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(xí)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(jīng)常會在圖像中發(fā)現(xiàn)一些 “未知物體”——那些亮斑和斑點原本不該出現(xiàn)在那里，并且似乎與她正在研究的突觸和結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系。她解釋說：“過去我只會說，‘好吧，不管它’。”現(xiàn)在，這一切都改變了。

       在大腦中發(fā)現(xiàn)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?jǐn)_，被認(rèn)為是一個無菌器官。一旦邊界被打破，就會導(dǎo)致腦炎和腦膜炎等疾病。當(dāng)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(jīng)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(qū)域。周圍的腦組織并沒有出現(xiàn)炎癥跡象。如果這些細菌在人活著的時候就存在于大腦中，那么它們就不會致病。

       科學(xué)家目前還沒有完全排除污染的可能，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辟新的途徑。在 11 月舉行的神經(jīng)科學(xué)學(xué)會年會（Society for Neuroscience）年會上，研究小組展示了他們的研究結(jié)果。Nautilus 于 11 月采訪了羅伯茨。

       “現(xiàn)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鉆進一個軸突體。圖片來源：羅莎琳達 羅伯茨

       您認(rèn)為您的照片為什么會引起這么大的轟動呢？

       如果真的有細菌在一個人活著的時候從腸道進入大腦，那么這是一個真正的顛覆性發(fā)現(xiàn)，因為相比于其他器官，大腦被認(rèn)為是無菌的。在非創(chuàng)傷性、非感染性樣本中發(fā)現(xiàn)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(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(biāo)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，但是我無視了它們。后來，我有一個本科生考特尼 沃克（Courtney Walker），她是阿拉巴馬大學(xué)榮譽項目的一員。她正在研究黑質(zhì)（substantia nigra），大腦中的一個含有多巴胺神經(jīng)元的區(qū)域。她不斷地看到這些物體（我們管它們叫“那些東西”），并一直追問這個問題。于是它開始成為實驗室的謎團。

       您是怎么知道神秘物體就是細菌的呢？

       根據(jù)形態(tài)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，我開始懷疑它們是細菌。我向一個細菌學(xué)家展示了照片，他說：“這就是細菌。”然后我們繼續(xù)進行核糖體分析，發(fā)現(xiàn)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(rèn)知，甚至是結(jié)構(gòu)。如果你取一些沒有微生物菌群的無菌小鼠，并用常規(guī)老鼠的糞便進行糞便移植來定殖，那它們的許多行為癥狀會將都會得到改善。如果你把幽門螺桿菌植入小鼠體內(nèi)，它們會產(chǎn)生新的認(rèn)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(jīng)提出的機制，能夠描述微生物菌群如何影響大腦？

       你知道，我從沒見過這樣的機制。無論有什么猜測，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(jīng)來完成的，但是他們從來沒有說過具體是什么。

       如果細菌確實從腸道來到了大腦，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(jǐn)慎對待我的推測。如果細菌沿迷走神經(jīng)進入大腦，那它就必須鉆入髓鞘，并通過內(nèi)部運輸?shù)竭_背核，然后離開，進入大腦的其他地方。細菌也可能通過血腦屏障進入大腦。大腦中有些地方并沒有那么嚴(yán)密。其中一個區(qū)域被稱為化學(xué)敏感觸發(fā)區(qū)（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，如果有的話就會引起嘔吐。由于類似的原因，腦垂體周圍的血腦屏障也不是很嚴(yán)密。我想更仔細地觀察血腦屏障有漏洞的地方，看看那里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(fā)現(xiàn)它們喜歡待在血腦屏障周圍的星形膠質(zhì)細胞內(nèi)。它們也喜歡呆在軸突里，那是大腦中連接不同區(qū)域、負(fù)責(zé)傳導(dǎo)信息的突出結(jié)構(gòu)。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(jīng)元的細胞核，但在人類身上就沒有這種現(xiàn)象。目前我們還很不清楚這意味著什么。為什么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(zhì)細胞中有糖。細菌的分布也表明我們的觀察結(jié)果并不完全是由于污染，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(qū)域。

       含有細菌的人腦切片，細菌位于血管的左側(cè)。這項發(fā)現(xiàn)令人好奇，它可能是“大腦菌群”存在的初步證據(jù)。圖片來源：ROSALINDA ROBERTS, COURTNEY WALKER, AND CHARLENE FARMER

       這有可能僅僅是死后進入大腦的細菌嗎？

       這確實是我最初的想法：可能是細菌入侵并開始吞噬大腦。但是在死亡后立即固定的小鼠腦中，沒有任何死后人為現(xiàn)象或細菌侵入的時間，也發(fā)現(xiàn)了這些細菌。所以它不是死后腐爛的產(chǎn)物。此外，在處理過程中，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入大腦的。當(dāng)大腦被泡在對它們極其有害的抗菌溶液里，它們怎么進得去？

       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。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。我們必須通過非常系統(tǒng)的研究排除污染，所有的東西都經(jīng)過滅菌和高壓消毒，然后對無菌小鼠、常規(guī)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(xiàn)任何炎癥跡象的呢？

       細菌似乎不會引起炎癥反應(yīng)，這很奇怪，因為我們認(rèn)為它們會。這說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(tài)。這些細菌看起來不是那樣的。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(jié)，那將是最有趣的。我想看看我能否培養(yǎng)我看到的細菌，看看它們是否真的活著，然后做一些實驗，試圖了解為什么它們喜歡大腦的不同區(qū)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(guī)方式吞噬，或者通過溶酶體途徑被處理。我看到的這些是結(jié)構(gòu)完整的，其中許多都有橫隔壁，這表明它們正在分裂。

       您使用的另一個對照是無菌小鼠的大腦。你看到了什么呢

       我們分析了四只無菌小鼠的大腦。其中兩個我們用電子顯微鏡檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何細菌。還有兩個我們用 16S rRNA 測序檢測，結(jié)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(biāo)記好的細菌移植到無菌小鼠體內(nèi)，看看它們需要多長時間才能到達大腦。我還想分析尸體標(biāo)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(fā)現(xiàn)任何幽門螺旋桿菌。據(jù)說這種細菌會導(dǎo)致認(rèn)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的人，因為這對我來說很難。結(jié)果呢，我接到一些科學(xué)家的電話說：“嘿，讓我們我們交換論文，談?wù)勥@個問題吧。”要發(fā)表一篇論文需要很長時間，等到它發(fā)表的時候，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(rèn)為是你的實驗室作出了這一項發(fā)現(xiàn)呢？

       世界上已經(jīng)沒有那么多電子顯微鏡專家了。神經(jīng)科學(xué)家現(xiàn)在想知道分子的、細胞內(nèi)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的。實際上，除了我們就只有另一個小組在做這個。這個發(fā)現(xiàn)需要讓電子顯微鏡師與腦庫結(jié)合，或者其他死后間隔非常非常短的標(biāo)本。而這種組合通常不會出現(xiàn)。

       你領(lǐng)導(dǎo)的阿拉巴馬大腦標(biāo)本項目（Alabama Brain Collection）聽起來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 小時內(nèi)對大腦進行處理。對于一般的標(biāo)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。

       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