大脑中的“星形”细胞显示出独特的活动模式

我们体验世界的方式是由大脑神经元之间复杂的相互作用产生的。现在，一项研究表明，星形胶质细胞——大脑中的星形非神经元细胞——也可能在处理信息甚至记忆方面发挥重要作用。

　　

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，”乔治乌博士说。

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，这些热点图可能代表记忆印记——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。”

Journal Reference:

1. Leonidas Georgiou, Anaí Echeverría, Achilleas Georgiou and Bernd Kuhn. Ca  activity maps of astrocytes tagged by axoastrocytic AAV transfer. Science Advances, 2022 DOI: 10.1126/sciadv.abe5371