Beth Stevens对大脑内神经连接的研究之路
2010年，神经生物学家Beth Stevens从实验技术员升级为明星研究员；在她40岁时，也就是在波士顿儿童医院担任首席研究员的第二年，出任了哈佛医学院兼职教授一职。她的资历过人，与备受瞩目的研究者合作，在权威期刊上发表了大量文章。
像其他年轻研究者一样，她曾担心自己的研究可能会失败。她并未选择小型、容易管理的项目，而是将目光瞄准了一项极具挑战性的科研设想项目：即研究大脑与人体免疫系统之间的联系，从而解释大脑的发育及疾病。虽然她曾在斯坦福大学做博士后时期收集了初步的研究数据，但后期还需要进一步深入考量。她曾想“如果自己的研究让人失望该怎么办？”
Stevens和她斯坦福大学的导师Ben Barres曾提出，大脑中的小胶质细胞在胚胎和后期发育时期修剪了神经细胞之间的连接，作为补体经典通路信号的应答。她们假设，如果补体系统出现故障，小胶质细胞修剪的突触连接过多或过少，则可能引起神经发育异常及神经退行性疾病。
最近，Stevens及其他研究者在《科学》和《自然》上发表文章，将补体通路和小胶质细胞与疾病（如精神分裂症、阿尔茨海默病及西尼罗病毒感染引起的认知问题）联系起来。一项亨廷顿病研究即将开展。虽然一些科学家认为此类研究不会在短期内产生成果，但阻断脑内补体系统的抗体来治疗青光眼及其他神经退行性疾病的临床试验将在2017年初开展。
杜克大学神经学家Cagla Eroglu 曾评价Stevens目光犀利，有极强的专注力和旺盛的精力。打个不恰当的比喻，她目光的穿透力和精神上的专注力足以把桌子上的玻璃杯弄倒。他和Stevens在斯坦福大学相识。斯坦福也是Stevens 和 Cagla 完成博士后学习的地方。
在波士顿儿童医院生命科学中心经常会出现的一个场景是：Stevens拿着一瓶无糖可乐，在白板上写着项目计划和基金申请的列表。在Stevens的实验室中，一个项目团队负责研究补体系统的激活，第二个团队观察小胶质细胞，另一个团队则研究为何某些突触的修剪会发生得比较频繁。Stevens的多交叉策略是一项明智之举，这一策略使其实验室多产，加州大学的神经学家Eric Huang 认为：“这能为该领域打开多个新方向”。
Stevens对生物科学感兴趣始于她大学预修课的生物学教师讲述了他在临床微生物学实验室时候的故事，那年她高三。在美国东北大学，Stevens像他的老师一样也在医院实验室工作。她最得意的案例是她找到了一次食物中毒事件的原因——被单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）感染的香肠。Stevens原本的计划是成为一名医生，但她更多的兴趣点是成为一名研究人员。“与跟患者待在一起相比，她更感兴趣的是疾病的发生机理。”
1993年，当Stevens临近毕业时，她的教授建议其前往美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）积累更多研究经验。当时Stevens的丈夫在华盛顿得到了工作机会，Stevens也决定在NIH找份工作。那是互联网招聘前的时代，Stevens每周要赶到NIH浏览招聘公告，她在附近餐馆打了份工，这样她可以更方便地前往NIH查看最新的工作。数月过去了，她的简历仍被冷落。一天，神经科学家Douglas Fields习惯性地迅速翻阅被拒简历，冷不防发现了Stevens，遂拨打了她的电话，向这位22岁的年轻人提供了一份实验员的工作。虽然Stevens “完全是个新手”，但不久后Douglas Fields就任命她为实验室主任。
Fields 教授的兴趣点是大脑活动如何增加神经细胞特定基因表达，包括编码黏附蛋白L1的基因，L1帮助胶质细胞在轴突的脂肪绝缘层（即髓鞘）中实现盘绕。Stevens忘我工作，尝试在培养皿中模拟这一过程，她终于成功了。Fields教授在发表的研究论文中把她的名字列为合作作者。这对一名实验室技术员来说是一份难得的殊荣。从此Stevens 对神经胶质细胞充满了热情，这种细胞被神经科学家称为“管家细胞”，被动地为神经细胞提供营养，并吸收多余的铁和神经递质。
Stevens决定在马里兰大学读完神经科学博士，同时继续在NIH工作。在完成学业后，她成为了Fields教授实验室的全职实验室技术人员。这期间，Stevens引起了美国国立神经疾病和卒中研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke，NINDS）主管Story Landis的注意。Landis建议她追求独立的科学生涯，在别处接受博士后研究员职位，并承诺可以引见。最终，Barres（世界顶尖胶质细胞研究者之一）邀请Stevens加入他的实验室，她接受了邀请。
Barres回忆，“Stevens 总是精力旺盛，她能工作到很晚，无论假日还是周末。”她还是实验室社交活动和生日派对的发起人。Eroglu认为：“一些科研人员会享受科学带来的挑战，他们愿意承受，并为之付出代价，Stevens很享受她的工作，与其共事是一件乐事。”
Barres及其团队长期研究脑内星形胶质细胞，该细胞分泌影响神经细胞生长的化学物质。Barres实验室的博士后研究员Karen Christopherson发现了星形胶质细胞另一令人瞩目的性质：星形胶质细胞诱导神经细胞大量产生一种被称为C1q的蛋白。而既往研究显示，在机体另一部位，C1q可触发补体经典通路的复杂分子级联反应。补体系统在全身将病原体和受损细胞标记为细胞垃圾，让免疫系统中的巨噬细胞能识别这些垃圾成分。
Christopherson的发现使得Barres和Stevens猜测，在子宫内和出生后，补体系统是否在大脑发育中发挥了关键作用：标记和修剪新形成的突触，只留下功能连接。如果C1q是修剪所必需的，他们假设，缺乏这种蛋白，小鼠的突触会遭到破坏。
Stevens和Barres获得了C1q基因敲除小鼠，用于探索脑视觉系统（称为视觉丘脑）的深部区域改变。在新生动物睁开眼睛前，该区域的神经细胞经历了大量突触修剪，留下了整齐有序的系统，其中大多数细胞仅接受右眼或左眼一侧的输入信号。
Stevens发现，C1q缺陷型小鼠未表现出任何明显视觉异常。但视觉通路的关键中继中心外侧膝状核（lateral geniculate nucleus，LGN）有过多神经元连接，这表明C1q是突触修剪所必需的。事实上，在健康小鼠成熟大脑的神经细胞中缺乏该蛋白，这提示C1q仅在大脑发育早期发挥短暂的作用。Stevens还发现，在青光眼（视网膜神经细胞遭到破坏）小鼠模型中，C1q水平高于正常值。这些发现发表于2007年的《细胞》杂志上。
在之后的C1q敲除小鼠研究中，与Stevens和Barres合作的斯坦福大学神经科学家David Prince发现，动物大脑皮层超连接的神经线路使动物易出现癫痫、失忆及其他认知障碍。Stevens及其同事下一步想要了解出生后大脑中何种物质发挥了修剪功能。Barres实验室的博士后研究员Axel Nimmerjahn通过小鼠颅骨透明窗口记录的脑组织细胞的变化发现，在脑内发挥小吞噬细胞功能的小神经胶质细胞可能进行着修剪工作。这些细胞不断伸出和缩回细长的突触，似乎在积极探索。Stevens从未见过任何其他细胞如此有目的地运动。
在此之前，Stevens等人忽视了小胶质细胞，因为之前认为这类细胞在脑内出现太晚而无法影响神经发育。但美国纽约西奈山医学院的Miriam Merad小组证实，早在妊娠期胎儿大脑中就有小胶质细胞（Science, 5 November 2010, p. 841）。Stevens指出，这使小胶质细胞成为早期突触修剪的“完美候选者”。小胶质细胞还是唯一已知拥有C3（补体级联的下游产物）受体的脑细胞。
在结束Barres那里的博士后研究员工作后，Stevens接受了波士顿的工作，回到了美国东部。她的首个挑战是找到检测小胶质细胞是否摄入突触碎片的方法。Stevens聘用的首个博士后研究员Dori Schafer想到，将基因工程小鼠（使小胶质细胞在紫外线下发出亮绿色光）与一个Barres和Stevens用来梳理视网膜向LGN投射的系统结合起来。该系统使连接一只眼睛的突触显示红色，连接另一只眼睛的突触显示蓝色。Schafer要做的是找出绿色小胶质细胞中的红色和蓝色突触。
神经细胞活动增强了突触连接，而不活跃的突触则会被清除。Stevens等人预测小胶质细胞将会追逐较弱的神经细胞连接。Schafer向小鼠眼部给药，以增加或减少眼部神经细胞的电活动。结果发现，小胶质细胞对不活跃突触连接的吞噬和修剪更为积极。Stevens还使用了缺乏小胶质细胞补体受体的小鼠，结果发现，这降低了细胞吞噬突触的速率。该小鼠比对照组小鼠拥有更多突触，与C1q敲除小鼠类似。
正当Schafer和Stevens撰写文章时，欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory）的Cornelius Gross小组在《科学》上发表了一篇类似的文章。该研究提示，小胶质细胞在海马中发挥突触修剪功能，但指向了一种不同的免疫相关蛋白，称为Fractalkine，其带领小胶质细胞在脑内迁移。在缺乏该蛋白受体的小鼠中，神经细胞连接成熟延迟。但Gross的工作并未指明修剪的明确机制。Schafer和Stevens加速在《神经元》（Neuron）杂志上发表其补充工作。Gross认为，她们的工作充满挑衅意味，因为补体经典通路长期以来被认为参与摄入病原体、死亡或受损细胞，“这几乎是确凿无疑的。”
即使现在，也没有人能最终确定小胶质细胞可以在活体动物大脑中吞噬突触。Gross从前后图像（显示小胶质细胞在突触附近，或者在吞噬突触碎片）中注意到，这项证据可能是偶然的。在这些图像中，并不清楚小胶质细胞是否主动吞噬突触或仅仅是吞噬了已经变弱或脱落的碎片。但现任马萨诸塞大学医学院助理教授的Schafer认为，Stevens可能会找到捕捉活动中的修剪的方法。Stevens正在研究小鼠的barrel皮层，这一区域连接到动物的胡须。Stevens认为，对于突触改变，“如果我们对一根胡须进行操作，我们就能准确地知道要看哪里”，这应该会增加捕捉到处于吞噬突触中的小胶质细胞图像的几率。
虽然现在普遍接受，C1q对于生命早期的神经连接是必需的，但越来越多的证据表明，该分子在以后是有害的。Barres发现，随着小鼠和人类变老，C1q水平在脑内升高至300倍。Stevens等人进一步证实，与未接受处理的对照组相比，在老年小鼠中降低其水平或阻断其启动补体级联反应的能力会减少认知和记忆下降。
人类疾病研究暗示，补体可以触发有害的突触丧失。2016年1月，哈佛医学院的遗传学家Steven McCarroll报告了C4A基因的证据，该基因编码补体蛋白下游的C1q，可能是精神分裂症中突触丧失和脑组织变薄的原因。对超过64000人的基因组数据的分析显示，患有精神疾病的人相比对照组更可能拥有过度活跃的C4A。McCarroll与Stevens、Michael Carroll合作，发现敲除了C4A基因的小鼠出生后，在发育期间突触修剪减少。
2016年2月，Stevens在《科学》上发表的文章表明，小胶质细胞是阿尔茨海默病早期突触丧失的原因。在数个经饲养产生过多淀粉样蛋白（阿尔茨海默病患者脑内斑块的元凶）的小鼠品系中，异常高水平的C1q激活了小胶质细胞，在斑块形成和认知损害前破坏了功能性突触，这与观察结果（即与淀粉样蛋白相比，突触丧失是一种更有力的预测因素）一致。
最近，神经生物学家Robyn Klein与Stevens小组进行合作，其研究证实，西尼罗病毒感染恢复期间补体经典通路加速运转，驱使小胶质细胞以危险的速率吞噬突触。这可以帮助解释为何超过一半的人在感染后出现慢性记忆损害。
此类发现引起了临床上将C1q作为靶标的兴趣。Annexon生物科学公司（由Barres于2011年合作创立）正在致力于这一方向。在小鼠数据提示阻断C1q有益于多发性神经退行性和自身免疫性疾病后，Annexon开发了可以结合补体蛋白、阻断其作用的抗体。
Stevens（Annexon股东）打算明年在阿尔茨海默病、亨廷顿病和青光眼患者中开展这些药物的临床试验。但Huang等人提醒，这些药物可能不会在更为复杂的疾病如精神分裂症中产生疗效。
在通过了建立实验室这一考验后，Stevens数年前的焦虑一扫而空。她对科学充满信心，并习惯于导师这一新角色，力图将他人对她的帮助延续下去。Stevens将Barres 风格的孵化器“转移”到了波士顿。
最近在波士顿，Stevens与年轻研究者们一起共度欢乐的聚会时光。当人们看到其他人开始其事业时，似乎觉得毫不费劲，“他们并不知道你正在经历什么”，这位前女服务员和实验员谈到，“当你有机会和他们聚在一起，喝着啤酒，你才意识到我们正在经历相同的事情。”
参考文献：Science 2016;353:762-765