人类大脑废物清除系统的非侵入性和近实时可视化

南卡罗来纳医科大学(MUSC)和佛罗里达大学的一个联合研究小组描述了第一个非侵入性的、近实时的人脑废物清除系统可视化自然通讯．大脑是密集组织的，可视化专门用于清除废物的结构，也被称为淋巴结构，一直是该领域的一个限制。

“这是第一份在活着的人身上显示完整的人脑淋巴系统结构的报告，”MUSC病理与实验室医学系和神经科学系的助理教授Onder Albayram博士说，他领导了研究团队，也是这篇文章的高级作者。

阿尔巴拉姆对大脑中淋巴结构的可能性很感兴趣。他说:“淋巴清除系统遍布全身，适用于不同器官。”我简单地问自己，“为什么不是大脑?”’”

大脑废物清除系统的可视化改善可以增强我们对健康大脑功能的理解。它还可以深入了解阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的问题，以及大脑如何从创伤性脑损伤(tbi)中恢复。

同等重量的大脑是人体中对代谢要求最高的部分，重约3磅，但需要总耗氧量的20%。这种代谢需求伴随着定期处理废物的需要。

当血液携带氧气渗透到组织中传递重要的营养物质时，它会收集病原体、受损细胞和废物。然后，这种液体流入淋巴管，通过淋巴结过滤，处理任何不需要的废物。

“长期以来，人们一直认为大脑缺乏淋巴管，”佛罗里达大学神经放射学系教授、医学博士Sait Albayram说，他是这篇文章的主要作者。

这种想法大约在十年前开始改变，因为在啮齿动物身上进行的实验的第一份报告暗示，大脑周围有淋巴管，与血管并排。但在这项研究之前，人类大脑中淋巴管的证据仍然很少。”

大脑的废物清除系统

Onder Albayram把头骨里的大脑比作一个悬挂在罐子里的苹果。覆盖在“罐子”或头骨内部的是一层被称为脑膜的细腻膜。一种被称为脑脊液(CSF)的液体包围着大脑。传统的想法是，大脑中含有废物的液体沿血管流入脑脊液，被运送出颅骨，然后流入静脉。相反，过去十年的研究表明，这一过程更为复杂，并表明大脑中存在专门的废物清除淋巴管。

然而，在活人大脑中观察这些血管的工作存在技术限制。其中最主要的是必须使用钆这是一种有毒的稀土金属，在磁共振成像(MRI)中用作造影剂。磁共振成像是一种用于可视化和区分大脑结构的技术。

在这项研究中，研究人员能够克服这一限制，在不需要造影剂的情况下使用MRI来观察脑膜中的淋巴管。相反，研究小组利用大脑自身蛋白质含量的差异来创建对比梯度。蛋白质含量低的结构呈现黑色，蛋白质含量高的结构呈现浅色，具有足够高的分辨率，可以看到复杂的细节。

MUSC病理与实验室医学系教授、医学博士Adviye Ergul说:“过去十年在哺乳动物中发现脑膜淋巴网络，为我们理解大脑中的细胞废物管理打开了新篇章。”他不是这项研究的作者。

“这项新颖的研究进一步消除了注射造影剂来观察淋巴管的需要，”她说。“这是一项重大成就，将使该领域更深入地研究大脑，扩大我们对大脑淋巴系统的认识。”

这种简单而创新的方法使研究人员能够捕捉到淋巴管的清晰图像，它们的蛋白质含量高——大约是csf的50倍——因为它们连接了大脑中的区域和颈部的淋巴结。

研究小组接着比较了老年人的大脑与年轻人的不同之处，发现老年人大脑中废物清除的减少。

Onder Albayram说，使用这种非侵入性MRI技术，研究人员和医生现在可以看到健康大脑的淋巴管是什么样子，并研究它们是如何随着我们年龄的增长而变化的。它们还可以确定它们在神经退行性疾病(如阿尔茨海默病和相关痴呆症)进展中的作用。这项技术还可以用于研究随着年龄增长增加大脑淋巴输出的方法，也许还可以为脑外伤后的恢复提供见解。

“再想象一下大脑在罐子里，被精致的淋巴管包围着，”Onder Albayram说。“创伤性脑损伤期间会发生什么?是淋巴管损坏了，如何恢复?这项技术将使我们能够开始回答这些问题。”