相信大家從小到大都打過不少疫苗：卡介苗、百白破、脊髓灰質炎疫苗，以及目前國家呼籲我們注射的新冠疫苗，等等。大多數人也都明白打疫苗的目的——讓免疫系統産生免疫記憶。
但是你是否想過：免疫記憶難道僅僅發生于免疫系統嗎？機體僅僅産生了記憶性的免疫細胞嗎？其它系統呢？比如神經系統是否也存在“免疫印迹”呢？
近日，來自以色列理工學院的Asya Rolls教授團隊在《細胞》上發表重要研究成果[1]。
他們發現在結腸炎、腹膜炎等外周發炎狀态下，分布在小鼠大腦島葉皮層（InsCtx）的神經元會被活化，并存儲免疫相關資訊。待發炎完全消退後，重激活這群神經元，小鼠将再次表現出腸發炎狀。反之，若抑制這群神經元的活性，則會大大減輕小鼠的發炎反應。
他們的研究将經典的免疫記憶概念擴充到了神經系統，證明了神經元也會存儲免疫相關資訊，而且通過調控特定腦區神經元的活性，就可直接調節外周免疫應答。
這個研究将腦-腸軸的調控清晰可視化地呈現在了我們眼前，這将為腦科學助力免疫治療奠定堅實基礎。
論文首頁截圖
在過去幾十年間，神經系統和免疫系統的互作逐漸成為了一個熱點話題，腦-腸軸的調控更是引起了大批科研工作者的極大興趣。
但是目前對于神經免疫互作的了解還十分有限，其中一個亟待解決的問題便是，大腦究竟是如何評估和調節免疫系統狀态的？
目前，越來越多的證據表明大腦可以調控免疫系統。“壓力誘導發炎”，“情緒低落降低機體免疫”，這些說法并非空穴來風，而是有科學根據的。
大腦作為中央調節器，可以接收來自下級系統的多種訊息。
首先，解剖學上來說，脾髒、淋巴結這些外周免疫器官中均分布有大量的感覺神經纖維[2]。
其次，大腦會響應外周的免疫刺激，在外周發炎狀态下，大腦中杏仁核、下丘腦、腦幹、丘腦等多個腦區均表現出異常的高活性[3]。
最後，免疫系統所作出的免疫應答是通過關聯特定的免疫反應實作的。如，科學家發現，不斷給小鼠服用免疫抑制藥物和糖精，一段時間後，僅僅服用糖精就可以抑制小鼠的免疫反應[4]。
這些證據均暗示大腦可能存在“免疫印迹”，不同的免疫應答對應特定的腦區。然而，目前的研究尚缺少兩者互作的直接證據。
在這項最新研究中，Rolls團隊使用了一種特殊的基因工程小鼠，這種小鼠的神經元被激活後就可特異性表達熒光标志物。同時，Rolls團隊通過向小鼠飲用水中添加化學誘導劑葡聚糖硫酸鈉（DSS）來誘導小鼠腸炎模型。
Rolls團隊所使用的特殊的基因工程小鼠：激活的神經元可被内源性熒光特異性标記
在腸炎發作期間，Rolls團隊對小鼠全腦不同腦區進行切片篩查，發現島葉皮層（InsCtx）、中央杏仁核（CeA）及補充軀體感覺皮層（S2）這三個腦區表現出明顯的神經元激活。
考慮到島葉皮層作為内感受器位點的結構特殊性，Rolls團隊将研究重心放在了該腦區。
左圖為各腦區在腸炎前後激活神經元數目的差異。右圖中紅色熒光标記的是激活的神經元
通過熒光共染實驗，Rolls團隊确定島葉皮層被激活的細胞就是神經細胞，而非膠質細胞，且主要是谷氨酸能神經元，GABA能神經元僅占兩成。
緊接着，Rolls團隊利用腦立體定位注射病毒載體的方法，給島葉皮層這群激活的神經元裝上了分子開關。待小鼠腸炎完全恢複後，他們利用合成配體氯氮平-n-氧化物（CNO）這個小分子來打開開關，特異性重激活這群島葉神經元。
有趣的是，這群小鼠竟重新表現出了腸發炎狀：腸壁通透性增加，肌肉層白細胞數明顯增多，多種發炎因子表達上調。為進一步驗證該研究結果，Rolls團隊還引入了酵母聚糖誘導的腹膜炎小鼠模型做輔證，結果與腸炎模型一緻。
圖中Gq組為重激活島葉神經元組，可見腸壁肌肉層浸潤大量紅色熒光标記的CD45+的白細胞
為了确定這種重複的免疫反應是因為激活的神經元帶有“免疫印迹”，還是因為激活的神經元屬于島葉皮層這一特殊腦區，Rolls團隊試圖在沒有發生腸炎的小鼠身上激活了這一腦區。讓人吃驚的是，他們沒有觀察到任何腸炎迹象。
這證明了之前所激活的島葉神經元，不是一般的神經元，而是存儲了免疫相關資訊，帶有“免疫印迹”的一群神經元，隻有它們才能重新喚起機體免疫反應。此外，Rolls團隊還發現島葉神經元重激活所誘導的發炎反應僅局限于腸道，在外周血和腸系膜淋巴結中均未發現明顯的發炎反應。
接下來，Rolls團隊還發現島葉皮層和腸之間的溝通是具有解剖學基礎的，存在着直接的神經環路。他們使用一種多突觸逆行追蹤術，将編碼熒光蛋白的病毒注射到小鼠腸道中，該病毒可感染支配腸道的神經元，并沿着這些神經元傳播，進而标記出了從腸到腦的整個神經通路。
最後，Rolls團隊考慮到既然重激活島葉神經元可重新開機機體腸炎反應，那麼反其道而行之，抑制島葉神經元是否可阻止腸炎的發生呢？
通過實驗，Rolls團隊驚喜地發現，抑制島葉神經元雖不能完全阻止腸炎的發生，卻可以大大減輕腸道的發炎反應。
左圖為腸道病理切片，右圖為流式分析腸道組織中白細胞及TNF-a陽性白細胞的數目
結合Asya Rolls教授之前的工作，這項研究揭示了神經免疫互相作用的生物學基礎，這種互相作用可能與多種疾病的治療方法有關，而不僅僅局限于腸炎，還包括癌症、代謝紊亂等。如Rolls團隊于2018年發現，刺激小鼠大腦中負責獎賞系統的交感神經，可以抑制骨髓源性免疫抑制細胞亞群（MDSCs）的功能，進而有效地延緩惡性良性腫瘤的生長速度，達到治療癌症的目的[5]。
同時這個研究也提出了許多問題，其中兩個問題是：生物為何要在腦内編碼并儲存如此詳細和特定的免疫相關資訊？它的進化優勢是什麼？
一種可能是，大腦在不斷地記錄外部線索（如位置、氣味）的同時，也記錄着它自己對這些經驗的反應，作為一種應激手段，使其能夠對重複出現的刺激迅速産生有效的預期性免疫反應。然而，這種潛在的有益的生理反應也可能導緻不利影響。
有研究表明，給對花粉過敏的患者一朵人造花，就足以引起過敏反應[6]。此外，許多腸道相關疾病在病因學上被認為是心身性的[7]。這些對我們更加深入的了解神經-免疫互作的具體分子機制提出了更高的要求。
機制圖
雖然Rolls團隊描述了連接配接腦和腸的神經通路，但仍有很多問題需要繼續探索。
例如：神經元是否通過釋放神經遞質參與這種腦-腸交流？又是何種遞質在其中發揮作用？腦源性神經信号是直接調控免疫細胞，還是通過腸道中的其他細胞類型間接地調控？免疫系統是否通過釋放可溶性因子向神經元發出信号？以及發生在其他器官的免疫反應，是由島葉皮層或其他大腦區域的不同神經元編碼的嗎？
我們也期待Rolls團隊在後續研究中給我們帶來答案。
參考文獻：
[1] T. Koren, M. Amer, M. Krot, N. Boshnak, T.L. Ben-Shaanan, H. Azulay-Debby, I. Zalayat, E. Avishai, H. Hajjo, and M. Schiller, Insular cortex neurons encode and retrieve specific immune responses. Cell 184 (2021) 5902-5915. e17.
[2] R. Dantzer, Neuroimmune interactions: from the brain to the immune system and vice versa. Physiological reviews 98 (2018) 477-504.
[3] N.A. Harrison, L. Brydon, C. Walker, M.A. Gray, A. Steptoe, R.J. Dolan, and H.D. Critchley, Neural origins of human sickness in interoceptive responses to inflammation. Biological psychiatry 66 (2009) 415-422.
[4] M. Hadamitzky, L. Lückemann, G. Pacheco-López, and M. Schedlowski, Pavlovian conditioning of immunological and neuroendocrine functions. Physiological reviews 100 (2020) 357-405.
[5] T.L. Ben-Shaanan, M. Schiller, H. Azulay-Debby, B. Korin, N. Boshnak, T. Koren, M. Krot, J. Shakya, M.A. Rahat, and F. Hakim, Modulation of anti-tumor immunity by the brain’s reward system. Nature communications 9 (2018) 1-10.
[6] J.N. Mackenzie, The production of the social-called “rose cold” by means of an artificial rose, with remarks and historical notes. The American Journal of the Medical Sciences (1827-1924) 91 (1886) 45.
[7] T.G. Dinan, and J.F. Cryan, The microbiome-gut-brain axis in health and disease. Gastroenterology Clinics 46 (2017) 77-89.
責任編輯丨BioTalker