Nature Neuroscience：我们的大脑如何清除垃圾？

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脑脊液（CSF）的流动对于传递大脑来源的大分子信号物质并使其从脑实质中排出至关重要。目前研究最清楚的脑脊液流动通路是胶淋巴通路，但它不允许较大的大分子通过。

基于此，2025年6月9日，华盛顿大学Antoine Drieu研究团队在nature neuroscience杂志发表了“A route for cerebrospinal fluid flow through leptomeningeal arterial–venous overlaps enables macromolecule and fluid shunting”揭示了“一种通过软脑膜动脉-静脉重叠区域的脑脊液流动通路，使大分子和液体得以分流。”

在此，作者在小鼠中发现了一种替代通路：通过脑室内注射的大分子可以由动脉周围空间穿越到静脉周围空间，这种转移发生在软脑膜血管（动静脉）间隙相互重叠的部位，这些重叠区域分布在大脑软脑膜表面。作者证明，通过脑室内注射的荧光示踪剂可以通过这些动静脉血管周围间隙的重叠结构到达静脉周围空间。这些结构在淀粉样变性病的小鼠模型中仍然具有功能，并且对于清除多余的脑脊液容积至关重要。这些解剖结构可能通过促进大脑来源的大分子排泄、多余液体的分流以及新生脑脊液的免疫监视，来支持大脑的正常功能。

图一 软脑膜重叠结构的鉴定与表征

通过已发表的小鼠脑脊液蛋白质组数据集，脑脊液中肽段的平均分子量为61.116 kDa。从理论上讲，其中最大的这些肽段（如果以完整蛋白形式存在于脑脊液中）必须通过非胶淋巴通路进行引流，因为它们太大而无法穿过胶质界膜进入大脑实质。为了验证这一假设，将直径为0.5微米的荧光微球注射到野生型小鼠的延髓池（延髓池内注射），结果发现这些微球可以在全脑冠状切片中被检测到，但并未进入大脑实质，而是局限于软脑膜空间；不过，这些微球出现在了硬脑膜中。这些发现表明，来源于脑脊液的大分子物质并非通过胶淋巴通路引流，而是通过另一种尚未明确的通路。由于脑脊液主要在位于软脑膜中的大口径动脉周围的血管周围间隙中流动，推测如果确实存在脑脊液流出的替代通路，那么它很可能存在于软脑膜层面。有趣的是，观察到一些软脑膜血管交叉重叠的区域，例如大脑中动脉近端部分主要与尾侧嗅静脉分支发生重叠，而该动脉远端部分则主要与上皮质静脉分支重叠。在完整的软脑膜组织中，动脉周围和静脉周围间隙可通过其不同的细胞外基质成分加以区分：前者富含胶原蛋白VI（ERTR7标记），后者则富含胶原蛋白IV。此外，动脉周围间隙同时表达ALDH1A2（醛脱氢酶1家族成员A2）和CRABP2（细胞视黄酸结合蛋白2），这两个标志物由形成软脑膜的软脑膜-蛛网膜成纤维细胞所表达。电子显微镜分析进一步证实，软脑膜动脉和静脉均具有由软脑膜-蛛网膜成纤维细胞形成的血管周围间隙。有趣的是，动脉周围和静脉周围间隙均不表达水通道蛋白4（AQP4），这是一种星形胶质细胞足突的标志物，通常存在于脑实质内血管周围的间隙中。大脑的血液供应主要来自颈动脉和椎动脉，而血液则通过后毛细血管小静脉流入小静脉，最终汇入硬脑膜窦。软脑膜吻合支是一种特殊的神经解剖结构，它直接连接软脑膜动脉，从而在某一脑区突然失去供血时（如中风情况下）提供持续的血液交换通路。为了测试观察到的软脑膜动静脉重叠是否允许血液在动静脉之间直接交换，作者通过静脉向小鼠体内注射了70 kDa的异硫氰酸荧光素标记的葡聚糖，这是一种不能穿过血脑屏障的大分子示踪剂。结果显示，在这些重叠部位，并未观察到动脉与静脉之间的血液直接交换。

图二 软脑膜动脉周围和静脉周围间隙在重叠部位直接相通

作者接下来在延髓池内注射荧光微球，并在1小时后分析大脑表面的情况。利用体外立体显微镜，确实观察到注射的荧光微球在动脉周围、静脉周围以及重叠区域中聚集。微球似乎在重叠区域的远端部分进入静脉周围空间，这表明它们已经从动脉周围空间通过重叠的血管周围空间转移到了相交的静脉周围空间。为确认这一发现，开发了一种共聚焦显微镜技术用于对整个软脑膜半球进行成像。共聚焦图像进一步证实，荧光微球严格分布在动脉和静脉的血管周围水平，尽管大部分微球仍聚集在动脉周围空间。这些微球被限制在凝集素阳性血管和ERTR7阳性软脑膜层之间，很少出现在软脑膜间质空间层面。高倍图像显示，在相同血管直径下，动脉周围空间比静脉周围空间更大，这可以解释为何在静脉周围空间检测到的微球较少。为了在活体中研究这一现象，作者使用了4周龄的小鼠，这种小鼠无需开颅即可直接观察软脑膜血管。这些小鼠接受了延髓池内注射荧光微球，并在体视显微镜下进行活体成像。通过该技术，发现微球首先到达动脉周围空间，随后进入软脑膜重叠部位的血管周围空间，最后进入上皮质静脉的静脉周围空间。不仅荧光微球如此，其他具有更接近生物相关分子量的示踪剂（如卵白蛋白OVA）也能通过软脑膜重叠结构从动脉周围空间转移至静脉周围空间；不过，OVA还在软脑膜表面发生了径向扩散。为排除软脑膜重叠结构仅存在于C57BL/6J小鼠品系的可能性，还研究了BALB/c小鼠，后者已知存在血管异常，例如缺乏软脑膜吻合支。作者首先比较了BALB/c小鼠与C57BL/6J小鼠的脑脊液流动动力学，未发现两者之间存在差异。在BALB/c小鼠中同样观察到了软脑膜动脉与静脉的重叠结构，且延髓池内注射的微球同样出现在其动脉周围和静脉周围空间中。目前的研究结果提示存在一种位于软脑膜中的连续血管周围网络，它参与脑脊液来源的大分子的引流，并可能支持多余液体的分流、新生脑脊液的排出以及免疫监视功能。

图三 软脑膜重叠结构在脑脊液容积增加时促进脑脊液的分流

脑脊液容积的变化是多种脑部疾病（如神经退行性疾病、中风和脑积水）以及正常衰老过程中常见的现象，尤其与脑萎缩和颅内压改变有关。为了模拟脑脊液容积变化的情况，作者以不同的流速和体积向延髓池注射微球：一组为低流速和低容积（低流量组；1 µl/min），另一组为高流速和高容积（高流量组；10 µl/min）。通过活体记录发现，与低流量组相比，高流量组中向静脉周围空间的分流明显增强。在注射微球1小时后对微球分布范围的测量显示，在高流量组小鼠的动脉周围空间中微球积累更为显著。值得注意的是，与低流量组相比，高流量组小鼠的静脉周围空间中也出现了大量微球积累，表明分流作用显著增强。通过宏观成像技术对整个大脑半球进行分析并结合共聚焦显微镜观察软脑膜全层结构，进一步验证了这些活体观察结果。这些数据表明，软脑膜重叠结构参与了多余脑脊液的分流过程，可能作为一种保护机制发挥作用。在高流量组中不仅观察到软脑膜中有更多的微球摄取，在脑实质本身也发现了微球摄取增加的现象。

总结

总之，在本研究中，作者证明了软脑膜动静脉重叠结构在小鼠和人脑中均广泛存在。展示了在这些重叠部位，脑脊液及其溶解的物质从动脉周围空间向静脉周围空间发生了显著的分流。有趣的是，发现即便在淀粉样变性病小鼠模型中，这些重叠结构仍然具备功能，尽管此时软脑膜脑脊液流动和向硬脑膜的引流已受损。最终揭示了这些重叠结构的一项重要功能：在脑脊液容积增加的情况下，它们能够促进脑脊液直接向引流部位的分流。相反地，当出现脑水肿时，这些重叠结构的功能会受损，这可能加剧以脑肿胀为病理特征的疾病中的继发性损伤。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-01977-4