《Science》！人类第一次观察到活体大脑中神经干细胞分裂！下一步要看如何修复脑！牛叉显微镜要800万

引言

2月9日，最新一期国际著名学术期刊《科学》杂志发表了一篇来自瑞士苏黎世大学的重磅研究，研究者们首次成功地观察到了活体小鼠的大脑中的单个神经干细胞分裂过程及其后代神经元，改变了以往人们对神经干细胞分裂成子代细胞的模式的认识。

观察一个细胞的分裂太容易了，培养这种细胞，然后在显微镜下观察就可以了，只要有足够耐心，总会看到一个细胞分裂成两个细胞的时候。

但是，若是要在活体动物内观察细胞的分裂，那就相当不容易了，尤其是这种细胞是神经干细胞（neural stem cell，NSC）的时候。

▲瑞士苏黎世大学的研究者们在《科学》杂志上面发表的文章

2月9日，最新一期国际著名学术期刊《科学》杂志发表了一篇来自瑞士苏黎世大学的重磅研究，研究者们首次成功地观察到了活体小鼠的大脑中的单个神经干细胞分裂过程及其后代神经元，改变了以往人们对神经干细胞分裂成子代细胞的模式的认识。

▶双光子显微镜◀

在这篇研究中，双光子显微镜（two-photon microscopy）发挥了重要作用。

实时观测大脑中发生的活动，有助于科学家了解我们大脑运作的规律，找到治疗疾病的新方法。传统的成像方法需要停止组织的细胞活动，切片染色观察。而双光子成像技术，能以单细胞至单突触分辨率，观察脑皮层大量神经元活动，近年来在神经科学领域获得广泛应用。

其原理是，在强光激发下，分子同时吸收两个光子，从基态跃迁到两倍光子能量的激发态的过程。两个光子可以是相同波长的，也可以是不同波长的，但必须是同时吸收（两个光子到达被激发分子的时间间隔小于1飞秒）。可以这样理解，先吸收一个光子的能量跃迁到一个虚拟的中间态，然后再吸收一个光子的能量跃迁到激发。

光损伤小，穿透能力强，高分辨率，漂白区域小等优点。其应用范围包括追踪细胞和亚细胞的运动，监控稀有事件，并记录小型结构的高速信号。

▶观察神经干细胞分裂◀

若是在体外培养瓶中观察神经干细胞NSC的分裂成子代细胞，那是相当容易的事情。然而，要在活体小鼠大脑中观察NSC的分裂，难于上青天。

▲这篇文章的通讯作者神经学家Sebastian Jessberger博士（图片来自网络）

因为这涉及到两样东西，一个是：你如何判断你观察的细胞就是神经干细胞呢？因为大脑中的神经细胞非常多，紧密地挨在一起，从形态上完全无法鉴别，此时就需要小鼠遗传模型技术来标记神经干细胞了，这篇文章中通过小鼠遗传模型将神经干细胞带上红色荧光标记（tdTomato）。另一个就是上面所述的双光子显微镜了，因为普通的显微镜无法穿透活体小鼠的大脑组织观察单个神经细胞，此时就需要双光子显微镜帮忙了。

研究者们观察到了什么呢？

▲这张图片显示研究者们观察了两个神经干细胞随着时间逐渐分裂形成两堆神经细胞的过程；图中的黑色部分显示的是细胞，在第3.5天（d3.5）时候，箭头处表示神经干细胞（图片来自Science）

2研究者们观察了单个神经干细胞随着时间逐渐分裂形成一堆神经细胞的过程，事实上，研究者们拍了短视频（长达几个月观察），这里没办法放视频，因此，上面的这张图也显示了神经干细胞分裂的过程。

但是，由一个神经干细胞分裂成的一堆细胞究竟是什么呢？研究者们采用免疫荧光染色技术来确认神经干细胞分裂之后的细胞类型。

▲这张图片显示的是上图中红色框中的细胞经过免疫荧光染色来确定究竟是哪种神经细胞类型（图片来自Science）

▶改写以往的认识◀

当然，在活体小鼠中观察到神经干细胞的分裂已经相当了不起了，为人们揭示了大脑中神经干细胞如何补充其他的神经细胞的过程。这就像BBC拍摄的经典纪录片，让你看到从来没有看到过的景象。

而研究者们还更进一步，对神经干细胞到底分裂成了哪些细胞，每一个神经干细胞分化成的细胞是否相同，或者神经干细胞在活体动物大脑中分化模式是否相同等问题进行了深入的探讨。

▲这张图片显示的是以往的研究总结的神经干细胞分化模式以及这篇研究总结的模式，与以往的神经干细胞分裂分化得到模式有许多不同之处（图片来自Science）

研究者们在观察了几十个神经干细胞分裂成一大堆细胞之后，结果总结出了新的神经干细胞在成体大脑中的分类分化模式，与以往的研究总结的大为不同。通过观察细胞随着时间的推移，研究小组观察到了大多数干细胞在成熟为神经元之前仅分裂几轮。这些结果提供了一个对于“为什么随着年龄的增长，新生细胞的数量急剧下降”的解释。

“过去，考虑到海马在大脑中的深层定位，追踪大脑中的单个干细胞在技术上是不可能的，”Jessberger说。这项研究回答了该领域长期存在的问题，但研究人员说，这只是许多旨在了解人类大脑在整个生命过程中如何形成新神经细胞的实验的开始。 “未来，我们希望能够使用神经干细胞进行脑部修复，例如认知衰老，帕金森病，阿尔茨海默氏病或重度抑郁症等疾病，”Jessberger说道。

参考资料：

1. Live imaging of neurogenesis in the adultmouse hippocampus

2. Revising concepts about adult stem cells

3. https://medicalxpress.com/news/2018-02-stem-cell-divisions-adult-brain.html

《往期精彩》

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