神经元活动会产生代谢废物。数十亿具有高代谢周转率和精细空间布局的神经元布满在哺乳动物大脑中。为了防止环境损伤和随机自身免疫，脑实质进一步受到血脑屏障的保护，并且没有典型的淋巴管。所有这些进化适应都给大脑带来了一个问题，即如何处理其代谢废物。代谢废物的积累是许多神经系统疾病的主要原因，但我们对大脑如何进行自我清洁的了解仍然有限。
近日，美国华盛顿大学脑免疫学和脑胶质瘤（BIG）中心Jonathan Kipnis研究团队在Nature上发表研究，研究人员在不损害脑实质的情况下，通过双向神经元扰动同时探测脑部类淋巴系统的流入和流出。利用经颅光遗传学，MRI扫描、多重电生理学和荧光分子追踪，证明了有节律的神经元振荡是脑脊液（CSF）到间质液（ISF）灌流和大脑废物清除的主要组织者。
1. ISF中的节律性离子波促进大脑灌流
通过在体细胞外电生理记录，同时通过脑电图和肌电图（EMG）监测它们的整体大脑状态，以测量神经元尖峰和细胞外场电位，记录的场电位反映了ISF中的离子动力学[Fig.1a]。值得注意的是，神经活动未被重视的功能之一可能是其对大脑ISF动力学的调节。为了研究神经元活动与脑清除率之间的关系，首先使用氯胺酮麻醉模型（已被证明与自然睡眠相当水平上增强glymphatic系统），结果发现在氯胺酮麻醉下，德尔塔波（0.5−4.0 Hz）在顶叶和额叶中都强烈增强，而在肌肉活动最小。值得注意的是，大振幅慢速振荡与高频离子波交织（10−50 Hz）是海马场电位的主要形式[Fig.1b]。就波能而言，高振幅波动携带更大的势能，而快速振荡包含更强的动能。
因此，在氯胺酮麻醉下，这种结构良好的离子动力学产生了强大的波能，这可以促进小分子和肽在间质空间内的运动。使用化学遗传抑制神经元活动，发现氯胺酮麻醉期间观察到的ISF离子波变平，所有振荡频率（0.5−55 Hz）降低。为了捕获CSF到ISF的灌流，低分子量示踪剂在氯胺酮麻醉下通过枕大池内（ICM）注射引入CSF，同时在海马体的一侧对神经元活性进行化学遗传学沉默[Fig.1e]。主要发现化学遗传学抑制阻碍了CSF向海马体的渗透，而对侧海马体的灌流是完整的[Fig.1g]。这些发现表明，氯胺酮麻醉下产生的节律性神经元活动是大脑CSF灌流的先决条件。
Figure 1 大脑ACSF灌流需要在氯胺酮麻醉期间神经元的离子动力学2. 睡眠同步神经元以驱动大脑CSF灌流
上述氯胺酮麻醉的原理是否也适用于自然睡眠。值得注意的是，在非快眼动（NREM）睡眠期间，大振幅离子波开始出现在海马体中[Fig.2a]，相比之下，快速眼动睡眠的特点是高度有节奏的θ振荡（6-10 Hz）。通过比较个体神经元和群体活动之间的时间协调，结果发现在清醒期间，来自单个神经元的尖峰放电通常与场电位的时空限制波动相结合。在NREM和REM睡眠期间，来自相同神经元的尖峰活动与场电位的较大振幅波动相一致[Fig.2b]。神经元群体的这种连贯作用显然产生了更强的波能，说明它能够在间隙中推动代谢废物的运动。此外，在清醒和睡眠期间，神经元尖峰放电的抑制减弱了海马中的CSF灌流。大脑半球之间的不对称效应在睡眠期间比在清醒期间大得多[Fig.2e,g]，这表明睡眠期间的神经元活动模式对CSF到ISF的灌流至关重要。
Figure 2 睡眠期间神经元的同步性驱动ISF中的高能离子波，从而增强CSF的灌流。3. 化学遗传抑制损害了大脑废物清除
除了脑部类淋巴系统流动，作者还检测了大脑废物清除是否需要神经元活动。作者利用一种普遍机制，即通过ICM注射引入CSF的分子有两个不同的阶段（流入和流出）。在流入阶段，指定的分子通过脑脊液输注逐渐进入脑实质。随后，它们在流出阶段通过大脑类淋巴系统逐渐清除。神经元活动的抑制是否也会损害流出阶段的分子清除？结果发现，流出阶段神经元活动的化学遗传学抑制导致大量分子被困在海马体中[Fig.3d]。这些结果表明，神经元活动不仅是CSF进入大脑所必需的，而且也是从大脑中清除分子所必需的。
Figure 3 神经活动的化学遗传学抑制损害大脑废物清除4. 合成离子波增强CSF到ISF的灌流
利用新开发的经颅光遗传学，能够在空间间隙产生合成的离子波，而不会产生破坏流体动力学的侵入性纤维穿透。体内光电记录（光遗传学与体内细胞外记录相结合）验证了该刺激模式能可靠地产生缓慢（0.5-4 Hz）和θ（6–10 Hz）波。结果发现，经颅光遗传学携带的慢波和θ波在很大程度上增强了CSF到ISF的灌流[Fig.4]。这些结果表明，通过非侵入性光遗传学刺激产生的节律性脑电波可以增强脑实质中CSF灌流，并为利用神经动力学提高大脑废物清除率开辟了新的可能性。
Figure 4 经颅光遗传学产生的合成脑电波增强脑CSF到ISF的灌流总结
在这里，作者证明了在大脑间质液中神经网络协调个体神经元的动作电位以产生大幅度、有节奏和自我延续的离子波。这些波是解释脑实质中类淋巴血管流增强的合理机制，这些高能离子波的化学遗传学抑制很大程度上阻碍了脑脊液渗透到脑实质中以及分子从脑实质中的清除。值得注意的是，通过经颅光遗传学刺激产生的合成波显著增强了脑脊液到间质液的灌流。总之，本研究表明神经元是大脑清除的主要组织者。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07108-6
参考文献
Jiang-Xie LF, Drieu A, Bhasiin K, Quintero D, Smirnov I, Kipnis J. Neuronal dynamics direct cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance. Nature. Published online February 28, 2024. doi:10.1038/s41586-024-07108-6
