翻譯 By 孫曉燕 楊遠涵 熊沐釗 張慧
在衰老的過程中，記憶與認知能力衰退常常伴隨其左右。雖然也有宋代陸游“健忘閑何害？貪眠老正宜”般的豁達，但是研究人員在探索如何延緩記憶與認知能力衰退的道路上卻從來沒有放慢腳步。今天小編要跟大家分享斯坦福大學(xué)Anne Brunet 教授團隊2020年7月發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上，題為“Aging and Rejuvenation of Neural Stem Cells and Their Niches”的綜述文章。這篇文章對神經(jīng)干細胞代謝、遺傳調(diào)控和微環(huán)境對其衰老與再生的影響因素，以及目前已知的干預(yù)神經(jīng)干細胞衰老、恢復(fù)記憶與認知能力的靶點與措施進行了詳細總結(jié)。
通訊作者：Anne Brunet
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
摘要
衰老對大腦具有長久且破壞性的影響。衰老普遍會伴隨認知功能下降和患腦部疾病（包括癌癥和神經(jīng)退行性疾?。┑娘L(fēng)險增加。一個關(guān)鍵的問題是具有再生能力的細胞是否有助于大腦健康，甚至使大腦“年輕化”。本篇綜述討論了調(diào)控神經(jīng)干細胞(neural stem cells, NSCs)衰老的機制，重點關(guān)注了代謝、遺傳和微環(huán)境等因素。除此之外，本文還概述了目前使衰老NSCs年輕化的新興策略。最后，本文討論了在生理和病理性衰老過程中這些新技術(shù)如何增強神經(jīng)干細胞功能進而恢復(fù)大腦健康。
引言
與其他器官相比，大腦具有協(xié)調(diào)高級認知功能的能力，因此對機體來說至關(guān)重要。但是腦功能會隨著年齡的增長而下降。同時，神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮ＤY和帕金森病）以及腦癌（例如神經(jīng)膠質(zhì)瘤）的發(fā)病率在老年人中激增。盡管大腦中的所有細胞類型都會在衰老過程中受到影響，并可能導(dǎo)致生理性功能衰退和疾病，但是成年大腦中駐留的NSCs能夠生成新的神經(jīng)元（即神經(jīng)發(fā)生）并恢復(fù)大腦部分功能。因此，在衰老過程中維持健康的干細胞儲存庫對于改善大腦整體健康并降低神經(jīng)退行性疾病和癌癥的發(fā)生率至關(guān)重要。
成年哺乳動物大腦有兩個主要的NSC儲存庫（稱為“神經(jīng)微環(huán)境”[neurogenic niches]）：側(cè)腦室下區(qū)(subventricular zone, SVZ)和海馬齒狀回(dentate gyrus, DG)（圖1）。此外，近期有文章報道下丘腦是第三個神經(jīng)微環(huán)境。本篇綜述主要側(cè)重于SVZ和海馬神經(jīng)微環(huán)境，但也略有涉及下丘腦神經(jīng)微環(huán)境。神經(jīng)微環(huán)境是含有多種不同類型細胞的特化微環(huán)境，包括NSC譜系細胞以及血管內(nèi)皮細胞和小膠質(zhì)細胞。
圖1. 衰老過程中的神經(jīng)發(fā)生 NSC增殖和產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力在發(fā)育后急劇下降，并在衰老過程中持續(xù)下降，這與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病發(fā)生率增加相關(guān)（該圖顯示了神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)退變的概念軌跡）。成年哺乳動物的大腦含有兩個NSC儲存庫：海馬的DG和側(cè)腦室的SVZ（青綠色）。這些神經(jīng)微環(huán)境含有可以被激活以產(chǎn)生活躍增殖神經(jīng)干細胞(aNSCs)的靜息態(tài)神經(jīng)干細胞(qNSCs)。aNSCs具有分化為神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞或星形膠質(zhì)細胞的潛能。
NSC譜系的始端由靜息態(tài)神經(jīng)干細胞(quiescent NSCs, qNSCs)組成，它們通常處于休眠狀態(tài)，被激活后可生成具有增殖能力的神經(jīng)干細胞。激活態(tài)的神經(jīng)干細胞(activated NSCs, aNSCs)可以產(chǎn)生神經(jīng)祖細胞(Neural Progenitor Cells, NPCs)，神經(jīng)祖細胞主要可以分化為新的神經(jīng)元，小部分分化為星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞。SVZ和海馬神經(jīng)微環(huán)境在整體細胞組成和神經(jīng)發(fā)生潛力上具有相似性。但是，這些神經(jīng)微環(huán)境在周轉(zhuǎn)動力學(xué)（對稱分裂與不對稱分裂）、產(chǎn)生膠質(zhì)細胞的能力（少突膠質(zhì)細胞與星形膠質(zhì)細胞）以及對腦功能的貢獻度等方面存在差異。
在SVZ中，NSCs位于“風(fēng)車(pinwheel)”結(jié)構(gòu)內(nèi)，并與大腦的脈管系統(tǒng)和側(cè)腦室中的腦脊液(Cerebrospinal Fluid, CSF)相接。SVZ神經(jīng)干細胞產(chǎn)生的神經(jīng)祖細胞可以沿著喙側(cè)遷移流遷移，在嚙齒動物的嗅球或在人的紋狀體中產(chǎn)生新的神經(jīng)元。SVZ神經(jīng)發(fā)生對于嚙齒動物的各種嗅覺功能很重要，例如氣味識別和嗅覺學(xué)習(xí)記憶。有趣的是，小鼠的SVZ神經(jīng)干細胞能夠被損傷（如中風(fēng)）激活，以產(chǎn)生新的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞，從而有助于修復(fù)腦損傷。
在海馬神經(jīng)微環(huán)境中，NSCs位于DG內(nèi)顆粒細胞層的邊界，其產(chǎn)生的神經(jīng)母細胞能夠沿顆粒下區(qū)域遷移，產(chǎn)生顆粒神經(jīng)元。海馬神經(jīng)發(fā)生有助于小鼠的學(xué)習(xí)、記憶形成以及應(yīng)激適應(yīng)。人類海馬神經(jīng)發(fā)生的水平和持續(xù)時間一直存在爭議，但是在成年人中確實存在具有再生潛力的神經(jīng)發(fā)生區(qū)域。
在衰老過程中，NSC增殖并產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力急劇下降。體內(nèi)標記和顯微鏡檢查顯示，衰老過程中SVZ和海馬神經(jīng)微環(huán)境的神經(jīng)發(fā)生減少。這種減弱可能涉及多個細胞過程，如休眠的NSC增加、NSC自我更新減弱、神經(jīng)元命運決定的衰退以及NSC死亡。隨著年齡的增長，神經(jīng)發(fā)生的減弱會伴隨著學(xué)習(xí)和記憶能力下降以及嗅覺辨別減弱，這表明與年齡有關(guān)的NSC缺陷可能會造成廣泛的功能衰退。老年人的神經(jīng)發(fā)生下降與認知障礙和神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。因此，這一領(lǐng)域的關(guān)鍵問題可能包括以下幾個方面：包含NSCs的神經(jīng)發(fā)生區(qū)域在生命周期中是如何變化的？不同的神經(jīng)微環(huán)境是依賴于不同的還是相似的機制？年老大腦中分裂的細胞與年輕大腦中已分裂并產(chǎn)生神經(jīng)元的細胞是否相同？如何利用NSCs的再生潛能來促進腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)和修復(fù)？
本篇綜述討論了最近發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)致脊椎動物神經(jīng)發(fā)生衰老的相關(guān)機制，主要包括內(nèi)在因素（如代謝和遺傳調(diào)控）和外在因素（如系統(tǒng)性因子和其他類型細胞）。同時還回顧了NSCs與腦部疾病之間的聯(lián)系，以及在衰老過程中緩解NSCs衰退的新興策略。此外，本文還從人類神經(jīng)發(fā)生的角度推測了脊椎動物神經(jīng)發(fā)生的進化作用。最后，本文介紹了新技術(shù)的發(fā)展如何從分子、微環(huán)境、大腦和機體角度幫助我們理解NSCs衰老，并提供了新的方法來緩解甚至逆轉(zhuǎn)與年齡有關(guān)的神經(jīng)發(fā)生衰退。
NSC衰老過程中的營養(yǎng)感應(yīng)途徑、代謝和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)
神經(jīng)微環(huán)境對營養(yǎng)獲得和信號傳遞的變化（包括衰老過程中發(fā)生的變化）十分敏感。神經(jīng)微環(huán)境中的各種細胞類型具有不同的代謝和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)需求，具體取決于其狀態(tài)（如靜息態(tài)NSC和活躍增殖的NSC）。本節(jié)主要回顧了NSC衰老和再生過程中上述變化具有重要作用的證據(jù)。
營養(yǎng)感應(yīng)途徑
營養(yǎng)感應(yīng)途徑，如胰島素/胰島素生長因子1(Insulin Growth Factor 1, IGF1)-FOXO途徑，是重要的進化保守的衰老調(diào)節(jié)途徑，對于SVZ和DG中NSCs的功能維持是必不可少的。例如，胰島素/IGF1途徑的下游效應(yīng)物FOXO轉(zhuǎn)錄因子(FOXOs)的喪失會導(dǎo)致NSC儲存庫的過早耗竭。同樣地，F(xiàn)OXO上游PTEN磷酸酶的丟失也會引起NSCs的耗竭，盡管PTEN丟失的早期會刺激NSCs增殖。最近的研究表明，在年輕的NSCs中通過條件性敲除IGF1受體(IGF1 receptor, IGF1R)可以抑制IGF1信號傳導(dǎo)（導(dǎo)致FOXO激活），進而改善SVZ的神經(jīng)發(fā)生，增加新生神經(jīng)元的棘密度，并增強嗅覺學(xué)習(xí)能力。總之，這些結(jié)果表明，抑制胰島素/IGF1信號傳導(dǎo)（以及激活FOXO）有利于NSC儲存庫的長期維持。胰島素/IGF1下游信號傳導(dǎo)途徑（如mTOR途徑）的抑制也可能會有助于NSCs的維持。然而，值得注意的是，增強IGF1信號傳導(dǎo)也可以促進海馬和嗅球神經(jīng)發(fā)生過程中神經(jīng)元的分化和組織化，進而提高神經(jīng)元功能。因此，周期性的改變胰島素/IGF1信號強度可能有助于維持干細胞儲存庫，同時增強NSCs的增殖和神經(jīng)元分化。周期性的禁食會改變胰島素和IGF1的水平，從而增強海馬體神經(jīng)發(fā)生和認知能力。
線粒體
線粒體能夠維持衰老過程中NSCs的狀態(tài)，因此具有重要作用。從SVZ或海馬體中分離的NSCs的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，qNSCs表達參與β-氧化的基因（β-氧化部分發(fā)生在線粒體中），而aNSCs表達參與線粒體氧化磷酸化的基因。事實上，成年海馬體中qNSCs和aNSCs的線粒體在形態(tài)上也有所不同。qNSCs中線粒體是細長形的，而aNSCs中的線粒體為球形和管狀。在衰老過程中，SVZ qNSCs中的線粒體分布更分散且逐漸遠離核周。而衰老會導(dǎo)致海馬體aNSCs中線粒體分布更密集、電位下降、ATP水平降低。用吡乙酰胺（一種用于治療與年齡有關(guān)的認知功能下降的藥物）恢復(fù)衰老aNSCs中線粒體的功能可以改善老年小鼠海馬體神經(jīng)發(fā)生。同樣，異位表達過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α (Proliferator-Activated Receptor Gamma Coactivator 1α, PGC1α，一種通過激活線粒體生物發(fā)生和代謝相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄而增強細胞有氧能力的因子)也可以改善SVZ中的神經(jīng)發(fā)生。由于aNSCs和qNSCs需要依賴線粒體來有效地控制細胞新陳代謝，因此恢復(fù)老年個體中線粒體的功能可以改善整個NSC譜系的細胞功能，進而從總體上增強神經(jīng)發(fā)生。
脂質(zhì)代謝
脂質(zhì)代謝作為NSCs調(diào)控的重要環(huán)節(jié)逐漸被關(guān)注，但其在NSC衰老過程中的作用仍然不明。脂肪酸氧化(Fatty Acid Oxidation, FAO)介導(dǎo)的脂質(zhì)降解對于維持年輕海馬體內(nèi)qNSCs的靜息狀態(tài)十分重要。體外實驗發(fā)現(xiàn)，通過添加丙二酰輔酶A抑制FAO能夠誘導(dǎo)NSCs退出靜息狀態(tài)，增強NSCs增殖。FAO是造血干細胞、腸道干細胞和肌肉干細胞靜息狀態(tài)的主要調(diào)控過程。其是否隨NSC衰老而發(fā)生變化還未得到證實。但是，科研人員發(fā)現(xiàn)在腸道干細胞，F(xiàn)AO隨年齡的增長而降低，這表明FAO在衰老過程中可能起著維持qNSCs的保護作用。相反，海馬體中年輕的aNSCs能夠通過脂肪酸合成酶(Fatty Acid Synthase, FASN)依賴的脂質(zhì)從頭合成途徑上調(diào)脂質(zhì)的產(chǎn)生。體內(nèi)抑制FASN消除了跑步對小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生和認知功能的有益影響。小鼠和人類海馬NSCs的增殖也需要FASN發(fā)揮合適功能。因此，維持aNSCs的脂肪生成對于抵抗衰老過程中NSCs的耗竭可能是必不可少的。神經(jīng)微環(huán)境中其他細胞的脂質(zhì)積累也可能間接地導(dǎo)致NSCs衰老。例如，單不飽和脂肪酸油酸的飲食習(xí)慣會導(dǎo)致室管膜細胞中脂質(zhì)滴的形成，這與SVZ中神經(jīng)發(fā)生的減少有關(guān)（在阿爾茨海默癥小鼠模型3xTg-AD中）。同樣，肥胖會導(dǎo)致SVZ中含有過多脂肪沉積的衰老神經(jīng)膠質(zhì)細胞的積聚，清除衰老的神經(jīng)膠質(zhì)細胞可以恢復(fù)SVZ微環(huán)境的神經(jīng)發(fā)生。未來有多個問題需要特別關(guān)注，如特定的脂質(zhì)在衰老過程中如何調(diào)節(jié)NSCs的功能，脂質(zhì)是否可能在新陳代謝之外的過程，如膜穩(wěn)態(tài)和信號傳導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用?？紤]到飲食干預(yù)的可塑性，調(diào)節(jié)飲食中的脂質(zhì)組成可能是衰老NSC“年輕化”的新方法。
蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)
原始蛋白質(zhì)組的穩(wěn)定對于必須長期維持功能的細胞（如NSCs）來說至關(guān)重要。NSCs及其后代細胞利用不同的策略來維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)(proteostasis)：qNSCs及其分化后代主要依賴溶酶體自噬途徑，而aNSCs則利用活性蛋白酶體和伴侶蛋白。在衰老過程中，來自SVZ的qNSCs中溶酶體自噬途徑功能受損，導(dǎo)致其退出靜息狀態(tài)的能力下降，從而減弱了其增殖能力。但是，這種下降是可避免的。如在原代培養(yǎng)的年老SVZ的qNSCs中，過表達能夠激活溶酶體自噬途徑的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子(Transcription Factor EB, TFEB)提高了這些衰老qNSCs退出靜息狀態(tài)的能力。在造血干細胞和線蟲中曾報道過溶酶體自噬途徑在靜息期的作用（并且發(fā)現(xiàn)其隨年齡增長而下降），這表明在衰老qNSCs中靶向該途徑可能改善休眠細胞功能和刺激后重激活能力。自噬在增殖的NSCs中也很重要。例如，在成年小鼠SVZ aNSCs原代培養(yǎng)細胞中，F(xiàn)OXO家族成員FOXO3能夠調(diào)節(jié)誘導(dǎo)自噬基因。分化后細胞（即新神經(jīng)元）主要依靠溶酶體自噬途徑來維持健康的蛋白質(zhì)組。通過FOXO轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)自噬可以調(diào)節(jié)成年小鼠新生海馬神經(jīng)元的形態(tài)和棘密度。因此，在老年個體中靶向自噬途徑可能通過改善qNSCs、aNSCs及新生神經(jīng)元的功能而產(chǎn)生多種有益作用。
在衰老過程中aNSCs的蛋白酶體功能逐漸惡化，進而可能導(dǎo)致細胞的增殖能力降低。隨著年齡的增長，SVZ aNSCs中蛋白酶體組分的表達下降。在幼年小鼠體內(nèi)以及體外培養(yǎng)細胞中，通過過表達PSMB5（20S蛋白酶體復(fù)合物的組成部分）或18α-GA（蛋白酶體激活劑）來增強蛋白酶體的活性能夠增強NSCs的增殖能力。但是，蛋白酶體活性的增加是否也能促進老年人NSCs的增殖還有待確定。同樣，其他的增殖性干細胞儲存庫（包括胚胎干細胞和誘導(dǎo)型多能干細胞）也具有較高的蛋白酶體活性，這可能就是其具有“永生”特征的原因。增強衰老的增殖干細胞儲存庫中蛋白酶體的活性可能有助于緩解蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)應(yīng)激并恢復(fù)其再生潛力。
伴侶蛋白網(wǎng)絡(luò)也隨著衰老而減弱，并會影響aNSCs和其后代細胞。伴侶蛋白在NSCs分化過程中被重塑：增殖的NSCs表達高水平的伴侶蛋白TRiC/CCT，而分化后的細胞表達小熱休克蛋白。海馬體aNSCs中的TRiC/CCT蛋白水平隨衰老發(fā)生下降。因此，確定伴侶蛋白網(wǎng)絡(luò)對衰老過程中NSCs功能和分化的影響以及其與蛋白穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)其他分支的相互作用也是十分重要的。
蛋白質(zhì)聚集體
衰老過程中蛋白穩(wěn)態(tài)的下降導(dǎo)致蛋白聚集體積累。有趣的是，年輕的成體qNSCs已經(jīng)含有蛋白質(zhì)聚集體，而年輕的aNSCs卻很少有蛋白質(zhì)聚集體。這些結(jié)果表明，靜息狀態(tài)的干細胞可能耐受蛋白質(zhì)聚集體能力更強，或者他們需要易聚集的蛋白來完成特定的功能，但是這些易聚集的蛋白可能在衰老過程中帶來有害影響。剛從SVZ分離出來的衰老qNSCs中蛋白聚集體比年輕細胞多，這與衰老細胞中的溶酶體自噬功能下降相一致。從海馬體中分離的qNSCs也含有蛋白質(zhì)聚集體。由中間絲波形蛋白介導(dǎo)的蛋白酶體在這些蛋白質(zhì)聚集體中的定位對于細胞從靜息狀態(tài)到增殖狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是非常重要的。
aNSCs和qNSCs之間蛋白質(zhì)聚集體含量的差異可以通過蛋白質(zhì)合成速率和蛋白穩(wěn)態(tài)策略的不同來解釋。aNSCs的蛋白酶體在消除蛋白質(zhì)聚集體方面可能更高效，且蛋白酶體和自噬誘導(dǎo)的結(jié)合也可能有助于高效地去除蛋白質(zhì)聚集體。此外，增殖的NSCs中伴侶蛋白TRiC/CCT的高表達也可能有助于維持錯誤折疊蛋白的可溶性。最后，由于aNSCs是增殖性干細胞，其可能在細胞分裂和分化過程中稀釋或差異分散了蛋白質(zhì)聚集體。當(dāng)年輕的aNSCs分裂時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmic Reticulum, ER)形成了一個物理屏障，將受損的蛋白質(zhì)分離到了非干性的子細胞中，從而保護了aNSCs免受蛋白水解壓力的影響。在原代培養(yǎng)的老年小鼠海馬體的aNSCs中，這種物理屏障隨著年齡的增長而減弱，這使得細胞分裂過程中受損蛋白質(zhì)在干細胞和非干細胞之間均等分布，進而加重了aNSCs中蛋白水解的負擔(dān)。蛋白水解負擔(dān)的增加可能通過減慢NSCs的增殖速度或進入一個更靜息的狀態(tài)而導(dǎo)致NSCs功能的年齡依賴性受損。蛋白聚集體中的某些特定蛋白質(zhì)也可能參與NSCs功能缺陷，但無論是年輕還是年老的NSCs，其蛋白質(zhì)聚集體的組成仍然完全未知。
NSC中營養(yǎng)感應(yīng)、代謝和蛋白穩(wěn)態(tài)的偶聯(lián)
總的來說，qNSCs、aNSCs及其后代中不同代謝和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)策略可能是這些細胞類型之間基本功能存在差異的原因（圖2）。休眠的、不分裂的qNSCs具有較低的代謝需求，并采用能長期產(chǎn)生能量的機制，如溶酶體自噬途徑和FAO。相反，活躍分裂的aNSCs具有更高的代謝和蛋白質(zhì)合成速率，因此它們主要依賴于氧化磷酸化（一種高效的能量產(chǎn)生過程），并且會上調(diào)脂質(zhì)生成代謝?；钴S增殖的aNSCs還需要伴侶蛋白和活性蛋白酶體來清除短壽命的蛋白質(zhì)（如細胞周期調(diào)節(jié)因子）以及受損或未折疊的蛋白質(zhì)，以防止它們形成可能損害其功能或轉(zhuǎn)移至子代的大聚集體。盡管新陳代謝和蛋白水解過程都會隨著年齡的增長而下降，但這種下降可以被緩解。誘導(dǎo)自噬不僅可以促進蛋白質(zhì)聚集體的清除，而且還可以降解有缺陷的線粒體（線粒體自噬，mitophagy），促進脂質(zhì)的降解（脂質(zhì)自噬，lipophagy）以產(chǎn)生用于氧化磷酸化的游離脂肪酸。同樣，減少營養(yǎng)攝入或阻斷營養(yǎng)感應(yīng)途徑（胰島素/IGF1和mTOR）也可以激活協(xié)調(diào)新陳代謝和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)錄因子（FOXO和TFEB），進而改善NSCs功能。鑒于這些途徑之間相互聯(lián)系，在衰老NSCs中僅靶向單一途徑也可能恢復(fù)其他相關(guān)途徑，從而整體上改善NSCs功能。
營養(yǎng)感應(yīng)、新陳代謝和蛋白水解途徑的調(diào)控也可能隨著年齡的增長而出現(xiàn)差異，這取決于細胞類型甚至是神經(jīng)微環(huán)境。有趣的是，由于生物代謝調(diào)節(jié)的許多途徑都是非細胞自主的，因此一個神經(jīng)微環(huán)境的年齡依賴性變化可能也會影響其他區(qū)域。例如，下丘腦NSCs中代謝調(diào)節(jié)途徑也可能參與機體代謝的調(diào)節(jié)。了解不同途徑的相互作用及其在神經(jīng)微環(huán)境內(nèi)或整個生物體內(nèi)的特定作用，對于探索應(yīng)對NSC衰老的策略至關(guān)重要。
圖2. NSCs衰老涉及的細胞通路 圖中顯示了衰老過程中維持NSCs及其分化后細胞穩(wěn)態(tài)的細胞和代謝途徑。
NSCs衰老過程中轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組和細胞周期變化
衰老NSCs神經(jīng)發(fā)生能力的下降在一定程度上是因為其轉(zhuǎn)錄和表觀基因組發(fā)生變化進而影響干細胞功能。在這些變化中，細胞周期調(diào)節(jié)因子的表達變化已成為NSCs激活、耗竭和衰老的關(guān)鍵，因為它們可以很容易地進行調(diào)節(jié)以改善衰老NSCs的功能。
衰老NSC微環(huán)境的轉(zhuǎn)錄組分析
分析NSCs轉(zhuǎn)錄組能夠全面快速地尋找受年齡影響最大的細胞過程和途徑。年輕和衰老的小鼠SVZ星形膠質(zhì)細胞、qNSCs、aNSCs和NPCs的RNA測序(RNA-seq)顯示了qNSC和aNSC狀態(tài)的基本轉(zhuǎn)錄組差異。在衰老過程中，靜息態(tài)細胞（星形細胞和qNSCs）比增殖細胞（aNSCs和NPCs）經(jīng)歷了更多的轉(zhuǎn)錄變化，包括蛋白穩(wěn)態(tài)（溶酶體和蛋白酶體）的變化。同樣地，體外培養(yǎng)的幼鼠和衰老小鼠的SVZ aNSCs轉(zhuǎn)錄組幾乎沒有差異。由于aNSCs來自qNSCs，因此這些結(jié)果給人們帶來了許多有趣的啟發(fā)，如瞬時aNSCs群體的快速增殖和分化可能會阻止轉(zhuǎn)錄變化的積累。另外，激活過程可能從功能上重塑了qNSCs的衰老標志，從而使其轉(zhuǎn)錄組更“年輕”。
揭示衰老如何影響復(fù)雜組織（如神經(jīng)微環(huán)境）道路上的一大阻礙就是細胞異質(zhì)性。單細胞RNA-seq技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)幫助科研人員揭示了SVZ和海馬體中神經(jīng)微環(huán)境細胞類型和轉(zhuǎn)錄圖譜的年輕年老差異。通過捕獲連續(xù)分化譜系中單個細胞的轉(zhuǎn)錄組，科研工作者已經(jīng)鑒定出了神經(jīng)激活和分化過程中的中間細胞狀態(tài)，以及NSCs整個分化過程中的關(guān)鍵變化基因。整個SVZ微環(huán)境單細胞轉(zhuǎn)錄組的分析表明，大多數(shù)與年齡相關(guān)的轉(zhuǎn)錄變化發(fā)生在特定的細胞群體（小膠質(zhì)細胞、內(nèi)皮細胞、少突膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞和qNSCs）中，所有這些細胞都表現(xiàn)出強烈的年齡相關(guān)干擾素信號上調(diào)。單細胞RNA-seq分析還顯示，老年小鼠SVZ中qNSCs和aNSCs群體數(shù)量明顯減少，這與先前通過免疫熒光染色和溴脫氧尿苷(BrdU)摻入實驗的數(shù)據(jù)相符?？偟膩碚f，這些單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究已經(jīng)建立了全面的神經(jīng)微環(huán)境細胞圖譜，并揭示了隨著年齡增長，細胞組成的變化（NSCs的的減少）以及特定細胞群體（如小膠質(zhì)細胞）轉(zhuǎn)錄組的變化。確定這些年齡相關(guān)的變化中哪些可以通過已知的“年輕化”干預(yù)措施（例如飲食變化）來逆轉(zhuǎn)是一個非常值得探究的問題。
染色質(zhì)修飾和表觀基因組變化
研究人員對衰老過程中NSCs的表觀基因組及染色質(zhì)狀態(tài)進行了分析，揭示了衰老如何影響細胞身份及功能等關(guān)鍵信息。由于表觀基因組標記的可逆性，鑒別NSC衰老過程中負責(zé)調(diào)控表觀基因組的酶是一種有吸引力的治療干預(yù)策略。
歷史上，許多研究致力于探究DNA甲基化及其上游修飾因子（例如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）在胚胎和成體神經(jīng)發(fā)生中的作用。最近，研究開始關(guān)注整個衰老過程中全基因組DNA甲基化變化的特征。有研究證明，在海馬中5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine, 5hmC）的總體水平隨衰老而下降，并且與衰老相關(guān)的神經(jīng)發(fā)生減少有所關(guān)聯(lián)。同時，TET2（通過氧化作用催化5-甲基胞嘧啶（5-methyl cytosine, 5mC）形成5hmC）的mRNA水平也會隨衰老而降低。在體內(nèi)，減少年輕海馬NPCs中TET2表達（通過在Tet2flox/ flox小鼠或NestinCre-ERT2小鼠中注射他莫昔芬）會降低小鼠神經(jīng)發(fā)生和認知能力，揭示了一種細胞自主效應(yīng)。相反地，通過慢病毒在成年小鼠的DG中過表達TET2，能夠增加小鼠海馬中新生神經(jīng)元的數(shù)量，并改善其空間學(xué)習(xí)能力與記憶能力。因此，在中年動物中過表達或激活TET2，可能是增強衰老動物神經(jīng)發(fā)生和認知能力的一種策略。
組蛋白甲基化標記（histone H3 lysine 4 trimethylation [H3K4me3], histone H3 lysine 27 trimethylation [H3K27me3]）和DNA甲基化標記（5mc, 5hmC）的全基因組分析，揭示了來自年輕和年老SVZ區(qū)域中aNSCs在培養(yǎng)過程中的變化。盡管表觀基因組（和轉(zhuǎn)錄組）差異相對較少，但研究人員還是發(fā)現(xiàn)了與Dbx2基因位點相關(guān)的調(diào)控標記隨衰老而變化。Dbx2基因位點編碼一個與脊髓發(fā)育有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。在年輕的aNSCs中過表達DBX2會導(dǎo)致NSC增殖減少，并且轉(zhuǎn)錄組會發(fā)生類似于衰老aNSCs中的變化。因此，降低DBX2表達水平在改善老年個體神經(jīng)發(fā)生上可能具有潛在治療優(yōu)勢。
盡管尚不知道在衰老過程中這些表觀基因組標記受到怎樣的影響，但多項研究還是揭示了來自于胚胎干細胞ESCs或新生小鼠的qNSCs及aNSCs之間的全基因組表觀遺傳學(xué)差異。研究人員常用H3K27ac（histone H3 lysine 27 acetylation）（一個與增強子相關(guān)的染色質(zhì)標記）和p300（一種結(jié)合增強子的轉(zhuǎn)錄輔助激活物）的共定位來鑒定由ESCs分化的NSCs中全基因組沉默與激活的增強子。靜息細胞中的增強子表現(xiàn)出對NFI （Nuclear Factor One, NFI）轉(zhuǎn)錄因子家族基序的富集。缺失NFIX（Nuclear Factor One X, NFIX）（在Nfix-/-小鼠中）會減少新生小鼠海馬中qNSCs的比例，表明NFIX是靜息狀態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。研究人員還通過長程結(jié)合相互作用的表觀基因組分析，例如ChIA-PET（chromatin interaction analysis with paired-end tag sequencing）發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄因子如何結(jié)合，以調(diào)節(jié)NSC的穩(wěn)態(tài)。此外，對新生小鼠前腦來源的aNSCs進行的ChIP-seq（chromatin immunoprecipitation sequencing）和ChIA-PET，揭示出SOX2結(jié)合位點主要位于啟動子和增強子中。SOX2是NSC維持穩(wěn)態(tài)的重要轉(zhuǎn)錄因子，其缺失會導(dǎo)致NSC自我更新缺陷。SOX2增強子-啟動子的相互作用對于調(diào)節(jié)Socs3基因（JAK/STAT信號抑制因子）非常重要，過表達SOCS3可以改善在Sox2-/- NSCs中的自我更新缺陷。然而，NFIX和SOX2及其靶基因如何隨年齡變化而影響NSC衰老尚不清楚。
在衰老的神經(jīng)微環(huán)境中，全基因組的表觀遺傳變化分析已經(jīng)揭示了潛在的治療靶點，如DBX2和TET2。然而，到目前為止，大多數(shù)研究都是在整個組織樣本或在培養(yǎng)的細胞中進行的。因此，有必要使用單細胞表觀基因組分析（例如scATAC-seq [single-cell assay for transposase-accessible chromatin using sequencing]）來鑒定各細胞類型內(nèi)及其之間的異質(zhì)表觀基因組調(diào)節(jié)。此外，在衰老過程中，對微環(huán)境中離體的特定細胞群體進行更多樣性的表觀遺傳標記物分析，將為如何恢復(fù)年輕的表觀遺傳修飾狀態(tài)及微環(huán)境提供關(guān)鍵信息。
細胞周期和細胞衰老的調(diào)控
NSCs有效進入細胞周期的能力隨衰老而下降。參與細胞周期調(diào)控的基因，包括腫瘤抑制因子，在NSC的穩(wěn)態(tài)和激活中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些相同的細胞周期調(diào)節(jié)因子參與了細胞衰老的起始，可能與衰老過程中干細胞庫的減少有關(guān)。接下來，文章將討論如何調(diào)控基因表達來維持細胞靜息和增殖之間的平衡，這對于保證終身神經(jīng)發(fā)生和避免過早的干細胞衰竭與細胞衰老至關(guān)重要。
p16INK4a是細胞周期的負調(diào)控因子，細胞衰老（一種以不可逆的細胞周期停滯和明顯的形態(tài)和轉(zhuǎn)錄變化為特征的細胞狀態(tài)）的重要生物標志物。SVZ中p16INK4a的表達隨衰老顯著增加，并可能通過抑制aNSCs和NPCs的細胞周期而導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)生的減少。在中年小鼠中，p16INK4a抑制海馬中對運動響應(yīng)的NSC增殖。這種抑制可能是由p16INK4a誘導(dǎo)衰老的能力介導(dǎo)的。事實上，p16INK4a的上調(diào)由去除單核細胞的白血病鋅指蛋白（monocytic leukemia zinc-finger protein, MOZ）驅(qū)動，確實會導(dǎo)致ESC來源的NSCs復(fù)制性衰老。在來自下丘腦體外培養(yǎng)的NSCs中，p16INK4a位點的上游抑制因子非編碼RNA Hnscr的表達隨衰老而下降。在體內(nèi)，敲低下丘腦NSCs中Hnscr的表達會促進細胞衰老，導(dǎo)致認知能力（即對新物體的識別能力）下降。相同地，降低p19ARF（另一個與p16INK4a基因位點相同的抑癌基因）mRNA水平可以通過組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶對基因座的表觀基因組調(diào)控，避免原代NSCs（來自早衰小鼠模型——SAMP8小鼠的SVZ）衰老表型的產(chǎn)生。總的來說，這些研究表明，細胞周期負調(diào)控因子（例如p16INK4a和p19ARF）的表達增加，會導(dǎo)致NSCs的衰老表型，并且似乎在一定程度上導(dǎo)致衰老過程中NSCs神經(jīng)潛能降低。
相反地，細胞周期正調(diào)控因子（例如PCGF4[Polycomb family member BMI-1]和CDKs[cyclindependent kinases]）能夠促進NSC的增殖，提高認知能力。BMI-1是已知的細胞周期抑制劑的轉(zhuǎn)錄阻遏物，包括p19ARF/Mdm2/p53，BMI-1的上調(diào)可增強海馬NSCs中的自我更新。此外，通過慢病毒在老年小鼠（16月齡）海馬NSCs中同時過表達CDK4和cyclin D1促進了海馬神經(jīng)發(fā)生，并改善了與衰老相關(guān)的認知障礙。
然而，令人驚訝的是，在小鼠中低水平過表達細胞周期負調(diào)控因子（p16INK4a/p19ARF/p53），增加了老年個體SVZ和DG中的NSCs數(shù)量，并改善了認知能力。細胞周期負調(diào)控因子低水平過表達的有益作用，可能是由于它們能夠防止干細胞庫過早衰竭。因此，細胞周期調(diào)控因子表達的時機和水平是維持NSC持久健康的關(guān)鍵。總體而言，細胞周期調(diào)節(jié)因子（如p16INK4a，p19ARF，p53和BMI-1）在調(diào)節(jié)NSC活力和神經(jīng)發(fā)生中的關(guān)鍵作用，已讓研究人員將其定位為衰老NSC再生的潛在治療靶標。但是，這些途徑受到精細地調(diào)控。研究人員仍需做進一步的工作以確定正確的表達量與時機，以改善NSC的健康，而不會無意中引起干細胞衰竭或細胞衰老。
微環(huán)境和炎癥在NSC衰老中的作用
NSCs位于大腦內(nèi)部復(fù)雜而專門的微環(huán)境中，該環(huán)境包含不同的細胞類型，并受多種系統(tǒng)性及局部因素的影響。NSC可以整合來自微環(huán)境的信號，以將其激活狀態(tài)和細胞命運與組織需求聯(lián)系起來。NSC微環(huán)境的細胞組成，它們對系統(tǒng)或局部信號的響應(yīng)，甚至其物理性質(zhì)（例如硬度）在衰老的過程中都會改變。在本節(jié)中，我們探討了與衰老相關(guān)的微環(huán)境變化（例如系統(tǒng)或局部的細胞外信號或其他細胞類型）如何影響并促進衰老過程中神經(jīng)發(fā)生減少及最新進展（總結(jié)于圖3）。盡管尚不清楚NSC對這些外部信號做出反應(yīng)的許多機制，但它們很可能會通過影響上述的內(nèi)在途徑來影響NSC功能。在未來，更好地了解NSC衰老的外在和內(nèi)在調(diào)節(jié)因素之間的相互作用將會非常有趣。
圖3. 微環(huán)境和炎癥在NSC衰老中的作用 在衰老過程中，NSC微環(huán)境（描繪了SVZ區(qū)域）中發(fā)生的變化（左，年輕；右，年老）。微環(huán)境中炎癥增加，突出表現(xiàn)為炎性細胞因子增加，小膠質(zhì)細胞活化和T細胞浸潤。
系統(tǒng)性血液因子和局部因子
血液中的系統(tǒng)性因子在NSC衰老過程中起重要作用。異體共生研究將年輕小鼠和老年小鼠的循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合在一起，發(fā)現(xiàn)了年輕和年老血液對DG中神經(jīng)發(fā)生和SVZ區(qū)域中神經(jīng)微環(huán)境的正面及負面影響。研究人員已經(jīng)確定多種系統(tǒng)性因子和信號通路介導(dǎo)這些效應(yīng)，其中許多與免疫相關(guān)。炎癥細胞因子CCL11/Eotaxin和主要組織相容性復(fù)合體（major histocompatibility, MHC）I類成分b2-微球蛋白在衰老血液中升高，并且對年輕動物的神經(jīng)發(fā)生和認知有負面影響。相比之下，循環(huán)轉(zhuǎn)化生長因子GDF11在年輕血液中含量更高，并且對衰老的SVZ區(qū)域中的NSCs有正面影響。但是GDF11在再生中的能力還不清楚。TIMP2是人類臍帶血漿中發(fā)現(xiàn)的一種金屬蛋白酶抑制劑，當(dāng)系統(tǒng)性注射到老年小鼠中時，可改善突觸可塑性及認知能力。然而，注入TIMP2后海馬中的新生神經(jīng)元數(shù)量并沒有變化。這表明TIMP2的作用與神經(jīng)發(fā)生無關(guān)，其可能是通過改變細胞外基質(zhì)的性質(zhì)來發(fā)揮功能的。這些因子是否通過直接作用于微環(huán)境細胞，或間接使微環(huán)境變?yōu)榈脱装Y狀態(tài)來介導(dǎo)它們對神經(jīng)發(fā)生的作用，還有待確定。除系統(tǒng)性因素外，Notch, Wnt, sonic hedgehog和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenic proteins, BMPs）等局部形態(tài)發(fā)生因子在胚胎發(fā)育過程中也很重要，并在整個生命過程中調(diào)控著NSCs的穩(wěn)態(tài)。海馬中的Wnt信號上調(diào)可以改善與衰老相關(guān)的神經(jīng)發(fā)生減少及認知能力下降。Notch信號在維持SVZ和海馬微環(huán)境中NSC靜息和激活方面起著重要作用，并且在衰老過程中也可能至關(guān)重要。
脈絡(luò)膜叢和腦脊液
脈絡(luò)膜叢是腦室中一層上皮細胞，可產(chǎn)生腦脊液，并構(gòu)成血液-腦脊液屏障，整合來自兩個系統(tǒng)的信號。分析側(cè)腦室脈絡(luò)膜叢分泌物組對新鮮純化的NSCs體外生長的影響表明，SVZ的aNSCs對脈絡(luò)叢分泌因子的衰老相關(guān)變化非常敏感。具體來說，可以誘導(dǎo)NSC增殖的因子，例如BMP5和IGF1，在老年小鼠的脈絡(luò)膜叢分泌物中已經(jīng)耗盡。老年脈絡(luò)叢也表現(xiàn)出與I型干擾素（type I interferon, IFN-I）反應(yīng)（即IFNα和IFNβ）相對應(yīng)的表達譜。值得注意的是，通過將抗IFNα受體的抗體輸送到腦脊液來阻斷IFN-I信號傳導(dǎo)，可以改善老年小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生和認知功能。下丘腦NSCs可在第三腦室分泌胞外體到腦脊液。因此，下丘腦微環(huán)境的NSCs可能不僅受腦脊液的影響，還可能參與影響衰老過程的系統(tǒng)性變化。脈絡(luò)叢和腦脊液將大腦環(huán)境的變化（包括衰老過程中的炎癥信號）傳遞給NSC微環(huán)境，并在此過程中起著至關(guān)重要的作用。
內(nèi)皮細胞和周細胞
大腦的血管系統(tǒng)（內(nèi)皮細胞和周圍的周細胞）在循環(huán)系統(tǒng)和腦實質(zhì)之間形成了一個稱為血腦屏障的緊密調(diào)控界面。最近的研究表明，神經(jīng)微環(huán)境中內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)錄組隨著衰老而急劇向炎癥性轉(zhuǎn)錄組的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。內(nèi)皮細胞和周細胞可以分泌諸如胎盤生長因子2（placental growth factor 2, PlGF-2）等因子。這些因子可促進從年輕小鼠SVZ中分離出的NSCs的增殖。然而，在中年小鼠中，內(nèi)皮細胞開始大量產(chǎn)生一種通過TGF-β和SMAD3信號觸發(fā)NSC凋亡的炎性細胞因子——轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）。相同地，通過遺傳或藥理學(xué)方法抑制TGF-β通路能夠改善老年小鼠的神經(jīng)發(fā)生。此外，在老年腦的內(nèi)皮細胞中，血管細胞粘附分子（vascular cell adhesion molecule, VCAM1）也表現(xiàn)出了局部上調(diào)。研究人員發(fā)現(xiàn)通過遺傳途徑或全身注射VCAM1抗體，降低內(nèi)皮細胞中VCAM1水平，可以逆轉(zhuǎn)老年血漿對年輕小鼠大腦中的負面影響，并增加老年小鼠海馬中NSCs的數(shù)量。盡管眾所周知VCAM1可促進血管-免疫細胞相互作用，但在衰老過程中，VCAM1可能會將血細胞與內(nèi)皮細胞綁定在一起，不允許其轉(zhuǎn)運，從而可能引起內(nèi)皮細胞的慢性炎癥。內(nèi)皮細胞的炎癥狀態(tài)可能繼而導(dǎo)致小膠質(zhì)細胞活化（見下文），抑制NSC增殖，并造成認知障礙。因此，恢復(fù)衰老大腦內(nèi)皮細胞的功能可能有助于減輕炎癥，改善NSC減少及大腦功能。
小膠質(zhì)細胞
小膠質(zhì)細胞是大腦中常駐的免疫細胞。這些細胞在腦實質(zhì)中巡查，通過吞噬作用，吞噬和降解細胞外物質(zhì)來維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。小膠質(zhì)細胞的吞噬活性在新生的NPCs變成神經(jīng)細胞之前通過令其凋亡將其清除，有助于維持成年海馬神經(jīng)微環(huán)境的動態(tài)平衡。此外，在海馬NSCs的培養(yǎng)中加入吞噬小膠質(zhì)細胞的分泌體，或直接將其注射到年輕的成年小鼠海馬中均會限制新神經(jīng)元的產(chǎn)生。但是，在衰老過程中，小膠質(zhì)細胞的吞噬功能受損，這可能導(dǎo)致細胞碎片和聚集物在微環(huán)境中的積累，并可能擾亂NSC微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。小膠質(zhì)細胞通常也通過產(chǎn)生生長因子和細胞因子，來促進海馬和SVZ中的神經(jīng)發(fā)生。但衰老過程中持續(xù)的炎癥將會導(dǎo)致小膠質(zhì)細胞活化增強（即分泌炎性細胞因子的增殖性小膠質(zhì)細胞），隨后SVZ和海馬的NSC增殖會有所減少。因此，改善老年大腦小膠質(zhì)細胞的功能，在微環(huán)境中不僅可以增強其他細胞（例如NSCs）的功能，還可以促進免疫細胞的清除而減少其浸潤。
T細胞浸潤
長期以來，特別是在生理條件下，大腦被認為是一個免疫特權(quán)器官。然而，有趣的是，免疫細胞（例如T細胞）卻能浸潤到老年小鼠和人類的大腦中。研究人員通過對整個SVZ微環(huán)境的單細胞測序發(fā)現(xiàn)老年SVZ中有CD8+ T細胞浸潤，并通過免疫細胞化學(xué)染色在老年小鼠和人類中進行了驗證。T細胞受體測序顯示，大腦中T細胞是克隆性增殖的。這表明它們可能會識別大腦中的特定抗原，從而浸潤到大腦中，而不是被動地通過衰老的血腦屏障擴散。這些T細胞可能被腦特異性抗原和趨化因子的結(jié)合吸引到衰老的神經(jīng)微環(huán)境。令人興奮的是，他們或許可以識別衰老NSCs中來自聚集蛋白的新抗原，例如在帕金森癥和多發(fā)性硬化癥中，T細胞能夠分別識別α-突觸核蛋白和β-突觸核蛋白。
浸潤性T細胞是SVZ微環(huán)境中IFNγ的主要來源。眾所周知，IFNγ在成體神經(jīng)微環(huán)境中起著抗增殖的作用。這表明T細胞的積累可能會導(dǎo)致與衰老相關(guān)的神經(jīng)衰退。實際上，IFN響應(yīng)與SVZ中NSC增殖的減少有關(guān)。有趣的是，抑制IFN信號傳導(dǎo)（使用IFNα和IFNγ受體敲除小鼠）對老年動物SVZ中NSC的增殖有較強的促進效果。類似地，抑制響應(yīng)IFNγ釋放的趨化因子CXCL10減少了qNSCs的數(shù)量，并增加了衰老SVZ中神經(jīng)微環(huán)境中成神經(jīng)細胞生產(chǎn)的數(shù)量，這揭示了炎癥與NSC無法在衰老大腦中激活之間的因果關(guān)系。因此，盡管浸潤的T細胞可能在發(fā)育過程中具有有益作用（成年早期T細胞缺陷的小鼠，海馬中神經(jīng)發(fā)生及空間學(xué)習(xí)能力顯著降低），但它們在衰老過程中可能由于分泌炎癥性細胞因子等原因，對NSCs產(chǎn)生有害作用。
探究發(fā)育和衰老過程中浸潤的T細胞和NSCs之間的關(guān)系，以及T細胞從發(fā)育過程中的保護作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻ψ饔茫赡苡捎谒ダ洗竽X炎癥中的T細胞毒性）的過程將會十分有趣的。探索不同的神經(jīng)微環(huán)境如何響應(yīng)免疫細胞浸潤和炎癥信號也非常重要。例如，Iκβ激酶（Iκβ kinase, IKKβ）和其下游的核因子-κB（Nuclear Factor κB, NF-κB）的促炎途徑損傷了下丘腦神經(jīng)微環(huán)境中成年NSC的存活，增殖和分化，并導(dǎo)致小鼠的肥胖及前驅(qū)糖尿病。因此，阻斷T細胞或減輕衰老神經(jīng)微環(huán)境中的炎癥水平可能是恢復(fù)衰老大腦功能的有效策略。
腦膜淋巴管和淋巴系統(tǒng)
大腦的腦膜中包含背側(cè)和基底淋巴管，有助于將腦脊液和腦膜免疫細胞排入頸淋巴結(jié)。此外，“膠質(zhì)細胞”系統(tǒng)（膠質(zhì)細胞相關(guān)的淋巴系統(tǒng)）可能與淋巴管相連，并且研究人員已證明其與β-淀粉樣蛋白清除有關(guān)。腦膜淋巴管和淋巴系統(tǒng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周免疫系統(tǒng)之間構(gòu)建了新的潛在聯(lián)系。有趣的是，腦膜淋巴系統(tǒng)在衰老過程中也會功能下降，并且用光動力藥物（Visudyne）破壞腦膜淋巴管會導(dǎo)致年輕小鼠的認知障礙。雖然增強腦膜淋巴系統(tǒng)功能可改善老年小鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力，但不會促進這些小鼠海馬中分裂的NSCs數(shù)量增加。盡管如此，探索腦膜淋巴管和淋巴系統(tǒng)如何與神經(jīng)微環(huán)境相互作用，以及在衰老過程中，腦膜淋巴管和淋巴系統(tǒng)如何整合影響NSCs和神經(jīng)微環(huán)境中其他細胞，還是令人興奮的。
室管膜細胞
室管膜細胞排列在腦心室壁上，形成一層上皮細胞。室管膜纖毛的協(xié)同搏動有助于腦脊液動態(tài)更新，這對于NSCs交換營養(yǎng)因子和代謝物，以及清除大腦中的代謝廢物和毒素至關(guān)重要。盡管qNSCs和室管膜細胞在發(fā)育過程中來源于共同的放射狀膠質(zhì)細胞祖細胞，并具有共同的表型標記物（SOX2、SOX9、NESTIN和CD133），但這兩種細胞在成體大腦中有著不同的形態(tài)和功能。以α-平滑肌肌動蛋白（Smooth Muscle Actin, SMA）為標記物，通過流式細胞熒光分選技術(shù)（Fluorescence-Activated Cell Sorting, FACS）分離出的室管膜細胞與NSCs在轉(zhuǎn)錄上不同，在體外或體內(nèi)正常誘導(dǎo)NSCs增殖的促生長條件下，室管膜細胞不會增殖。單細胞測序證實室管膜細胞不具有NSC的功能。但是，室管膜細胞纖毛對腦脊液動態(tài)更新的調(diào)控能夠影響NSCs的功能和神經(jīng)發(fā)生，這在衰老過程中可能至關(guān)重要。例如，在小鼠中室管膜纖毛的搏動對于成神經(jīng)細胞向嗅球的定向遷移是必須的。在衰老的過程中，室管膜細胞積聚中間絲、致密體和脂滴，纖毛逐漸減少。此外，在老年小鼠中，室管膜細胞纖毛簇更加紊亂，導(dǎo)致擴展心室區(qū)域中纖毛完全缺失。盡管尚未直接實驗證實，但這些與衰老相關(guān)的室管膜細胞變化可能導(dǎo)致神經(jīng)衰退并對成神經(jīng)細胞的遷移產(chǎn)生負面影響。因此，準確揭示室管膜細胞如何將信號從心室和脈絡(luò)叢傳遞到SVZ微環(huán)境，以及它們在衰老過程中經(jīng)歷的變化，可能有助于探索應(yīng)對NSC和腦功能衰退的策略。
神經(jīng)元輸入
神經(jīng)微環(huán)境嵌入大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并與之進行交互。在海馬中，來自parvalbumin蛋白陽性的中間神經(jīng)元的GABAergic神經(jīng)元負責(zé)維持NSC的靜息，而其本身受內(nèi)側(cè)隔核的遠距離調(diào)控。海馬苔蘚細胞是支配成熟顆粒細胞和局部中間神經(jīng)元的谷氨酸能神經(jīng)元，它也通過對NSCs谷氨酰胺的直接神經(jīng)支配，調(diào)控NSC和中間神經(jīng)元的激活，從而促進NSC的靜息，進而促進了這種循環(huán)。同樣，SVZ的前腹側(cè)也受到來自下丘腦的POMC（Proopiomelanocortin, POMC）神經(jīng)元的支配，POMC能促進NSC的增殖和深顆粒神經(jīng)元的生成。有趣的是，饑餓和飽足狀態(tài)可影響依賴于POMC神經(jīng)元途徑的NSC增殖。盡管所有這些研究都是在年輕動物中進行的，但這些研究表明，通過電刺激或通過進食間接向下丘腦輸入信號來調(diào)控衰老NSC微環(huán)境的神經(jīng)回路，或許能夠改善NSC功能及神經(jīng)發(fā)生。
從SVZ和海馬微環(huán)境生成的新生神經(jīng)元，必須在功能上整合到現(xiàn)有的神經(jīng)回路中才能存活。在嗅球中，新生神經(jīng)元整合到顆粒細胞和血管小球?qū)又?，在其中充?dāng)中間神經(jīng)元。長期體內(nèi)成像顯示，新生神經(jīng)元不競爭而是非選擇性地向嗅球中整合。在海馬中，未成熟的新生神經(jīng)元遷移到DG的顆粒細胞層，并分化為齒狀顆粒細胞。新整合的神經(jīng)元為學(xué)習(xí)提供了新的基礎(chǔ)，并可能促進新記憶的形成。令人興奮的是，通過暫時性過表達成熟顆粒細胞中樹突的負轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子KLF9（Kruppel-Like factor 9, KLF9）來促進成年齒狀顆粒細胞的整合，能夠促進DG中新神經(jīng)元的再生，并改善老年小鼠的認知功能。然而，是否有新生神經(jīng)元替代大腦中衰老的神經(jīng)元和功能喪失的神經(jīng)元，或者它們是否取代了其他神經(jīng)元（尤其是DG中的）還有待確定。另外，隨著新細胞的整合，原有的回路也會被改變，這可能會使已建立的記憶在以后更難被回憶起。因此，確保新生神經(jīng)元整合到正確的回路中，對于恢復(fù)衰老大腦的功能同樣至關(guān)重要。
神經(jīng)微環(huán)境間的異同
盡管在SVZ和海馬微環(huán)境之間有許多共有的調(diào)控NSC譜系的分子機制，但是在不同的區(qū)域，一些信號通路對NSC調(diào)節(jié)有拮抗作用。例如，在生命早期，IFN信號對于維持海馬的神經(jīng)發(fā)生是非常重要，而在衰老過程中，這一通路的過度激活則會對SVZ的神經(jīng)微環(huán)境產(chǎn)生負面影響。相似地，抑制p38絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）信號（一條協(xié)調(diào)炎癥、增殖和凋亡的重要信號通路）可緩解衰老相關(guān)的海馬神經(jīng)發(fā)生減少，抑制老年小鼠SVZ分離的NSCs中p38信號也同樣提高了其神經(jīng)潛能。此外，來自海馬和SVZ的NSCs在長期動態(tài)更新上存在差異。海馬中NSCs大量不對稱分裂，導(dǎo)致神經(jīng)元的產(chǎn)生和NSCs的減少；而SVZ的NSCs經(jīng)歷了對稱的自我更新和分裂，使其在之后能夠同時進行自我更新和神經(jīng)元的產(chǎn)生。通過對SVZ和海馬微環(huán)境之間異同以及它們衰老相關(guān)調(diào)控機制的更加全面的了解，將幫助我們在促進老年大腦再生的一般策略和特殊策略上產(chǎn)生新的認識。
NSCs和疾?。号c衰老和轉(zhuǎn)化潛能的關(guān)聯(lián)
由于NSCs所具有的再生能力，涉及NSC的治療干預(yù)有可能改善大腦的病理性表型。因此，NSCs如何受到疾病狀態(tài)的影響，以及如何利用這一影響來改善病理狀態(tài)，將是一個令人非常感興趣的研究方向。
神經(jīng)退行性疾病
隨著年齡的增長，神經(jīng)發(fā)生能力下降，患神經(jīng)退行性疾病（包括阿爾茨海默癥和帕金森氏癥）的風(fēng)險逐漸增加。最近的一項研究表明，人類阿爾茨海默癥的進展伴隨著海馬體新生神經(jīng)元數(shù)量和成熟程度的下降，且比非病理性衰老過程中的下降更為顯著。這一現(xiàn)象與“神經(jīng)發(fā)生減少可能是阿爾茨海默癥病理學(xué)部分誘因”的觀點一致。因此，NSCs產(chǎn)生功能性新生神經(jīng)元的能力引起了人們對通過移植NSC或激活患病大腦中已有NSCs進行治療的興趣。將人NSC移植到海馬體附近的淀粉樣前體蛋白（Amyloid Precursor Protein, APP）/早老素1（Presenilin1, PS1）阿爾茨海默癥小鼠模型中，可減輕淀粉樣斑塊負荷，改善海馬體依賴性認知功能。在阿爾茨海默癥小鼠模型中，移植胎鼠NSCs可提高認知能力，減少淀粉樣蛋白加工，增加抗炎細胞因子分泌，并恢復(fù)突觸損傷。然而，這種移植療法只有在疾病進展到晚期之前有效，這表明干細胞移植的時機對提供治療的效果至關(guān)重要。對于其他神經(jīng)退行性疾病，如帕金森氏?。≒arkinson’s Disease, PD）、肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）、亨廷頓氏?。℉untington’s Disease, HD）和多發(fā)性硬化癥（Multiple Sclerosis, MS），也進行了類似的概念性移植研究。找出激活常駐NSCs的方法可能是一個潛在的、更有效的改善神經(jīng)退行性病變的策略。同時在阿爾茨海默癥小鼠模型中增加海馬體神經(jīng)發(fā)生水平和升高腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（Brain-Derived Neurotropic Factor, BDNF）水平可以改善認知能力，盡管僅僅增加神經(jīng)發(fā)生并不能帶來認知水平的提高。同樣需要注意的是，NSC衍生的新生神經(jīng)元在功能上不同于那些在疾病進展過程中死亡的神經(jīng)元。因此，需要進一步的研究來評估所觀察到的NSC移植或激活的有益效果是由于新生神經(jīng)元整合到疾病損傷的神經(jīng)回路（如帕金森疾病中的多巴胺能神經(jīng)元）的結(jié)果，還是由于現(xiàn)有神經(jīng)回路的重塑（即通過產(chǎn)生其它特定因素實現(xiàn)）。
中風(fēng)
中風(fēng)時，由于動脈閉塞或破裂導(dǎo)致的大腦缺氧（缺血），NSCs的再生潛能被激活。缺血性損傷（一種常見的中風(fēng)模型）后，駐留的NSCs接收到激活和分化為膠質(zhì)細胞的信號，形成“膠質(zhì)瘢痕”，神經(jīng)元遷移到損傷部位，可以改善嚙齒動物和人類的神經(jīng)病理。然而，隨著年齡的增長，NSCs的再生能力急劇下降，限制了它們修復(fù)中風(fēng)后損傷的能力。外源性NSCs移植有可能促進老年中風(fēng)患者的缺血性損傷恢復(fù)。將人NSCs（來源于胎兒腦組織或誘導(dǎo)多能干細胞[Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs]）注射到小鼠中風(fēng)模型的同側(cè)海馬體內(nèi)，可減小梗死體積，降低促炎因子表達，并改善中風(fēng)所致的行為缺陷。將人NSCs（來源于胎兒腦組織）與小分子神經(jīng)保護劑（3K3A活化蛋白C）聯(lián)合應(yīng)用于小鼠動脈閉塞后的缺血模型，可增加神經(jīng)元生成，促進突觸回路修復(fù)，并改善缺血后恢復(fù)的功能。刺激內(nèi)源性NSC而不是在缺血損傷后移植也引起了人們極大的興趣。例如，用腦活素（一種神經(jīng)營養(yǎng)肽的混合物）治療中風(fēng)后的大鼠，可以增加SVZ神經(jīng)發(fā)生和少樹突發(fā)生，并改善神經(jīng)功能。類似地，中風(fēng)后注射GDF11可增加SVZ的NPC數(shù)量，并改善小鼠的神經(jīng)元再生。然而，損傷后NSCs的持續(xù)激活也會導(dǎo)致干細胞衰竭，耗盡大腦終生的再生庫。因此，在NSC活化和衰竭之間找到一個平衡點是至關(guān)重要的。另外，由于新生神經(jīng)元功能整合不當(dāng)，移植外源性NSCs可能會產(chǎn)生有害影響。事實上，中風(fēng)后海馬神經(jīng)發(fā)生可能會損害時間和空間記憶的表現(xiàn)，新生神經(jīng)元可能會不恰當(dāng)?shù)卣系揭延械暮ｑR回路中。在這種情況下，抑制海馬神經(jīng)發(fā)生（使用替莫唑胺或結(jié)合遺傳模型[Nestin Cre ERT2/NSE-DTA]）實際上可以改善記憶保持。這些結(jié)果強調(diào)需要更好地了解神經(jīng)元回路整合和突觸重塑，以利用NSCs的再生潛能治療中風(fēng)患者。
癌癥
NSCs的高增殖能力增加了其突變的風(fēng)險，使其更容易成為某些腦癌（如膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細胞瘤）的誘因。事實上，膠質(zhì)母細胞瘤始發(fā)細胞與非病理性NSCs非常相似。例如，?；o酶A結(jié)合蛋白（Acyl-Coa-Binding Protein, ACBP）是一種只在星形膠質(zhì)細胞、NSCs和NPCs中表達的增殖因子，在膠質(zhì)母細胞瘤細胞中高度表達并促進腫瘤的發(fā)生。此外，對人類膠質(zhì)母細胞瘤樣本的深度測序顯示，SVZ的NSCs含有低水平的驅(qū)動突變，與相應(yīng)的原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤的突變圖譜相匹配，提示NSCs可能是人類膠質(zhì)母細胞瘤的起源細胞。因此，了解NSC活化和增殖的過程有助于揭示腫瘤發(fā)生的分子觸發(fā)因素，并為腦癌提供新的治療方法。此外，通過預(yù)防潛在的膠質(zhì)母細胞瘤的形成，它將有助于確保NSC移植和內(nèi)源性激活等轉(zhuǎn)化療法的安全性。
恢復(fù)衰老神經(jīng)元微環(huán)境的干預(yù)措施
雖然NSC水平和神經(jīng)發(fā)生潛能在衰老過程中下降，并對其功能帶來有害的后果，但這種下降并非不可避免。如上所述，靶向NSCs中特定的分子途徑和代謝細胞器，如TFEB，溶酶體，轉(zhuǎn)錄因子和線粒體，可以改善老年人NSC的功能。盡管這種分子干預(yù)手段很有前景，一個有趣的平行研究涉及通過生活方式干預(yù)來改善NSC和大腦功能。到目前為止，有三種干預(yù)措施顯示出了恢復(fù)衰老神經(jīng)元微環(huán)境的最大潛力：飲食、運動和全身血液因子（圖4）。
圖4. 恢復(fù)衰老神經(jīng)元微環(huán)境的干預(yù)措施 本研究比較了三種有希望的干預(yù)措施，以恢復(fù)衰老神經(jīng)元的微環(huán)境（腦室下區(qū)[the Sub-Ventricular Zone, SVZ]和海馬齒狀回[Dentate Gyrus, DG]）。飲食干預(yù)分為三個子類（熱量限制[Caloric Restriction, CR]、間歇禁食[Intermittent Fasting, IF]和禁食模擬飲食[Fasting-Mimicking Diet, FMD]）。運動分為中度和劇烈兩組。全身因素分為血液和血漿。這些干預(yù)措施的神經(jīng)保護作用在各種疾病和損傷中進行評估：阿爾茨海默癥（AD）、帕金森?。≒D）、亨廷頓?。℉D）、多發(fā)性硬化癥（MS）、中風(fēng)和創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）。問號表示支持該主張的證據(jù)相互沖突或不足。
飲食干預(yù)手段
飲食干預(yù)措施，如飲食限制和間歇禁食，可以說是迄今為止最成熟的長壽干預(yù)措施，已被證明具有多種健康益處并可延長小鼠的壽命。研究已經(jīng)開始探究飲食干預(yù)是否可以防止年齡依賴性神經(jīng)發(fā)生能力衰退，甚至對神經(jīng)發(fā)生有恢復(fù)作用。例如，從幼年（4月齡）開始，小鼠的熱量攝入減少40%，可以保護SVZ不受年齡依賴性神經(jīng)發(fā)生能力下降的影響，并提高嗅覺記憶能力。在基礎(chǔ)條件下，間歇禁食3個月可增加中年小鼠DG和SVZ新生神經(jīng)元的增殖和存活。間歇性禁食也限制了與缺血性損傷相關(guān)的細胞死亡的程度，并導(dǎo)致生理上的改善，如感覺運動障礙的減少。然而，在缺血性損傷的情況下，間歇性禁食不能促進新生神經(jīng)元的生成，這表明觀察到的神經(jīng)保護作用是神經(jīng)元細胞死亡減少而不是神經(jīng)發(fā)生增加的結(jié)果。其他間斷性的禁食模式，如隔日喂養(yǎng)，伴隨著DG中增厚的錐體細胞層，并導(dǎo)致認知能力的改善，如學(xué)習(xí)和記憶的改善，這表明禁食和神經(jīng)發(fā)生之間可能存在聯(lián)系。由于長期的飲食限制難以堅持，其他的飲食干預(yù)措施，如已經(jīng)研究出模擬禁食飲食（Fasting-Mimicking Diet, FMD）以證明限制熱量攝入對健康的益處，同時提高對方案的遵守性。從16個月開始，每月吃兩次FMD飲食4天，小鼠的平均壽命延長了11.3%，評估短期記憶、長期記憶和學(xué)習(xí)的認知測試成績也有所提高。同時還伴隨著海馬神經(jīng)發(fā)生的增加（在23個月大的動物中通過BrdU摻入和雙皮質(zhì)醇[Doublecortin, DCX]染色進行測量）。因此，飲食干預(yù)有可能改善神經(jīng)發(fā)生，對神經(jīng)損傷給予保護作用，并為機體保持整體的健康和長壽。
飲食干預(yù)對NSCs有益的分子機制尚待確定，但營養(yǎng)感應(yīng)途徑，包括mTOR和胰島素樣生長因子信號，可能起著關(guān)鍵作用，因為它們在調(diào)節(jié)細胞代謝和維持NSC穩(wěn)態(tài)方面很重要。關(guān)鍵是要確定這些干預(yù)措施的益處是由于禁食、自噬等過程被激活，還是由于對特定“有害”營養(yǎng)素（如葡萄糖或游離油酸）的攝入總體減少所致。特定的營養(yǎng)素也可能在保存或恢復(fù)NSCs活力方面發(fā)揮重要作用。例如，飲食限制（Dietary Restriction, DR）和隨機的低蛋白、高碳水化合物（Low-Protein, High-Carbohydrate, LPHC）飲食對老年小鼠海馬體生物學(xué)和認知功能有積極影響。同樣，生酮飲食可以重現(xiàn)DR帶來的的壽命延長和健康的益處，甚至可以改善老年動物的記憶力。因此，調(diào)節(jié)飲食中某些營養(yǎng)素的水平，在改善NSC功能和整體大腦健康方面，可能與大幅度減少進食量一樣有效。
鍛煉
運動有助于對抗年齡依賴性的認知能力下降，這是通過短期和長期記憶以及執(zhí)行功能的打分來衡量的。自發(fā)有氧運動促進小鼠和大鼠成年海馬神經(jīng)發(fā)生，促進老年海馬新生顆粒細胞神經(jīng)元的發(fā)育和整合。然而，并非所有形式的運動對改善大腦健康都有同樣的效果。自發(fā)運動對成年大鼠海馬神經(jīng)發(fā)生的益處似乎比強迫訓(xùn)練更大。此外，盡管中等強度和疲勞運動可以增加青少年小鼠（2月齡）海馬神經(jīng)元的分化和遷移，但只有適度的運動才能提高細胞增殖和存活率。與疲勞運動相比，適度的運動也會導(dǎo)致海馬神經(jīng)發(fā)生顯著的增加，伴隨著認知功能的改善，如增強空間分辨力，而這在疲勞組是不存在的。因此，與其他形式的運動相比，適度的有氧運動在神經(jīng)微環(huán)境中可能具有最具活力恢復(fù)的效果。
令人興奮的是，對于某些神經(jīng)退行性疾病，如帕金森和阿爾茨海默癥，運動也可以作為一種神經(jīng)保護干預(yù)措施。在具有共濟失調(diào)表型的轉(zhuǎn)基因小鼠中，自發(fā)跑步可以延長壽命，改善運動功能障礙。這些生理上的改善伴隨著小腦少突膠質(zhì)形成的增加以及隨后VGF分泌介導(dǎo)的新生髓鞘的形成。在一個阿爾茨海默癥小鼠模型中，運動增加了海馬神經(jīng)發(fā)生，改善了認知能力，并減少了β-淀粉樣蛋白負荷。當(dāng)神經(jīng)發(fā)生和BDNF水平同時提高時，運動的這些有益效果可以被重現(xiàn)，這表明運動可以提高系統(tǒng)因子（如BDNF）和神經(jīng)發(fā)生的水平，從而改善神經(jīng)退行性疾病的病理學(xué)表征。
盡管運動誘發(fā)的益處的分子機制在很大程度上仍不清楚，尤其是在老年動物身上，但最近的證據(jù)表明，跑步誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)發(fā)生和空間記憶改善依賴于組織蛋白酶B（一種已知在人類和猴子運動時表達的蛋白水解酶）的分泌。如活化的血小板等全身性因素，也被認為是運動的神經(jīng)發(fā)生益處的介質(zhì)。運動誘導(dǎo)的血小板活化促進年輕成年小鼠（8-10周齡）海馬NSC的增殖，并在體內(nèi)增加隨后的神經(jīng)發(fā)生。這種NSC的增強可能是由血小板因子4介導(dǎo)的，它足以增加DG中DCX+未成熟神經(jīng)元的水平。確定血小板因子4如何影響老年動物將是一件有趣的事。盡管急性運動會導(dǎo)致肌肉損傷時炎癥反應(yīng)加劇，但定期有氧運動至少部分通過減少全身炎癥來發(fā)揮其有益作用，如腫瘤壞死因子α（Tumor Necrosis Factor Alpha, TNF-α）和IFNγ等炎癥細胞因子水平較低。在年輕（8周齡）和中年（8月齡）小鼠海馬體中跑步的神經(jīng)發(fā)生有益效應(yīng)與小膠質(zhì)細胞的密度成反比，小膠質(zhì)細胞通常會導(dǎo)致老年性神經(jīng)炎癥?？紤]到衰老神經(jīng)微環(huán)境的炎癥狀態(tài)，有人推測運動對老年人神經(jīng)發(fā)生的積極作用也可能是由于衰老微環(huán)境中細胞和環(huán)境的炎癥狀態(tài)降低所致。
血液因子
另一個有希望的再生策略是給老年動物注射年輕的血液或其中的因子，以改善日益衰退的神經(jīng)發(fā)生和認知能力。如上所述，老年海馬體和SVZ中受損的神經(jīng)發(fā)生和認知功能可以通過異體共生年輕血液來改善。老年血液中因子的稀釋和年輕血液中因子的存在可能是異體共生對糖尿病具有積極作用的基礎(chǔ)。事實上，注射年輕血漿足以改善情境恐懼條件下的認知能力以及空間學(xué)習(xí)和記憶，盡管還不清楚這些是由于神經(jīng)發(fā)生的改善還是神經(jīng)元功能本身的原因。盡管小規(guī)模的人體臨床試驗對常規(guī)血液注射的安全性和可行性進行了評估，并獲得了可喜的結(jié)果，但對老年人普及使用年輕血液的臨床挑戰(zhàn)（以及潛在的倫理問題）依舊促使人們不斷努力，以確定年輕血液中能夠獨立產(chǎn)生健康益處和增加神經(jīng)發(fā)生的特定因素。還需要做更多的工作來從年輕的血液中找出能夠使衰老的神經(jīng)微環(huán)境恢復(fù)活力的特定因子，并確定效應(yīng)細胞。
思考這些不同干預(yù)措施對于神經(jīng)發(fā)生的益處，一個有趣的假設(shè)是，兩個或多個這些策略的組合應(yīng)用可能會產(chǎn)生相加甚至是協(xié)同的有益效果。附加的“恢復(fù)”策略，如體內(nèi)部分重編程或微生物群轉(zhuǎn)移，也可以使衰老的NSCs恢復(fù)活力，改善與年齡相關(guān)的感覺運動衰退。雖然還需要進一步的研究來確定每種策略的具體作用機制，但飲食干預(yù)、運動因素和血液因子的潛在協(xié)同效益有望成為促使大腦從生理性和病理性衰老中恢復(fù)的策略。
脊椎動物的神經(jīng)發(fā)生
脊椎動物神經(jīng)發(fā)生的進化
在所有已有研究的脊椎動物中研究者都觀察到了成體神經(jīng)發(fā)生，但不同物種之間的神經(jīng)發(fā)生能力有很大的差異。例如，兩棲動物和硬骨動物的大腦中有許多神經(jīng)起源區(qū)域，并顯示出顯著的神經(jīng)發(fā)生和腦再生能力。相比之下，包括人類在內(nèi)的哺乳動物在脊椎動物中表現(xiàn)出相對較低的神經(jīng)發(fā)生潛能，他們再生潛能有限，神經(jīng)微環(huán)境較少，盡管它們在整個生命周期內(nèi)仍能產(chǎn)生新生神經(jīng)元。雖然新生神經(jīng)元的產(chǎn)生在胚胎和幼年發(fā)育過程中是必要的，但目前尚不清楚為什么進化壓力會選擇在成體大腦中不斷生成新生神經(jīng)元，尤其是考慮到其導(dǎo)致的癌癥形成風(fēng)險的增加。事實上，長期以來人們一直認為成體神經(jīng)發(fā)生是一種沒有功能益處的進化遺留物。然而，似乎越來越有可能的是，成體神經(jīng)發(fā)生正處于進化的積極選擇之下，這不僅是因為它在發(fā)生腦損傷時具有再生的益處，而且還增加了大腦的可塑性，提高了有機體在一生中整合新信息的能力。這也許是鳴禽大腦（一個重要的歷史性的研究成體神經(jīng)發(fā)生的模型）提供的最好的例證，成年雄椋鳥在學(xué)習(xí)新歌的能力上表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性可塑性，這是物種性選擇的一個組成部分。成體神經(jīng)發(fā)生在嚙齒類動物交配行為中也起著重要作用，因為SVZ中NSCs產(chǎn)生的嗅球神經(jīng)元可能通過嗅覺信息參與配偶選擇。事實上，局部照射SVZ破壞雌性小鼠嗅球神經(jīng)發(fā)生，可能是因為檢測雄性特異性氣味的能力降低，導(dǎo)致配偶選擇受損，最終導(dǎo)致其與雄性小鼠的異常社交互動，但與雌性的社交行為不受影響。
人類神經(jīng)發(fā)生：爭議、挑戰(zhàn)以及未來的道路
雖然人類的大腦長期以來被認為是一個完全終末分化器官，但在20多年前，一項開創(chuàng)性的研究表明癌癥患者大腦中的細胞有分裂行為。從那時起，許多研究試圖解釋這個問題，通常依賴于死后人腦的碳年代測定和免疫染色技術(shù)。研究者在人類側(cè)腦室壁中觀察到了NSCs和神經(jīng)母細胞。然而，盡管在小鼠和其他哺乳動物的嗅球中植入了SVZ產(chǎn)生的新神經(jīng)元，但在人類的嗅球中產(chǎn)生的新神經(jīng)元幾乎可以忽略不計。相反，來自人類SVZ的新神經(jīng)元整合在成年人紋狀體中，靠近側(cè)腦室壁。這些新生神經(jīng)元是否來源于SVZ中真正的NSCs，以及它們是否具有功能作用還沒有直接檢測證明。因此，我們需要更多的工作來更好地理解神經(jīng)發(fā)生在成體SVZ中的重要性以及它是如何受到衰老的影響的。
多年來一直爭論不休的一個關(guān)鍵問題是，神經(jīng)發(fā)生是否發(fā)生在人類海馬體的DG區(qū)域（該區(qū)域?qū)W(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要）。盡管一些研究報告了缺乏青春期后人類神經(jīng)發(fā)生的證據(jù)，但另一些研究卻發(fā)現(xiàn)了相反的情況：成年后持續(xù)的人類神經(jīng)發(fā)生，在衰老過程中略有下降。神經(jīng)母細胞的數(shù)量也與認知狀態(tài)相關(guān)，認知能力好的個體中有更多的神經(jīng)母細胞。這些結(jié)果表明神經(jīng)發(fā)生可能與人類的認知功能有關(guān)。
為了辨析詮釋來自不同研究的相反結(jié)果，還需要做更多的工作。例如，比較染色的方案、保存來自人類捐贈者的樣本和死后采集的時間，將有助于解決這些差異。重要的是，單細胞RNA-seq技術(shù)的進步將有助于推動這一領(lǐng)域的發(fā)展，為NSCs的免疫識別提供更為特異的細胞標記，以及可以跨物種比較的轉(zhuǎn)錄組特征。事實上，最近一個來自成體嗅覺神經(jīng)上皮的單細胞RNA測序數(shù)據(jù)集將具有NSCs和神經(jīng)祖細胞特征的細胞進行了分辨。在基礎(chǔ)條件（如大多數(shù)研究方案）和神經(jīng)發(fā)生應(yīng)改善的條件（如在人類運動或甚至腦損傷后）之間評估神經(jīng)發(fā)生是很有趣的。對人類的分析有助于為促進神經(jīng)發(fā)生和改善人類衰老大腦功能提供新的途徑。
NSC衰老研究的結(jié)論與前沿進展
NSCs具有使老年大腦年輕化和改善與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的潛力。在過去的幾年中，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了NSCs在衰老過程中發(fā)生的內(nèi)在和外在的變化。同時，改善健康和/或壽命的干預(yù)措施（如飲食限制、運動、血液因子等）已被證明可以改善老年人的神經(jīng)發(fā)生能力。將從這兩個領(lǐng)域獲得的知識結(jié)合起來，人們可以加速開發(fā)專門和有針對性的干預(yù)措施以恢復(fù)老年人的大腦功能。新技術(shù)的出現(xiàn)和改進（如單細胞測序、多組學(xué)、全基因組篩選和創(chuàng)新醫(yī)學(xué)成像技術(shù)）會進一步提高我們對衰老如何影響NSC及其微環(huán)境的理解，以及NSCs如何與腦回路以及系統(tǒng)和組織信號相互作用（圖5）。
圖5. 衰老NSC研究的前沿進展 新技術(shù)的出現(xiàn)和改進（圖中右半部分）將進一步加深我們對衰老如何影響NSCs及其微環(huán)境，以及NSCs如何與大腦回路、系統(tǒng)和組織信號相互作用的理解。
在單細胞水平上的下一代測序技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，如單細胞RNA-seq、單細胞ATAC-seq或單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)，將在分析中捕捉單個細胞的基因組、表觀基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)圖譜。這些技術(shù)的研究將有助于完善我們對NSC的激活和分化的中間階段的理解。下一個前沿研究將是利用STARmap或Slide-seq等技術(shù)，在原位整合所有這些分子和細胞信息，以提供微環(huán)境的空間和“組學(xué)”信息。
在原位觀察NSC的激活和分化將為研究衰老過程中神經(jīng)微環(huán)境的動態(tài)變化提供有價值的見解?；铙w成像可以在原位觀察NSC的命運，包括它們的對稱和不對稱分裂以及新生神經(jīng)元整合到原有的回路中。譜系追蹤是另一個強有力的工具，可以用來理解NSCs的細胞命運決定，尤其是自我更新與分化的程度。使用CRISPR-Cas9或Cre重組的高級譜系追蹤工具將有助于揭示在正常衰老和疾病期間，NSC譜系中的細胞命運如何隨著時間的推移而變化，以及對促進神經(jīng)發(fā)生的干預(yù)措施的反應(yīng)。這些在譜系追蹤和成像方面的進展將有助于解決該領(lǐng)域的突出問題，例如單個NSC持續(xù)存在并繼續(xù)產(chǎn)生新生神經(jīng)元的程度，以及衰老大腦中神經(jīng)元更新的程度和功能重要性。
利用不同種類的CRISPR技術(shù)進行高通量功能性基因篩選可以揭示NSC衰老的新分子機制。此外，通過將老年健康或患病個體的成纖維細胞直接重編程為NSCs的能力，可以加強對NSC衰老過程的機理研究。最后，通過調(diào)整人腦器官系統(tǒng)來研究大腦衰老和相關(guān)疾病，可以更深入地研究神經(jīng)微環(huán)境及其如何隨時間變化。
神經(jīng)微環(huán)境中的許多衰老機制仍然是個謎。例如，神經(jīng)微環(huán)境與大腦中周圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用，特別是這種相互作用如何隨年齡的增長而受到影響，目前還不清楚。組織光學(xué)清除技術(shù)與超分辨率成像相結(jié)合可以幫助揭示NSC微環(huán)境的神經(jīng)元輸入和輸出。光遺傳學(xué)或相關(guān)的方法也可以用來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動和確定對神經(jīng)微環(huán)境的影響。諸如人類連接體圖譜的定位可能有助于揭示神經(jīng)回路和NSC微環(huán)境之間的相互作用，以及它們是如何受到年齡和疾病干擾的。最后，進一步研究神經(jīng)微環(huán)境與機體系統(tǒng)性衰老之間的相互影響是至關(guān)重要的。例如，了解晝夜節(jié)律、睡眠、生殖內(nèi)分泌狀況或微生物組分對衰老過程中神經(jīng)發(fā)生功能的系統(tǒng)性影響，可能對于理解間接影響NSC再生的長期誘因至關(guān)重要。
在群體水平上，個體間的變異性正在成為衰老的一個決定性方面，它可以反映衰老進程和大腦功能的差異。個體暴露在不同的環(huán)境和行為活動中，這些活動在一生中不斷地改變大腦。有趣的是，老年大鼠個體的空間記憶功能的差異與海馬體新生神經(jīng)元數(shù)量呈正相關(guān)。同樣，生活在同一大環(huán)境中的近交系小鼠在探索行為方面的個體差異越來越大，這種差異與海馬神經(jīng)發(fā)生的差異具有相關(guān)性。了解個體之間這些差異的來源和后果，可以為恢復(fù)衰老神經(jīng)微環(huán)境提供新的策略，并可能制定個性化和精確的醫(yī)療治療。
這些技術(shù)和概念上的進步為更好地理解NSC衰老的分子機制提供了前所未有的機會，并為開發(fā)大腦再生藥物提供新思路。隨著全球人口結(jié)構(gòu)向老齡化轉(zhuǎn)變，對抗腦衰老的關(guān)鍵點在于如何維持或促進腦功能的健康狀態(tài)，而非局限于延長壽命的長壽策略。
責(zé)編：李蘭竹
排版：陸小炮
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