科学家证实免疫系统和中枢神经系统之间的对话对健康的社会行为、学习和记忆至关重要。
星形胶质细胞有着被称为“足”的长而细的延伸，排列在大脑的血管上。这些细胞的“足”上含有水通道，可以让脑脊液（包括其中的分子）进入星形胶质细胞，然后通入大脑，在那里脑脊液可以与神经元直接相互作用
提洛昂·布罗姆巴赫尔（Tiroyaone Brombacher）坐在她位于开普敦大学的实验室里，观察一只白化小鼠在一米宽且装满水的浴缸里游泳的视频。这只缺少一种名为白介素13（IL-13）的免疫蛋白的动物正在寻找一个可以休息的地方，但它却找不到位于泳池一端，就在水面下的透明有机玻璃平台。相反，它在浴缸里游来游去穿梭数次，才终于找到可以歇脚的平台。经过一次又一次反复试验，这只小鼠还是找不到平台的位置。与此同时，野生型小鼠学习起来就相当快，它们可以反复游到平台所在位置上。“当你取出小鼠的IL-13，它就丧失了学习能力。” 布罗姆巴赫尔说道。她研究心理学、神经学和免疫学的交叉学科。
出于好奇，布罗姆巴赫尔决定解剖小鼠的大脑和海绵状膜——称作脑脊膜，它将神经组织与颅骨分隔开。她想知道神经系统和免疫系统是否通过像IL-13这样的蛋白质进行交流。2017年她在相关报告中称，野生型小鼠的脑脊膜中充满了IL-13细胞因子，而敲除型小鼠却没有。布罗姆巴赫尔和她的同事总结道，事实上，免疫蛋白就分布在大脑外侧，它们在学习和记忆中扮演重要角色。
早在2004年，相关啮齿动物的研究表明，神经细胞和其支持细胞释放出信号，使免疫系统被动监控大脑中的病原体，毒素，以及在学习和记忆形成过程中可能产生的碎片作为回应， 免疫系统的分子可以与神经元交流，从而影响学习、记忆和社会行为。本研究工作，连同对大脑的常驻型免疫细胞（即小胶质细胞）的研究，推翻了自20世纪40年代以来存在的成见，即大脑拥有“免疫特权”，它与免疫系统完全隔绝。
布罗姆巴赫尔和其他科学家现在正着手研究神经系统和免疫系统之间的交流是如何发生的。在2012年，分子成像显示，荧光标记的蛋白质可以流过神经支持细胞的投影层，也就是所谓的星形胶质细胞的“足”。星形胶质细胞是一种星形细胞，位于神经和脑膜组织的边缘处，并沿大脑血管分布；它们的“足”层是脑脊液（CSF）——一种包裹大脑和脊髓的水状液体——与中枢神经系统神经元之间的屏障。科学家认为，如果这些荧光标记的分子能够穿过星形胶质细胞进入大脑，那么基于脑脊液的免疫系统蛋白质也可以，因为它们体积更小。
实验还表明，血液中的细胞因子可以穿越血脑屏障，并可能影响神经元。血脑屏障除了包含星形胶质细胞足组成的壁外，还包括包围在大脑血管周围的一层紧密的内皮细胞层。布罗姆巴赫指出，第三种交流方式是通过免疫细胞因子与星形胶质细胞本身的相互作用来实现的：信号分子似乎根本不需要穿透神经组织就能影响大脑。例如，她的研究工作展示了像IL-13这样的细胞因子是如何刺激星形胶质细胞释放脑源性神经营养因子（BDNF）和其他可促进神经发育、影响学习和记忆的蛋白质的。
这一系列工作促进了神经免疫学的迅速发展，使之涌现出越来越多的研究领域。这些研究领域重点聚焦于神经系统在行使正常功能中利用免疫细胞的方式，以及这种相互作用在学习、记忆、社会行为以及神经疾病中发挥的作用。一些研究人员甚至提出，免疫系统可能是治疗某些形式的认知受损的关键。
影响认知的细胞因子
目前就职于圣路易斯华盛顿大学医学院的乔纳森·基普尼斯（Jonathan Kipnis）是最早将免疫系统和大脑功能联系在一起的几个研究小组的成员。2004年，基普尼斯和他的同事们发现，没有获得性免疫细胞（例如T细胞）的小鼠在游泳时很难记住水下平台的位置。几年后，该研究小组重点研究了一种叫做白介素4（IL-4）的T细胞因子，它可以帮助免疫系统功能正常的小鼠形成关于水下平台位置的长期记忆。IL-4由体内的T细胞分泌，可以迁移到脑脊膜，并以某种方式影响大脑。
在这项工作的后续研究中，当时还是基普尼斯手下的博士后，现在是杜克大学神经外科助理教授的安东尼·菲利亚诺（Anthony Filiano）发现，缺少T细胞的小鼠不会像正常小鼠那样参与社交活动。如果免疫缺陷小鼠在大约四周大的时候接受免疫细胞注射，它们的社交能力则会增强，在进行补充免疫几周后就能模仿正常小鼠的行为。对从两组小鼠获得的基因表达数据进行分析后发现，干扰素伽马——一种机体抵御病毒和细菌性病原体所必需的细胞因子——与社交性相关。
为了观察干扰素伽马是否对大脑有直接影响，菲利亚诺和他的合作者敲除了小鼠前额叶皮层神经元中的细胞因子受体基因。前额叶皮层是一个对于社会行为很重要的区域。小鼠在与其他小鼠的交流互动上所花时间减少，表明它们的社交欲望降低；该结果为表明来自脑脊膜T细胞的干扰素伽马直接作用于皮层神经元提供了证据。
受到基普尼斯和菲利亚诺所做工作的启发，布罗姆巴赫尔和她的同事们决定建立一个类似的实验。研究小组首先在水迷宫中对IL-4基因敲除型小鼠和野生型小鼠进行了对比测试，并成功复制了基普尼斯的原始结果——免疫缺陷型小鼠的学习能力受损。之后，布罗姆巴赫尔在缺少IL-13（IL-13与IL-4关系密切）的小鼠身上进行了实验，并得到了更引人注目的结果。“学习能力完全丧失了。”她说道。这两种细胞因子均明显影响学习能力，但IL-13的作用似乎比IL-4更显著，这可能是由一些潜在的生物化学因素造成的：IL-13和IL-4共享一个位于细胞表面的称为IL-4受体阿尔法的受体，但除此之外，IL-13还可以通过另一种受体传递信号。布罗姆巴赫尔正在进行移除该细胞受体的实验，看看这样的小鼠在水迷宫中的表现会发生什么变化。
关注免疫系统可能是治疗某些形式的认知受损的关键。白介素17参与学习和社交的证据也越来越多。2016年，麻省理工学院麦戈文大脑研究所的格洛丽亚·崔（Gloria Choi）及其同事将细胞因子与幼鼠身上出现的类似于人类自闭症谱系障碍（ASD）症状的迹象联系了起来。特别地，在怀孕期间有过被感染经历的动物生下的幼仔会表现出类似自闭症谱系障碍的行为特征。研究人员发现，白介素17（IL-17）是机体分泌的免疫信号中的一种，可以帮助对抗病原体，感染了病毒的母鼠生出的幼鼠与未感染过病毒的母鼠生出的幼鼠相比，其脑细胞中IL-17受体含量更高。在妊娠期使用药物阻断IL-17受体，可以保护幼崽免受母体较高含量IL-17的影响；这些幼崽出生后不会表现出自闭症谱系障碍的特征行为问题。刺激IL-17的释放或者直接对细胞因子的释放进行管理也可以减弱曾经在子宫内暴露于高水平IL-17的年轻和年老的成年小鼠 的ASD样症状，这表明在发育过程中暴露于母体高水平的IL-17中，也反常地“启动”了免疫系统，为其在成熟时得到细胞因子的救援做好了准备。
2019年，里斯本大学的神经免疫学家朱莉·里伯特（Julie Ribot）和她的同事们发现，缺少某种T细胞或细胞因子的老鼠在探索Y形迷宫时，很难形成短期记忆。他们的这一发现为IL-17的故事又增加了新的内容。这与研究人员在水迷宫中发现的IL-4和IL-13对长期记忆形成的影响形成了对比。里伯特说，白介素的不同作用可能与存在于脑脊膜中的可以产生IL-17的γδT细胞有关，在短期记忆形成过程中，它们可以在几秒钟内发挥作用。另一方面，产生IL-4和IL-13的T细胞必须从身体的其他地方被招募到脑脊膜上，这是需要花时间的，这表明它们支持需要较长时间形成记忆的产生，里伯特指出。
然而，γδT细胞和IL-17在认知方面的作用并不仅限于与记忆和自闭症有关。基普尼斯的最新实验表明，这些细胞及其细胞因子可能在焦虑中发挥作用。他的团队最近发现，在小鼠中，γδT细胞释放的IL-17与类似焦虑的行为有关，而从涉及威胁感知和反应的皮层区域的谷氨酸能神经元中敲除IL-17受体可以减少类似焦虑的行为。基普尼斯认为，这些IL-17相关论文的主要结论是相同的。“我们证明了你的体内有一群免疫细胞身处大脑之外却影响着大脑内部的神经元。”
在展开研究证明细胞因子能够影响学习与记忆、焦虑和社交行为的同时，科研人员开始解密T细胞与神经元沟通的渠道。虽然尚不清楚这两个系统具体在物理上是如何相互作用的，但已经确定了几种可能性，包括T细胞通过与神经元相互作用的细胞因子传递的直接信息，以及细胞因子与星形胶质细胞相互作用产生的间接信号。
免疫细胞和神经元之间的通信线路
一些神经科学家仍然坚持认为，除某些药物外，大多数分子都无法通过将大脑与身体其他部分隔离开来的屏障，除非隔离中枢神经系统的边缘层出现破裂。但现在，来自多个小组的研究对这一观点提出了质疑。罗彻斯特大学医学中心的神经科学家梅肯·内德戈德（Maiken Nedergaard）的实验室进行的一项重要研究，推翻了长期以来认为大脑具有免疫特权的观点。2012年，她和同事们观察了荧光和放射性标记示踪剂从脑脊液流入麻醉小鼠的大脑。
具体来说，内德戈德的团队记录了示踪剂进出动物大脑皮层的运动。大脑皮层是大脑外层褶曲的灰质，对意识、注意力和记忆的形成至关重要。研究人员发现，携带有细胞因子和其他信号分子的脑脊液从脑脊膜流入了大脑血管周围的空间。当动脉随着动物心脏的每一次跳动而搏动时，血管扩张，脑脊液被挤压进星形胶质细胞足部的水通道，然后进入大脑。逆向流动也会发生：进入了大脑的脑脊液与细胞外液或间质液混合，并携带着等待被清除的废物蛋白，又通过星形胶质细胞被压回到血管周围的空间。“梅肯非常优雅地将这一点展现出来，”基普尼斯说道，“这彻底推翻了大脑享有免疫特权的教条。”
2020年初，斯坦福大学的安德鲁·杨（Andrew Yang）及同事进一步证实了这一发现，并特别指出，血液中由T细胞释放的细胞因子也可以到达小鼠的大脑。研究人员从动物身上抽取血液，分离出血浆蛋白，并用荧光标签进行标记，然后将其注射回它们所来源的小鼠血液中。在健康的年轻成年小鼠中，许多荧光标记的蛋白质穿过了血脑屏障进入大脑组织间液中。“这一发现表明，多种神经功能均可被系统蛋白信号调节。”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的勒本·穆吉（Roeben Munji）和理查德·戴恩曼（Richard Daneman）在与杨共同撰写的研究评论中解释道。
根据布罗姆巴赫尔的研究，脑脊膜甚至血液中的细胞因子可能根本不需要进入大脑就能对中枢神经系统造成影响。IL-13和脑脊液或血液中的其他细胞信号分子可以与血脑屏障或大脑周边的星形胶质细胞相互作用。用IL-13处理培养的星形胶质细胞，可刺激其产生BDNF，同时也触发其胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的产生，这表明神经连接正在发生重组。里伯特对IL-17的研究也表明，细胞因子可以刺激小鼠的星形胶质细胞向大脑中释放BDNF。而BDNF和GFAP都与学习和记忆有关，它们能够促进突触的重组。
免疫系统和神经系统之间的交流也可以反向进行，来自于大脑的信号可以传递给海绵状、膜状脑脊膜以及身体其他部位的T细胞。直到几年前，研究人员还一致认为，大脑缺乏相应的引流系统或淋巴系统来清除废物和运输免疫细胞。但是对于基普尼斯来说，身体最重要的器官之一缺乏这样的排泄系统是完全说不通的，所以他和他的同事们就开始寻找。2015年，他们发现了它——老鼠的大脑确实有淋巴管，将废物和T细胞从脑脊膜运送到颈部的颈深淋巴结。“这些结构是真正的淋巴管——它们表达的标志物与所有其他组织中的淋巴管是相同的。”他当时对《科学家》杂志如是说。
在小鼠中，脑脊膜中的T细胞对脑脊液进行“巡视”，以寻找神经元回路发生变化时产生的细胞废物，无论这种变化是对学习和记忆形成的应答，还是发生了功能障碍。然后，淋巴结中的T细胞就有机会检查脑脊液中是否存在潜在的威胁，比如病原体。追踪人类大脑中的淋巴系统要困难得多，但是基普尼斯说，有一些证据表明，科学家在啮齿动物身上的发现确实可以转化为人类生物学。2017年，他和美国国家神经疾病和中风研究所的合作者们利用核磁共振成像（MRI）非侵入性地证实了人类和非人灵长类动物脑脊膜中淋巴管的存在。
了解免疫细胞-神经元间的交流——T细胞对脑脊液中来自于中枢神经系统的物质应答方式以及它们如何向大脑发送信号——对于理解神经紊乱，如阿尔茨海默氏症、自闭症、精神分裂症，甚至衰老相关的认知能力下降，都是十分重要的。菲利亚诺说：“有报道称，许多神经系统疾病都伴随某种免疫系统失调。”他指出，识别出离开大脑的液体中的神经元的错误信号可能有助于开发神经紊乱的诊断工具。考虑到脑脊液可以携带细胞因子和其他蛋白质进入神经元，基普尼斯说他怀疑“通过脑脊液对病人进行（基于免疫的）治疗可能是一种非常有效的途径”。
用细胞因子治疗大脑疾病
开发出能够注入血液或脑脊液并与大脑交流的分子，需要更好地去理解细胞因子在生物的一生中是如何影响神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞的。例如，干扰素伽马在影响神经回路时，似乎有两面性。在基普尼斯对幼鼠的研究中，细胞因子对幼鼠的社交性至关重要。但一项针对老年小鼠大脑的分析表明，同样的细胞因子可能不利于老年小鼠新神经元的产生。
类似的策略可能为治疗精神分裂症等各种神经精神疾病提供了一种新的方法。对精神分裂症患者血液中免疫细胞的分析表明，这些人比健康人体内有着更高水平的多种细胞因子，包括IL-13和干扰素伽马。接受抗炎和抗精神病药物治疗的精神分裂症患者，与只接受抗精神病药物治疗的患者相比，他们的认知问题往往更少，这暗示着降低细胞因子水平可以改善患者症状。然而，导致精神分裂症的神经变化尚不清楚，研究表明，当某些神经元产生低于预期水平的多巴胺时，它们会提醒T细胞可能出现问题了，T细胞则会通过释放细胞因子做出应答，这些细胞因子会引发与疾病相关的记忆、学习、社会行为以及抗压能力方面的缺陷。
菲利亚诺和基普尼斯发现了可以帮助自闭症患者的证据。在对缺乏T细胞的小鼠开展的实验中，研究人员发现，这些小鼠不仅有社交缺陷，而且它们的神经回路极度活跃，而这种神经回路的异常活动通常发生在人类自闭症患者的大脑中。当研究小组给小鼠注射免疫细胞时，不仅使小鼠的社交行为得到了改善，而且让小鼠异常的神经活动也消退了。实验表明，精心调节免疫系统或许能够逆转这种疾病的认知和社交缺陷。
现在，这个结果让菲利亚诺想知道更多。他解释说：“我们真正感兴趣的是这些免疫细胞如何与大脑交流的，这些信号是如何从免疫细胞传递到神经回路的，以及在健康或疾病状态下这种交流是如何发生的。”
资料来源 The Scientist
