在大脑中观察“星空”：星形胶质细胞显示出独特的活动模式

　　

   

   

图片:星形胶质细胞(意为“星形细胞”)具有独特的形态。虽然内部结构是星形的，但细胞的微小突起形成了云状区域，包围了所有附近的突触——不同神经元相遇和交流的交叉点。据估计，在老鼠体内，星形胶质细胞与大约30万个突触有联系并起作用。

• 研究人员开发了一个新的工具箱，可以让他们以前所未有的细节水平对清醒小鼠大脑中的单个星形胶质细胞进行成像

• 这项研究首次显示，在体内，星形胶质细胞产生钙信号的速度与神经元一样快，持续时间少于300毫秒

• 科学家们还发现，星形胶质细胞有热点，在那里活动频率更高

• 热点地图随着时间的推移是稳定的，具有特定行为的独特模式

• 这些发现是星形胶质细胞在信息处理和记忆存储中发挥作用的潜在证据

我们体验世界的方式是由于大脑中神经元之间复杂而复杂的相互作用。现在，一项发表在2022年2月9日《科学进展》(Science Advances)杂志上的研究表明，星形胶质细胞——大脑中的星形非神经元细胞——可能在处理信息甚至记忆中也发挥了重要作用。

冲绳科学技术研究所(OIST)的研究人员利用先进的成像和分析技术，记录了清醒小鼠大脑中单个星形胶质细胞内的信号，其细节和速度前所未有。

他们的发现，包括与神经元中看到的超快信号和不同行为对应的信号活动模式，表明星形胶质细胞可能在我们大脑的许多功能中发挥关键作用，包括我们如何思考、移动和学习。

“如果这些暗示是正确的，它将从根本上改变我们对神经科学和大脑工作方式的看法，”第一作者Leonidas Georgiou博士说，他是OIST光学神经成像单元的前博士生。

当我们描绘我们的大脑时，我们通常会想象出一堆杂乱的长线状神经元，它们在大脑的不同区域相互发送电信号。但神经元只占我们大脑细胞的一半。在神经元之间的剩余空间里，塞满了许多其他类型的脑细胞，包括星形胶质细胞。

“与神经元相比，星形胶质细胞很少受到关注。以前人们认为星形胶质细胞只是辅助细胞，为神经元提供营养，并清除它们的废物，”该研究的资深作者、光学神经成像部门负责人Bernd Kuhn教授说。

但近年来，越来越多的证据表明，星形胶质细胞可以在突触上倾听神经元之间传递的化学信息，并可以用它们自己的信号做出反应，这为我们的大脑接收和回应信息的方式增加了一层额外的复杂性。

尽管如此，先前在星形胶质细胞中检测到的信号比在神经元中检测到的信号慢10倍，因此科学家们认为这些细胞对于信息处理来说太慢了。

然而，通过开发一种新的工具包，可以对清醒小鼠的星形胶质细胞活动进行前所未有的详细研究，OIST的研究人员首次表明，星形胶质细胞在体内产生信号的速度与神经元一样快，持续时间少于300毫秒。

他们的工具包依赖于一项新发现:一种经常用于基因治疗的病毒可以从神经元“跳跃”到相连的星形胶质细胞。科学家们使用了一种腺相关病毒，这种病毒含有一种能使受感染细胞发出荧光的基因。在钙离子存在的情况下，荧光强度增加——钙离子是活细胞内信号活动的一个重要指标。

一旦贴上标签，研究团队就能够使用强大的自制显微镜，在小鼠清醒和移动的情况下，在数天内，每次一小时内，精确地定位和成像单个星形胶质细胞。

然后，科学家们使用一种先进的计算机程序来分析记录的图像，使他们能够检测到从未见过的钙信号的超快闪光，并以一种公正的方式评估信号模式。

他们发现，通过挠胡须产生的感官刺激，只会产生很少的钙信号，而某些行为，比如跑步或走路，则会产生高水平的活动。

科学家们还意识到，在星形胶质细胞的某些特定区域，或者说热点区域，活动水平更高。

“这些热点图就像指纹——对于某一特定行为，它们在一段时间内是稳定的，在一段时间内保持不变，而且对每个星形胶质细胞都是独特的，”Georgiou博士说。

更令人惊讶的是，研究小组注意到不同的行为对应着独特的热点模式。

“所以，当老鼠休息时，你会看到一个模式。而当老鼠奔跑时，你会看到不同的模式，”库恩教授说。

库恩教授提出的一种假设是，这些热点图可以代表记忆印记——一种代表特定行为或记忆的模式。在特定的行为或学习和回忆信息时，不同的神经元网络是活跃的，这也可能改变附近的星形胶质细胞的活动。他承认，记忆印记仍然是理论上的，而且极具争议。

“我们仍然不知道记忆是如何存储在大脑中的，但令人难以置信的是，它可能与星形胶质细胞有关，”他说。“这可能好得令人难以置信，但这是一个令人兴奋的假说，值得继续研究。”

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Ca+ activity maps of astrocytes tagged by axoastrocytic AAV transfer