Science子刊：星形膠質(zhì)細(xì)胞的新功能

日期：2012-04-05 08:25:18

一直以來科學(xué)家們將過多的興趣放在了大腦中的神經(jīng)元細(xì)胞，而另一種被認(rèn)為主要充當(dāng)“膠水”將大腦連接在一起的細(xì)胞類型——星形膠質(zhì)細(xì)胞卻遭到忽視。近日來自美國羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的神經(jīng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞在大腦中的功能遠(yuǎn)比原來認(rèn)為的要強(qiáng)大的多。相關(guān)研究論文發(fā)表在《科學(xué)信號》（Science Signaling）雜志上。

研究人員報告稱他們發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞對創(chuàng)造大腦工作的適合環(huán)境至關(guān)重要。星形膠質(zhì)細(xì)胞在抑制或終止被視為是大腦活性的電信號中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，因而決定了神經(jīng)細(xì)胞何時處于興奮狀態(tài)。

這是一個極大的研究進(jìn)步，科學(xué)家們長期以來都認(rèn)為星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能主要是為神經(jīng)元提供營養(yǎng)，使它們保持健康。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、神經(jīng)外科教授Maiken Nedergaard 博士說：“長期以來人們將星形膠質(zhì)細(xì)胞視作管家細(xì)胞，傾向于為神經(jīng)元提供營養(yǎng)，并負(fù)責(zé)清潔。事實證明它們能夠以一種未被認(rèn)識的方式來影響神經(jīng)元的功能。”

適當(dāng)?shù)拇竽X功能依賴于億萬的電信號——就像真實的小分子爆炸——驚人地同步發(fā)生。回想愛人的容貌，擺動棒球棍，行走在大街上——所有這些行為都依賴于即時在我們神經(jīng)中傳遞的電信號。

要做到這一點，大腦細(xì)胞內(nèi)鈉、鈣和鉀等分子化合物都必須恰到正好，而星形膠質(zhì)細(xì)胞則能夠幫助維持這種平衡環(huán)境。例如，當(dāng)神經(jīng)元發(fā)送神經(jīng)脈沖或興奮時，細(xì)胞外周的鉀離子水平會顯著增高，必須快速地使其恢復(fù)正常才能維持大腦的正常功能。科學(xué)家們很早以前就知道這是星形膠質(zhì)細(xì)胞的工作——吸收過多的鉀離子，終止神經(jīng)脈沖，恢復(fù)細(xì)胞確保它們能即刻再度興奮。

在這篇新文章中，Nedergaard研究小組發(fā)現(xiàn)了星形膠質(zhì)細(xì)胞的一個擴(kuò)展功能。他們發(fā)現(xiàn)除了簡單地吸收過量的鉀離子，星形膠質(zhì)細(xì)胞自身也可引起神經(jīng)元周圍的鉀離子水平下降，終止神經(jīng)信號。

Nedergaard說：“遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是扮演了一個被動的角色，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以一種影響神經(jīng)元活性的方式啟動吸收鉀離子。這是一種簡單然而卻功能強(qiáng)大的機(jī)制，使得星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠快速調(diào)控神經(jīng)元的活性。”

Nedergaard研究星形膠質(zhì)細(xì)胞的秘密生活已有20多年。她曾經(jīng)揭示了細(xì)胞如何利用鈣離子傳送信號。在20年前的一篇Science論文中，她提出了開創(chuàng)性的見解認(rèn)為與星形膠質(zhì)細(xì)胞相似的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元間存在溝通并能影響它們。自此之后，其他的科學(xué)家們做出了大量的推測認(rèn)為膠質(zhì)細(xì)胞源性遞質(zhì)(gliotransmitter)谷氨酸和三磷酸腺苷(ATP)在這一過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

與之相反的是，在最近的研究中Nedergaard小組發(fā)現(xiàn)另一種涉及鉀離子的信號系統(tǒng)發(fā)揮了功能。通過吸收鉀，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以抑制神經(jīng)元興奮，提高科學(xué)家們稱之為的“突觸保真度”（synaptic fidelity，生物通譯）。一些重要的大腦信號越來越得到明確，即不應(yīng)該興奮的神經(jīng)元中會存在少一些不必要的活性。這種錯誤的神經(jīng)元活性與多種疾病，包括癲癇、精神分裂癥和注意缺陷障礙等有關(guān)。

Nedergaard指出星形膠質(zhì)細(xì)胞的大小和復(fù)雜性是我們的大腦與嚙齒動物相區(qū)別的少數(shù)特征之一。我們的星形膠質(zhì)細(xì)胞更大，更快，在結(jié)構(gòu)和功能要更為復(fù)雜的多。Nedergaard發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞與中風(fēng)、老年癡呆、癲癇和脊髓損傷等疾病均存在密切的相關(guān)性。

“星形膠質(zhì)細(xì)胞是最復(fù)雜的大腦過程所不可或缺的，”Nedergaard說。