原创研究：一个独特接触脑脊液神经核的发现及其科学意义

张励才

徐州医科大学江苏省麻醉学重点实验室，江苏省麻醉与镇痛应用技术重点实验室，国家药品监督管理局麻醉精神药物研究与评价重点实验室，徐州 221004

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(02):113-117.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20220110-00471

 基金项目 

2021国家自然科学基金专家推荐类原创探索计划项目（82150007）

原创研究

       人类对脑的认识经历了漫长的过程，仅就思维器官由心到脑的转变就达数千年之久。尽管现代科技的发展为揭示脑的奥秘提供了许多先进的技术，但脑结构和功能的探索中仍有许多未解之谜。认识脑、保护脑、创造脑是当今大国竞争的重要战略领域之一。我们知道，脑和脊髓完全浸泡在脑脊液中，根据脑组织的细胞外液与脑脊液的成分不同可知，脑实质与脑脊液彼此是隔开的。脑脊液‑脑屏障是客观存在的。生理学认为，该屏障对保持内环境的稳定性以及神经元的正常活动是十分必要的。然而，脑‑脑脊液之间信息交流的现象却也是客观存在的，例如，在特殊生理和疾病情况下，脑脊液中的物质种类和含量都会发生变化，所以临床上常通过检测脑脊液来诊断疾病。反过来，经低位脑脊液途径给药（如腰麻）或细胞移植也会引起高位中枢的行为反应（如恶心、呕吐、抑郁、恐惧等）或治疗效应。

       目前，脑‑脑脊液之间既有屏障又有交流的矛盾现象无论在理论上还是在结构上都未得到合理的解释。

       “选择性离子通透”理论是试图阐释机体许多屏障两侧信息交流现象的经典假说。然而临床检测发现，特殊生理和病理条件下脑脊液中变化的物质种类并非都是离子，一些不能通过屏障的大分子物质甚至细胞仍然可以发挥生理效应。结构上也同样缺乏明确的神经支配。已知的中枢神经核的胞体和突起都局限在脑实质中，周围神经的12对脑神经和31对脊神经只与机体的实质性器官相连，它们各司其职，或接受其感觉，或支配其运动。作为机体重要组成部分且存在信息传递现象的脑脊液确实没有明确的神经支配。

       100多年来，人们寻找专司脑‑脑脊液信息交流神经结构的努力从未停止。早在1871年，Landolt就曾在两栖动物视室的脑脊液中见有神经末梢伸入其中，他首次将这种末梢伸在脑脊液中的神经元命名为“接触脑脊液神经元”，简称触液神经元（cerebrospinal fluid contacting neurons, CSF‑CN）。近代以来，随着显微镜和免疫细胞化学技术的出现和发展，有关接触脑脊液结构的研究屡见不鲜。但仔细研读这些内容不难发现，大量报道的实际上是不具信息传递功能的“近位接触脑脊液神经元”，即室管膜细胞和室管膜上细胞。它们位于脑室壁，形态呈扁平或立方状，由于缺乏突起，甚至不能称之为神经元；常以紧密连接或桥粒等方式构成脑脊液‑脑屏障，尽管与脑脊液接触，但不具备向深部脑实质传递信息的结构基础（图1）。脑实质内是否存在专司脑‑脑脊液信息调控的远位接触脑脊液神经元（核）？由于鉴别方法的困难则鲜见报道。

       这是因为要在“豆腐脑”中将其鉴别出来绝非易事。没有特殊标记，即使再先进的显微技术也无法将脑实质中的神经元区分开来。最理想的办法是，能寻找一种特殊的示踪剂或方法，只标记脑实质内接触脑脊液神经元而不标记其他神经元，并能可视化地将其地显现出来。现将我们历经30余年的持续探索的主要成果简介如下：

1 特异性鉴别方法学的突破

       1992年的一次实验，我们将外周神经示踪剂霍乱毒素亚单位B与辣根过氧化物酶复合物（cholera toxin subunit B labeled with horseradish peroxidase, CB‑HRP）引入动物的脑室系统，可见该示踪剂被挡在脑室壁上，自侧脑室‑第三脑室‑中脑导水管‑第四脑室‑脊髓中央管乃至脑和脊髓表面的软膜，形成清晰的脑室系统轮廓（图2）。由于示踪剂颗粒较大，不能突破脑屏障自行渗入脑实质，不与脑脊液接触的结构则不会被标记。但我们在冠状、矢状、水平3个不同方位脑片的相同部位，却恒定可见被CB‑HRP清晰标记的阳性神经元群（图2）。不难理解，只有与脑脊液接触的神经元才能被标记，不与脑脊液接触的任何结构都不会被标记，被标记的阳性神经元只能是远位接触脑脊液神经。30年来的无数次实验一再证实：CB‑HRP经侧脑室注射能特异性标记、显示、鉴别脑实质内远位接触脑脊液神经元。从此，我们找到了在脑实质内鉴别远位接触脑脊液神经元的目前最为科学、十分理想的技术方法。

2 独特神经元群位置与形状的计算机重建

       籍此方法，我们将全脑及CB阳性标记神经元连续切片进行多方位数字化处理，再行计算机图像重建，结果显示，远位接触脑脊液神经元的神经核群恒定位于中脑与脑桥交界处的中脑导水管腹侧灰质和第四脑室上半的室底灰质中，与12对脑神经的汇集区相同，左右对称，整体形状呈“铆钉”状，嘴侧宽大，长约2 000 μm，尾侧逐渐变细，消失于第四脑室底的灰质中，与中缝背核毗邻，但长于中缝背核。我们进一步以透明脑技术将非触液结构拨除，保留触液核神经元及其突起的塑化形象，经计算机高分辨图像处理，精准再现了该群神经元胞体和纤维3D形象。见图3。

3 接触脑脊液神经核的发现和命名

       从1世纪的盖伦到21世纪，随着光镜、电镜以及各种脑成像技术的飞速进展，脑的大体结构认识似乎已被研究穷尽。发现和命名一个新的神经核，并获得公认是极其困难的事。我们立足事实，以无懈可击的证据提供了满足神经核命名的全部条件（位置恒定、形态相同、占据空间、左右对称、已知神经核不能取代），在国际上首次将其名为“接触脑脊液神经核”，简称触液核 。

4 触液核的精确定位

       触液核是一个独特的脑内神经核团。它与目前所有已知神经核团的显著区别是既不像已知普通脑神经核胞体和突起都局限在脑实质中，也不像31对脊神经和12对脑神经连于机体的实质性结构，而是其胞体位于脑实质，突起伸在脑脊液中，扮演着联系脑‑脑脊液的桥梁角色。这是目前已知所有神经核团都不具备的特点。

       根据这种联系关系，我们有理由推测：触液核将在脑‑脑脊液信息传递、物质运转和功能调控等生命活动中扮演着极其重要的桥梁角色。鉴于涉及脑‑脑脊液调控的生命活动非常广泛，涉及生命科学和医学许多领域，为了给感兴趣的研究者提供简便易行、准确可靠的触液核中心点坐标，我们在反复大量实测数据的基础上，运用直线回归方程原理，获得了90~400 g体重范围内SD大鼠触液核中心点三维坐标的经验公式：冠状位坐标（C）=Bregma 7325.26+3.667x；矢状位坐标（S）=ML 61.02+0.124x,水平位坐标（H）=BD 5906.57+2.179x。其中Bregma为冠矢点，ML为中线外侧，BD为脑表至中心点的深度，“x”为大鼠体重（g），长度单位为μm。依据该公式，将动物体重带入，即可计算出该动物触液核中心点的三维坐标。依据该坐标，即可在立体定位仪上精准命中90~400 g范围内任意体重大鼠触液核中心点 。

       上述结果受到国际著名脑研究权威、《大鼠脑立体定位图谱》主编、澳大利亚新南威尔士大学Paxinos教授“原创5分，易于复制，发现了前所未知的神经核”的高度评价 。

5 触液核的脑内联系和功能提示

       了解触液核与脑内功能核团的纤维联系，无疑是揭示其参与哪些生命调控的重要方法之一。我们将神经示踪剂定量定位注入触液核，运用逆行追踪原理，通过有和无、多和少的反复比对，科学判定在全脑皮质、皮质下与边缘系统、间脑、脑干和脊髓等24个功能区235个功能核团与触液核存在神经纤维投射联系 。

       其中皮质有12个功能区34个功能核团，主要涉及的功能有：认知、情感、疼痛、内脏活动、嗅觉、视觉、听觉和运动等。皮质下和边缘系统有5个脑区44个功能核团与触液核有投射联系，主要涉及的功能有：情感、认知、内稳态、内脏活动、疼痛和成瘾等。

       间脑是脑中最复杂的部分之一。我们的研究表明，在间脑的上丘脑、下丘脑和底丘脑3个脑区共有60个神经核团与触液核有纤维联系，其基本功能有：内稳态调控、能量平衡、体液平衡、生物节律、内脏活动、疼痛、成瘾、紧张、睡眠和觉醒等。在脑干脊髓的4个脑区共有112个神经核团与触液核有纤维联系，其基本功能有：疼痛、内脏活动、成瘾、睡眠和觉醒等（图4）。

6 制作经典动物模型

       我们制作了16种不同生命活动或疾病的经典动物模型，观察正常与模型动物触液核神经元40余种信息物质（递质、受体、离子通道、信号蛋白等）的表达及其与上述生命活动或疾病的关系。我们利用与CB‑HRP结构类似的神经溃变剂，完全特异性毁损触液核，成功制作了“敲除触液核的模式动物”，并提供了“失核”对动物重要生理参数的影响 。应该指出的是，我们用猕猴完全再现了灵长类动物脑内的触液核 ，提示触液核在人类同样是不可或缺的重要核团。

7 展望

       由于涉及脑‑脑脊液功能调控的生命活动和疾病非常多，开展相关研究不但可为某些疾病的发生提供新线索、为相关疾病的治疗提供新途径，而且特别应该指出的是，在利用人工智能芯片治疗脑病成为可能，但却苦于“接口”卡脖子的当今，触液核的神经末梢就像漂浮在脑脊液中的游离电缆终末，或许能为“机‑脑“微创接口提供新的启示。

致谢 

       本研究历时30年，江苏省麻醉学重点实验室提供了良好的研究平台，实验室负责人曾因明教授、曹君利教授以及徐州医科大学管理部门给予了无私的帮助和指导。国家自然科学基金先后提供8项资助。宋思源、鲁显福、周芳、刘鹤、王鑫、秦承伟等120余名硕士研究生、博士研究生、博士后、实验技术人员先后参与此项工作，已发表学术论文110余篇。不便一一署名，在此一并致谢。