综述：时空钙动力学调控少突胶质细胞发育和髓鞘形成

《TRENDS IN Neurosciences》：Spatiotemporal calcium dynamics orchestrate oligodendrocyte development and myelination

这篇综述聚焦于少突胶质细胞系细胞（OLCs），阐述了突触和非突触途径如何整合为 Ca2+信号，影响 OLCs 的命运决定和髓鞘可塑性。通过对斑马鱼和小鼠模型的研究，揭示了 Ca2+信号在 OLCs 发育和髓鞘形成中的关键作用，为神经系统疾病研究提供新视角。

　　

少突胶质细胞系细胞（OLCs）在中枢神经系统中的重要作用

OLCs 由少突胶质前体细胞（OPCs）和少突胶质细胞组成，在中枢神经系统（CNS）的结构塑造和功能维持方面意义重大。在动物发育早期，OLCs 就开始出现，并广泛分布于整个 CNS，伴随动物一生。它的功能多样，涵盖了从髓鞘形成到免疫细胞调节等多个方面。在少突胶质细胞谱系中，存在多种细胞状态，其中 OPCs、前髓鞘少突胶质细胞（pmOLs）和成熟少突胶质细胞是研究的重点。

OPCs 是谱系中唯一具有增殖和迁移能力的细胞，还能与神经元形成稳固的突触。在适宜条件下，OPCs 会逐步分化为 pmOLs，最终成为成熟少突胶质细胞。成熟少突胶质细胞负责在轴突上形成并长期维持髓鞘，这一过程对调节轴突传导速度至关重要，直接影响神经元回路中的信号转导。在成年大脑的一些皮质区域，存在未髓鞘化的轴突段，这些区域是 “适应性髓鞘形成” 的潜在位点，对神经回路的塑造和重塑发挥着作用。尽管 OLCs 对神经元功能的重要性已被熟知，但关于 OLC 细胞命运进展的调控机制，目前仍未完全明晰。

在动物模型研究方面，斑马鱼幼虫和小鼠备受关注。斑马鱼幼虫具有透明的特点，适合利用共聚焦显微镜和光片显微镜对 OLC 命运动态进行连续观察。小鼠则可在成年期通过玻璃窗口，以及在多种疾病模型中借助多光子显微镜研究 OLCs。这些模型有助于我们了解 OLC 在不同发育阶段、CNS 复杂环境和病理状态下的命运和功能。

OLCs 与神经元活动的相互作用依赖于复杂的分子机制。OPCs 拥有多种离子通道、转运体和神经递质受体，能感知并响应环境变化。OPCs 与神经元形成的功能性突触，结构上类似于神经元 - 神经元突触，不过在神经元 - OPC 突触中，神经递质释放不会触发 OPCs 产生动作电位，而是通过激活 Ca²⁺通透的离子型和代谢型受体，引起细胞内 Ca²⁺浓度升高。此外，OPCs 和少突胶质细胞还表达多种非突触离子通道和 G 蛋白偶联受体，它们可能通过细胞内 Ca²⁺信号影响细胞命运。同时，少突胶质细胞和星形胶质细胞之间存在由异型连接蛋白（Cx47 - Cx43 或 Cx32 - Cx30）形成的间隙连接，这可能有助于协调两种神经胶质细胞之间的 Ca²⁺活动。但目前，完整神经回路中 OLCs 与神经元之间 Ca²⁺信号的时空协调机制仍有待深入研究。

OLCs 中 Ca²⁺活动的特点

以往在体外 CNS 实验中，刺激轴突束或进行广泛的药物干预后，OLCs 中的 Ca²⁺活动大多在细胞体或整个细胞中被检测到。然而，近期利用超灵敏的基因编码 Ca²⁺传感器和高分辨率体内光学显微镜对斑马鱼和小鼠的研究发现，OLCs 的 Ca²⁺信号具有独特的时空特征。多数 Ca²⁺瞬变局限于 OPCs 突起的特定小区域，或者成熟少突胶质细胞的单个髓鞘节段。虽然也曾观察到 Ca²⁺瞬变扩散至整个细胞（包括细胞体）的情况，但在体内（斑马鱼和小鼠）这种全局 Ca²⁺瞬变较为罕见，可能仅在大脑状态改变或病理条件下，神经元活动持续或整体发生变化时才会出现。

Ca²⁺微域（CaMs）是指 Ca²⁺信号在空间上局限于细胞内小区域的现象，通常出现在细胞的细突起中。CaMs 的 Ca²⁺信号源于 Ca²⁺通过通道簇的流动，这些通道簇形成了重要的信号枢纽。细胞内 Ca²⁺储存（内质网和线粒体）以及质膜上 Ca²⁺通透离子通道和受体的开放，都对微域 Ca²⁺瞬变有贡献。Ca²⁺结合蛋白、Ca²⁺外排泵以及线粒体的 Ca²⁺缓冲作用，共同塑造了 CaMs 中信号的时空动态。由于来源和缓冲机制的差异，CaMs 中的 Ca²⁺事件呈现出多种波形，具有不同的频率、幅度和持续时间。在神经元中，CaM 介导的局部 Ca²⁺信号参与调节从囊泡胞吐到突触可塑性等多种功能。在神经胶质细胞中，CaMs 最初在星形胶质细胞中被描述，后来在 OPCs、pmOLs、少突胶质细胞和小胶质细胞中也被观察到。不同神经胶质细胞类型中，CaMs 的基础 Ca²⁺事件发生频率不同，星形胶质细胞中的频率高于 OPCs 和少突胶质细胞。CaMs 通常靠近神经元突起，暗示神经元可能对其 Ca²⁺活动有影响，但不同神经胶质细胞类型中，神经元活动诱导的 CaMs 下游调节机制可能不同。例如，在星形胶质细胞中，CaMs 参与调节胶质细胞传递；在小胶质细胞中，CaMs 与突起重塑有关。随着越来越多研究关注 OLCs 中的 CaMs，明确其结构基础和稳定性，将有助于理解它们在 OLC 命运决定以及髓鞘形成、突触修剪等细胞功能中的作用。

神经元 - OPC 突触对 OPCs 中 Ca²⁺活动的影响

神经元 - OPC 突触为神经元和 OPCs 之间提供了直接的通讯途径。从发育阶段到成年期，谷氨酸能神经元 - OPC 突触广泛存在，并且与 OPCs 中的 Ca²⁺信号密切相关。通过脑片和细胞培养电生理学实验，提出了 Ca²⁺激活模型，如 AMPA 和 NMDA 谷氨酸受体可促使电压门控 Ca²⁺通道开放，代谢型谷氨酸受体则能动员细胞内 Ca²⁺储存。GABA 能神经元 - OPC 突触在 CNS 中也有分布，虽然看似违背直觉，但神经元释放的 GABA 可通过直接和间接机制激活 GABA 受体，引发 OPCs 中 Ca²⁺浓度升高。近期的体内研究为突触在产生 Ca²⁺活动中的作用提供了证据。在小鼠中，腹腔注射离子型谷氨酸（AMPA 和 NMDA）和 GABA 受体拮抗剂，会使体感皮层 OPCs 的基础 Ca²⁺活动降低约 40%；在斑马鱼中，通过神经元特异性表达破伤风毒素（TeNT）或向脊髓脑室注射 TeNT 阻断突触释放，会导致脊髓 OPCs 的 Ca²⁺瞬变减少 50%。值得注意的是，突触多存在于 OPCs 的突起上，而非细胞体，这或许可以解释为何 OPCs 突起中的 Ca²⁺瞬变更为频繁。总体而言，神经元 - OPC 突触的活动，无论其类型如何，都可能诱导 OPCs 产生 Ca²⁺信号。

非突触途径对 OLC Ca²⁺活动的调节

除了突触，神经元活动也能在非突触部位诱导 OPCs 的 Ca²⁺水平变化。在 OPCs 与背根神经节神经元共培养时，即使没有形成突触，OPCs 也会在轴突附近出现动作电位诱导的 Ca²⁺瞬变，不过其反应起始时间延迟，表明这是一种非突触传递。在神经元 - OPC 接触位点，还观察到与轴突膨体和不同大小囊泡相关的特殊结构。此外，去甲肾上腺素和乙酰胆碱等神经调质可通过体积传递诱导小鼠和培养的人 OPCs 产生 Ca²⁺。在小鼠中，皮质 OPCs 表达所有三种 G_q偶联的 α1 - 肾上腺素能受体亚型，这些受体介导了觉醒诱导的 OPCs 中 CaM 活动。去甲肾上腺素引起 Ca²⁺升高的一种可能机制是激活内质网上的肌醇三磷酸受体（IP3Rs）。有研究发现，选择性破坏小鼠少突胶质细胞中的 IP3R2，会导致体外细胞体 Ca²⁺活动改变，以及体内髓鞘形成受损。综合这些发现，非突触途径，如肾上腺素能受体 - IP3R 轴，可能通过 Ca²⁺信号调节 OLC 的发育。

随着 OPCs 分化，其突触输入逐渐减少，但少突胶质细胞仍能对神经元活动做出反应，CaM 活动在 pmOLs 和少突胶质细胞中依然存在，只是频率逐渐降低。这表明神经元与 OLCs 之间的通讯方式从突触途径逐渐转变为非突触途径，这种转变也反映在细胞谱系中基因表达谱的变化上，随着细胞分化成熟，离子型 “突触” 受体表达下调。在斑马鱼和小鼠的少突胶质细胞中，髓鞘节段会出现大幅度的 Ca²⁺升高，但这些髓鞘 Ca²⁺信号的来源尚不清楚。对体外小鼠视神经外植体进行电刺激发现，神经元活动导致的细胞外钾离子升高会促使少突胶质细胞产生细胞体 Ca²⁺瞬变，而谷氨酸和嘌呤能受体的激活作用相对较小；在体内，通过化学遗传学激活神经元活动表明，小鼠皮质少突胶质细胞中的 CaMs 主要由 AMPA 受体和嘌呤能受体介导。这些差异可能反映了少突胶质细胞根据刺激和环境不同，采用不同的 Ca²⁺激活途径。目前仍不清楚在没有外部刺激时，这些机制是否介导少突胶质细胞的 Ca²⁺活动，以及它们与髓鞘可塑性和维持的关系。

OLC Ca²⁺活动的动力学特征

OLCs 中的 Ca²⁺信号具有多样且独特的动力学特征。细胞体和微域中的 Ca²⁺事件存在明显差异，细胞体的 Ca²⁺反应通常较为缓慢，而 CaM 活动则相对较快。即使在 CaMs 中，OPCs 分支的 Ca²⁺信号动力学也高度多样，这可能取决于输入参数（神经递质和受体）以及 OPC 自身特性的内在异质性。例如，单个去极化脉冲和一系列连续刺激会在小鼠脑片的 OPCs 中引发截然不同的 Ca²⁺反应模式。不同的神经递质会导致 Ca²⁺反应在时间上有所差异，与谷氨酸相比，去甲肾上腺素等神经调质引发的反应会稍有延迟。对于特定的神经递质，受体类型也会影响 Ca²⁺动力学，如代谢型谷氨酸受体（mGluR）介导的 Ca²⁺反应在体外比 AMPA 或 NMDA 介导的反应更慢。此外，其他离子通道的存在也会影响 OPC Ca²⁺瞬变的整体动力学。这些 Ca²⁺信号的特征，包括持续时间和幅度，可能与在局部或全局尺度上激活不同的下游信号分子有关，进而编码 OLCs 的多种细胞行为和功能。

越来越多证据表明，OPCs 在基因表达和细胞行为上存在异质性。在小鼠中，出生时白质和灰质 OPCs 在生理上并无差异，但在出生后第一周就会出现区域特异性特征，体内成像显示不同 OPCs 的 Ca²⁺活动存在显著差异。在斑马鱼中，根据脊髓中 OPCs 的位置和对 Ca²⁺的处理方式，可将其分为两个不同群体。位于细胞体丰富区域的 OPCs，Ca²⁺事件幅度更大，细胞体 Ca²⁺活动也更多；而在轴突丰富区域的 OPCs 则不同，在神经元活动增加时，神经元丰富区域的 OPCs 增殖增强，轴突丰富区域的 OPCs 却没有这种变化。目前尚不清楚小鼠 CNS 中 OPCs 是否也存在这种 “命运决定” 差异，未来需要明确这些不同的 Ca²⁺活动是由 OPC 的内在特性（如 Ca²⁺通道类型和水平）还是外在环境因素（如与不同神经元类型的相互作用）导致的，这将有助于深入理解 Ca²⁺信号如何影响 OLC 在神经回路中的身份、行为和功能。

神经元对 OLC Ca²⁺活动的影响

神经元对 OLC Ca²⁺活动有着深远影响。许多研究通过化学、电或遗传手段干扰神经元放电，以探究神经元与 OLCs 活动之间的关系。在斑马鱼幼虫中，使用 4 - AP（一种使神经元去极化并增强神经元活动的试剂）处理，会增加体内 OPCs 突起中 Ca²⁺瞬变的频率；改变大脑状态激活蓝斑核中的神经元，也会提高体内 OPCs 的 Ca²⁺活动。在分化的少突胶质细胞中，对分离的小鼠视神经进行串刺激会增加细胞体 Ca²⁺活动，在体内通过化学遗传学刺激（使用 G_q DREADDs）会使小鼠皮层的少突胶质细胞 Ca²⁺活动升高。总体而言，在多种动物模型中，增加 CNS 不同部位的神经元活动，都会使 OLCs 的 Ca²⁺活动升高。

降低神经元活动对 OLC Ca²⁺信号的影响则更为复杂，具有情境特异性。在斑马鱼脊髓中，使用河豚毒素（TTX，通过阻断电压门控钠通道抑制神经元活动）抑制神经元活动，会降低早期 OPCs 的基础 Ca²⁺活动频率，但对晚期 OPCs 没有影响。在发育中的小鼠脊髓外植体中，TTX 会降低早期髓鞘形成阶段（DIV14）髓鞘形成少突胶质细胞 Ca²⁺事件的幅度和持续时间，但在晚期（DIV21）则没有效果。这些现象反映了 OPCs 和少突胶质细胞在不同发育阶段对神经元活动的敏感性不同。在小鼠中还观察到，TTX 会降低运动皮层少突胶质细胞体内 CaM 活动的幅度和频率，但对体感皮层少突胶质细胞和脑片 OPCs 却没有影响，这暗示了不同区域少突胶质细胞对神经元敏感性可能存在差异，也可能是由于体内（所有连接完整）和体外（许多连接被切断）实验准备的不同。此外，CNS 中基础神经元活动水平也会影响 OLC 的 Ca²⁺反应。而且，有证据表明部分 OPCs 的 Ca²⁺活动是内源性的，独立于神经元活动，如在细胞培养中，OPCs 和未成熟少突胶质细胞会出现自发的 Ca²⁺瞬变，这些 Ca²⁺事件可能由雷诺定受体激活或储存操作的 Ca²⁺进入引起。综合来看，神经元对 OLC Ca²⁺活动（尤其是基础活动）的影响，取决于所研究的发育阶段和 CNS 区域，在不同实验范式和模型系统中得到的结果和机制需要谨慎推断。未来开发能够调节 OLC 对神经元活动敏感性的方法，将有助于揭示这些复杂的神经元 - OLC 相互作用。

Ca²⁺对 OLC 增殖、分化和髓鞘形成的影响

Ca²⁺信号与 OLCs 的发育和成熟密切相关。近年来，许多研究通过光遗传学、化学遗传学手段直接改变 OLCs 中的 Ca²⁺信号，或通过调节神经元活动间接影响 Ca²⁺信号，但这些研究结果多样，甚至相互矛盾，凸显了 Ca²⁺信号在 OLCs 中作用的复杂性和情境依赖性。

一些研究表明 Ca²⁺信号能促进 OPC 增殖。在斑马鱼脊髓中，4 - AP 诱导 OPCs 突起中 Ca²⁺升高，会促进神经元细胞体丰富区域的 OPC 增殖，但对轴突丰富区域无效；使用 CalEx 泵降低 OPCs 中的 Ca²⁺，会消除 4 - AP 诱导的体内 OPC 增殖。在小鼠中，特异性删除 OPCs 中的 G_q偶联 α1A 肾上腺素能受体，会阻断运动诱导的皮质 OPCs Ca²⁺活动，并减少其体内增殖；在培养的人 OPCs 中，高频光遗传学激活储存操作的 Ca^<