神經膠質細胞“一代宗師”

舒愉棉/編譯

神經膠質細胞“一代宗師”

舒愉棉/編譯

本·巴瑞斯：斯坦福大學藥學院神經生物學教授

● 巴瑞斯的研究發現，神經膠質細胞對于大腦突觸可塑性和預防神經退行性失調癥有至關重要的作用，這一發現讓神經膠質細胞從配角搖身成為舞臺明星。

在過去 25年里，本·巴瑞斯（Ben Barres）關于神經膠質細胞的研究成果從根本上改觀了人們對于神經膠質細胞的印象。通過巴瑞斯的研究，這些在過去被認為只具有支持和結構功能的非常豐富的非神經元細胞（膠質細胞英文glia在希臘語中意為“膠水”）被證明在人類健康和疾病狀態下發揮了重要作用。

文中，巴瑞斯將回顧他的科學夢萌芽、神經生物學研究興趣起航以及在42歲時做出變性這一重大決定的始末。

科學夢萌芽

未來科學家啟蒙 巴瑞斯出生于1954年，在新澤西州西奧蘭治縣長大?！爱斘?歲的時候，我就立志要成為一名科學家，而我的異卵雙生姊妹立志要成為一名護士，而現在我們都實現了我們的夢想。我們家并沒有科學家或者護士，所以天知道我們從哪兒萌生了這樣的想法?！卑腿鹚拐f，“我當時是一個青年極客，對科學有興趣。”在巴瑞斯開始上高中的時候，電腦和電腦編程剛剛進入主流社會，他試圖獲得盡可能多的使用這些早期電腦和編寫代碼的經驗。在高中和大學期間，所有暑假他都在新澤西的貝爾實驗室實習，參加哥倫比亞大學的科學榮譽項目，在這些項目中，大學教授在周末為高中生講授科學和計算機課程。

遭遇性別歧視 13歲的時候，巴瑞斯立志要上麻省理工學院，“別問我為什么，如果一定要說原因的話，應該是當時我認識的令我敬佩的人去了麻省理工學院?！卑腿鹚拐f。作為高二學生，他申請了麻省理工的提前招錄并且獲得了錄取。在1972年入學的時候，巴瑞斯以為他會選擇計算機科學作為他的職業。“當時有一個帶回家完成的數學期末考試，里面有5個問題，提交的截止時間是半夜，解答這些問題花了我整整一天，解出最后一道題的時候已經是深夜，而那道題我突然就找到了答案。第二天，教授把考試的結果反饋給我們，聲稱沒人解答出最后一道題。下課之后我去找他，告訴他我解出了那道題，并把我的答卷拿給他看，他卻鄙夷地看著我說，‘這大概是你男朋友幫你解出來的吧?！ㄗg者注：1973年，巴瑞斯尚未變性，性別為女。）在1973年，他可能沒有想到，一個女人可以解答出上百個男人不能解答的問題。因為他指責我作弊，那時候我很憤憤不平，后來我才意識到這是性別歧視，而當時我對此毫無概念。盡管那時候我的外表是女性，可在我心里我卻一直把自己視為男性，在生活中亦是如此，所以對于這類事情，我當時并不是特別在意?！痹谶x擇實驗室完成本科生畢業論文的時候，巴瑞斯也一度遇到麻煩，盡管對于他的男同學來說選擇導師并不費力，好在他最終還是進入到瑪麗亞·琳德（Maria Linder）研究員的生物化學實驗室學習，而琳德是當時麻省理工的科學學院為數不多的女教授之一。“我依舊熱愛在麻省理工的美好時光，有最著名的教授為我們講授本科生課程，像諾貝爾獎獲得者薩瓦多·盧瑞亞（Salvador Luria）就是我的第一個生物學教授。當他們在課堂上談起自己近期科學研究進展的時候，這些教授激情四射，讓我們深受感染。當我入學的時候，我熱愛科學；而當離開的時候，我的熱愛分毫不減，這就足夠了?！?/p>

與神經科學擦出火花 大二的時候，巴瑞斯選修了由神經心理學家漢斯-盧卡斯·托伊貝爾（Hans-Lukas Teuber）教授的《心理學與大腦》。在1973年，“神經生物學”一詞還未被創造出來。“他在課堂上講述大腦各部分的功能，這讓我為之著迷。那個時候我便有了要成為一名神經科醫生兼神經科學家的想法。”巴瑞斯說。后來巴瑞斯便從計算機科學轉到了醫學預科，他的目標是先獲得醫學博士學位（MD），然后攻讀神經學博士（PhD）。1976年，巴瑞斯本科畢業之后進入到達特茅斯醫學院進行學習?！白畛踹x擇了醫學院純屬偶然，相比之下后來在哈佛大學攻讀博士的時候，對于未來的研究重點和發展方向，我的考慮就成熟多了。在做過住院醫師之后，我更加明確我要攻讀博士學位，而不僅僅是做一個技術崗的博士后，因為那時候我感覺在神經生物學領域我并未得到充分的訓練，而在當時神經生物學也才剛剛開始蓬勃發展?！痹谌ス鹱x博之前，巴瑞斯已經完成了四年的神經科住院醫師培訓并且獲得了行醫執照。“盡管當時的計劃是行醫和研究同時進行，但參加完住院醫師培訓之后，我發現神經科醫生能為病人做的事情微乎其微。當時遇到的病人病情缺乏實際治療手段，所以成為神經科醫生于我而言不再具有吸引力。”

初遇膠質細胞 在哈佛大學大衛·科里（David Corey）的實驗室，巴瑞斯掌握了膜片鉗和記錄神經膠質細胞的電發放的技術，當時科里剛剛建好自己的實驗室，而巴瑞斯在之前的實驗室輪訓中學會了如何培養大鼠膠質細胞?！吧窠浤z質細胞非常小，而膜片鉗技術在那個時候是能記錄到比較好數據的唯一辦法?！蹦莻€時候，神經膠質細胞被認為是被動的神經元支持細胞，但巴瑞斯卻意識到：不同類型的膠質細胞可能有不同的離子通道。這些含量豐富的腦細胞在正常大腦的功能中的未解之謎吸引了還在醫學院就讀的巴瑞斯。在科里實驗室期間，巴瑞斯先后發表了6篇研究論文，其中5篇發表在《神經元》雜志上。1988年，科里和他首次揭露了膠質細胞存在至少6種離子通道。巴瑞斯還研究出了基于抗體的神經膠質細胞純化技術，取名為“選淘法（panning）”，利用這項技術，巴瑞斯證明了大鼠腦內有多種不同的神經膠質細胞。“當時我能在動物體內找到這些漂亮的神經膠質細胞，并且記錄它們的電發放，但卻沒辦法通過細胞培養技術保持其在體外存活，因為那個時候神經膠質細胞存活所必須的生長因子尚未發現?！?/p>

生涯起航

深入研究 首次邂逅他的博士后導師馬丁·拉夫（Martin Raff）時，巴瑞斯正在努力鉆研神經膠質細胞的相關文獻?！俺笋R丁·拉夫的論文，其他人寫的都是廢話，通篇都是模棱兩可的描述性內容，只有馬丁鑒定出了神經膠質細胞標記物?！痹诶虻囊淮梧徑槭±砉さ脑L問過程中，巴瑞斯與他結識。在這位英國研究員同意擔任他的非官方的校外導師之后，巴瑞斯在1990年加入拉夫在倫敦大學學院的實驗室。在那里，巴瑞斯將選淘法技術改良到能夠純化不同類的神經膠質細胞，這包括星形膠質細胞和少突膠質細胞。他的目標是在培養皿中同時培養神經元和神經膠質細胞，以便能研究二者之間的相互作用。隨后巴瑞斯發現：大鼠視神經中約有一半的少突膠質細胞在發育過程中凋亡，并鑒定出少突膠質細胞在培養中存活所必需的生長因子。他還證明了神經膠質細胞的細胞凋亡是為了與有髓鞘神經突觸建立一對一的匹配。

膠質細胞不只是“膠水” 1993年，巴瑞斯到斯坦福大學任職并建立了他自己的實驗室。在研究生和博士后期間，他設計并完善了純化和培養神經膠質細胞的技術，并開始研究神經膠質細胞如何與神經元交流以及傳遞的信息最終到達何處。巴瑞斯和他的博士后弗拉克·普弗雷杰（Frank Pfrieger）證明：在生物體外，神經膠質細胞對于神經元間功能性突觸的形成是必需的。在2001年，巴瑞斯實驗室發現：神經元也需要神經膠質細胞在生物體內形成和穩定成熟突觸。巴瑞斯說：“這完全是個意外，過去普遍認為神經元具備形成突觸的全部組分?！?/p>

細胞通訊推動者 巴瑞斯繼續研究神經膠質細胞在生物體內的功能，但首先他需要研究用來與神經元通訊的一些分子神經膠質細胞。巴瑞斯說：“如果我們不知道神經膠質細胞分泌的分子，我們就沒有辦法敲除小鼠體內的基因，也沒有辦法探究神經膠質細胞在生物體內做了什么，純化細胞的實驗是提出假說的工具，而我們可以在生物體內進行驗證假說?！?005年，巴瑞斯實驗室發現了兩種由神經膠質細胞分泌的血小板反應蛋白，他們是由發育中的大腦內的未成熟星形膠質細胞分泌的糖蛋白，能促進體外和體內的突觸的形成，而這些血小板反應蛋白能在體外誘發神經元興奮性突觸的形成，形成的突觸具有完整的結構，突觸前活躍、突觸后沉默，甚至沒有星形膠質細胞也能夠誘發突觸的形成。2012年，巴瑞斯實驗室的博士后尼古拉·艾倫（Nicola Allen）發現了另外兩種星形膠質細胞分泌分子：Glypican-4和Glypican-6蛋白，也是神經元形成具有全功能型的谷氨酸受體依賴性突觸所必需的。巴瑞斯實驗室和巴瑞斯之前的學生依舊在研究促進神經元突觸形成的其他分子。

聰明的神經膠質細胞 巴瑞斯的另一個博士后鐘文碩（音譯，Won-Suk Chung）發現，星形膠質細胞的另一個功能是：在大腦發育的修剪和大腦成熟的階段通過細胞吞噬來清除突觸?！靶切文z質細胞感知神經元活動，并決定清除或不清除哪些突觸。我們認為這意味著星形膠質細胞在突觸可塑性中扮演重要角色。這也證明神經膠質細胞有多么聰明，也揭露突觸重塑和神經網絡重組在腦內的情況?！卑腿鹚拐f。

使壞的神經膠質細胞 最近，巴瑞斯實驗室發現星形膠質細胞也會異常。小鼠腦內的異常星形膠質細胞不能促進神經元的連接，而是誘發其他類別的神經膠質細胞和神經元的死亡。巴瑞斯研究團隊檢測到了這類星形膠質細胞在患有多發性硬化癥、肌萎縮性脊髓側索硬化癥、阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和腦損傷的病人大腦樣本中的活動。巴瑞斯正努力闡明這些“無賴細胞”是如何產生，它們分泌哪些神經毒素以及它們是如何卷入神經退行性疾病?！澳壳拔覀冋莆樟艘恍┳C據證明是神經疾病或者損傷誘發這些星形膠質細胞的產生，這暗示著這些膠質細胞的反應也許部分引發了大腦退化。我們還沒有完全證實這個猜想，不過這將使我們又一篇激動人心的論文！”

巴瑞斯信條

與眾不同 “決定要變性的時候，我在斯坦福大學的實驗室已經建立兩年了。大概從3歲開始，我就對自己的性別感到困惑。我知道自己和別人有所不同，但這不同讓我困惑和羞恥，直到決定變性我都未曾和其他人討論過我的困惑。但我的父母一定意識到了這一點，因為每次萬圣節我總是扮作足球運動員或者男士兵，只要允許我自己挑選衣服，我總是穿得像一個男孩兒。我敢肯定，當時我父母心里一定在想，‘這孩子到底怎么了？’，但我們從未對此開誠布公地談過。”

關注人類疾病 受其醫學和研究生學習生涯的影響，巴瑞斯在斯坦福大學創立了醫學科學碩士研究生項目并擔任項目主任，旨在讓攻讀基礎科學博士學位的學生接受臨床醫學的訓練。“25年前，從事基礎科學研究的科學家不會從事疾病研究，疾病研究被認為是二流的科學研究工作。研究生項目聚焦于模型系統，從未為研究生提供研究人類疾病的工具。我們希望科學研究者能夠研究人類疾病，而我們的研究生項目講授醫學領域的術語、解剖學、病理學和主要問題，通過這些激發學生的好奇心。”巴瑞斯說道。

沉溺實驗室 “當我到實驗室之后就不會離開，整個人都無比興奮，沉溺其中。我總是選擇做實驗而非睡覺。如果不是因為停止付我薪水，我可能還會繼續留在科里的實驗室?！?/p>

研究成就

發展了細胞純化技術“選淘法”，該技術能夠分離大鼠神經節細胞和不同種類嚙齒類神經膠質細胞。

證明膠質細胞對功能性突觸的神經元形成和在培養中保持突觸功能是必需的。

確定了由星形膠質細胞分泌的重要突觸誘導分子。

發現了小神經膠質細胞和星形膠質細胞會在發育腦和成熟腦中吞噬突觸，并提供了神經膠質細胞終生參與突觸可塑性的證據。

發現了一種具有高神經毒性反應的星形膠質細胞會在大腦急性損傷后或神經退行性疾病中產生。

[資料來源：The Scientist][責任編輯：岳 峰]