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翻译 By 孙晓燕 杨远涵 熊沐钊 张慧 在衰老的过程中，记忆与认知能力衰退常常伴随其左右。虽然也有宋代陆游“健忘闲何害？贪眠老正宜”般的豁达，但是研究人员在探索如何延缓记忆与认知能力衰退的道路上却从来没有放慢脚步。今天小编要跟大家分享斯坦福大学Anne Brunet 教授团队2020年7月发表在Cell Stem Cell杂志上，题为“Aging and Rejuvenation of Neural Stem Cells and Their Niches”的综述文章。这篇文章对神经干细胞代谢、遗传调控和微环境对其衰老与再生的影响因素，以及目前已知的干预神经干细胞衰老、恢复记忆与认知能力的靶点与措施进行了详细总结。 通讯作者：Anne Brunet （图片来源于网络） 摘要 衰老对大脑具有长久且破坏性的影响。衰老普遍会伴随认知功能下降和患脑部疾病（包括癌症和神经退行性疾病）的风险增加。一个关键的问题是具有再生能力的细胞是否有助于大脑健康，甚至使大脑“年轻化”。本篇综述讨论了调控神经干细胞(neural stem cells, NSCs)衰老的机制，重点关注了代谢、遗传和微环境等因素。除此之外，本文还概述了目前使衰老NSCs年轻化的新兴策略。最后，本文讨论了在生理和病理性衰老过程中这些新技术如何增强神经干细胞功能进而恢复大脑健康。 引言 与其他器官相比，大脑具有协调高级认知功能的能力，因此对机体来说至关重要。但是脑功能会随着年龄的增长而下降。同时，神经退行性疾病（如阿尔茨海默症和帕金森病）以及脑癌（例如神经胶质瘤）的发病率在老年人中激增。尽管大脑中的所有细胞类型都会在衰老过程中受到影响，并可能导致生理性功能衰退和疾病，但是成年大脑中驻留的NSCs能够生成新的神经元（即神经发生）并恢复大脑部分功能。因此，在衰老过程中维持健康的干细胞储存库对于改善大脑整体健康并降低神经退行性疾病和癌症的发生率至关重要。 成年哺乳动物大脑有两个主要的NSC储存库（称为“神经微环境”[neurogenic niches]）：侧脑室下区(subventricular zone, SVZ)和海马齿状回(dentate gyrus, DG)（图1）。此外，近期有文章报道下丘脑是第三个神经微环境。本篇综述主要侧重于SVZ和海马神经微环境，但也略有涉及下丘脑神经微环境。神经微环境是含有多种不同类型细胞的特化微环境，包括NSC谱系细胞以及血管内皮细胞和小胶质细胞。 图1. 衰老过程中的神经发生 NSC增殖和产生新神经元的能力在发育后急剧下降，并在衰老过程中持续下降，这与年龄有关的神经退行性疾病发生率增加相关（该图显示了神经发生和神经退变的概念轨迹）。成年哺乳动物的大脑含有两个NSC储存库：海马的DG和侧脑室的SVZ（青绿色）。这些神经微环境含有可以被激活以产生活跃增殖神经干细胞(aNSCs)的静息态神经干细胞(qNSCs)。aNSCs具有分化为神经元、少突胶质细胞或星形胶质细胞的潜能。 NSC谱系的始端由静息态神经干细胞(quiescent NSCs, qNSCs)组成，它们通常处于休眠状态，被激活后可生成具有增殖能力的神经干细胞。激活态的神经干细胞(activated NSCs, aNSCs)可以产生神经祖细胞(Neural Progenitor Cells, NPCs)，神经祖细胞主要可以分化为新的神经元，小部分分化为星形胶质细胞和少突胶质细胞。SVZ和海马神经微环境在整体细胞组成和神经发生潜力上具有相似性。但是，这些神经微环境在周转动力学（对称分裂与不对称分裂）、产生胶质细胞的能力（少突胶质细胞与星形胶质细胞）以及对脑功能的贡献度等方面存在差异。 在SVZ中，NSCs位于“风车(pinwheel)”结构内，并与大脑的脉管系统和侧脑室中的脑脊液(Cerebrospinal Fluid, CSF)相接。SVZ神经干细胞产生的神经祖细胞可以沿着喙侧迁移流迁移，在啮齿动物的嗅球或在人的纹状体中产生新的神经元。SVZ神经发生对于啮齿动物的各种嗅觉功能很重要，例如气味识别和嗅觉学习记忆。有趣的是，小鼠的SVZ神经干细胞能够被损伤（如中风）激活，以产生新的神经元和星形胶质细胞，从而有助于修复脑损伤。 在海马神经微环境中，NSCs位于DG内颗粒细胞层的边界，其产生的神经母细胞能够沿颗粒下区域迁移，产生颗粒神经元。海马神经发生有助于小鼠的学习、记忆形成以及应激适应。人类海马神经发生的水平和持续时间一直存在争议，但是在成年人中确实存在具有再生潜力的神经发生区域。 在衰老过程中，NSC增殖并产生新神经元的能力急剧下降。体内标记和显微镜检查显示，衰老过程中SVZ和海马神经微环境的神经发生减少。这种减弱可能涉及多个细胞过程，如休眠的NSC增加、NSC自我更新减弱、神经元命运决定的衰退以及NSC死亡。随着年龄的增长，神经发生的减弱会伴随着学习和记忆能力下降以及嗅觉辨别减弱，这表明与年龄有关的NSC缺陷可能会造成广泛的功能衰退。老年人的神经发生下降与认知障碍和神经退行性疾病有关。因此，这一领域的关键问题可能包括以下几个方面：包含NSCs的神经发生区域在生命周期中是如何变化的？不同的神经微环境是依赖于不同的还是相似的机制？年老大脑中分裂的细胞与年轻大脑中已分裂并产生神经元的细胞是否相同？如何利用NSCs的再生潜能来促进脑内稳态和修复？ 本篇综述讨论了最近发现的导致脊椎动物神经发生衰老的相关机制，主要包括内在因素（如代谢和遗传调控）和外在因素（如系统性因子和其他类型细胞）。同时还回顾了NSCs与脑部疾病之间的联系，以及在衰老过程中缓解NSCs衰退的新兴策略。此外，本文还从人类神经发生的角度推测了脊椎动物神经发生的进化作用。最后，本文介绍了新技术的发展如何从分子、微环境、大脑和机体角度帮助我们理解NSCs衰老，并提供了新的方法来缓解甚至逆转与年龄有关的神经发生衰退。 NSC衰老过程中的营养感应途径、代谢和蛋白质稳态 神经微环境对营养获得和信号传递的变化（包括衰老过程中发生的变化）十分敏感。神经微环境中的各种细胞类型具有不同的代谢和蛋白质稳态需求，具体取决于其状态（如静息态NSC和活跃增殖的NSC）。本节主要回顾了NSC衰老和再生过程中上述变化具有重要作用的证据。 营养感应途径 营养感应途径，如胰岛素/胰岛素生长因子1(Insulin Growth Factor 1, IGF1)-FOXO途径，是重要的进化保守的衰老调节途径，对于SVZ和DG中NSCs的功能维持是必不可少的。例如，胰岛素/IGF1途径的下游效应物FOXO转录因子(FOXOs)的丧失会导致NSC储存库的过早耗竭。同样地，FOXO上游PTEN磷酸酶的丢失也会引起NSCs的耗竭，尽管PTEN丢失的早期会刺激NSCs增殖。最近的研究表明，在年轻的NSCs中通过条件性敲除IGF1受体(IGF1 receptor, IGF1R)可以抑制IGF1信号传导（导致FOXO激活），进而改善SVZ的神经发生，增加新生神经元的棘密度，并增强嗅觉学习能力。总之，这些结果表明，抑制胰岛素/IGF1信号传导（以及激活FOXO）有利于NSC储存库的长期维持。胰岛素/IGF1下游信号传导途径（如mTOR途径）的抑制也可能会有助于NSCs的维持。然而，值得注意的是，增强IGF1信号传导也可以促进海马和嗅球神经发生过程中神经元的分化和组织化，进而提高神经元功能。因此，周期性的改变胰岛素/IGF1信号强度可能有助于维持干细胞储存库，同时增强NSCs的增殖和神经元分化。周期性的禁食会改变胰岛素和IGF1的水平，从而增强海马体神经发生和认知能力。 线粒体 线粒体能够维持衰老过程中NSCs的状态，因此具有重要作用。从SVZ或海马体中分离的NSCs的转录组学分析显示，qNSCs表达参与β-氧化的基因（β-氧化部分发生在线粒体中），而aNSCs表达参与线粒体氧化磷酸化的基因。事实上，成年海马体中qNSCs和aNSCs的线粒体在形态上也有所不同。qNSCs中线粒体是细长形的，而aNSCs中的线粒体为球形和管状。在衰老过程中，SVZ qNSCs中的线粒体分布更分散且逐渐远离核周。而衰老会导致海马体aNSCs中线粒体分布更密集、电位下降、ATP水平降低。用吡乙酰胺（一种用于治疗与年龄有关的认知功能下降的药物）恢复衰老aNSCs中线粒体的功能可以改善老年小鼠海马体神经发生。同样，异位表达过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α (Proliferator-Activated Receptor Gamma Coactivator 1α, PGC1α，一种通过激活线粒体生物发生和代谢相关基因转录而增强细胞有氧能力的因子)也可以改善SVZ中的神经发生。由于aNSCs和qNSCs需要依赖线粒体来有效地控制细胞新陈代谢，因此恢复老年个体中线粒体的功能可以改善整个NSC谱系的细胞功能，进而从总体上增强神经发生。 脂质代谢 脂质代谢作为NSCs调控的重要环节逐渐被关注，但其在NSC衰老过程中的作用仍然不明。脂肪酸氧化(Fatty Acid Oxidation, FAO)介导的脂质降解对于维持年轻海马体内qNSCs的静息状态十分重要。体外实验发现，通过添加丙二酰辅酶A抑制FAO能够诱导NSCs退出静息状态，增强NSCs增殖。FAO是造血干细胞、肠道干细胞和肌肉干细胞静息状态的主要调控过程。其是否随NSC衰老而发生变化还未得到证实。但是，科研人员发现在肠道干细胞，FAO随年龄的增长而降低，这表明FAO在衰老过程中可能起着维持qNSCs的保护作用。相反，海马体中年轻的aNSCs能够通过脂肪酸合成酶(Fatty Acid Synthase, FASN)依赖的脂质从头合成途径上调脂质的产生。体内抑制FASN消除了跑步对小鼠海马神经发生和认知功能的有益影响。小鼠和人类海马NSCs的增殖也需要FASN发挥合适功能。因此，维持aNSCs的脂肪生成对于抵抗衰老过程中NSCs的耗竭可能是必不可少的。神经微环境中其他细胞的脂质积累也可能间接地导致NSCs衰老。例如，单不饱和脂肪酸油酸的饮食习惯会导致室管膜细胞中脂质滴的形成，这与SVZ中神经发生的减少有关（在阿尔茨海默症小鼠模型3xTg-AD中）。同样，肥胖会导致SVZ中含有过多脂肪沉积的衰老神经胶质细胞的积聚，清除衰老的神经胶质细胞可以恢复SVZ微环境的神经发生。未来有多个问题需要特别关注，如特定的脂质在衰老过程中如何调节NSCs的功能，脂质是否可能在新陈代谢之外的过程，如膜稳态和信号传导中发挥关键作用。考虑到饮食干预的可塑性，调节饮食中的脂质组成可能是衰老NSC“年轻化”的新方法。 蛋白质稳态 原始蛋白质组的稳定对于必须长期维持功能的细胞（如NSCs）来说至关重要。NSCs及其后代细胞利用不同的策略来维持蛋白质稳态(proteostasis)：qNSCs及其分化后代主要依赖溶酶体自噬途径，而aNSCs则利用活性蛋白酶体和伴侣蛋白。在衰老过程中，来自SVZ的qNSCs中溶酶体自噬途径功能受损，导致其退出静息状态的能力下降，从而减弱了其增殖能力。但是，这种下降是可避免的。如在原代培养的年老SVZ的qNSCs中，过表达能够激活溶酶体自噬途径的关键转录因子(Transcription Factor EB, TFEB)提高了这些衰老qNSCs退出静息状态的能力。在造血干细胞和线虫中曾报道过溶酶体自噬途径在静息期的作用（并且发现其随年龄增长而下降），这表明在衰老qNSCs中靶向该途径可能改善休眠细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原代培养细胞中，FOXO家族成员FOXO3能够调节诱导自噬基因。分化后细胞（即新神经元）主要依靠溶酶体自噬途径来维持健康的蛋白质组。通过FOXO转录因子诱导自噬可以调节成年小鼠新生海马神经元的形态和棘密度。因此，在老年个体中靶向自噬途径可能通过改善qNSCs、aNSCs及新生神经元的功能而产生多种有益作用。 在衰老过程中aNSCs的蛋白酶体功能逐渐恶化，进而可能导致细胞的增殖能力降低。随着年龄的增长，SVZ aNSCs中蛋白酶体组分的表达下降。在幼年小鼠体内以及体外培养细胞中，通过过表达PSMB5（20S蛋白酶体复合物的组成部分）或18α-GA（蛋白酶体激活剂）来增强蛋白酶体的活性能够增强NSCs的增殖能力。但是，蛋白酶体活性的增加是否也能促进老年人NSCs的增殖还有待确定。同样，其他的增殖性干细胞储存库（包括胚胎干细胞和诱导型多能干细胞）也具有较高的蛋白酶体活性，这可能就是其具有“永生”特征的原因。增强衰老的增殖干细胞储存库中蛋白酶体的活性可能有助于缓解蛋白质稳态应激并恢复其再生潜力。 伴侣蛋白网络也随着衰老而减弱，并会影响aNSCs和其后代细胞。伴侣蛋白在NSCs分化过程中被重塑：增殖的NSCs表达高水平的伴侣蛋白TRiC/CCT，而分化后的细胞表达小热休克蛋白。海马体aNSCs中的TRiC/CCT蛋白水平随衰老发生下降。因此，确定伴侣蛋白网络对衰老过程中NSCs功能和分化的影响以及其与蛋白稳态网络其他分支的相互作用也是十分重要的。 蛋白质聚集体 衰老过程中蛋白稳态的下降导致蛋白聚集体积累。有趣的是，年轻的成体qNSCs已经含有蛋白质聚集体，而年轻的aNSCs却很少有蛋白质聚集体。这些结果表明，静息状态的干细胞可能耐受蛋白质聚集体能力更强，或者他们需要易聚集的蛋白来完成特定的功能，但是这些易聚集的蛋白可能在衰老过程中带来有害影响。刚从SVZ分离出来的衰老qNSCs中蛋白聚集体比年轻细胞多，这与衰老细胞中的溶酶体自噬功能下降相一致。从海马体中分离的qNSCs也含有蛋白质聚集体。由中间丝波形蛋白介导的蛋白酶体在这些蛋白质聚集体中的定位对于细胞从静息状态到增殖状态的转变是非常重要的。 aNSCs和qNSCs之间蛋白质聚集体含量的差异可以通过蛋白质合成速率和蛋白稳态策略的不同来解释。aNSCs的蛋白酶体在消除蛋白质聚集体方面可能更高效，且蛋白酶体和自噬诱导的结合也可能有助于高效地去除蛋白质聚集体。此外，增殖的NSCs中伴侣蛋白TRiC/CCT的高表达也可能有助于维持错误折叠蛋白的可溶性。最后，由于aNSCs是增殖性干细胞，其可能在细胞分裂和分化过程中稀释或差异分散了蛋白质聚集体。当年轻的aNSCs分裂时，内质网(Endoplasmic Reticulum, ER)形成了一个物理屏障，将受损的蛋白质分离到了非干性的子细胞中，从而保护了aNSCs免受蛋白水解压力的影响。在原代培养的老年小鼠海马体的aNSCs中，这种物理屏障随着年龄的增长而减弱，这使得细胞分裂过程中受损蛋白质在干细胞和非干细胞之间均等分布，进而加重了aNSCs中蛋白水解的负担。蛋白水解负担的增加可能通过减慢NSCs的增殖速度或进入一个更静息的状态而导致NSCs功能的年龄依赖性受损。蛋白聚集体中的某些特定蛋白质也可能参与NSCs功能缺陷，但无论是年轻还是年老的NSCs，其蛋白质聚集体的组成仍然完全未知。 NSC中营养感应、代谢和蛋白稳态的偶联 总的来说，qNSCs、aNSCs及其后代中不同代谢和蛋白质稳态策略可能是这些细胞类型之间基本功能存在差异的原因（图2）。休眠的、不分裂的qNSCs具有较低的代谢需求，并采用能长期产生能量的机制，如溶酶体自噬途径和FAO。相反，活跃分裂的aNSCs具有更高的代谢和蛋白质合成速率，因此它们主要依赖于氧化磷酸化（一种高效的能量产生过程），并且会上调脂质生成代谢。活跃增殖的aNSCs还需要伴侣蛋白和活性蛋白酶体来清除短寿命的蛋白质（如细胞周期调节因子）以及受损或未折叠的蛋白质，以防止它们形成可能损害其功能或转移至子代的大聚集体。尽管新陈代谢和蛋白水解过程都会随着年龄的增长而下降，但这种下降可以被缓解。诱导自噬不仅可以促进蛋白质聚集体的清除，而且还可以降解有缺陷的线粒体（线粒体自噬，mitophagy），促进脂质的降解（脂质自噬，lipophagy）以产生用于氧化磷酸化的游离脂肪酸。同样，减少营养摄入或阻断营养感应途径（胰岛素/IGF1和mTOR）也可以激活协调新陈代谢和蛋白质稳态的转录因子（FOXO和TFEB），进而改善NSCs功能。鉴于这些途径之间相互联系，在衰老NSCs中仅靶向单一途径也可能恢复其他相关途径，从而整体上改善NSCs功能。 营养感应、新陈代谢和蛋白水解途径的调控也可能随着年龄的增长而出现差异，这取决于细胞类型甚至是神经微环境。有趣的是，由于生物代谢调节的许多途径都是非细胞自主的，因此一个神经微环境的年龄依赖性变化可能也会影响其他区域。例如，下丘脑NSCs中代谢调节途径也可能参与机体代谢的调节。了解不同途径的相互作用及其在神经微环境内或整个生物体内的特定作用，对于探索应对NSC衰老的策略至关重要。 图2. NSCs衰老涉及的细胞通路 图中显示了衰老过程中维持NSCs及其分化后细胞稳态的细胞和代谢途径。 NSCs衰老过程中转录组、表观基因组和细胞周期变化 衰老NSCs神经发生能力的下降在一定程度上是因为其转录和表观基因组发生变化进而影响干细胞功能。在这些变化中，细胞周期调节因子的表达变化已成为NSCs激活、耗竭和衰老的关键，因为它们可以很容易地进行调节以改善衰老NSCs的功能。 衰老NSC微环境的转录组分析 分析NSCs转录组能够全面快速地寻找受年龄影响最大的细胞过程和途径。年轻和衰老的小鼠SVZ星形胶质细胞、qNSCs、aNSCs和NPCs的RNA测序(RNA-seq)显示了qNSC和aNSC状态的基本转录组差异。在衰老过程中，静息态细胞（星形细胞和qNSCs）比增殖细胞（aNSCs和NPCs）经历了更多的转录变化，包括蛋白稳态（溶酶体和蛋白酶体）的变化。同样地，体外培养的幼鼠和衰老小鼠的SVZ aNSCs转录组几乎没有差异。由于aNSCs来自qNSCs，因此这些结果给人们带来了许多有趣的启发，如瞬时aNSCs群体的快速增殖和分化可能会阻止转录变化的积累。另外，激活过程可能从功能上重塑了qNSCs的衰老标志，从而使其转录组更“年轻”。 揭示衰老如何影响复杂组织（如神经微环境）道路上的一大阻碍就是细胞异质性。单细胞RNA-seq技术的快速发展已经帮助科研人员揭示了SVZ和海马体中神经微环境细胞类型和转录图谱的年轻年老差异。通过捕获连续分化谱系中单个细胞的转录组，科研工作者已经鉴定出了神经激活和分化过程中的中间细胞状态，以及NSCs整个分化过程中的关键变化基因。整个SVZ微环境单细胞转录组的分析表明，大多数与年龄相关的转录变化发生在特定的细胞群体（小胶质细胞、内皮细胞、少突胶质细胞、星形胶质细胞和qNSCs）中，所有这些细胞都表现出强烈的年龄相关干扰素信号上调。单细胞RNA-seq分析还显示，老年小鼠SVZ中qNSCs和aNSCs群体数量明显减少，这与先前通过免疫荧光染色和溴脱氧尿苷(BrdU)掺入实验的数据相符。总的来说，这些单细胞转录组学研究已经建立了全面的神经微环境细胞图谱，并揭示了随着年龄增长，细胞组成的变化（NSCs的的减少）以及特定细胞群体（如小胶质细胞）转录组的变化。确定这些年龄相关的变化中哪些可以通过已知的“年轻化”干预措施（例如饮食变化）来逆转是一个非常值得探究的问题。 染色质修饰和表观基因组变化 研究人员对衰老过程中NSCs的表观基因组及染色质状态进行了分析，揭示了衰老如何影响细胞身份及功能等关键信息。由于表观基因组标记的可逆性，鉴别NSC衰老过程中负责调控表观基因组的酶是一种有吸引力的治疗干预策略。 历史上，许多研究致力于探究DNA甲基化及其上游修饰因子（例如DNA甲基转移酶）在胚胎和成体神经发生中的作用。最近，研究开始关注整个衰老过程中全基因组DNA甲基化变化的特征。有研究证明，在海马中5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine, 5hmC）的总体水平随衰老而下降，并且与衰老相关的神经发生减少有所关联。同时，TET2（通过氧化作用催化5-甲基胞嘧啶（5-methyl cytosine, 5mC）形成5hmC）的mRNA水平也会随衰老而降低。在体内，减少年轻海马NPCs中TET2表达（通过在Tet2flox/ flox小鼠或NestinCre-ERT2小鼠中注射他莫昔芬）会降低小鼠神经发生和认知能力，揭示了一种细胞自主效应。相反地，通过慢病毒在成年小鼠的DG中过表达TET2，能够增加小鼠海马中新生神经元的数量，并改善其空间学习能力与记忆能力。因此，在中年动物中过表达或激活TET2，可能是增强衰老动物神经发生和认知能力的一种策略。 组蛋白甲基化标记（histone H3 lysine 4 trimethylation [H3K4me3], histone H3 lysine 27 trimethylation [H3K27me3]）和DNA甲基化标记（5mc, 5hmC）的全基因组分析，揭示了来自年轻和年老SVZ区域中aNSCs在培养过程中的变化。尽管表观基因组（和转录组）差异相对较少，但研究人员还是发现了与Dbx2基因位点相关的调控标记随衰老而变化。Dbx2基因位点编码一个与脊髓发育有关的转录因子。在年轻的aNSCs中过表达DBX2会导致NSC增殖减少，并且转录组会发生类似于衰老aNSCs中的变化。因此，降低DBX2表达水平在改善老年个体神经发生上可能具有潜在治疗优势。 尽管尚不知道在衰老过程中这些表观基因组标记受到怎样的影响，但多项研究还是揭示了来自于胚胎干细胞ESCs或新生小鼠的qNSCs及aNSCs之间的全基因组表观遗传学差异。研究人员常用H3K27ac（histone H3 lysine 27 acetylation）（一个与增强子相关的染色质标记）和p300（一种结合增强子的转录辅助激活物）的共定位来鉴定由ESCs分化的NSCs中全基因组沉默与激活的增强子。静息细胞中的增强子表现出对NFI （Nuclear Factor One, NFI）转录因子家族基序的富集。缺失NFIX（Nuclear Factor One X, NFIX）（在Nfix-/-小鼠中）会减少新生小鼠海马中qNSCs的比例，表明NFIX是静息状态的关键调节因子。研究人员还通过长程结合相互作用的表观基因组分析，例如ChIA-PET（chromatin interaction analysis with paired-end tag sequencing）发现了转录因子如何结合，以调节NSC的稳态。此外，对新生小鼠前脑来源的aNSCs进行的ChIP-seq（chromatin immunoprecipitation sequencing）和ChIA-PET，揭示出SOX2结合位点主要位于启动子和增强子中。SOX2是NSC维持稳态的重要转录因子，其缺失会导致NSC自我更新缺陷。SOX2增强子-启动子的相互作用对于调节Socs3基因（JAK/STAT信号抑制因子）非常重要，过表达SOCS3可以改善在Sox2-/- NSCs中的自我更新缺陷。然而，NFIX和SOX2及其靶基因如何随年龄变化而影响NSC衰老尚不清楚。 在衰老的神经微环境中，全基因组的表观遗传变化分析已经揭示了潜在的治疗靶点，如DBX2和TET2。然而，到目前为止，大多数研究都是在整个组织样本或在培养的细胞中进行的。因此，有必要使用单细胞表观基因组分析（例如scATAC-seq [single-cell assay for transposase-accessible chromatin using sequencing]）来鉴定各细胞类型内及其之间的异质表观基因组调节。此外，在衰老过程中，对微环境中离体的特定细胞群体进行更多样性的表观遗传标记物分析，将为如何恢复年轻的表观遗传修饰状态及微环境提供关键信息。 细胞周期和细胞衰老的调控 NSCs有效进入细胞周期的能力随衰老而下降。参与细胞周期调控的基因，包括肿瘤抑制因子，在NSC的稳态和激活中发挥着关键作用。这些相同的细胞周期调节因子参与了细胞衰老的起始，可能与衰老过程中干细胞库的减少有关。接下来，文章将讨论如何调控基因表达来维持细胞静息和增殖之间的平衡，这对于保证终身神经发生和避免过早的干细胞衰竭与细胞衰老至关重要。 p16INK4a是细胞周期的负调控因子，细胞衰老（一种以不可逆的细胞周期停滞和明显的形态和转录变化为特征的细胞状态）的重要生物标志物。SVZ中p16INK4a的表达随衰老显著增加，并可能通过抑制aNSCs和NPCs的细胞周期而导致神经发生的减少。在中年小鼠中，p16INK4a抑制海马中对运动响应的NSC增殖。这种抑制可能是由p16INK4a诱导衰老的能力介导的。事实上，p16INK4a的上调由去除单核细胞的白血病锌指蛋白（monocytic leukemia zinc-finger protein, MOZ）驱动，确实会导致ESC来源的NSCs复制性衰老。在来自下丘脑体外培养的NSCs中，p16INK4a位点的上游抑制因子非编码RNA Hnscr的表达随衰老而下降。在体内，敲低下丘脑NSCs中Hnscr的表达会促进细胞衰老，导致认知能力（即对新物体的识别能力）下降。相同地，降低p19ARF（另一个与p16INK4a基因位点相同的抑癌基因）mRNA水平可以通过组蛋白乙酰转移酶对基因座的表观基因组调控，避免原代NSCs（来自早衰小鼠模型——SAMP8小鼠的SVZ）衰老表型的产生。总的来说，这些研究表明，细胞周期负调控因子（例如p16INK4a和p19ARF）的表达增加，会导致NSCs的衰老表型，并且似乎在一定程度上导致衰老过程中NSCs神经潜能降低。 相反地，细胞周期正调控因子（例如PCGF4[Polycomb family member BMI-1]和CDKs[cyclindependent kinases]）能够促进NSC的增殖，提高认知能力。BMI-1是已知的细胞周期抑制剂的转录阻遏物，包括p19ARF/Mdm2/p53，BMI-1的上调可增强海马NSCs中的自我更新。此外，通过慢病毒在老年小鼠（16月龄）海马NSCs中同时过表达CDK4和cyclin D1促进了海马神经发生，并改善了与衰老相关的认知障碍。 然而，令人惊讶的是，在小鼠中低水平过表达细胞周期负调控因子（p16INK4a/p19ARF/p53），增加了老年个体SVZ和DG中的NSCs数量，并改善了认知能力。细胞周期负调控因子低水平过表达的有益作用，可能是由于它们能够防止干细胞库过早衰竭。因此，细胞周期调控因子表达的时机和水平是维持NSC持久健康的关键。总体而言，细胞周期调节因子（如p16INK4a，p19ARF，p53和BMI-1）在调节NSC活力和神经发生中的关键作用，已让研究人员将其定位为衰老NSC再生的潜在治疗靶标。但是，这些途径受到精细地调控。研究人员仍需做进一步的工作以确定正确的表达量与时机，以改善NSC的健康，而不会无意中引起干细胞衰竭或细胞衰老。 微环境和炎症在NSC衰老中的作用 NSCs位于大脑内部复杂而专门的微环境中，该环境包含不同的细胞类型，并受多种系统性及局部因素的影响。NSC可以整合来自微环境的信号，以将其激活状态和细胞命运与组织需求联系起来。NSC微环境的细胞组成，它们对系统或局部信号的响应，甚至其物理性质（例如硬度）在衰老的过程中都会改变。在本节中，我们探讨了与衰老相关的微环境变化（例如系统或局部的细胞外信号或其他细胞类型）如何影响并促进衰老过程中神经发生减少及最新进展（总结于图3）。尽管尚不清楚NSC对这些外部信号做出反应的许多机制，但它们很可能会通过影响上述的内在途径来影响NSC功能。在未来，更好地了解NSC衰老的外在和内在调节因素之间的相互作用将会非常有趣。 图3. 微环境和炎症在NSC衰老中的作用 在衰老过程中，NSC微环境（描绘了SVZ区域）中发生的变化（左，年轻；右，年老）。微环境中炎症增加，突出表现为炎性细胞因子增加，小胶质细胞活化和T细胞浸润。 系统性血液因子和局部因子 血液中的系统性因子在NSC衰老过程中起重要作用。异体共生研究将年轻小鼠和老年小鼠的循环系统结合在一起，发现了年轻和年老血液对DG中神经发生和SVZ区域中神经微环境的正面及负面影响。研究人员已经确定多种系统性因子和信号通路介导这些效应，其中许多与免疫相关。炎症细胞因子CCL11/Eotaxin和主要组织相容性复合体（major histocompatibility, MHC）I类成分b2-微球蛋白在衰老血液中升高，并且对年轻动物的神经发生和认知有负面影响。相比之下，循环转化生长因子GDF11在年轻血液中含量更高，并且对衰老的SVZ区域中的NSCs有正面影响。但是GDF11在再生中的能力还不清楚。TIMP2是人类脐带血浆中发现的一种金属蛋白酶抑制剂，当系统性注射到老年小鼠中时，可改善突触可塑性及认知能力。然而，注入TIMP2后海马中的新生神经元数量并没有变化。这表明TIMP2的作用与神经发生无关，其可能是通过改变细胞外基质的性质来发挥功能的。这些因子是否通过直接作用于微环境细胞，或间接使微环境变为低炎症状态来介导它们对神经发生的作用，还有待确定。除系统性因素外，Notch, Wnt, sonic hedgehog和骨形态发生蛋白（bone morphogenic proteins, BMPs）等局部形态发生因子在胚胎发育过程中也很重要，并在整个生命过程中调控着NSCs的稳态。海马中的Wnt信号上调可以改善与衰老相关的神经发生减少及认知能力下降。Notch信号在维持SVZ和海马微环境中NSC静息和激活方面起着重要作用，并且在衰老过程中也可能至关重要。 脉络膜丛和脑脊液 脉络膜丛是脑室中一层上皮细胞，可产生脑脊液，并构成血液-脑脊液屏障，整合来自两个系统的信号。分析侧脑室脉络膜丛分泌物组对新鲜纯化的NSCs体外生长的影响表明，SVZ的aNSCs对脉络丛分泌因子的衰老相关变化非常敏感。具体来说，可以诱导NSC增殖的因子，例如BMP5和IGF1，在老年小鼠的脉络膜丛分泌物中已经耗尽。老年脉络丛也表现出与I型干扰素（type I interferon, IFN-I）反应（即IFNα和IFNβ）相对应的表达谱。值得注意的是，通过将抗IFNα受体的抗体输送到脑脊液来阻断IFN-I信号传导，可以改善老年小鼠海马神经发生和认知功能。下丘脑NSCs可在第三脑室分泌胞外体到脑脊液。因此，下丘脑微环境的NSCs可能不仅受脑脊液的影响，还可能参与影响衰老过程的系统性变化。脉络丛和脑脊液将大脑环境的变化（包括衰老过程中的炎症信号）传递给NSC微环境，并在此过程中起着至关重要的作用。 内皮细胞和周细胞 大脑的血管系统（内皮细胞和周围的周细胞）在循环系统和脑实质之间形成了一个称为血脑屏障的紧密调控界面。最近的研究表明，神经微环境中内皮细胞的转录组随着衰老而急剧向炎症性转录组的状态转变。内皮细胞和周细胞可以分泌诸如胎盘生长因子2（placental growth factor 2, PlGF-2）等因子。这些因子可促进从年轻小鼠SVZ中分离出的NSCs的增殖。然而，在中年小鼠中，内皮细胞开始大量产生一种通过TGF-β和SMAD3信号触发NSC凋亡的炎性细胞因子——转化生长因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）。相同地，通过遗传或药理学方法抑制TGF-β通路能够改善老年小鼠的神经发生。此外，在老年脑的内皮细胞中，血管细胞粘附分子（vascular cell adhesion molecule, VCAM1）也表现出了局部上调。研究人员发现通过遗传途径或全身注射VCAM1抗体，降低内皮细胞中VCAM1水平，可以逆转老年血浆对年轻小鼠大脑中的负面影响，并增加老年小鼠海马中NSCs的数量。尽管众所周知VCAM1可促进血管-免疫细胞相互作用，但在衰老过程中，VCAM1可能会将血细胞与内皮细胞绑定在一起，不允许其转运，从而可能引起内皮细胞的慢性炎症。内皮细胞的炎症状态可能继而导致小胶质细胞活化（见下文），抑制NSC增殖，并造成认知障碍。因此，恢复衰老大脑内皮细胞的功能可能有助于减轻炎症，改善NSC减少及大脑功能。 小胶质细胞 小胶质细胞是大脑中常驻的免疫细胞。这些细胞在脑实质中巡查，通过吞噬作用，吞噬和降解细胞外物质来维持体内稳态。小胶质细胞的吞噬活性在新生的NPCs变成神经细胞之前通过令其凋亡将其清除，有助于维持成年海马神经微环境的动态平衡。此外，在海马NSCs的培养中加入吞噬小胶质细胞的分泌体，或直接将其注射到年轻的成年小鼠海马中均会限制新神经元的产生。但是，在衰老过程中，小胶质细胞的吞噬功能受损，这可能导致细胞碎片和聚集物在微环境中的积累，并可能扰乱NSC微环境的稳态。小胶质细胞通常也通过产生生长因子和细胞因子，来促进海马和SVZ中的神经发生。但衰老过程中持续的炎症将会导致小胶质细胞活化增强（即分泌炎性细胞因子的增殖性小胶质细胞），随后SVZ和海马的NSC增殖会有所减少。因此，改善老年大脑小胶质细胞的功能，在微环境中不仅可以增强其他细胞（例如NSCs）的功能，还可以促进免疫细胞的清除而减少其浸润。 T细胞浸润 长期以来，特别是在生理条件下，大脑被认为是一个免疫特权器官。然而，有趣的是，免疫细胞（例如T细胞）却能浸润到老年小鼠和人类的大脑中。研究人员通过对整个SVZ微环境的单细胞测序发现老年SVZ中有CD8+ T细胞浸润，并通过免疫细胞化学染色在老年小鼠和人类中进行了验证。T细胞受体测序显示，大脑中T细胞是克隆性增殖的。这表明它们可能会识别大脑中的特定抗原，从而浸润到大脑中，而不是被动地通过衰老的血脑屏障扩散。这些T细胞可能被脑特异性抗原和趋化因子的结合吸引到衰老的神经微环境。令人兴奋的是，他们或许可以识别衰老NSCs中来自聚集蛋白的新抗原，例如在帕金森症和多发性硬化症中，T细胞能够分别识别α-突触核蛋白和β-突触核蛋白。 浸润性T细胞是SVZ微环境中IFNγ的主要来源。众所周知，IFNγ在成体神经微环境中起着抗增殖的作用。这表明T细胞的积累可能会导致与衰老相关的神经衰退。实际上，IFN响应与SVZ中NSC增殖的减少有关。有趣的是，抑制IFN信号传导（使用IFNα和IFNγ受体敲除小鼠）对老年动物SVZ中NSC的增殖有较强的促进效果。类似地，抑制响应IFNγ释放的趋化因子CXCL10减少了qNSCs的数量，并增加了衰老SVZ中神经微环境中成神经细胞生产的数量，这揭示了炎症与NSC无法在衰老大脑中激活之间的因果关系。因此，尽管浸润的T细胞可能在发育过程中具有有益作用（成年早期T细胞缺陷的小鼠，海马中神经发生及空间学习能力显著降低），但它们在衰老过程中可能由于分泌炎症性细胞因子等原因，对NSCs产生有害作用。 探究发育和衰老过程中浸润的T细胞和NSCs之间的关系，以及T细胞从发育过程中的保护作用转变为有害作用（可能由于衰老大脑炎症中的T细胞毒性）的过程将会十分有趣的。探索不同的神经微环境如何响应免疫细胞浸润和炎症信号也非常重要。例如，Iκβ激酶（Iκβ kinase, IKKβ）和其下游的核因子-κB（Nuclear Factor κB, NF-κB）的促炎途径损伤了下丘脑神经微环境中成年NSC的存活，增殖和分化，并导致小鼠的肥胖及前驱糖尿病。因此，阻断T细胞或减轻衰老神经微环境中的炎症水平可能是恢复衰老大脑功能的有效策略。 脑膜淋巴管和淋巴系统 大脑的脑膜中包含背侧和基底淋巴管，有助于将脑脊液和脑膜免疫细胞排入颈淋巴结。此外，“胶质细胞”系统（胶质细胞相关的淋巴系统）可能与淋巴管相连，并且研究人员已证明其与β-淀粉样蛋白清除有关。脑膜淋巴管和淋巴系统在中枢神经系统和外周免疫系统之间构建了新的潜在联系。有趣的是，脑膜淋巴系统在衰老过程中也会功能下降，并且用光动力药物（Visudyne）破坏脑膜淋巴管会导致年轻小鼠的认知障碍。虽然增强脑膜淋巴系统功能可改善老年小鼠的学习和记忆能力，但不会促进这些小鼠海马中分裂的NSCs数量增加。尽管如此，探索脑膜淋巴管和淋巴系统如何与神经微环境相互作用，以及在衰老过程中，脑膜淋巴管和淋巴系统如何整合影响NSCs和神经微环境中其他细胞，还是令人兴奋的。 室管膜细胞 室管膜细胞排列在脑心室壁上，形成一层上皮细胞。室管膜纤毛的协同搏动有助于脑脊液动态更新，这对于NSCs交换营养因子和代谢物，以及清除大脑中的代谢废物和毒素至关重要。尽管qNSCs和室管膜细胞在发育过程中来源于共同的放射状胶质细胞祖细胞，并具有共同的表型标记物（SOX2、SOX9、NESTIN和CD133），但这两种细胞在成体大脑中有着不同的形态和功能。以α-平滑肌肌动蛋白（Smooth Muscle Actin, SMA）为标记物，通过流式细胞荧光分选技术（Fluorescence-Activated Cell Sorting, FACS）分离出的室管膜细胞与NSCs在转录上不同，在体外或体内正常诱导NSCs增殖的促生长条件下，室管膜细胞不会增殖。单细胞测序证实室管膜细胞不具有NSC的功能。但是，室管膜细胞纤毛对脑脊液动态更新的调控能够影响NSCs的功能和神经发生，这在衰老过程中可能至关重要。例如，在小鼠中室管膜纤毛的搏动对于成神经细胞向嗅球的定向迁移是必须的。在衰老的过程中，室管膜细胞积聚中间丝、致密体和脂滴，纤毛逐渐减少。此外，在老年小鼠中，室管膜细胞纤毛簇更加紊乱，导致扩展心室区域中纤毛完全缺失。尽管尚未直接实验证实，但这些与衰老相关的室管膜细胞变化可能导致神经衰退并对成神经细胞的迁移产生负面影响。因此，准确揭示室管膜细胞如何将信号从心室和脉络丛传递到SVZ微环境，以及它们在衰老过程中经历的变化，可能有助于探索应对NSC和脑功能衰退的策略。 神经元输入 神经微环境嵌入大脑中的神经网络并与之进行交互。在海马中，来自parvalbumin蛋白阳性的中间神经元的GABAergic神经元负责维持NSC的静息，而其本身受内侧隔核的远距离调控。海马苔藓细胞是支配成熟颗粒细胞和局部中间神经元的谷氨酸能神经元，它也通过对NSCs谷氨酰胺的直接神经支配，调控NSC和中间神经元的激活，从而促进NSC的静息，进而促进了这种循环。同样，SVZ的前腹侧也受到来自下丘脑的POMC（Proopiomelanocortin, POMC）神经元的支配，POMC能促进NSC的增殖和深颗粒神经元的生成。有趣的是，饥饿和饱足状态可影响依赖于POMC神经元途径的NSC增殖。尽管所有这些研究都是在年轻动物中进行的，但这些研究表明，通过电刺激或通过进食间接向下丘脑输入信号来调控衰老NSC微环境的神经回路，或许能够改善NSC功能及神经发生。 从SVZ和海马微环境生成的新生神经元，必须在功能上整合到现有的神经回路中才能存活。在嗅球中，新生神经元整合到颗粒细胞和血管小球层中，在其中充当中间神经元。长期体内成像显示，新生神经元不竞争而是非选择性地向嗅球中整合。在海马中，未成熟的新生神经元迁移到DG的颗粒细胞层，并分化为齿状颗粒细胞。新整合的神经元为学习提供了新的基础，并可能促进新记忆的形成。令人兴奋的是，通过暂时性过表达成熟颗粒细胞中树突的负转录调节因子KLF9（Kruppel-Like factor 9, KLF9）来促进成年齿状颗粒细胞的整合，能够促进DG中新神经元的再生，并改善老年小鼠的认知功能。然而，是否有新生神经元替代大脑中衰老的神经元和功能丧失的神经元，或者它们是否取代了其他神经元（尤其是DG中的）还有待确定。另外，随着新细胞的整合，原有的回路也会被改变，这可能会使已建立的记忆在以后更难被回忆起。因此，确保新生神经元整合到正确的回路中，对于恢复衰老大脑的功能同样至关重要。 神经微环境间的异同 尽管在SVZ和海马微环境之间有许多共有的调控NSC谱系的分子机制，但是在不同的区域，一些信号通路对NSC调节有拮抗作用。例如，在生命早期，IFN信号对于维持海马的神经发生是非常重要，而在衰老过程中，这一通路的过度激活则会对SVZ的神经微环境产生负面影响。相似地，抑制p38丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）信号（一条协调炎症、增殖和凋亡的重要信号通路）可缓解衰老相关的海马神经发生减少，抑制老年小鼠SVZ分离的NSCs中p38信号也同样提高了其神经潜能。此外，来自海马和SVZ的NSCs在长期动态更新上存在差异。海马中NSCs大量不对称分裂，导致神经元的产生和NSCs的减少；而SVZ的NSCs经历了对称的自我更新和分裂，使其在之后能够同时进行自我更新和神经元的产生。通过对SVZ和海马微环境之间异同以及它们衰老相关调控机制的更加全面的了解，将帮助我们在促进老年大脑再生的一般策略和特殊策略上产生新的认识。 NSCs和疾病：与衰老和转化潜能的关联 由于NSCs所具有的再生能力，涉及NSC的治疗干预有可能改善大脑的病理性表型。因此，NSCs如何受到疾病状态的影响，以及如何利用这一影响来改善病理状态，将是一个令人非常感兴趣的研究方向。 神经退行性疾病 随着年龄的增长，神经发生能力下降，患神经退行性疾病（包括阿尔茨海默症和帕金森氏症）的风险逐渐增加。最近的一项研究表明，人类阿尔茨海默症的进展伴随着海马体新生神经元数量和成熟程度的下降，且比非病理性衰老过程中的下降更为显著。这一现象与“神经发生减少可能是阿尔茨海默症病理学部分诱因”的观点一致。因此，NSCs产生功能性新生神经元的能力引起了人们对通过移植NSC或激活患病大脑中已有NSCs进行治疗的兴趣。将人NSC移植到海马体附近的淀粉样前体蛋白（Amyloid Precursor Protein, APP）/早老素1（Presenilin1, PS1）阿尔茨海默症小鼠模型中，可减轻淀粉样斑块负荷，改善海马体依赖性认知功能。在阿尔茨海默症小鼠模型中，移植胎鼠NSCs可提高认知能力，减少淀粉样蛋白加工，增加抗炎细胞因子分泌，并恢复突触损伤。然而，这种移植疗法只有在疾病进展到晚期之前有效，这表明干细胞移植的时机对提供治疗的效果至关重要。对于其他神经退行性疾病，如帕金森氏病（Parkinson’s Disease, PD）、肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）、亨廷顿氏病（Huntington’s Disease, HD）和多发性硬化症（Multiple Sclerosis, MS），也进行了类似的概念性移植研究。找出激活常驻NSCs的方法可能是一个潜在的、更有效的改善神经退行性病变的策略。同时在阿尔茨海默症小鼠模型中增加海马体神经发生水平和升高脑源性神经营养因子（Brain-Derived Neurotropic Factor, BDNF）水平可以改善认知能力，尽管仅仅增加神经发生并不能带来认知水平的提高。同样需要注意的是，NSC衍生的新生神经元在功能上不同于那些在疾病进展过程中死亡的神经元。因此，需要进一步的研究来评估所观察到的NSC移植或激活的有益效果是由于新生神经元整合到疾病损伤的神经回路（如帕金森疾病中的多巴胺能神经元）的结果，还是由于现有神经回路的重塑（即通过产生其它特定因素实现）。 中风 中风时，由于动脉闭塞或破裂导致的大脑缺氧（缺血），NSCs的再生潜能被激活。缺血性损伤（一种常见的中风模型）后，驻留的NSCs接收到激活和分化为胶质细胞的信号，形成“胶质瘢痕”，神经元迁移到损伤部位，可以改善啮齿动物和人类的神经病理。然而，随着年龄的增长，NSCs的再生能力急剧下降，限制了它们修复中风后损伤的能力。外源性NSCs移植有可能促进老年中风患者的缺血性损伤恢复。将人NSCs（来源于胎儿脑组织或诱导多能干细胞[Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs]）注射到小鼠中风模型的同侧海马体内，可减小梗死体积，降低促炎因子表达，并改善中风所致的行为缺陷。将人NSCs（来源于胎儿脑组织）与小分子神经保护剂（3K3A活化蛋白C）联合应用于小鼠动脉闭塞后的缺血模型，可增加神经元生成，促进突触回路修复，并改善缺血后恢复的功能。刺激内源性NSC而不是在缺血损伤后移植也引起了人们极大的兴趣。例如，用脑活素（一种神经营养肽的混合物）治疗中风后的大鼠，可以增加SVZ神经发生和少树突发生，并改善神经功能。类似地，中风后注射GDF11可增加SVZ的NPC数量，并改善小鼠的神经元再生。然而，损伤后NSCs的持续激活也会导致干细胞衰竭，耗尽大脑终生的再生库。因此，在NSC活化和衰竭之间找到一个平衡点是至关重要的。另外，由于新生神经元功能整合不当，移植外源性NSCs可能会产生有害影响。事实上，中风后海马神经发生可能会损害时间和空间记忆的表现，新生神经元可能会不恰当地整合到已有的海马回路中。在这种情况下，抑制海马神经发生（使用替莫唑胺或结合遗传模型[Nestin Cre ERT2/NSE-DTA]）实际上可以改善记忆保持。这些结果强调需要更好地了解神经元回路整合和突触重塑，以利用NSCs的再生潜能治疗中风患者。 癌症 NSCs的高增殖能力增加了其突变的风险，使其更容易成为某些脑癌（如胶质瘤和胶质母细胞瘤）的诱因。事实上，胶质母细胞瘤始发细胞与非病理性NSCs非常相似。例如，酰基辅酶A结合蛋白（Acyl-Coa-Binding Protein, ACBP）是一种只在星形胶质细胞、NSCs和NPCs中表达的增殖因子，在胶质母细胞瘤细胞中高度表达并促进肿瘤的发生。此外，对人类胶质母细胞瘤样本的深度测序显示，SVZ的NSCs含有低水平的驱动突变，与相应的原发性胶质母细胞瘤的突变图谱相匹配，提示NSCs可能是人类胶质母细胞瘤的起源细胞。因此，了解NSC活化和增殖的过程有助于揭示肿瘤发生的分子触发因素，并为脑癌提供新的治疗方法。此外，通过预防潜在的胶质母细胞瘤的形成，它将有助于确保NSC移植和内源性激活等转化疗法的安全性。 恢复衰老神经元微环境的干预措施 虽然NSC水平和神经发生潜能在衰老过程中下降，并对其功能带来有害的后果，但这种下降并非不可避免。如上所述，靶向NSCs中特定的分子途径和代谢细胞器，如TFEB，溶酶体，转录因子和线粒体，可以改善老年人NSC的功能。尽管这种分子干预手段很有前景，一个有趣的平行研究涉及通过生活方式干预来改善NSC和大脑功能。到目前为止，有三种干预措施显示出了恢复衰老神经元微环境的最大潜力：饮食、运动和全身血液因子（图4）。 图4. 恢复衰老神经元微环境的干预措施 本研究比较了三种有希望的干预措施，以恢复衰老神经元的微环境（脑室下区[the Sub-Ventricular Zone, SVZ]和海马齿状回[Dentate Gyrus, DG]）。饮食干预分为三个子类（热量限制[Caloric Restriction, CR]、间歇禁食[Intermittent Fasting, IF]和禁食模拟饮食[Fasting-Mimicking Diet, FMD]）。运动分为中度和剧烈两组。全身因素分为血液和血浆。这些干预措施的神经保护作用在各种疾病和损伤中进行评估：阿尔茨海默症（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿病（HD）、多发性硬化症（MS）、中风和创伤性脑损伤（TBI）。问号表示支持该主张的证据相互冲突或不足。 饮食干预手段 饮食干预措施，如饮食限制和间歇禁食，可以说是迄今为止最成熟的长寿干预措施，已被证明具有多种健康益处并可延长小鼠的寿命。研究已经开始探究饮食干预是否可以防止年龄依赖性神经发生能力衰退，甚至对神经发生有恢复作用。例如，从幼年（4月龄）开始，小鼠的热量摄入减少40%，可以保护SVZ不受年龄依赖性神经发生能力下降的影响，并提高嗅觉记忆能力。在基础条件下，间歇禁食3个月可增加中年小鼠DG和SVZ新生神经元的增殖和存活。间歇性禁食也限制了与缺血性损伤相关的细胞死亡的程度，并导致生理上的改善，如感觉运动障碍的减少。然而，在缺血性损伤的情况下，间歇性禁食不能促进新生神经元的生成，这表明观察到的神经保护作用是神经元细胞死亡减少而不是神经发生增加的结果。其他间断性的禁食模式，如隔日喂养，伴随着DG中增厚的锥体细胞层，并导致认知能力的改善，如学习和记忆的改善，这表明禁食和神经发生之间可能存在联系。由于长期的饮食限制难以坚持，其他的饮食干预措施，如已经研究出模拟禁食饮食（Fasting-Mimicking Diet, FMD）以证明限制热量摄入对健康的益处，同时提高对方案的遵守性。从16个月开始，每月吃两次FMD饮食4天，小鼠的平均寿命延长了11.3%，评估短期记忆、长期记忆和学习的认知测试成绩也有所提高。同时还伴随着海马神经发生的增加（在23个月大的动物中通过BrdU掺入和双皮质醇[Doublecortin, DCX]染色进行测量）。因此，饮食干预有可能改善神经发生，对神经损伤给予保护作用，并为机体保持整体的健康和长寿。 饮食干预对NSCs有益的分子机制尚待确定，但营养感应途径，包括mTOR和胰岛素样生长因子信号，可能起着关键作用，因为它们在调节细胞代谢和维持NSC稳态方面很重要。关键是要确定这些干预措施的益处是由于禁食、自噬等过程被激活，还是由于对特定“有害”营养素（如葡萄糖或游离油酸）的摄入总体减少所致。特定的营养素也可能在保存或恢复NSCs活力方面发挥重要作用。例如，饮食限制（Dietary Restriction, DR）和随机的低蛋白、高碳水化合物（Low-Protein, High-Carbohydrate, LPHC）饮食对老年小鼠海马体生物学和认知功能有积极影响。同样，生酮饮食可以重现DR带来的的寿命延长和健康的益处，甚至可以改善老年动物的记忆力。因此，调节饮食中某些营养素的水平，在改善NSC功能和整体大脑健康方面，可能与大幅度减少进食量一样有效。 锻炼 运动有助于对抗年龄依赖性的认知能力下降，这是通过短期和长期记忆以及执行功能的打分来衡量的。自发有氧运动促进小鼠和大鼠成年海马神经发生，促进老年海马新生颗粒细胞神经元的发育和整合。然而，并非所有形式的运动对改善大脑健康都有同样的效果。自发运动对成年大鼠海马神经发生的益处似乎比强迫训练更大。此外，尽管中等强度和疲劳运动可以增加青少年小鼠（2月龄）海马神经元的分化和迁移，但只有适度的运动才能提高细胞增殖和存活率。与疲劳运动相比，适度的运动也会导致海马神经发生显著的增加，伴随着认知功能的改善，如增强空间分辨力，而这在疲劳组是不存在的。因此，与其他形式的运动相比，适度的有氧运动在神经微环境中可能具有最具活力恢复的效果。 令人兴奋的是，对于某些神经退行性疾病，如帕金森和阿尔茨海默症，运动也可以作为一种神经保护干预措施。在具有共济失调表型的转基因小鼠中，自发跑步可以延长寿命，改善运动功能障碍。这些生理上的改善伴随着小脑少突胶质形成的增加以及随后VGF分泌介导的新生髓鞘的形成。在一个阿尔茨海默症小鼠模型中，运动增加了海马神经发生，改善了认知能力，并减少了β-淀粉样蛋白负荷。当神经发生和BDNF水平同时提高时，运动的这些有益效果可以被重现，这表明运动可以提高系统因子（如BDNF）和神经发生的水平，从而改善神经退行性疾病的病理学表征。 尽管运动诱发的益处的分子机制在很大程度上仍不清楚，尤其是在老年动物身上，但最近的证据表明，跑步诱导的海马神经发生和空间记忆改善依赖于组织蛋白酶B（一种已知在人类和猴子运动时表达的蛋白水解酶）的分泌。如活化的血小板等全身性因素，也被认为是运动的神经发生益处的介质。运动诱导的血小板活化促进年轻成年小鼠（8-10周龄）海马NSC的增殖，并在体内增加随后的神经发生。这种NSC的增强可能是由血小板因子4介导的，它足以增加DG中DCX+未成熟神经元的水平。确定血小板因子4如何影响老年动物将是一件有趣的事。尽管急性运动会导致肌肉损伤时炎症反应加剧，但定期有氧运动至少部分通过减少全身炎症来发挥其有益作用，如肿瘤坏死因子α（Tumor Necrosis Factor Alpha, TNF-α）和IFNγ等炎症细胞因子水平较低。在年轻（8周龄）和中年（8月龄）小鼠海马体中跑步的神经发生有益效应与小胶质细胞的密度成反比，小胶质细胞通常会导致老年性神经炎症。考虑到衰老神经微环境的炎症状态，有人推测运动对老年人神经发生的积极作用也可能是由于衰老微环境中细胞和环境的炎症状态降低所致。 血液因子 另一个有希望的再生策略是给老年动物注射年轻的血液或其中的因子，以改善日益衰退的神经发生和认知能力。如上所述，老年海马体和SVZ中受损的神经发生和认知功能可以通过异体共生年轻血液来改善。老年血液中因子的稀释和年轻血液中因子的存在可能是异体共生对糖尿病具有积极作用的基础。事实上，注射年轻血浆足以改善情境恐惧条件下的认知能力以及空间学习和记忆，尽管还不清楚这些是由于神经发生的改善还是神经元功能本身的原因。尽管小规模的人体临床试验对常规血液注射的安全性和可行性进行了评估，并获得了可喜的结果，但对老年人普及使用年轻血液的临床挑战（以及潜在的伦理问题）依旧促使人们不断努力，以确定年轻血液中能够独立产生健康益处和增加神经发生的特定因素。还需要做更多的工作来从年轻的血液中找出能够使衰老的神经微环境恢复活力的特定因子，并确定效应细胞。 思考这些不同干预措施对于神经发生的益处，一个有趣的假设是，两个或多个这些策略的组合应用可能会产生相加甚至是协同的有益效果。附加的“恢复”策略，如体内部分重编程或微生物群转移，也可以使衰老的NSCs恢复活力，改善与年龄相关的感觉运动衰退。虽然还需要进一步的研究来确定每种策略的具体作用机制，但饮食干预、运动因素和血液因子的潜在协同效益有望成为促使大脑从生理性和病理性衰老中恢复的策略。 脊椎动物的神经发生 脊椎动物神经发生的进化 在所有已有研究的脊椎动物中研究者都观察到了成体神经发生，但不同物种之间的神经发生能力有很大的差异。例如，两栖动物和硬骨动物的大脑中有许多神经起源区域，并显示出显著的神经发生和脑再生能力。相比之下，包括人类在内的哺乳动物在脊椎动物中表现出相对较低的神经发生潜能，他们再生潜能有限，神经微环境较少，尽管它们在整个生命周期内仍能产生新生神经元。虽然新生神经元的产生在胚胎和幼年发育过程中是必要的，但目前尚不清楚为什么进化压力会选择在成体大脑中不断生成新生神经元，尤其是考虑到其导致的癌症形成风险的增加。事实上，长期以来人们一直认为成体神经发生是一种没有功能益处的进化遗留物。然而，似乎越来越有可能的是，成体神经发生正处于进化的积极选择之下，这不仅是因为它在发生脑损伤时具有再生的益处，而且还增加了大脑的可塑性，提高了有机体在一生中整合新信息的能力。这也许是鸣禽大脑（一个重要的历史性的研究成体神经发生的模型）提供的最好的例证，成年雄椋鸟在学习新歌的能力上表现出明显的季节性可塑性，这是物种性选择的一个组成部分。成体神经发生在啮齿类动物交配行为中也起着重要作用，因为SVZ中NSCs产生的嗅球神经元可能通过嗅觉信息参与配偶选择。事实上，局部照射SVZ破坏雌性小鼠嗅球神经发生，可能是因为检测雄性特异性气味的能力降低，导致配偶选择受损，最终导致其与雄性小鼠的异常社交互动，但与雌性的社交行为不受影响。 人类神经发生：争议、挑战以及未来的道路 虽然人类的大脑长期以来被认为是一个完全终末分化器官，但在20多年前，一项开创性的研究表明癌症患者大脑中的细胞有分裂行为。从那时起，许多研究试图解释这个问题，通常依赖于死后人脑的碳年代测定和免疫染色技术。研究者在人类侧脑室壁中观察到了NSCs和神经母细胞。然而，尽管在小鼠和其他哺乳动物的嗅球中植入了SVZ产生的新神经元，但在人类的嗅球中产生的新神经元几乎可以忽略不计。相反，来自人类SVZ的新神经元整合在成年人纹状体中，靠近侧脑室壁。这些新生神经元是否来源于SVZ中真正的NSCs，以及它们是否具有功能作用还没有直接检测证明。因此，我们需要更多的工作来更好地理解神经发生在成体SVZ中的重要性以及它是如何受到衰老的影响的。 多年来一直争论不休的一个关键问题是，神经发生是否发生在人类海马体的DG区域（该区域对学习和记忆至关重要）。尽管一些研究报告了缺乏青春期后人类神经发生的证据，但另一些研究却发现了相反的情况：成年后持续的人类神经发生，在衰老过程中略有下降。神经母细胞的数量也与认知状态相关，认知能力好的个体中有更多的神经母细胞。这些结果表明神经发生可能与人类的认知功能有关。 为了辨析诠释来自不同研究的相反结果，还需要做更多的工作。例如，比较染色的方案、保存来自人类捐赠者的样本和死后采集的时间，将有助于解决这些差异。重要的是，单细胞RNA-seq技术的进步将有助于推动这一领域的发展，为NSCs的免疫识别提供更为特异的细胞标记，以及可以跨物种比较的转录组特征。事实上，最近一个来自成体嗅觉神经上皮的单细胞RNA测序数据集将具有NSCs和神经祖细胞特征的细胞进行了分辨。在基础条件（如大多数研究方案）和神经发生应改善的条件（如在人类运动或甚至脑损伤后）之间评估神经发生是很有趣的。对人类的分析有助于为促进神经发生和改善人类衰老大脑功能提供新的途径。 NSC衰老研究的结论与前沿进展 NSCs具有使老年大脑年轻化和改善与年龄相关的神经退行性疾病的潜力。在过去的几年中，研究者已经发现了NSCs在衰老过程中发生的内在和外在的变化。同时，改善健康和/或寿命的干预措施（如饮食限制、运动、血液因子等）已被证明可以改善老年人的神经发生能力。将从这两个领域获得的知识结合起来，人们可以加速开发专门和有针对性的干预措施以恢复老年人的大脑功能。新技术的出现和改进（如单细胞测序、多组学、全基因组筛选和创新医学成像技术）会进一步提高我们对衰老如何影响NSC及其微环境的理解，以及NSCs如何与脑回路以及系统和组织信号相互作用（图5）。 图5. 衰老NSC研究的前沿进展 新技术的出现和改进（图中右半部分）将进一步加深我们对衰老如何影响NSCs及其微环境，以及NSCs如何与大脑回路、系统和组织信号相互作用的理解。 在单细胞水平上的下一代测序技术的结合应用，如单细胞RNA-seq、单细胞ATAC-seq或单细胞蛋白质组学，将在分析中捕捉单个细胞的基因组、表观基因组学、蛋白质组学和代谢组学图谱。这些技术的研究将有助于完善我们对NSC的激活和分化的中间阶段的理解。下一个前沿研究将是利用STARmap或Slide-seq等技术，在原位整合所有这些分子和细胞信息，以提供微环境的空间和“组学”信息。 在原位观察NSC的激活和分化将为研究衰老过程中神经微环境的动态变化提供有价值的见解。活体成像可以在原位观察NSC的命运，包括它们的对称和不对称分裂以及新生神经元整合到原有的回路中。谱系追踪是另一个强有力的工具，可以用来理解NSCs的细胞命运决定，尤其是自我更新与分化的程度。使用CRISPR-Cas9或Cre重组的高级谱系追踪工具将有助于揭示在正常衰老和疾病期间，NSC谱系中的细胞命运如何随着时间的推移而变化，以及对促进神经发生的干预措施的反应。这些在谱系追踪和成像方面的进展将有助于解决该领域的突出问题，例如单个NSC持续存在并继续产生新生神经元的程度，以及衰老大脑中神经元更新的程度和功能重要性。 利用不同种类的CRISPR技术进行高通量功能性基因筛选可以揭示NSC衰老的新分子机制。此外，通过将老年健康或患病个体的成纤维细胞直接重编程为NSCs的能力，可以加强对NSC衰老过程的机理研究。最后，通过调整人脑器官系统来研究大脑衰老和相关疾病，可以更深入地研究神经微环境及其如何随时间变化。 神经微环境中的许多衰老机制仍然是个谜。例如，神经微环境与大脑中周围神经网络之间的相互作用，特别是这种相互作用如何随年龄的增长而受到影响，目前还不清楚。组织光学清除技术与超分辨率成像相结合可以帮助揭示NSC微环境的神经元输入和输出。光遗传学或相关的方法也可以用来调节神经元的活动和确定对神经微环境的影响。诸如人类连接体图谱的定位可能有助于揭示神经回路和NSC微环境之间的相互作用，以及它们是如何受到年龄和疾病干扰的。最后，进一步研究神经微环境与机体系统性衰老之间的相互影响是至关重要的。例如，了解昼夜节律、睡眠、生殖内分泌状况或微生物组分对衰老过程中神经发生功能的系统性影响，可能对于理解间接影响NSC再生的长期诱因至关重要。 在群体水平上，个体间的变异性正在成为衰老的一个决定性方面，它可以反映衰老进程和大脑功能的差异。个体暴露在不同的环境和行为活动中，这些活动在一生中不断地改变大脑。有趣的是，老年大鼠个体的空间记忆功能的差异与海马体新生神经元数量呈正相关。同样，生活在同一大环境中的近交系小鼠在探索行为方面的个体差异越来越大，这种差异与海马神经发生的差异具有相关性。了解个体之间这些差异的来源和后果，可以为恢复衰老神经微环境提供新的策略，并可能制定个性化和精确的医疗治疗。 这些技术和概念上的进步为更好地理解NSC衰老的分子机制提供了前所未有的机会，并为开发大脑再生药物提供新思路。随着全球人口结构向老龄化转变，对抗脑衰老的关键点在于如何维持或促进脑功能的健康状态，而非局限于延长寿命的长寿策略。 责编：李兰竹 排版：陆小炮  |
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