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脑内淋巴管的发现突破数十年脑科学认知局限

20156月,美国弗吉尼亚大学最新研究显示,大脑内存在免疫系统的淋巴管道,这项新发现颠覆了几十年来教科书中“脑内没有淋巴管”的旧概念。弗吉尼亚大学神经科学家乔纳森·基普尼斯(Jonathan Kipnis)教授主导这项研究,他对外界表示:“这彻底改变了我们对神经—免疫相互作用的认识。我们相信,这些淋巴管在每一种涉及免疫成分的神经疾病中都可能发挥着重要作用。”

 

大脑至今仍是科学之谜。它是生物亿万年进化到一定阶段才出现的产物,是宇宙中已知的最复杂、最精细的体系。脑的发达程度是区别动物进化程度的主要标志,人类正因为有了无比发达的大脑,才成为主宰世界的万物之灵。大脑的结构和功能始终是自然科学研究中最具挑战的课题。

 

近代自然科学发展的趋势预示21世纪的自然科学重心在生命科学领域,而脑科学是最重要的生命科学研究领域,也是一个飞速发展的前沿学科。诺贝尔奖获得者沃森宣称“20世纪是基因的世纪,21世纪是脑的世纪”。国际脑研究组织(International Brain Research OrganizationIBRO)也把21世纪称为“脑的世纪”。诺贝尔奖获得者约翰·卡鲁·埃克尔斯(JCEccles)曾经预言,世界上将会有越来越多的伟大的科学家来研究脑。

 

大脑,这个占身体很小体积的组织却主宰着动物和人的所有意识和行为。那么脑是如何产生感觉、意识、动机和情绪的?如何学习和记忆的?如何控制行为的?如何自我修复和功能代偿的?这些一直是科学家面对的挑战性难题。近一个世纪以来,人类开始涉足研究自身的脑。美国早在20世纪90年代就提出“脑的十年计划”,201342日,美国总统奥巴马正式宣布开展人脑研究计划。日本政府1995年宣布投入200亿美元实施“脑科学时代计划”,把“认识脑、保护脑、创造脑”作为脑研究三大目标。欧盟于20世纪90年代成立了“欧洲脑的十年”委员会,2013年启动为期10年的“欧洲人类大脑研究计划”。目前,西方的著名大学几乎都设有脑科学研究机构,一些企业也纷纷加入研究行列。

 

当今,国际上研究大脑的趋势是“认识脑(understanding the brain),保护脑(protecting thebrain),创造脑(creating the brain)”。认识脑,即认识脑的结构和功能,例如脑如何控制运动和情感,如何感受和产生感觉意识,如何学习和记忆。保护脑,即研究如何使大脑得到良好的发育,如何防治脑的疾病,如何保护脑不被环境污染所伤害,如何延缓脑的衰老。创造脑,即发展脑型器件和结构,以及脑型信息产生和处理系统的设计开发,例如具有学习和记忆能力的神经元芯片,具有智力、情感和意识的脑型计算机。

 

近几十年的研究虽然发展迅速,硕果累累,但鲜有突破性的进展与发现,直到脑淋巴管的发现,才打破这一僵局。这是属于解剖学研究方法的重大发现。解剖学是有几百年历史的学科,一般认为解剖学的大厦早已在20世纪完工,大脑的基本结构已经毫无异议地写进了教科书,然而没想到21世纪还有人撼动了这座大厦。

 

一直以来,我们虽然对大脑的功能和运作了解甚微,但对大脑的解剖构架已基本达成共识,认为其主要包括端脑、间脑、小脑、脑干(脑干包括中脑、脑桥和延髓)四个部分,其中分布着很多由神经细胞集中而成的神经核或神经中枢,并有大量上行、下行的神经纤维束通过,连接端脑、小脑和脊髓,在形态和机能上把各部分联系为一个整体。脑内的腔隙称脑室,充满脑脊液。在20157月以前,所有的神经学者都认为,和身体其他组织不一样,大脑中不存在淋巴系统结构,这也作为大脑解剖的独特之处,写进了全世界医学教科书中。

 

什么是淋巴系统呢?它是人体的重要防卫体系,像遍布全身的血液循环系统一样,也是一个网状的液体系统。该系统由淋巴管道、淋巴器官和淋巴液组成。淋巴管道内含有淋巴液,是由血浆变成的,但比血浆清亮,水分较多,能从微血管壁渗透进入组织间隙。淋巴器官包括淋巴结、脾、胸腺和腭扁桃体等,脾脏是最大的淋巴器官,能过滤血液,除去衰老的红细胞,平时作为一个血库储备多余的血液。淋巴系统没有一个像心脏那样的泵来压送淋巴液。新流入细胞间空隙中的组织液挤入淋巴管产生推力,动脉和肌肉的张缩也对淋巴液施加向前的压力,呼吸作用则在胸部造成负压,使淋巴液向上流回到血液中。淋巴在向心流动中要通过一系列的淋巴结。全身各部有100多个淋巴结,颈部、腹股沟和腋窝特别密集,每个淋巴结里有一连串纤维质瓣膜,淋巴液就从此流过,滤出微生物和毒素,并加以消灭,以阻止感染蔓延。当病毒侵入人体发生感染时,淋巴结会肿大疼痛。像喉咙发炎时,会在下巴颏下摸到两个肿块,那就是淋巴结。炎症消失后淋巴肿块也会自然缩小。由此可见,淋巴系统与心血管系统密切相关,是人体的重要防卫体系。淋巴系统能制造白细胞和抗体,滤出病原体,参与免疫反应,对于液体和养分在体内的分配也有重要作用。

 

早在1869年,Schwalbe首次将示踪剂注射于动物大脑表面的蛛网膜下腔,观察到示踪剂出现于颈部淋巴结。随后的一个多世纪以来,各国学者对脑淋巴引流进行了大量研究,但对于脑淋巴引流途径仍存争议,始终没能搞明白一个问题:为什么这么重要的人体防卫系统,却在最重要的生命结构中缺失?

 

虽然学者们都不愿意承认这样的事实,但也只能默默接受,以至于对所有大脑相关疾病的研究,都要放弃这条“阳光大道”,转而另辟蹊径,一直以来大脑的研究成果,都是在这些“蹊径小道”上的发展突破,就像鲁迅先生说的那样“走的人多了,便成了路”。

 

在我们越走越远、越走越艰难的时候,美国弗吉尼亚大学最新研究结果告诉我们,这条“阳光大道”是真实存在的—大脑内也存在免疫系统的淋巴管道。这项新发现将颠覆几十年来教科书中“脑内没有淋巴管”的旧概念,彻底改变我们对神经—免疫相互作用的认识。这些淋巴管在每一种涉及免疫成分的神经疾病中都可能发挥着重要作用。

 

这项重大发现因为和几十年来的教科书概念不一致,即使研究者基普尼斯教授本人一开始也怀疑结果是否正确。他说:“根据以往的知识,我不太相信大脑中存在那些淋巴管。我以为,20世纪中期就已经发现了机体的所有结构。显然,实际情况不是我们认识的那样。”基普尼斯通过在玻片上直接观察小鼠脑膜,检查整体结构,发现了那里分布的淋巴管。脑部淋巴管之所以能“隐藏”那么长时间而没有被医学家发现,是因为淋巴管顺着一条主血管进入静脉窦,那个区域比较难观察,使得其中的淋巴管结构被我们所忽视。

 

脑内淋巴管的发现突破了数十年脑科学认知局限,存在一个多世纪的疑问解开之后,更多的新问题随之而来:脑淋巴的引流量、引流速度如何?影响脑淋巴引流的因素是什么?脑脊液的淋巴引流途径是怎样的?脑淋巴在脑组织免疫疾病病理过程中的作用是什么?多发性硬化、阿尔茨海默病、疯牛病是否能够治好……这只是个开始,接下来的十年,将是脑科学飞速发展的十年,也许这一科学之谜即将揭开它的神秘面纱。

 

我国的脑科学研究起步较晚,与欧盟、美国、日本等仍有较大差距。脑科学与认知科学已被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)》八大前沿科学问题之一,强调要加强“脑发育、可塑性与人类智力的关系”研究。2013年,作为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一的“中国脑计划”正式启动。“中国脑计划”的名称为“脑科学与类脑科学研究”,主要有两个研究方向:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究以及以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究。主要解决大脑三个层面的认知问题:第一是大脑对外界环境的感官认知,即探究人类对外界环境的感知,如人的注意力、学习、记忆以及决策制定等;第二是对人类以及非人灵长类自我意识的认知,通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心以及意识的形成;第三是对语言的认知,探究语法以及广泛的句式结构,用以研究人工智能技术。

 

另外,国家自然科学基金委医学部于2011年启动了“情感和记忆的神经环路基础”重大研究计划,主要支持情感和记忆这两类认知功能及其障碍的脑网络表征及其相关技术的研究,中国科学院于2012年启动了“脑功能联结图谱研究计划”先导专项(B类),主要支持感知觉、记忆、情感和奖赏四类认知功能及其障碍的脑网络表征及其所需要的先导技术研究,各项相关研究正在紧锣密鼓开展当中。

 

教育为本,科技兴国就是脑力兴国。脑力兴国,中国人能否取胜,加强脑科学研究是事关时代、国家和民族兴旺发达的大事。我国的脑科学家张香桐先生早就呼吁“开展大脑研究,提高民族智力”。中国成立了脑健康专业委员会,向社会提出“脑健康”的观念,并将每年的916日定为脑健康日。在这个知识经济的时代,人智商的高低、创新能力的强弱直接关系到能否应对知识经济的挑战,要使“全民健脑”向纵深发展,真正提高中华民族整体素质。

 

脑淋巴管的发现,能够解答许多临床疾病的疑问,也使众多脑疾病的治愈成为可能。例如我们以往观察到一些颈部炎症、扁桃体切除术、颈部肿瘤的淋巴结清除术及放射治疗的患者,经常会出现头痛、眩晕、恶心、呕吐等症状,严重者甚至出现脑水肿、颅内高压表现。下游淋巴管道的侵袭骚扰,能够对上游脑组织结构功能产生影响,说明脑淋巴引流在维持脑组织内环境稳定和调整颅内压等方面都具有重要作用。临床上假性脑瘤、良性颅内高压、耳源性脑积水及原发性急性脑病等疾病的一些症状都可能与脑淋巴引流障碍有关。如今脑淋巴管解剖结构功能的明确,使得这些直接与脑淋巴系统密切相关的疾病,有了初步解答。

 

脑淋巴管的发现,使世界各国脑科学研究又回到了同一起跑线,这是一个挑战与机遇并存的关键时刻,接下来的研究热点将会聚焦于以下几个方面:与淋巴管相关的大脑解剖结构的进一步深入研究;大脑免疫相关疾病(多发性硬化、阿尔茨海默病、疯牛病、艾滋病脑损害等)的新认识与研究;脑脊液循环相关疾病的新认识与研究和脑胶质细胞与体液免疫应答相互关系研究等。

 

脑科学是一个庞大的研究体系,脑淋巴管的发现,只是“认识脑,保护脑,创造脑”三大研究趋势中的第一步,是阐明脑功能、征服脑疾病、开发智能计算机的基础。目前脑科学研究的关键突破点在于脑神经电活动信号的解码,也就是搞明白大脑是如何运行工作的。标准的英特尔处理器拥有12亿个晶体管,而我们的大脑拥有近千亿个神经细胞,并且每个神经细胞功能结构又远比晶体管纷繁复杂,阐明它的工作机制,并不是一件容易之事。攀登越高的山峰,就会拥有越大的成就。各国的科学攀登者,已经齐聚山下,跃跃欲试,我们也应紧跟世界的步伐,才不会输在起跑线上。

 

内容来源:科协改革进行时

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