美國阿拉巴馬大學(xué)（University of Alabama）的羅莎琳達 羅伯茨（Rosalinda Roberts）已經(jīng)習慣了在大腦中看到奇怪的形狀。在電子顯微鏡下觀(guān)察腦組織超過(guò)三十年，她經(jīng)常會(huì )在圖像中發(fā)現一些 “未知物體”——那些亮斑和斑點(diǎn)原本不該出現在那里，并且似乎與她正在研究的突觸和結構沒(méi)有關(guān)系。她解釋說(shuō)：“過(guò)去我只會(huì )說(shuō)，‘好吧，不管它’。”現在，這一切都改變了。

       在大腦中發(fā)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(gè)無(wú)菌器官。一旦邊界被打破，就會(huì )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(shí)，這一切變得更加令人驚訝。

       許多細菌正要進(jìn)入神經(jīng)元或深入軸突，就被抓了個(gè)正著(zhù)。還有一些細菌正在分裂。但它們也很挑剔，尤其偏愛(ài)大腦的某些區域。周?chē)哪X組織并沒(méi)有出現炎癥跡象。如果這些細菌在人活著(zhù)的時(shí)候就存在于大腦中，那么它們就不會(huì )致病。

       科學(xué)家目前還沒(méi)有完全排除污染的可能，但一旦這項工作得到證實(shí)，它將為研究微生物菌群和疾病開(kāi)辟新的途徑。在 11 月舉行的神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì )年會(huì )（Society for Neuroscience）年會(huì )上，研究小組展示了他們的研究結果。Nautilus 于 11 月采訪(fǎng)了羅伯茨。

       “現場(chǎng)”實(shí)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鉆進(jìn)一個(gè)軸突體。圖片來(lái)源：羅莎琳達 羅伯茨

       您認為您的照片為什么會(huì )引起這么大的轟動(dòng)呢？

       如果真的有細菌在一個(gè)人活著(zhù)的時(shí)候從腸道進(jìn)入大腦，那么這是一個(gè)真正的顛覆性發(fā)現，因為相比于其他器官，大腦被認為是無(wú)菌的。在非創(chuàng )傷性、非感染性樣本中發(fā)現細菌真的是完全出乎意料的。

       這項研究是如何開(kāi)始的？

       我的整個(gè)職業(yè)生涯幾乎都在研究**分裂癥。我研究的主要手段就是分析**分裂癥患者死后的大腦標本，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(jīng)很多年了，但是我無(wú)視了它們。后來(lái)，我有一個(gè)本科生考特尼 沃克（Courtney Walker），她是阿拉巴馬大學(xué)榮譽(yù)項目的一員。她正在研究黑質(zhì)（substantia nigra），大腦中的一個(gè)含有多巴胺神經(jīng)元的區域。她不斷地看到這些物體（我們管它們叫“那些東西”），并一直追問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。于是它開(kāi)始成為實(shí)驗室的謎團。

       您是怎么知道神秘物體就是細菌的呢？

       根據形態(tài)學(xué)標準，我開(kāi)始懷疑它們是細菌。我向一個(gè)細菌學(xué)家展示了照片，他說(shuō)：“這就是細菌。”然后我們繼續進(jìn)行核糖體分析，發(fā)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(méi)有微生物菌群的無(wú)菌小鼠，并用常規老鼠的糞便進(jìn)行糞便移植來(lái)定殖，那它們的許多行為癥狀會(huì )將都會(huì )得到改善。如果你把幽門(mén)螺桿菌植入小鼠體內，它們會(huì )產(chǎn)生新的認知和行為問(wèn)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(jīng)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(méi)見(jiàn)過(guò)這樣的機制。無(wú)論有什么猜測，都和信息到達大腦的途徑有關(guān)。一種推測是它通過(guò)支配胃的神經(jīng)向上傳播。其中一條叫做迷走神經(jīng)。有一項研究，科學(xué)家切斷了迷走神經(jīng)，然后他們就無(wú)法通過(guò)改變微生物菌群來(lái)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(guò)迷走神經(jīng)來(lái)完成的，但是他們從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)具體是什么。

       如果細菌確實(shí)從腸道來(lái)到了大腦，那它們是如何到達那里的呢？

       我不是微生物學(xué)家，所以請謹慎對待我的推測。如果細菌沿迷走神經(jīng)進(jìn)入大腦，那它就必須鉆入髓鞘，并通過(guò)內部運輸到達背核，然后離開(kāi)，進(jìn)入大腦的其他地方。細菌也可能通過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦。大腦中有些地方并沒(méi)有那么嚴密。其中一個(gè)區域被稱(chēng)為化學(xué)敏感觸發(fā)區（chemo-sensitive trigger zone），它位于腦干，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(huà)就會(huì )引起嘔吐。由于類(lèi)似的原因，腦垂體周?chē)难X屏障也不是很?chē)烂?。我想更仔細地觀(guān)察血腦屏障有漏洞的地方，看看那里是否存在著(zhù)更多的細菌。

       您看到的細菌是否更偏愛(ài)大腦的某些部位？

       我們發(fā)現它們喜歡待在血腦屏障周?chē)男切文z質(zhì)細胞內。它們也喜歡呆在軸突里，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(jìn)入神經(jīng)元的細胞核，但在人類(lèi)身上就沒(méi)有這種現象。目前我們還很不清楚這意味著(zhù)什么。為什么它們更喜歡入侵某些類(lèi)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(zhì)細胞中有糖。細菌的分布也表明我們的觀(guān)察結果并不完全是由于污染，否則我們就會(huì )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，細菌位于血管的左側。這項發(fā)現令人好奇，它可能是“大腦菌群”存在的初步證據。圖片來(lái)源：ROSALINDA ROBERTS, COURTNEY WALKER, AND CHARLENE FARMER

       這有可能僅僅是死后進(jìn)入大腦的細菌嗎？

       這確實(shí)是我最初的想法：可能是細菌入侵并開(kāi)始吞噬大腦。但是在死亡后立即固定的小鼠腦中，沒(méi)有任何死后人為現象或細菌侵入的時(shí)間，也發(fā)現了這些細菌。所以它不是死后腐爛的產(chǎn)物。此外，在處理過(guò)程中，大腦要么被放入固定劑中，要么被冷凍。我不知道如何解釋細菌在處理后是如何進(jìn)入大腦的。當大腦被泡在對它們極其有害的抗菌溶液里，它們怎么進(jìn)得去？

       你能排除其他形式的污染嗎？

       目前我還不能排除污染的可能性。但即使是污染，細菌的分布也非常有特點(diǎn)。它們并非到處都是，而是聚集在某些細胞間隙，這本身就很有趣。我們必須通過(guò)非常系統的研究排除污染，所有的東西都經(jīng)過(guò)滅菌和高壓消毒，然后對無(wú)菌小鼠、常規小鼠以及人類(lèi)大腦樣本進(jìn)行處理。

       你觀(guān)察過(guò)的大腦是否有因為細菌而出現任何炎癥跡象的呢？

       細菌似乎不會(huì )引起炎癥反應，這很奇怪，因為我們認為它們會(huì )。這說(shuō)明這些細菌要么是死后或固定后的污染，要么就是它們對大腦沒(méi)有致病性。

       細菌是活的嗎？

       我想它們是活的。它們顯然看起來(lái)很健康。死細菌看起來(lái)就像鬼魂，只是細胞的碎片形態(tài)。這些細菌看起來(lái)不是那樣的。如果它們在大腦中是活的，并且在死后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(zhù)，然后做一些實(shí)驗，試圖了解為什么它們喜歡大腦的不同區域。我們進(jìn)行的 16S rRNA 測序無(wú)法了解有多少細菌，或者它們是否活著(zhù)。

       您看到死細菌了嗎？

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

       您使用的另一個(gè)對照是無(wú)菌小鼠的大腦。你看到了什么呢

       我們分析了四只無(wú)菌小鼠的大腦。其中兩個(gè)我們用電子顯微鏡檢查，沒(méi)有發(fā)現任何細菌。還有兩個(gè)我們用 16S rRNA 測序檢測，結果顯示它們帶有細菌。但是測序無(wú)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(wú)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(diǎn)。如果對食物進(jìn)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(gè)方法是把標記好的細菌移植到無(wú)菌小鼠體內，看看它們需要多長(cháng)時(shí)間才能到達大腦。我還想分析尸體標本，看看不同的疾病是否會(huì )改變細菌在大腦中的位置或細菌的類(lèi)型。有趣的是，我沒(méi)有在大腦中發(fā)現任何幽門(mén)螺旋桿菌。據說(shuō)這種細菌會(huì )導致認知障礙。

       為什么要在海報上展示這項研究呢？

       我需要了解科學(xué)界的看法。我想看看能否聯(lián)系上一些微生物學(xué)家，或者其他可能正在研究這個(gè)的人，因為這對我來(lái)說(shuō)很難。結果呢，我接到一些科學(xué)家的電話(huà)說(shuō)：“嘿，讓我們我們交換論文，談?wù)勥@個(gè)問(wèn)題吧。”要發(fā)表一篇論文需要很長(cháng)時(shí)間，等到它發(fā)表的時(shí)候，你已經(jīng)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?wù)勊麄兊南敕?，并討論你要做什么，而不只是坐在辦公室撓頭想：“這是什么呢？”

       為什么你認為是你的實(shí)驗室作出了這一項發(fā)現呢？

       世界上已經(jīng)沒(méi)有那么多電子顯微鏡專(zhuān)家了。神經(jīng)科學(xué)家現在想知道分子的、細胞內的、機械的、甚至更全面的東西。人體死后電鏡檢查是非常少見(jiàn)的。實(shí)際上，除了我們就只有另一個(gè)小組在做這個(gè)。這個(gè)發(fā)現需要讓電子顯微鏡師與腦庫結合，或者其他死后間隔非常非常短的標本。而這種組合通常不會(huì )出現。

       你領(lǐng)導的阿拉巴馬大腦標本項目（Alabama Brain Collection）聽(tīng)起來(lái)像是這項研究的重要資產(chǎn)。

       是的，但是我要提醒一下。對于電子顯微鏡，你需要在死亡后 8 小時(shí)內對大腦進(jìn)行處理。對于一般的標本，處理的時(shí)候平均死亡時(shí)間接近 24 到 30 小時(shí)。所以可能只有 10% 或 15% 的大腦捐獻者適合電子顯微鏡檢查。

       參考資料：

       https://www.sciencemag.org/news/2018/11/do-gut-bacteria-make-second-home-our-brains

       http://nautil.us/issue/66/clockwork/are-there-bacteria-in-your-brain