在基普尼斯對幼鼠的研究中，細胞因子對幼鼠的社交性至關重要。但一項針對老年小鼠大腦的分析表明，同樣的細胞因子可能不利于老年小鼠新神經元的產生。

類似的策略可能為治療精神分裂癥等各種神經精神疾病提供了一種新的方法。對精神分裂癥患者血液中免疫細胞的分析表明，這些人比健康人體內有著更高水平的多種細胞因子，包括IL-13和干擾素伽馬。接受抗炎和抗精神病藥物治療的精神分裂癥患者，與只接受抗精神病藥物治療的患者相比，他們的認知問題往往更少，這暗示著降低細胞因子水平可以改善患者癥狀。然而，導致精神分裂癥的神經變化尚不清楚，研究表明，當某些神經元產生低于預期水平的多巴胺時，它們會提醒T細胞可能出現問題了，T細胞則會通過釋放細胞因子做出應答，這些細胞因子會引發與疾病相關的記憶、學習、社會行為以及抗壓能力方面的缺陷。

菲利亞諾和基普尼斯發現了可以幫助自閉癥患者的證據。在對缺乏T細胞的小鼠開展的實驗中，研究人員發現，這些小鼠不僅有社交缺陷，而且它們的神經回路極度活躍，而這種神經回路的異常活動通常發生在人類自閉癥患者的大腦中。當研究小組給小鼠注射免疫細胞時，不僅使小鼠的社交行為得到了改善，而且讓小鼠異常的神經活動也消退了。實驗表明，精心調節免疫系統或許能夠逆轉這種疾病的認知和社交缺陷。

現在，這個結果讓菲利亞諾想知道更多。他解釋說：“我們真正感興趣的是這些免疫細胞如何與大腦交流的，這些信號是如何從免疫細胞傳遞到神經回路的，以及在健康或疾病狀態下這種交流是如何發生的。”

資料來源 The Scientist

通信信號

越來越多的小鼠敲除實驗。已經揭示了幾種T細胞來源的細胞因子能夠影響學習、記憶和社交能力。

細胞因子 認知效應干擾素γ 社交IL-4 學習，長期記憶IL-13 學習，長期記憶IL-17 短期記憶，焦慮