江西
- 大家好，我是小銳，今天這篇科普文章將帶你深入探索大腦中一位低調(diào)卻至關(guān)重要的“幕后英雄”——星形膠質(zhì)細(xì)胞。
- 我們常常聽說神經(jīng)元是大腦運(yùn)作的主角，但鮮有人知的是，另一類細(xì)胞正悄然掌控著睡眠節(jié)律與記憶鞏固的核心機(jī)制。
- 這些外形酷似星辰的細(xì)胞，在沉寂百年之后強(qiáng)勢崛起，它們究竟蘊(yùn)藏怎樣的潛能？又將為人類健康打開哪些全新的突破口？
- 被低估百年的“大腦配角”
- 長期以來，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域幾乎全部聚焦于神經(jīng)元，普遍認(rèn)為它是唯一承擔(dān)信息處理任務(wù)的關(guān)鍵單元，而包括星形膠質(zhì)細(xì)胞在內(nèi)的膠質(zhì)細(xì)胞群體，則被視為僅起輔助作用的“填充物”。
- 這種觀念根深蒂固地主導(dǎo)了整整一個(gè)世紀(jì)，直到2010年代初，以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的記憶研究學(xué)者茵巴爾·戈申勇敢提出挑戰(zhàn)。
- 彼時(shí)她在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)言猶如孤星獨(dú)語，不少同行私下議論她的研究方向“不過是徒勞嘗試”，但她憑借先進(jìn)的分子成像技術(shù)捕捉到了星形膠質(zhì)細(xì)胞活躍參與學(xué)習(xí)過程的證據(jù)，揭示其在記憶形成中的深層角色。
- 如今這一觀點(diǎn)已被廣泛接納，加州拉霍亞索爾克研究所的尼古拉·艾倫長期致力于膠質(zhì)細(xì)胞功能解析，她指出當(dāng)前相關(guān)主題的研討會(huì)場場座無虛席，曾經(jīng)冷門的研究方向已躍升為核心前沿。
- 早在十九世紀(jì)末期，科學(xué)家通過顯微觀察便發(fā)現(xiàn)大腦內(nèi)神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量比例接近一比一，然而二十世紀(jì)膜片鉗技術(shù)的發(fā)展使神經(jīng)元電信號研究突飛猛進(jìn)，導(dǎo)致缺乏快速放電能力的星形膠質(zhì)細(xì)胞被長期邊緣化。
- 受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段，無法檢測鈣波動(dòng)等非電性活動(dòng)的它們，自然被認(rèn)為“生理功能遲緩”，從而錯(cuò)失數(shù)十年關(guān)注。
- 調(diào)控睡眠與記憶的“長曝光相機(jī)”
- 近年來，星形膠質(zhì)細(xì)胞最令人振奮的突破在于它對晝夜節(jié)律維持和記憶編碼兩大謎題的破解。
- 人體主生物鐘位于視交叉上核，依賴抑制性遞質(zhì)GABA實(shí)現(xiàn)周期調(diào)控，可一個(gè)持續(xù)施加抑制作用的系統(tǒng)如何產(chǎn)生自主振蕩，這個(gè)問題困擾學(xué)界多年。
- 十年前，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的馬可·布蘭卡喬利用高靈敏度谷氨酸探針在小鼠腦切片中觀測到夜間谷氨酸濃度出現(xiàn)規(guī)律性高峰，且其節(jié)律與GABA同步，進(jìn)一步溯源發(fā)現(xiàn)這些谷氨酸正是由星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放。
- 后續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，這類細(xì)胞通過白天吸收、夜間停止攝取GABA的方式，為生物鐘提供了關(guān)鍵的負(fù)反饋調(diào)節(jié)路徑。在記憶層面，它們的功能更像一臺“長曝光相機(jī)”。
- 日本理化學(xué)研究所的永井淳教授解釋道，星形膠質(zhì)細(xì)胞的信息傳遞耗時(shí)可達(dá)數(shù)小時(shí)乃至數(shù)日，遠(yuǎn)慢于神經(jīng)元毫秒級響應(yīng)，但這種緩慢特性反而有利于捕捉并保留短暫易逝的經(jīng)驗(yàn)痕跡。戈申團(tuán)隊(duì)記錄到，當(dāng)小鼠學(xué)會(huì)定位水源獎(jiǎng)勵(lì)后，接近目標(biāo)區(qū)域時(shí)其星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子活性逐步攀升。
- 而在陌生環(huán)境中則未見類似反應(yīng)，表明這類細(xì)胞具備空間記憶編碼能力。美日聯(lián)合最新研究成果也證實(shí)，它們在鞏固與提取恐懼記憶方面發(fā)揮穩(wěn)定作用。
- 百萬突觸連接的“超級網(wǎng)絡(luò)”
- 之所以能執(zhí)行如此復(fù)雜的調(diào)控任務(wù)，離不開星形膠質(zhì)細(xì)胞獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)特征。普通光學(xué)顯微鏡下它們呈現(xiàn)典型的星芒狀形態(tài)。
- 但借助超分辨成像技術(shù)可觀察到，除了中心胞體外，它們還延伸出大量寬度僅為幾十納米的精細(xì)小葉結(jié)構(gòu)，這些分支如同密集球冠，精準(zhǔn)嵌入神經(jīng)元之間的縫隙之中，并與其他同類細(xì)胞互不交疊。
- 據(jù)估算，人腦單個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞最多可接觸多達(dá)兩百萬個(gè)突觸連接點(diǎn)，不同腦區(qū)還存在特異化的亞型分布，使其能夠全域監(jiān)控并調(diào)節(jié)局部微環(huán)境。支撐這一龐大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的核心機(jī)制是鈣信號傳導(dǎo)系統(tǒng)。
- 盡管不具備神經(jīng)元式的動(dòng)作電位，它們卻能依靠細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行信息傳遞，同時(shí)對外界刺激如神經(jīng)遞質(zhì)溢出做出響應(yīng)。
- 雖然鈣信號傳播速度較慢，但影響范圍極廣，可觸發(fā)多種信號分子、離子及營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，進(jìn)而調(diào)控鄰近神經(jīng)元、其他膠質(zhì)細(xì)胞以及毛細(xì)血管的行為模式。
- 加州大學(xué)洛杉磯分校的巴爾吉特·哈克強(qiáng)調(diào)：“結(jié)構(gòu)決定功能?！彼膶?shí)驗(yàn)室通過對特定鈣通道基因進(jìn)行編輯，成功實(shí)現(xiàn)了對星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的人為干預(yù)，并觀察到動(dòng)物認(rèn)知行為的顯著改變。
- 西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所的曾宏奎補(bǔ)充指出，神經(jīng)元負(fù)責(zé)高速傳遞核心指令，而星形膠質(zhì)細(xì)胞則通過對突觸周圍微環(huán)境的精細(xì)調(diào)節(jié)，決定神經(jīng)元是否被激活或沉默，兩者協(xié)同共舞，缺一不可。
- 神經(jīng)疾病的新治療靶點(diǎn)
- 隨著研究不斷深化，科學(xué)家逐漸意識到星形膠質(zhì)細(xì)胞可能是攻克多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的突破口。在精神障礙領(lǐng)域，哈克團(tuán)隊(duì)在小鼠模型中驗(yàn)證：
- 選擇性激活或阻斷其特定鈣信號通路，可有效緩解強(qiáng)迫性梳理毛發(fā)等典型行為癥狀，提示該細(xì)胞類型有望成為抑郁癥、焦慮癥等疾病的新型干預(yù)靶標(biāo)。
- 針對亨廷頓病這類神經(jīng)退行性疾病，研究人員發(fā)現(xiàn)患者紋狀體區(qū)域的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，一組負(fù)責(zé)維持離子平衡與代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵基因表達(dá)水平明顯下調(diào)；通過基因療法恢復(fù)其表達(dá)后，小鼠運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和注意力缺陷得到顯著改善，提示早期干預(yù)潛力巨大。
- 阿爾茨海默病的研究更是迎來里程碑式進(jìn)展。倫敦大學(xué)學(xué)院的巴特·德·斯特魯珀團(tuán)隊(duì)揭示，星形膠質(zhì)細(xì)胞與小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)聯(lián)手加速病理進(jìn)程，甚至在淀粉樣蛋白斑塊出現(xiàn)之前就已介入異常網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。
- 疾病初期常伴隨神經(jīng)元過度興奮現(xiàn)象，與此同時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣信號活性下降；一旦修復(fù)該信號通路，神經(jīng)元活動(dòng)回歸正常節(jié)奏，小鼠的失眠、晝夜紊亂等前驅(qū)癥狀也隨之消失。
- 戈申團(tuán)隊(duì)發(fā)布的預(yù)印本論文尤為鼓舞人心：在阿爾茨海默病動(dòng)物模型中，人為增強(qiáng)星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號后，原本喪失的空間記憶能力完全復(fù)原。正如德·斯特魯珀所言，未來的神經(jīng)療法必須兼顧神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞雙系統(tǒng)，方能實(shí)現(xiàn)真正意義上的治愈。
- 塑造人類智慧的關(guān)鍵
- 星形膠質(zhì)細(xì)胞的重要性不僅限于疾病治療，它或許正是人類智力超越其他物種的根本原因之一。英國曼徹斯特大學(xué)的阿列克謝·韋爾赫拉茨基團(tuán)隊(duì)對比分析發(fā)現(xiàn)：
- 人類星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)復(fù)雜度遠(yuǎn)超猴子與嚙齒類動(dòng)物，體積至少為大鼠同類細(xì)胞的十倍以上，分支數(shù)量亦高出十倍，而果蠅中的類似細(xì)胞則結(jié)構(gòu)極為簡單。
- 紐約羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心開展的一項(xiàng)移植實(shí)驗(yàn)更具說服力：將人類星形膠質(zhì)細(xì)胞植入新生小鼠大腦后，這些小鼠在迷宮導(dǎo)航和條件反射測試中的表現(xiàn)顯著優(yōu)于對照組，直接證明了該細(xì)胞類型的進(jìn)化優(yōu)勢與高級認(rèn)知功能密切相關(guān)。
- 目前，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)專家也加入這場探索浪潮。芬蘭坦佩雷大學(xué)瑪雅莉娜·林內(nèi)課題組聯(lián)合德國科研團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出迄今規(guī)模最大的星形膠質(zhì)-神經(jīng)元混合模擬平臺，可同時(shí)建模一百萬個(gè)相互作用的細(xì)胞單元，為理解大腦整體工作機(jī)制提供前所未有的數(shù)字工具。
- 從一度被忽視的“背景配角”蛻變?yōu)轵?qū)動(dòng)大腦功能的核心引擎，星形膠質(zhì)細(xì)胞用半個(gè)世紀(jì)的努力完成了華麗轉(zhuǎn)身。
- 這些靜默運(yùn)轉(zhuǎn)的“宇宙星辰”，不僅重塑了我們對腦運(yùn)作原理的認(rèn)知框架，更在神經(jīng)康復(fù)、人工智能仿生計(jì)算等多個(gè)前沿領(lǐng)域開辟全新賽道，未來必將帶來更多顛覆性驚喜。
特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布，本平臺僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
