《Brain, Behavior, and Immunity》：Macrostructural, microstructural, and cellular effects of neuroinflammation on the mouse brain
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本研究针对神经炎症在脑萎缩和认知障碍中的关键作用，通过建立系统性脂多糖（LPS）诱导的小鼠神经炎症模型，综合运用全脑双光子显微镜、多参数磁共振成像和计算机转录组学技术，首次提供了神经炎症对大脑宏观结构、微观结构及细胞基础的全脑视角。研究发现LPS诱导了广泛的小胶质细胞活化、脑水肿（脑室和皮层下区域）以及大脑皮层特异的微观结构改变，这些改变与特定抑制性（PV神经元）和兴奋性神经元（L4/5 IT神经元）的突触成分相关。该研究为理解神经炎症的病理机制及其在神经精神疾病中的作用提供了重要见解，对开发新的诊疗策略具有重要意义。论文发表于《Brain, Behavior, and Immunity》。
在大脑这个复杂而精密的指挥中心里，免疫系统的“常驻警卫”——小胶质细胞，扮演着至关重要的角色。当大脑受到感染或损伤时，小胶质细胞会被激活，引发神经炎症反应。这种反应本意是保护大脑，清除威胁，但越来越多的证据表明，失控或慢性的神经炎症是导致感染后脑萎缩、认知功能下降，乃至阿尔茨海默病、抑郁症等多种神经退行性和精神疾病发生发展的关键推手。然而，神经炎症究竟如何影响大脑的不同层面——从肉眼可见的脑区体积变化，到微观的组织结构，再到具体的细胞类型——仍然缺乏一个全面、系统的认识。为了解决这一问题，研究人员将目光投向了脂多糖（LPS），这种来自革兰氏阴性细菌的强大内毒素，是研究神经炎症及其后果的经典模型。
为了深入探究LPS诱导的神经炎症对大脑的多尺度影响，由蒙特利尔大学Sainte-Justine医院研究中心Zdenka Pausova教授领导的研究团队，开展了一项综合性研究。他们采用了多模态的研究策略，核心技术方法包括：1）利用in vivo（活体）和ex vivo（离体）多参数磁共振成像（MRI），评估大脑宏观结构（区域体积）和微观结构（包括磁化转移比率MTR、分数各向异性FA和平均扩散率MD）；2）通过全脑连续双光子断层扫描技术，定量分析小胶质细胞的形态学变化（以胞体大小作为活化标志）；3）运用“虚拟组织学”这一创新的in silico（计算机模拟）方法，将MRI发现与独立的鼠脑批量及单核RNA测序数据集进行整合，从而推断出可能受累的特定细胞类型和细胞成分。研究使用33只20周龄的Cx3cr1GFP/+小鼠，随机分为LPS处理组和生理盐水对照组，进行了为期4天的干预。
LPS处理的小鼠显示出广泛的小胶质细胞激活
研究人员通过全脑双光子显微镜观察发现，与对照组相比，LPS处理组小鼠在全脑22个感兴趣区内，小胶质细胞的胞体面积均增加了6-16%。这一表明小胶质细胞广泛激活的效应在中脑区域最为显著。小胶质细胞胞体增大是其向促炎表型转化的一个经典形态学标志。
LPS诱导脑积水和区域性脑水肿
纵向活体T1加权MRI成像显示，LPS处理导致了全脑总体积的轻微增加（1.1%），这主要是由脑室体积显著扩大（6%）所驱动。同时，多个背侧脑实质区域，如小脑、延髓、脑桥、中脑、丘脑和下丘脑，也出现了2-4%的体积增加。然而，大脑皮层的体积并未发生显著变化。值得注意的是，在灌注固定后进行的离体MRI扫描中，这些体积差异消失了。这种活体特异性的体积膨胀强烈提示，LPS引起了脑积水（脑室内脑脊液积聚）和区域性脑水肿（脑组织内液体异常积聚）。进一步分析发现，脑实质区域的体积膨胀程度与小胶质细胞胞体大小的增加呈正相关。
LPS处理的小鼠显示出大脑皮层的微观结构改变
对离体脑样本的微观结构MRI指标分析揭示了LPS的另一个关键影响。LPS处理组小鼠在多个灰质区域，尤其是大脑皮层，表现出磁化转移比率（MTR）和分数各向异性（FA）的显著降低。其中，颞叶、额叶和顶叶皮层的MTR降低最为明显，而FA的降低在皮层和小脑灰质中尤为突出。平均扩散率（MD）则未显示组间显著差异。这些微观结构的改变提示大脑组织的完整性可能受到了损害。
大脑皮层的微观结构改变涉及特定亚型的抑制性和兴奋性神经元及其树突棘/突触
为了深入理解上述微观结构改变的细胞基础，研究人员采用了“虚拟组织学”分析方法。他们发现，在15个皮层分区中，LPS对MTR和FA的降低效应是协同的，且在后顶叶皮层效应量最大。细胞类型富集分析显示，那些在LPS处理后MTR和FA降低更明显的皮层区域，其本身高表达两类特定神经元的标志基因：一类是表达小清蛋白（Parvalbumin）的抑制性神经元（INH_Pvalb），另一类是位于第4/5层的胞体内telencephalon型兴奋性神经元（EXC_L4/5_IT）。对这两类神经元特异性高表达基因进行基因本体（GO）富集分析发现，这些基因显著富集于突触相关的细胞成分。例如，INH_Pvalb神经元的基因富集于“轴突终末”、“突触膜内部成分”等，而EXC_L4/5_IT神经元的基因则富集于“突触后膜”、“树突棘”等。这提示LPS诱导的皮层微观结构改变，可能特异性地影响了这些神经元上与突触相关的结构和功能。
本研究通过多模态技术平台，系统地揭示了系统性LPS诱导的神经炎症对小鼠大脑的多尺度影响。研究结论可归纳为三点：首先，LPS引发了全脑范围的小胶质细胞激活。其次，LPS导致了活体状态下可见的脑积水以及主要影响皮层下区域的脑水肿，但大脑皮层本身幸免于体积膨胀。最后，LPS引起了以大脑皮层为主的微观结构完整性下降（表现为MTR和FA降低），并且通过虚拟组织学分析推断，这种微观结构改变可能特异性地涉及了表达小清蛋白的抑制性神经元和第4/5层兴奋性神经元的突触成分。
这项研究的发现具有多重重要意义。它首次整合了从细胞形态到全脑影像，再到基因表达的多层次信息，为神经炎症的病理生理过程提供了前所未有的全脑视角和细胞特异性见解。研究明确了脑水肿和皮层微观结构损伤是神经炎症早期的重要特征，且二者可能具有不同的区域靶向性。更重要的是，研究将微观结构的改变与特定的神经元类型和突触成分联系起来，为理解神经炎症如何导致神经网络功能紊乱（例如，抑制/兴奋平衡失调）并最终引发认知和行为障碍提供了潜在的细胞和分子机制。这些发现不仅深化了对神经炎症本身的认识，也为开发针对神经炎症相关脑部疾病的生物标志物和新型治疗策略（例如，保护特定神经元的突触功能）指明了新的方向。正如作者所强调，神经炎症日益被认为是连接感染、脑损伤与多种神经精神疾病的关键环节，此项研究为此提供了坚实的实验证据和深入的理论阐释。
