撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

哺乳動(dòng)物的大腦包含多種神經(jīng)元和免疫細(xì)胞類型，這些細(xì)胞會(huì)因不同的細(xì)胞外環(huán)境而表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)。然而，技術(shù)上的限制使得在活體中研究發(fā)育中大腦的復(fù)雜細(xì)胞運(yùn)動(dòng)變得困難。

而現(xiàn)在，一項(xiàng)來自清華大學(xué)的新技術(shù)——IMEE，讓我們得以直觀的長時(shí)間觀察大腦構(gòu)建過程中細(xì)胞之間的精密互動(dòng)， 就像觀看一場生命初始的“細(xì)胞華爾茲”，讓活體胚胎大腦中的細(xì)胞之舞首次盡收眼底。

2025 年 12 月 16 日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院米達(dá)團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院郭增才團(tuán)隊(duì)合作（博士生龍真、于永震和賀辰祎為論文共同第一作者），在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Intravital observation of neuronal and immune cell dynamics in the developing mammalian brain（哺乳動(dòng)物發(fā)育大腦中神經(jīng)元與免疫細(xì)胞動(dòng)態(tài)的活體觀察）的研究論文。

該研究開發(fā)了一種高穩(wěn)定性、多視角、長時(shí)程的胚胎小鼠宮內(nèi)活體成像技術(shù)——IMEE（intravital imaging of externally immobilized embryos），首次在體闡明了胚胎小鼠大腦皮層內(nèi)抑制性神經(jīng)元與血管網(wǎng)絡(luò)及小膠質(zhì)細(xì)胞之間的動(dòng)態(tài)互作模式。該研究還為神經(jīng)發(fā)育性疾病模型小鼠中神經(jīng)元遷移異常提供了全新在體證據(jù)，同時(shí)解析了胚胎免疫細(xì)胞在響應(yīng)環(huán)境壓力時(shí)的動(dòng)態(tài)行為模式。

這項(xiàng)工作突破了傳統(tǒng)胚胎神經(jīng)成像的技術(shù)瓶頸，為解析大腦發(fā)育過程中的神經(jīng)-血管-免疫系統(tǒng)互作機(jī)制與協(xié)同發(fā)育機(jī)制開辟了全新研究范式，凸顯了胚胎活體成像技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)與腦疾病研究中的重要價(jià)值。

技術(shù)破壁，打開生命黑箱

大腦發(fā)育是生命科學(xué)中最復(fù)雜的過程之一。數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元必須在正確的時(shí)間到達(dá)正確的位置，任何失誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的精神疾病或神經(jīng)系統(tǒng)障礙。

然而，長期以來，研究大腦發(fā)育面臨一個(gè)技術(shù)瓶頸：如何在活體胚胎中觀察細(xì)胞行為？傳統(tǒng)方法需要將組織取出在體外觀察，但這如同把魚撈出水面觀察其游泳姿態(tài)，無法反映真實(shí)情況。

IMEE（intravital imaging of externally immobilized embryos）技術(shù)的關(guān)鍵在于其設(shè)備包含一個(gè)環(huán)形固定器和水循環(huán)系統(tǒng)，能夠維持胚胎在羊水中的自然環(huán)境，同時(shí)保持與母體的連接，結(jié)合雙光子顯微成像，讓胚胎在成像過程中保持正常發(fā)育狀態(tài)。

這一創(chuàng)新解決了以往活體成像技術(shù)的多個(gè)痛點(diǎn)：不穩(wěn)定、視野受限、操作復(fù)雜。通過這一技術(shù)，研究人員能夠?qū)?E10.5 至 E16.5 的小鼠胚胎大腦進(jìn)行長達(dá) 8 小時(shí)以上的連續(xù)觀察，而不會(huì)影響胚胎的正常發(fā)育。

神經(jīng)元遷移，一場精心編排的旅行

利用 IMEE 技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次在活體胚胎中觀察到了大腦皮層神經(jīng)元的不同遷移模式。興奮性神經(jīng)元主要呈現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)方式：在多極遷移（multipolar migration）模式下，它們像海葵一樣不斷伸縮細(xì)胞突起；在位移運(yùn)動(dòng)（locomotion）模式下，它們沿著放射狀纖維緩慢爬行；而在胞體轉(zhuǎn)運(yùn)（somal Translocation）模式下，它們沿著引導(dǎo)過程快速前進(jìn)。不同遷移模式的切換速度差異顯著，更令人驚訝的是，某些神經(jīng)元在旅行過程中會(huì)根據(jù)環(huán)境需要切換遷移模式。

抑制性神經(jīng)元（中間神經(jīng)元）的遷移則展現(xiàn)出更加復(fù)雜的行為。它們從大腦腹側(cè)產(chǎn)生后，需要經(jīng)過長距離遷徙才能到達(dá)大腦皮層。研究發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)元沿著兩條主要路徑遷移：邊緣帶（MZ）和腦室下區(qū)（SVZ）。MZ 路徑的神經(jīng)元運(yùn)動(dòng)方向更加隨機(jī)；而 SVZ 路徑的神經(jīng)元?jiǎng)t排列有序，方向一致。

細(xì)胞社交，大腦中的精密互動(dòng)

神經(jīng)元在遷移過程中并非孤軍奮戰(zhàn)，它們與周圍環(huán)境中的其他細(xì)胞有著頻繁的“互動(dòng)”。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，遷移中的神經(jīng)元會(huì)與血管系統(tǒng)發(fā)生三種不同類型的接觸：末端接觸 1 型（接觸后引導(dǎo)分支收縮）、末端接觸 2 型（接觸后引導(dǎo)分支分叉）和突起接觸（沿血管表面滑動(dòng)）。當(dāng)神經(jīng)元與血管接觸時(shí)，它們的遷移速度會(huì)顯著減慢，并且運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這可能是細(xì)胞在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航的重要機(jī)制。

類似地，神經(jīng)元也會(huì)與大腦中的免疫細(xì)胞——小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行“交流”。當(dāng)神經(jīng)元的引導(dǎo)過程與小膠質(zhì)細(xì)胞接觸后，會(huì)觸發(fā)引導(dǎo)過程的收縮和重新定向，從而改變神經(jīng)元的遷移路徑。

這些細(xì)胞間的互動(dòng)不僅僅是簡單的物理接觸，還涉及復(fù)雜的分子信號對話。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，EphA4/ephrinB 信號通路在調(diào)控神經(jīng)元與血管的互動(dòng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)這一通路被阻斷時(shí)，神經(jīng)元失去對血管的“避讓”能力，甚至出現(xiàn)纏繞血管的不正常行為。

免疫哨兵，大腦的守護(hù)者

小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中的常駐免疫細(xì)胞，被譽(yù)為“大腦的守護(hù)者”。在胚胎期，這些細(xì)胞就已經(jīng)開始履行其職責(zé)。

研究顯示，胚胎中的小膠質(zhì)細(xì)胞根據(jù)其與血管的關(guān)系可分為兩類：血管關(guān)聯(lián)的小膠質(zhì)細(xì)胞（CAM）和實(shí)質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞（PCM）。盡管兩者數(shù)量相當(dāng)，但 PCM 具有更高的過程運(yùn)動(dòng)性，能更積極地掃描周圍環(huán)境。

當(dāng)大腦皮層受損時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)以平均 2.3μm/分鐘的速度向損傷部位聚集，最快速度可達(dá) 10.8μm/分鐘。更令人驚嘆的是，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)在胚胎大腦中制造微小損傷后，距離損傷部位 350μm 以內(nèi)的小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被招募到損傷部位。這些細(xì)胞會(huì)改變形態(tài)，伸出引導(dǎo)過程，向損傷部位快速遷移。

到達(dá)損傷部位后，小膠質(zhì)細(xì)胞變得更為“安靜”，過程縮短、運(yùn)動(dòng)性降低，轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)，開始執(zhí)行修復(fù)功能。同時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)中的單核細(xì)胞也會(huì)通過血管和腦脊液快速進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，參與免疫應(yīng)答。

技術(shù)展望，打開發(fā)育生物學(xué)新窗口

IMEE 技術(shù)的價(jià)值不僅在于它解決了當(dāng)前神經(jīng)發(fā)育研究中的關(guān)鍵問題，更在于它為未來研究提供了強(qiáng)大平臺。

這項(xiàng)技術(shù)兼容多種遺傳標(biāo)記和操作工具，例如轉(zhuǎn)基因小鼠、宮內(nèi)電轉(zhuǎn)染、藥物干預(yù)等，使其成為一個(gè)多功能的研究平臺。這意味著科學(xué)家可以利用IMEE研究各種發(fā)育缺陷和疾病模型，為理解人類病理提供重要線索。

這項(xiàng)突破不僅讓我們見證了生命最初的細(xì)胞舞蹈，更為未來醫(yī)學(xué)研究打開了一扇全新窗口。未來，我們或可實(shí)時(shí)觀察各種遺傳或環(huán)境因素如何影響大腦發(fā)育，為相關(guān)疾病的早期診斷和干預(yù)提供新見解。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01313-3