互动科普

成年人脑中的新神经细胞

Gerd Kempermann，Fred H. Gage

与武断的意见相反，人脑的确在成年期产生新的神经细胞。我们新发现的能力会有助于改进神经疾病的治疗吗？

如果刺伤你的皮肤，伤口几天之内就会愈合。摔断一条腿，如果骨头复位较好，骨折就会渐愈。的确，几乎所有的人体组织都能够在一生中在某种程度上修复自己。这种活动的很大一部分都是非凡的“干细胞”的作用。这些万能的细胞类似于正在发育的胚胎细胞，它们能够几乎无限地增殖，所产生的不只是它们自已的复制品，而且也包括许多不同种类的细胞。在骨髓中的干细胞提供了无数个惊人的范例。它们能够产生血中的所有细胞，红血球、血小板、白血球，其它的干细胞产生皮肤、肝或肠衬里的各种组份。

成人的大脑有时能够通过制造存活的神经细胞(神经元)之间的新连接物来补偿损伤。但是它不能够修复自己，因为它缺乏使神经元再生的干细胞。无论如何，这就是人多数神经生物学家直到最近都坚定不移地确信的观点。

去年l1月，瑞典哥德堡的Schlorenska大学医院的Peter S. Eriksson，加州拉霍亚索尔克生物研究所的我们中间的一个(Gage)与几个同事发表了令人吃惊的新闻。成熟的人脑确实定期地至少在脑的一个部位——海马大量产生神经元。海马是对记忆学习都很重要的一个区域(海马不是记忆存储的地方，是它在接受来自其它脑区输入的信息后有助于形成记忆。海马受到损坏的人难以增进知识，但是能够回忆起他们受伤前学到的知识)。

与脑中的细胞的总数相比，新细胞的绝对数目是比较少的。然而，结合最近在动物中的发现加以考虑，上一月份的发现激发了某些诱人的医学前景。现有的数据表明，干细胞可能在人脑的另一部分制造新神经元，并且也存在于另外的部位，尽管是暂停活动的。因此，修复自己能力这样差的成年人的脑实际上有巨人的潜力使神经元再生。如果研究人员能够知道怎样诱发现有的干细胞，脑的选定部位产生有用数目的功能脑神经细胞，这种进展就能够减轻涉及神经损伤与死亡的多种疾病，其中包括阿尔茨海默病、帕金森病与伴同中风与创伤的残疾。

虽然成熟的人脑能够产生神经元，这一发现是意想不到的，但是实际上多年前研究其他的成年哺乳动物时就已经出现了一些线索。例如，早在1965年麻省理工学院的Joseph Altman与Gopal D. Das就描述过在成年鼠的海马中神经元的生成过程，而现在人类神经元的生成恰恰也是在这个被称为枢椎回的海马部位中发现的。

早期的线索与怀疑

其它的研究随后进一步证实了Altman与IDAS的报告，但是大多数研究人员不把这些数据看作是在成年的哺乳动物中有显著的神经发生的证据，或者看作是甚至人脑都可能有一些再生潜力的征兆。一个原因是那时可利用的方法不能准确估计正在生成的神经元的数目，也不能确切证明新的细胞是神经元。而且当时还没有引入脑干细胞这概念，所以研究人员认为要使新神经细胞出现，就必须由完全成熟的细胞进行复制。而这是个困难得难以置信的任务，科学家们也低估了这些发现与人脑的关系，部分是因为还没有人提出猴子与猩猩中神经生成的明确证据。虽然猴子与猩猩是灵长目动物，在遗传上与生理上，都比其它哺乳动物更接近人类。

这情况一直持续到二十世纪80年代中期。当叫洛克菲勒大学的Fernands Nottebohm从成年金丝雀中得出的惊人的结果震惊了这个领域。他发现神经生成发生在决定着学习鸣叫的大脑中枢。这过程在成年鸟学会鸣叫时加快了。Nottebohm及其同事也证明了成年山雀的海马中神经元的形成发生在对鸟的记忆系统有较高要求的季节，特别是当这些动物必须记住越来越分散的食物储存地的踪迹的时候。Nottebohm的引人注目的结果重新唤起了人们对成年哺乳动物中神经发生的兴趣，并引起研究人员再一次考虑成熟的人脑是否有任何再生潜能。

但是关于人类神经发生的可能性的乐观看法没有持续多久，几乎就在同时，Pasko Rakre及其在耶鲁大学的同事首先开始对成年灵长目动物神经发生进行研究。这项研究在当时算是做得比较好的，但是没有在成年的恒河猕猴中发现新的脑神经元。

逻辑学也继续对神经元产生在成年人脑中持有异议。生物学家们知道在整个进化斯间，随着脑的结构日益复杂，神经发生的范围越来越受到限制。当蜥蜴与其它较低等动物的脑受到损伤时，它们具有巨大的神经再生能力，而哺乳动物则缺乏那种强烈的反应。看来有理由认为将神经元加到具有极其复杂的连接的人脑中会威胁信号沿已建立的通道的有序流动。

这一推理也许有缺陷的征兆仅仅几年前才显露出来。首先是洛克菲勒大学的Elizabeth Gould与Bruce S. McEwen与哥廷根德国灵长类动物中心的Eberhard Fuchs领导的研究小组在1997年揭示，某种神经发生过程发生在类似灵长类的树鼬亚目的海马中。接着，他们在1998年3月在狨猴中发现了同一现象，狨猴在进化上比恒河猕獬离人类更远，但它们还是灵长类动物。

癌症患者

显然，人类在成年期是否具有神经发生的能力只能通过直接研究人类本身才能解决，但是这样的研究似乎是不可能的，因为用来显示在动物中的新神经元的形成的方法似乎不能转用于人类。

这些方法各不相同但是它们都利用了这样一个事实，即在细胞分裂前，都复制了它们的染色体，使各个子细胞能够接受一套完全的染色体。在动物试验中研究人员一般将可跟踪的物质(一种“标志”)注射到研究对象中，这种可跟踪的物质将被结合到将分裂的细胞的DNA中这种标志成为由此产生的子细胞中的DNA的一部分，然后被子细胞的子细胞以及原有的正在分裂的细胞的未来的后代所继承。

过了一段时间以后，一些标记的细胞分化，即特化成为特殊种类的神经，或神经胶质(脑中的另一种主要细胞)使其有时间发生分化。然后，研究人员将细胞取下来切成薄的切片。为了显示神经元与神经胶质的存在，研究人员将切片染色，并放在显微镜下观察，保持了这种标志(从而表明它们来自原来正在分裂的细胞)并且也有神经元的解剖学与化学特性的细胞可被假定为在这种标志被引进体内后已经分化成了神经细胞充分分化的神经元不再分裂，因而不能结合这种标志：所以它们不显示它的标记。

显然不能用这种方法检查活人，在Eriksson与我们的研究小组在索尔克研究所一起过完了休假年后不久找到一个解决办法以前，这一障碍似乎是不可克服的、作为临床医生的他有一天与一个癌症专家一起值班。当他们两个人聊天时，Eriksson得知，我们一直用来作为动物中正在分裂的细胞的标志的物质——溴脱氧尿苷(BrdU)——恰巧也被给予一些患有舌癌或喉癌的晚期病人。这些病人是注射该化合物以监测肿瘤生长一项研究中的部分受试对象。

Eriksson意识到，如果他能够得到最终死去的参试者的海马，在索尔克研究所进行分析就能够鉴别这些神经元并看出它们中是否有任何神经元显示该DNA标记。BrdU的存在意味着在注射了这种物质以后已经有受到影响的神经元形成，换言之，该研究能够证明，在病人的成年期间出现了神经发生，大概是通过干细胞的增生与分化进行的

Eriksson征得了病人的同意，在死后研究他们的脑。在1996年初到1998年2月期间，他从医院碰到了5位这样的病人的脑组织，他们的年龄在52岁与72岁之间。就像所希望的那样，所有5个脑都呈现了新神经元——特别是称为粒细胞的那些神经元——它们都分布在齿状脑回中。这些病人都将他们的脑捐赠给这一事业，由于他们的慷慨大方，我们才获得了成年人神经发生的证据(大约就在这一研究发表的同时Gould的研究小组与Rakre的研究小组都报导了神经细胞的产生确实发生在成年罗猴的海马中)。

新的神经元起作用吗？

当然，只是用实验说明人的神经发生是不够的如果最终的目标是促进有病的人脑中受控的神经元的再生，那么科学家们就要确定能够演化成神经元的干细胞的位置，他们也需要肯定由这样的细胞衍生来的神经元是功能性的，并且能够适当地发送与接受信息。幸运的是，由于发现了啮齿动物的海马中的神经发生终究反映了人脑的活动，这就意味着研究人员能够回过头来用大鼠与小鼠进行研究以寻找线索。

过去在啮齿动物中进行的研究揭示某种神经的发生出现在整个一生中、它不仅在海马中，而且也在脑的嗅觉系统中。干细胞也存在于如像隔膜(与情绪和学习有关)与纹状体(与微调运动原活动有关)这样的肺区与脊髓中，虽然在正常情况下，在海马或嗅觉系统外的细胞似乎不产生新的神经元。

如果动物的脑的前面部分是透明的，就会把海马的齿状脑回部分看作一个深色的薄层近似于横向的V字形。这个V字形出粒神经的细胞体组成，即含有细胞的球状部分。V字形内的邻近层被称为门，它主要由轴突或长长的传送信号的突出物组成，通过突出物粒细胞将信号传到称为CA3的海马中转站。

产生新生的粒细胞的这些干细胞位于齿状脑回与门的边界上，这些细胞不断分裂许多后代，它们的双亲完全一样，并且有好多显然在产生后不久就很快死亡了。但是有一些迁移到粒细胞层中的深处，其外形与周围的粒细胞相似有接受发送信号的许多突出物。它们也沿着已经成熟的邻居所用的同样路径扩展它们的轴突。

嗅觉系统中产生新神经元的干细胞排列称为侧脑室的充满液体的脑腔壁上。洛克菲勒大学的Arturo Alvarez Bullit及其同事证明了这些干细胞的某些后代迁移了相当长一段距离后进入嗅觉球中，在那里它们具有在那个域的神经的特征。

既然两个脑区中的新神经元看来像它们的较早出生的对应神经元它们的行为很可能就像那些神经元，它们是怎样才可以证明这种推测呢？分析环境对脑的构造学习的影响的研究是有益的。

本世纪60年代早期，伯克利加州大学的Mark R Rosenzweig及其同事将一些啮齿动物从他们标准的相当恶劣的实验室条件下迁移到比较舒适的环境。它们在很宽大的笼内尽情享受，并有许多其它啮齿动物作为同伴。它们也能够探测它们周围的事物(这些事物被照管者不断改变)，在滚环中旋转与玩各种各样的玩具。

Rosenzweig的研究小组与后来的伊利诺斯大学William T. Greenough的研究小组描述了生活在这种改善的条件下啮齿动物的惊人结果。与饲养在标准笼中的动物相比，享受高标准生活的这些啮齿动物最后脑略微较重，某些脑结构的厚度较大，在一些神经传递质(将刺激或抑制信息从一个神经元传到另一个神经元的分子)中的水平有差异，神经细胞间的连接物更多。神经元的凸出物的分支增加而目它们在学习测验中表现较好：例如，它们更成功地学会通过迷宫。

各种结果都意味着环境的改变导致脑功能的改善，从那时起神经生物学家们开始确信改善成年啮齿动物的环境是以增强智力的方式来影响脑的连接。许多年来他们都不考虑成年人脑中新神经细胞的产生可能有助于这种改善的见解，尽管Airmen早在l964年就提出应考虑这样一个过程。

新的发现现在证实了环境的操纵

确实影响成年人的神经发生。应用在本世纪60年代不可能获得的技术，我们的研究小组于1997年证实，给予较舒适生活条件的成年鼠在齿状脑回产生的新粒细胞比遗传上相同的对照动物产生的多60％。它们在包括设法从有水池塘中出来这样的学习任务方面表现也比较好。改善环境甚至增强了极年老老鼠的神经发生与学习行为，是它们产生神经元的基本速率比年幼的成年鼠低得多。

我们并不主张新神经元独自引起行为的改善，因为在连接构造与有关脑区中化学微环境的变化确实起了重要的作用。另一方面，如果在神经元的形成中的这种引人注目的转变以及整个进化期间成年人神经发生保持不起作用，那将是非常出人意料的。

搜寻控制器

如果就像我们所推测的，定期在成年人脑中产生的神经元是功能性的，那么对于控制其形成的了解，最终能够使神绎科学家们认识到怎样在需要之处激励这种神经元的产生。除了使环境丰富多彩外，过去几年来在动物研究中还鉴别了影响神经发生的各种其它因子。

如果读者们想起神经发生有许多步骤——从干细胞增生，到选择的一些后代的存活到迁移与分化，这些结果将是很有意义的结果。弄清楚影响此途径中的一个步骤的因素可能不影响其它步骤，如果子代细胞存活率分化率仍然是恒定的，干细胞增生的增加就能够引起新神经元的净增长。但是如果存活率与分化率朝相反的方向变化，神经元的数目可能不会增加。同样，如果增生保持恒定，是存活与分化增加，则神经元也将增加。在已经发现的起调控作用的影响因素中，某些因素常常似乎是妨碍神经发生的。例如在过去几年中，Gould与McEwen报导每天输入到齿状脑回的某些东西可能实际上抑制了神经细胞的产生，特别是刺激粒细胞使其兴奋的神经传递质，也将抑制在海马中的干细胞的增生。在血液中的高含量的糖皮质激素也抑制成年人的神经发生。

既然有了这些发现，该研究小组证明应激反应会减少在这同区域的干细胞增生或许就不是什么令人意外的事了。应激反应导致脑中刺激性神经传递质的释放并从肾上腺释放糖皮质激素，理解抑制作用对于弄清楚怎样克服它是十分重要的。但是这方面问题仍然是远非清楚的。例如，刺激性传递质与某些激素的极限含量能够抑制神经发生，这一发现不一定意味着较低的含量是有害的，实际上它们也许是有帮助的。

至于促进海马神经发生的些因素，我们与其他人则试图鉴别丰富多彩的环境中哪种特征影响最强烈。现在普林斯顿大学的Gould与她的同事一起最近证实了，即使缺乏舒适的生活参与学习作业也提高由于细胞分裂产生的细胞的存活率，导致新神经元数日的净增加。

同时我们的研究小组把饲养有滚环与无滚环的标准笼中的两组鼠的神经发生进行比较，能够无限制利用这些滚环的鼠都大量利用这种机会，并且最后产生两倍于静止不动的对照鼠的新神经细胞数目与放在舒适环境的鼠中发现的不相上下。在跑动的鼠中，最后的影响包括干细胞分裂速率较高，而它在生活舒适的组中没有表现出来。在后一种情况下(就像Could的研究中的一样)，激励条件促进了干细胞后代的存活，以致有更多的这些细胞活下来成为神经元。这一发现再一次强调了调控成年人神经发生的过程是复杂的，并且几种水平上发生。

人们知道某些分子可以影响神经发生我们及其同事评价了表皮生长因子与成纤维细胞生长因子。尽管它们的名字与表皮和成纤维细胞有关，但是已经证明它们都影响细胞培养中神经细胞的发育。我们与索尔克研究所的H. George Kuhn及圣迭戈加州大学的Jurgen Winkler一起将这些化合物送进成年鼠的侧脑室中，它们在那里引起了存在于此的干细胞的大量的增生，表皮生长因子有利于所产生的细胞分化成嗅觉球中的神经胶质，但是成纤维生长因子促进了神经元的产生。

有趣的是，成年动物中诱导某些病情(像癫病发作或中风)可以引起显著的干细胞分裂，甚至神经发生，尚未清楚脑是台能够利用这种反应代替所需要的神经元，在癫病发作的情况下，脑产生的神经元形成的异常连结物也许是该问题的部分。干细胞分裂与神经发生是脑具有自我修复潜力的又一个证据，问题是那种潜力为什么通常处于未被使用的状态。

迄今所讨论的试验中，我们与其他的人通过保持基因恒定来检查调节活动：我们观察了遗传上相同(近亲繁殖的)动物对不同输入的神经反应，另一个揭示控制神经发生的因素的途径是保持环境恒定并比较在产生神经元的速率上天生不同的动物品系的基因，不同的基因推想应当包括影响新神经细胞的发育的基因，研究人员能够以类似的方法比较显现神经发生脑区与不显示神经发生的脑区中有活性的基因，遗传研究正在进行中。

基因起蛋白质蓝图的作用，而蛋白质又进行大部分的细胞活动，如像诱发细胞分裂、迁移或分化。所以如果参与神经发生的基因能够被识别，研究人员就应该能够发现它们的蛋白质产物与精确地确定基因及其蛋白质对神经发生所起的作用。

修复大脑

科学家们通过不断的努力也许最终能够追踪从一个特殊的刺激(不论是环境信号还是某种内部事件)遗传活动中的特殊变化，再导致神经发生的增加与减少这一过程的分子级联然后他们将得到许多诱发神经任意在生所需要的信息。这样一种治疗方法包括给予关键性的调节分子或其它药剂，施行供给有用分子的基因疗法移植干细胞，调节环境的或认识的刺激，身体活动的改变，或者这些因子的些组合。

汇编这样的技术可能要花几十年时间，但是一旦被收集起来，就可以在几个方面应用它们。它们可已经知道有一些神经发生出现的脑区与在有干细胞存在但一般处于静止状态的部分提供某种程度的修复作用。医生们也许能够促使干细胞迁移到它们通常不去的区域，并且长成某个病人所需要的特种神经细胞，虽然新细胞不会使大脑的某一部分整个地重新长出或者恢复失去的记忆，但是它们能够比如说制造多巴胺(一种神经传递质，它的耗尽是引起帕金森病症大的主要原因)与其它物质。

在有关科学领域里的研究将有助于寻找先进的治疗方法。例如有几个实验室已经知道如何培养人类胚胎干细胞(从早期胚胎衍生来的用途很广的细胞，实际上能够在人体内产生任何细胞类型)。也许有一天可以促使这些胚胎干细胞产生注定要成为种选择型的神经元的后代。然后这种细胞可以被移植到被损伤的区域以补充失去的神经细胞[见《科学》1999年第7期Roger A. Pederson“用于医疗的胚胎干细胞”]。

移植物当然可受受体的免疫系统的排斥。科学家们正围绕这一问题开发出许多方法，一种解决方法可能是从受影响的患者本人的脑中收取干细胞，利用这种材料而不是从供体内得到的干细胞。研究人员已经设计出从患者提取这种脑细胞的相对地没有侵害性的手段。

这种医疗上的应用是公认的目标，目前离实现还差得远。前面的挑战是巨大的，值得注意的是，到某个时候脑控制神经发生与治疗脑疾病可能疗法的分析将不得不从啮齿动物转移到人体上去。为了研究人类而不干扰他们的健康，研究人员必须利用极其灵巧的技术，如称为功能性磁共振成像或正电子X线断层照相术这样的非侵害性成像技术。而且，我们将必须开发一些安全措施，确保在人脑中被促进形成的(或被移植到脑里的)神经。只做要它们干的事，而不会干扰脑的正常功能。然而，揭示脑的再生潜力的预期的好处证明，需要进行的所有研究都是合算的。

【胡天其 译 郭凯声 校】