神经胶质细胞“一代宗师”

舒愉棉/编译

神经胶质细胞“一代宗师”

舒愉棉/编译

本·巴瑞斯：斯坦福大学药学院神经生物学教授

● 巴瑞斯的研究发现，神经胶质细胞对于大脑突触可塑性和预防神经退行性失调症有至关重要的作用，这一发现让神经胶质细胞从配角摇身成为舞台明星。

在过去 25年里，本·巴瑞斯（Ben Barres）关于神经胶质细胞的研究成果从根本上改观了人们对于神经胶质细胞的印象。通过巴瑞斯的研究，这些在过去被认为只具有支持和结构功能的非常丰富的非神经元细胞（胶质细胞英文glia在希腊语中意为“胶水”）被证明在人类健康和疾病状态下发挥了重要作用。

文中，巴瑞斯将回顾他的科学梦萌芽、神经生物学研究兴趣起航以及在42岁时做出变性这一重大决定的始末。

科学梦萌芽

未来科学家启蒙 巴瑞斯出生于1954年，在新泽西州西奥兰治县长大。“当我6岁的时候，我就立志要成为一名科学家，而我的异卵双生姊妹立志要成为一名护士，而现在我们都实现了我们的梦想。我们家并没有科学家或者护士，所以天知道我们从哪儿萌生了这样的想法。”巴瑞斯说，“我当时是一个青年极客，对科学有兴趣。”在巴瑞斯开始上高中的时候，电脑和电脑编程刚刚进入主流社会，他试图获得尽可能多的使用这些早期电脑和编写代码的经验。在高中和大学期间，所有暑假他都在新泽西的贝尔实验室实习，参加哥伦比亚大学的科学荣誉项目，在这些项目中，大学教授在周末为高中生讲授科学和计算机课程。

遭遇性别歧视 13岁的时候，巴瑞斯立志要上麻省理工学院，“别问我为什么，如果一定要说原因的话，应该是当时我认识的令我敬佩的人去了麻省理工学院。”巴瑞斯说。作为高二学生，他申请了麻省理工的提前招录并且获得了录取。在1972年入学的时候，巴瑞斯以为他会选择计算机科学作为他的职业。“当时有一个带回家完成的数学期末考试，里面有5个问题，提交的截止时间是半夜，解答这些问题花了我整整一天，解出最后一道题的时候已经是深夜，而那道题我突然就找到了答案。第二天，教授把考试的结果反馈给我们，声称没人解答出最后一道题。下课之后我去找他，告诉他我解出了那道题，并把我的答卷拿给他看，他却鄙夷地看着我说，‘这大概是你男朋友帮你解出来的吧。’（译者注：1973年，巴瑞斯尚未变性，性别为女。）在1973年，他可能没有想到，一个女人可以解答出上百个男人不能解答的问题。因为他指责我作弊，那时候我很愤愤不平，后来我才意识到这是性别歧视，而当时我对此毫无概念。尽管那时候我的外表是女性，可在我心里我却一直把自己视为男性，在生活中亦是如此，所以对于这类事情，我当时并不是特别在意。”在选择实验室完成本科生毕业论文的时候，巴瑞斯也一度遇到麻烦，尽管对于他的男同学来说选择导师并不费力，好在他最终还是进入到玛丽亚·琳德（Maria Linder）研究员的生物化学实验室学习，而琳德是当时麻省理工的科学学院为数不多的女教授之一。“我依旧热爱在麻省理工的美好时光，有最著名的教授为我们讲授本科生课程，像诺贝尔奖获得者萨瓦多·卢瑞亚（Salvador Luria）就是我的第一个生物学教授。当他们在课堂上谈起自己近期科学研究进展的时候，这些教授激情四射，让我们深受感染。当我入学的时候，我热爱科学；而当离开的时候，我的热爱分毫不减，这就足够了。”

与神经科学擦出火花 大二的时候，巴瑞斯选修了由神经心理学家汉斯-卢卡斯·托伊贝尔（Hans-Lukas Teuber）教授的《心理学与大脑》。在1973年，“神经生物学”一词还未被创造出来。“他在课堂上讲述大脑各部分的功能，这让我为之着迷。那个时候我便有了要成为一名神经科医生兼神经科学家的想法。”巴瑞斯说。后来巴瑞斯便从计算机科学转到了医学预科，他的目标是先获得医学博士学位（MD），然后攻读神经学博士（PhD）。1976年，巴瑞斯本科毕业之后进入到达特茅斯医学院进行学习。“最初选择了医学院纯属偶然，相比之下后来在哈佛大学攻读博士的时候，对于未来的研究重点和发展方向，我的考虑就成熟多了。在做过住院医师之后，我更加明确我要攻读博士学位，而不仅仅是做一个技术岗的博士后，因为那时候我感觉在神经生物学领域我并未得到充分的训练，而在当时神经生物学也才刚刚开始蓬勃发展。”在去哈佛读博之前，巴瑞斯已经完成了四年的神经科住院医师培训并且获得了行医执照。“尽管当时的计划是行医和研究同时进行，但参加完住院医师培训之后，我发现神经科医生能为病人做的事情微乎其微。当时遇到的病人病情缺乏实际治疗手段，所以成为神经科医生于我而言不再具有吸引力。”

初遇胶质细胞 在哈佛大学大卫·科里（David Corey）的实验室，巴瑞斯掌握了膜片钳和记录神经胶质细胞的电发放的技术，当时科里刚刚建好自己的实验室，而巴瑞斯在之前的实验室轮训中学会了如何培养大鼠胶质细胞。“神经胶质细胞非常小，而膜片钳技术在那个时候是能记录到比较好数据的唯一办法。”那个时候，神经胶质细胞被认为是被动的神经元支持细胞，但巴瑞斯却意识到：不同类型的胶质细胞可能有不同的离子通道。这些含量丰富的脑细胞在正常大脑的功能中的未解之谜吸引了还在医学院就读的巴瑞斯。在科里实验室期间，巴瑞斯先后发表了6篇研究论文，其中5篇发表在《神经元》杂志上。1988年，科里和他首次揭露了胶质细胞存在至少6种离子通道。巴瑞斯还研究出了基于抗体的神经胶质细胞纯化技术，取名为“选淘法（panning）”，利用这项技术，巴瑞斯证明了大鼠脑内有多种不同的神经胶质细胞。“当时我能在动物体内找到这些漂亮的神经胶质细胞，并且记录它们的电发放，但却没办法通过细胞培养技术保持其在体外存活，因为那个时候神经胶质细胞存活所必须的生长因子尚未发现。”

生涯起航

深入研究 首次邂逅他的博士后导师马丁·拉夫（Martin Raff）时，巴瑞斯正在努力钻研神经胶质细胞的相关文献。“除了马丁·拉夫的论文，其他人写的都是废话，通篇都是模棱两可的描述性内容，只有马丁鉴定出了神经胶质细胞标记物。”在拉夫的一次邻近麻省理工的访问过程中，巴瑞斯与他结识。在这位英国研究员同意担任他的非官方的校外导师之后，巴瑞斯在1990年加入拉夫在伦敦大学学院的实验室。在那里，巴瑞斯将选淘法技术改良到能够纯化不同类的神经胶质细胞，这包括星形胶质细胞和少突胶质细胞。他的目标是在培养皿中同时培养神经元和神经胶质细胞，以便能研究二者之间的相互作用。随后巴瑞斯发现：大鼠视神经中约有一半的少突胶质细胞在发育过程中凋亡，并鉴定出少突胶质细胞在培养中存活所必需的生长因子。他还证明了神经胶质细胞的细胞凋亡是为了与有髓鞘神经突触建立一对一的匹配。

胶质细胞不只是“胶水” 1993年，巴瑞斯到斯坦福大学任职并建立了他自己的实验室。在研究生和博士后期间，他设计并完善了纯化和培养神经胶质细胞的技术，并开始研究神经胶质细胞如何与神经元交流以及传递的信息最终到达何处。巴瑞斯和他的博士后弗拉克·普弗雷杰（Frank Pfrieger）证明：在生物体外，神经胶质细胞对于神经元间功能性突触的形成是必需的。在2001年，巴瑞斯实验室发现：神经元也需要神经胶质细胞在生物体内形成和稳定成熟突触。巴瑞斯说：“这完全是个意外，过去普遍认为神经元具备形成突触的全部组分。”

细胞通讯推动者 巴瑞斯继续研究神经胶质细胞在生物体内的功能，但首先他需要研究用来与神经元通讯的一些分子神经胶质细胞。巴瑞斯说：“如果我们不知道神经胶质细胞分泌的分子，我们就没有办法敲除小鼠体内的基因，也没有办法探究神经胶质细胞在生物体内做了什么，纯化细胞的实验是提出假说的工具，而我们可以在生物体内进行验证假说。”2005年，巴瑞斯实验室发现了两种由神经胶质细胞分泌的血小板反应蛋白，他们是由发育中的大脑内的未成熟星形胶质细胞分泌的糖蛋白，能促进体外和体内的突触的形成，而这些血小板反应蛋白能在体外诱发神经元兴奋性突触的形成，形成的突触具有完整的结构，突触前活跃、突触后沉默，甚至没有星形胶质细胞也能够诱发突触的形成。2012年，巴瑞斯实验室的博士后尼古拉·艾伦（Nicola Allen）发现了另外两种星形胶质细胞分泌分子：Glypican-4和Glypican-6蛋白，也是神经元形成具有全功能型的谷氨酸受体依赖性突触所必需的。巴瑞斯实验室和巴瑞斯之前的学生依旧在研究促进神经元突触形成的其他分子。

聪明的神经胶质细胞 巴瑞斯的另一个博士后钟文硕（音译，Won-Suk Chung）发现，星形胶质细胞的另一个功能是：在大脑发育的修剪和大脑成熟的阶段通过细胞吞噬来清除突触。“星形胶质细胞感知神经元活动，并决定清除或不清除哪些突触。我们认为这意味着星形胶质细胞在突触可塑性中扮演重要角色。这也证明神经胶质细胞有多么聪明，也揭露突触重塑和神经网络重组在脑内的情况。”巴瑞斯说。

使坏的神经胶质细胞 最近，巴瑞斯实验室发现星形胶质细胞也会异常。小鼠脑内的异常星形胶质细胞不能促进神经元的连接，而是诱发其他类别的神经胶质细胞和神经元的死亡。巴瑞斯研究团队检测到了这类星形胶质细胞在患有多发性硬化症、肌萎缩性脊髓侧索硬化症、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和脑损伤的病人大脑样本中的活动。巴瑞斯正努力阐明这些“无赖细胞”是如何产生，它们分泌哪些神经毒素以及它们是如何卷入神经退行性疾病。“目前我们掌握了一些证据证明是神经疾病或者损伤诱发这些星形胶质细胞的产生，这暗示着这些胶质细胞的反应也许部分引发了大脑退化。我们还没有完全证实这个猜想，不过这将使我们又一篇激动人心的论文！”

巴瑞斯信条

与众不同 “决定要变性的时候，我在斯坦福大学的实验室已经建立两年了。大概从3岁开始，我就对自己的性别感到困惑。我知道自己和别人有所不同，但这不同让我困惑和羞耻，直到决定变性我都未曾和其他人讨论过我的困惑。但我的父母一定意识到了这一点，因为每次万圣节我总是扮作足球运动员或者男士兵，只要允许我自己挑选衣服，我总是穿得像一个男孩儿。我敢肯定，当时我父母心里一定在想，‘这孩子到底怎么了？’，但我们从未对此开诚布公地谈过。”

关注人类疾病 受其医学和研究生学习生涯的影响，巴瑞斯在斯坦福大学创立了医学科学硕士研究生项目并担任项目主任，旨在让攻读基础科学博士学位的学生接受临床医学的训练。“25年前，从事基础科学研究的科学家不会从事疾病研究，疾病研究被认为是二流的科学研究工作。研究生项目聚焦于模型系统，从未为研究生提供研究人类疾病的工具。我们希望科学研究者能够研究人类疾病，而我们的研究生项目讲授医学领域的术语、解剖学、病理学和主要问题，通过这些激发学生的好奇心。”巴瑞斯说道。

沉溺实验室 “当我到实验室之后就不会离开，整个人都无比兴奋，沉溺其中。我总是选择做实验而非睡觉。如果不是因为停止付我薪水，我可能还会继续留在科里的实验室。”

研究成就

发展了细胞纯化技术“选淘法”，该技术能够分离大鼠神经节细胞和不同种类啮齿类神经胶质细胞。

证明胶质细胞对功能性突触的神经元形成和在培养中保持突触功能是必需的。

确定了由星形胶质细胞分泌的重要突触诱导分子。

发现了小神经胶质细胞和星形胶质细胞会在发育脑和成熟脑中吞噬突触，并提供了神经胶质细胞终生参与突触可塑性的证据。

发现了一种具有高神经毒性反应的星形胶质细胞会在大脑急性损伤后或神经退行性疾病中产生。

[资料来源：The Scientist][责任编辑：岳 峰]