新发现的大脑网络是由辅助细胞构成的“秘密系统”

星形细胞网连接着大脑的不同部位,使分子能够进行远距离交换。

荧光显微照片显示,黑色背景上的许多星形星形胶质细胞呈红色和黄色。
鲜为人知的脑细胞——星形胶质细胞,在大脑中形成独特的网络。图片来源:Stephen Waxman 教授,Hank Morgan/科学图片库

科学家发现,被称为星形胶质细胞的默默无闻的脑细胞在小鼠大脑中形成了广泛的网络1 ——这些网络在某些方面与被称为神经元的更著名的脑细胞形成的脑回路相似。

研究人员绘制了一张覆盖整个大脑的星形胶质细胞网络三维图谱,作者称这是首张此类图谱。该图谱显示,星形胶质细胞网络连接着大脑中相距遥远的区域,使细胞能够在长距离范围内相互交换分子。塑造我们行为、记忆和健康的“沉默”脑细胞

“这是一个我们之前不知道的秘密地铁系统,”纽约大学格罗斯曼医学院的神经科学家谢恩·利德洛说道。他是今天发表在《自然》杂志上的一篇论文的合著者,该论文描述了这项研究。“这开辟了一个全新的研究方向。”

研究团队发现,星形胶质细胞网络可以连接大脑的两个半球,并且具有可塑性,能够根据感觉剥夺情况重塑其连接。

英国爱丁堡大学的神经生物学家大卫·莱昂斯(David Lyons)表示,这项研究“对我们理解神经系统结构而言是一项意义重大的根本性进步”。莱昂斯并未参与这项研究。他补充说,到目前为止,这些关于复杂星形胶质细胞网络的新证据提出的问题比解答的问题更多。“显然,我们距离理解这类网络的功能意义和作用还有一段路要走,但其中蕴含着无数的可能性。”

星形细胞

星形胶质细胞能够支持神经元:它们清除神经元连接处周围积聚的化学“垃圾”,并帮助将重要的分子输送给神经元。利德洛说,神经元之间的空隙充满了星形胶质细胞,“它们遍布大脑的每一个角落”。

神经元拥有称为轴突的长臂,可以用来远距离传递信息。星形胶质细胞没有轴突,取而代之的是覆盖着许多短得多的臂状结构,使其外观呈星状。在星形胶质细胞臂状结构相互连接的地方,存在称为间隙连接的微小通道,使两个细胞能够交换钙离子和葡萄糖等物质。

此前,科学家们尚未探究星形胶质细胞连接链的延伸范围。由于缺乏解剖学数据,一些科学家认为星形胶质细胞网络分布极其局限。

分子印章

由利德洛和共同作者梅丽莎·库珀(纽约大学格罗斯曼医学院的神经科学家)组成的研究团队,向活体小鼠大脑的特定区域注射了一种基因疗法,该疗法使该区域的星形胶质细胞能够在穿过其间隙连接的分子上留下类似“印记”的标记。这些标记使得研究人员能够对该区域内与其他星形胶质细胞相连的任何星形胶质细胞进行成像。这是迄今为止绘制的最大的人脑地图。

研究团队对这些网络进行成像后,结果令人惊讶。他们发现,星形胶质细胞在单个脑区内形成非常小的网络。但他们也观察到跨越脑区的连接,这些连接延伸至数厘米之外——在小鼠微小的脑组织中,这已是相当长的距离——横跨左右半球,并向下延伸至脑干。这些网络不同于神经元网络,能够连接遥远的脑区。

研究人员还测试了这些神经网络是否具有可塑性,即重新配置的能力。已知当小鼠的胡须被剪掉,造成某种感觉剥夺时,大脑中负责处理胡须信息的神经网络会发生重组。科学家们发现,当小鼠的胡须被剪掉时,星形胶质细胞网络也会发生重组,这表明星形胶质细胞网络也具有可塑性。

大脑高速公路

作者们尚不清楚这些星形胶质细胞网络的具体功能。但他们推测,这些系统可能为代谢物从不太活跃的大脑区域向更活跃的大脑区域输送提供途径。

这项研究表明,星形胶质细胞网络在大脑可塑性中发挥的作用比之前所知的更大。田纳西州纳什维尔范德比尔特大学医学中心的眼科医生大卫·卡尔金斯(David Calkins)说道,他曾研究过与视神经相关的星形胶质细胞。(该研究的共同作者库珀(Cooper)之前是卡尔金斯团队的研究生,但卡尔金斯并未参与这项研究。)

莱昂斯也认为星形胶质细胞的作用可能比之前认为的要大得多。“越来越明显的是,星形胶质细胞可以‘聆听’神经元的活动,进而进行计算,并将信号反馈给神经元,从而改变它们的活动,”他说。“这种现象原则上可以在长程网络中发生,这个想法令人兴奋。”

库珀表示,这一结果很可能也适用于其他动物,包括灵长类动物。

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xuanzhang
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