Nature：解析神经胶质细胞的功能

　　

生物通报道  人类大脑中大约存在有1000亿个神经元细胞，使我们能够思考、感觉和行动。它们通过一种称为轴突的长神经纤维将电冲动传递至远端的大脑区域和机体。这种通讯需要巨大的能量，这些能量是通过神经元由糖类生成。轴突与神经胶质细胞密切相关，一方面，利用电绝缘髓鞘包绕它们，另一方面对它们的长期功能起支持作用。

近日来自马克斯-普朗克实验医学研究所的Klaus Armin和他的研究组发现了大脑中这些神经胶质细胞支持轴突和长期维持它们活性的可能机制。相关论文发布在《自然》（Nature）杂志上。

少突胶质细胞是中枢神经系统中一群高度特化的神经胶质细胞。它们负责形成环绕神经纤维作为绝缘层的富含脂肪髓鞘。一个显著的例子就是比作电缆上的绝缘层，然而相比电缆的绝缘层髓鞘的功能要多得多：它能够提高轴突的传输速度，减少持续的能量消耗。髓鞘对于正在发挥功能的神经系统极其重要，绝缘层缺陷可导致诸如多发性硬化症等疾病发生。

有趣的是，少突胶质细胞的功能远远不止是提供髓鞘。Klaus-Armin Nave和他的研究小组曾在数年前成功证实除了髓鞘形成，健康神经胶质细胞对于轴突自身的长期功能和存活也是至关重要的。“然而直到现在我们都还不清楚少突胶质细胞是通过何种方式在功能上支持它们的相关轴突的，”Nave说。在新研究中，研究人员证实神经胶质细胞参与了为神经纤维补充能量。“它们可以被描述为轴突数据高速公路上的加油站，”Nave对这些研究结果进行解释时说。

然而能量补给是如何运作的？在少突胶质细胞与轴突之间是否存在着一种代谢联系？为了弄清这一点，Ursula Fünfschilling构建出了遗传修饰的小鼠：在少突胶质细胞中通过使Cox10基因失活有意地破坏线粒体功能。这影响了线粒体中糖分解的最后阶段——这一过程被称为呼吸链。由于细胞色素氧化酶只在细胞存在Cox10酶时有功能，如果呼吸链中的链环缺失，在这种情况下神经胶质细胞会逐渐丧失线粒体中细胞呼吸的能力。“没有自主呼吸，操纵的神经系统胶质细胞就会死亡，”Ursula Fünfschilling解释说。除非利用来自糖分解形成丙酮酸或乳酸的低水平能量，这一过程称为糖酵解，来满足它们的需要。

这恰恰是科学家们在他们的小鼠中观察到的：动物髓鞘以这种正常的方式初步形成。在这一点线粒体呼吸链开始受损，似乎并不会影响中枢神经系统的胶质细胞。甚至在一年后，大脑中也没有观察到神经变性改变。科学家们认为在生命的最初几周，这一阶段以最大的能量需求为特征，突变的少突胶质细胞仍然依赖许多完整的线粒体。随后所有更为成熟的少突胶质细胞似乎减少了线粒体呼吸，通过增加糖酵解来设置其能量生成。对于健康胶质细胞的利益是在糖分解过程中生成的代谢产物可以作为髓鞘合成的组成部分。此外，少突胶质细胞中生成的乳酸可被给予轴突，在轴突中它被用作产生能量帮助轴突自身的线粒体。

“在刻意修饰的少突胶质细胞中完全丧失呼吸链有可能提高一个自然呈现的发育步骤，”Nave解释说。因此胶质细胞线粒体丧失不会导致对轴突的能量供应衰退，而是相反地过度供应了可利用的乳酸。受影响的神经信号通路本身没有问题，这一点在少突胶质细胞的乳腺代谢中得到证实。转运蛋白确保了乳酸在少突神经胶质细胞与它们的有髓鞘轴突之间的快速转移。

这一研究发现为少突胶质细胞的功能提供了新的理解：除了已知对于髓鞘形成的重要作用，它们能够向轴突直接提供糖产物，用作燃料帮助高活性期中的轴突线粒体。神经胶质细胞的这种双功能可以用于解释为何在许多的髓鞘疾病中，例如多发性硬化症，受累的脱髓鞘轴突往往会遭受不可逆转的损害。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Glycolytic oligodendrocytes maintain myelin and long-term axonal integrity

Oligodendrocytes, the myelin-forming glial cells of the central nervous system, maintain long-term axonal integrity1, 2, 3. However, the underlying support mechanisms are not understood4. Here we identify a metabolic component of axon–glia interactions by generating conditional Cox10 (protoheme IX farnesyltransferase) mutant mice, in which oligodendrocytes and Schwann cells fail to assemble stable mitochondrial cytochrome c oxidase (COX, also known as mitochondrial complex IV). In the peripheral nervous system, Cox10 conditional mutants exhibit severe neuropathy with dysmyelination, abnormal Remak bundles, muscle atrophy and paralysis. Notably, perturbing mitochondrial respiration did not cause glial cell death. In the adult central nervous system, we found no signs of demyelination, axonal degeneration or secondary inflammation. Unlike cultured oligodendrocytes, which are sensitive to COX inhibitors5, post-myelination oligodendrocytes survive well in the absence of COX activity. More importantly, by in vivo magnetic resonance spectroscopy, brain lactate concentrations in mutants were increased compared with controls, but were detectable only in mice exposed to volatile anaesthetics. This indicates that aerobic glycolysis products derived from oligodendrocytes are rapidly metabolized within white matter tracts. Because myelinated axons can use lactate when energy-deprived6, our findings suggest a model in which axon–glia metabolic coupling serves a physiological function.