原先被認為無(wú)用的細胞，居然也能如神經(jīng)元一樣，在刺激下做出反應，讓大腦閃耀，如同星河。
“膠質(zhì)細胞”就是大腦里的海綿?？茖W(xué)家認為它們作為填充物支撐著(zhù)我們大腦。一項新的研究發(fā)現，膠質(zhì)細胞同樣參與了大腦的工作。這一結果可能讓我們得以重新認識生物體最神秘的器官。
該研究由麻省理工學(xué)院的舒默爾斯和中國留美學(xué)者俞洪波等人組成的研究小組完成，成果發(fā)表在近日的《科學(xué)》雜志上。本報記者專(zhuān)訪(fǎng)了俞洪波。他詳細講解了此項研究的全過(guò)程。
研究途徑 進(jìn)入“腦的叢林”
如果你是美劇《豪斯醫生》的粉絲，那你一定不會(huì )對“fMRI”感到陌生。它就是“腦功能核磁共振”。它一直是科學(xué)家探索大腦功能的工具。它讓研究者直接進(jìn)入“腦的叢林”。
一個(gè)腦包含數千億個(gè)神經(jīng)元，還有更多的膠質(zhì)細胞填充其間。“可以想象，如果我們能身臨其境，處身于興奮的腦中，那將會(huì )是電光閃爍，此起彼伏，密如織網(wǎng)。”俞洪波解釋說(shuō)現代腦成像技術(shù)讓我們實(shí)現了這一夢(mèng)想。研究人員如孫悟空一樣縮小身形，進(jìn)入鐵扇公主的顱腔，置身于腦細胞的叢林中，觀(guān)察這些細胞。“了解了每個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)就能破解腦的秘密。”
可是fMRI也有缺點(diǎn)。它的信號來(lái)源是模糊的，多年來(lái)科研人員不知道腦的活動(dòng)是如何引起fMRI信號的，因此對fMRI結果的解釋也是格外小心；同時(shí)fMRI檢測非常粗放，它的空間分辨率在毫米級別，而在1毫米見(jiàn)方的腦皮層內，有幾十萬(wàn)神經(jīng)元，人們無(wú)從得知具體的單個(gè)神經(jīng)元的信息。記錄單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)，傳統辦法是在腦中插入及其細小的電極，可是一根電極最多只能記錄幾個(gè)細胞，工作起來(lái)如同大海撈針。
2001年，俞洪波所在的麻省理工學(xué)院建立的新系統解決了這個(gè)問(wèn)題。“開(kāi)始是用于形態(tài)學(xué)研究的，2003年我和同事將它應用于活體動(dòng)物雪貂的長(cháng)期形態(tài)學(xué)研究并取得成功。”
這一系統的核心是雙光子激光成像。“分辨率可以小于一微米，比頭發(fā)直徑小百倍。”研究人員用多種熒光染料標記大腦，如果熒光分子遍布細胞全體，研究人員就可以看到動(dòng)物腦內細胞的全態(tài)。如果染料是與腦活動(dòng)相關(guān)的，比如說(shuō)神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位后，細胞內的鈣離子濃度會(huì )大幅升高，采用特殊的鈣離子染料，鈣濃度增加，熒光就增強；鈣濃度降低，熒光就減弱，這樣就可以檢測細胞的反應強度。
結論延伸 解開(kāi)腦功能成像之謎
星型膠質(zhì)細胞的功能區和神經(jīng)元的完全匹配，這樣的精確有何意義？MIT教授聊起了以前的一個(gè)猜想，膠質(zhì)細胞可能與血流相關(guān)。
研究人員立即聯(lián)想到在實(shí)驗中所觀(guān)察到的一個(gè)有趣現象：星型膠質(zhì)細胞只在一個(gè)非常特定的麻醉水平以下才反應，而這個(gè)水平與我們多年來(lái)在進(jìn)行血流相關(guān)的腦功能成像中總結出的“魔術(shù)閾值”完全一致。“星型膠質(zhì)細胞反應時(shí)，腦功能成像的血流信號也強烈，反之亦然。”
此后，研究人員又通過(guò)實(shí)驗證實(shí)了這一猜想：神經(jīng)元精準的功能區與星型膠質(zhì)細胞的功能區匹配，由星型膠質(zhì)細胞來(lái)控制局部血管的擴張，以精準控制局部血流的變化，從而為包括fMRI在內的腦功能成像提供信號來(lái)源。即使神經(jīng)元反應正常，只要星型膠質(zhì)細胞不反應，腦功能成像信號幾乎完全消失。
俞洪波解釋說(shuō)，腦功能成像研究開(kāi)始之初就有很多未解決的問(wèn)題，人們知道腦血流和功能相關(guān)，可不知道具體是如何實(shí)現的。比如腦的功能反應增強一倍，腦血流是否也線(xiàn)性增強，這涉及到對成像研究的基本解釋。過(guò)去多年來(lái)有很多解釋?zhuān)擅苤刂?。而星型膠質(zhì)細胞的發(fā)現，則解開(kāi)了腦功能成像的秘密，此時(shí)距離在腦功能成像被廣泛應用已經(jīng)十多年。
對此，德國馬普研究所的兩位科學(xué)家在同期《科學(xué)》上發(fā)表的專(zhuān)題評論文章說(shuō)：“單個(gè)星型膠質(zhì)細胞獨特的反應模式完全挑戰了過(guò)去的學(xué)術(shù)觀(guān)點(diǎn)。”
《科技評論》對這一結果則評價(jià)說(shuō)：它可能解決了一個(gè)長(cháng)期以來(lái)沒(méi)有解決的科學(xué)奧秘：為什么當代腦功能成像方法的基礎———腦血流，與腦功能密切相關(guān)？
異?，F象 膠質(zhì)細胞總是“慢一拍”
2005年，俞洪波和同事舒默爾斯開(kāi)始進(jìn)行鈣離子成像實(shí)驗。他們以雪貂為實(shí)驗對象，用鈣離子熒光染料標記了雪貂特定腦區中所有的細胞。“成百上千個(gè)細胞猶如天上的星星，閃耀，此起彼伏。”
當研究人員給實(shí)驗動(dòng)物看反復變化的圖形時(shí)，細胞群的閃耀模式也隨之變化：一會(huì )兒如同轉動(dòng)的風(fēng)車(chē)，一會(huì )兒則是忽閃而過(guò)的薄云?？吹竭@樣的情景，研究人員很興奮。但進(jìn)一步仔細觀(guān)察后，卻發(fā)現有一些閃爍明顯“慢一拍”。“這是以前沒(méi)見(jiàn)到的。”
起初研究人員認為它們可能是一類(lèi)獨特的神經(jīng)元。俞洪波解釋說(shuō)，人腦中有1000億個(gè)神經(jīng)元，它們構成了極其復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，對各種神經(jīng)信息進(jìn)行處理，是感覺(jué)、運動(dòng)、學(xué)習、記憶、思維、創(chuàng )造等各種大腦功能的承擔者。神經(jīng)膠質(zhì)細胞的數量是神經(jīng)元的10倍，但長(cháng)期以來(lái)一直被認為僅限于在神經(jīng)元之間充當填充物，同時(shí)為神經(jīng)元提供營(yíng)養。
為了給這些慢一拍的細胞驗明身份，研究人員在下一次實(shí)驗中加入了另一種染料以標記星型膠質(zhì)細胞，以便將它們從錄像中剔除，只留下研究對象神經(jīng)元，更好地進(jìn)行觀(guān)察。
“我們錯了！”當天深夜，他們發(fā)現，這些“慢一拍”的都是星型膠質(zhì)細胞。第二次，第三次，研究人員變換各種指標，結論還是一樣。星型膠質(zhì)細胞一直在進(jìn)行反應。
發(fā)現“慢一拍”的星型膠質(zhì)細胞后，研究人員對星型膠質(zhì)細胞進(jìn)行了測試，以比對原先被認為是神經(jīng)元特有的一系列特性。實(shí)驗結果表明，這些特性星型膠質(zhì)細胞也都有，甚至更強烈。“如神經(jīng)元一樣，具有相同特性的星型膠質(zhì)聚集在一起，形成非常嚴格的功能區。”
他們得出結論，星型膠質(zhì)細胞的功能區和神經(jīng)元的完全匹配，即使在完全不同功能區的邊界，也分毫不差。
特殊意義 重新認識神經(jīng)疾病
這一發(fā)現在《科學(xué)》上發(fā)表后，引起了廣泛關(guān)注。一個(gè)醫學(xué)研究的新方向也許就此打開(kāi)?！犊茖W(xué)美國人》指出：“當星型膠質(zhì)細胞反應異常時(shí)，它們將可能引發(fā)一系列神經(jīng)疾病”。
在膠質(zhì)細胞的研究中，我國科學(xué)家走在了世界的前列。中科院腦科學(xué)研究所的段樹(shù)民院士2006年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文表明了另一類(lèi)膠質(zhì)細胞———NG2膠質(zhì)細胞具有學(xué)習記憶相關(guān)的反應特性，轟動(dòng)了當時(shí)的學(xué)術(shù)界。“雖然我們的研究基本理念相通，我們對膠質(zhì)細胞的功能要重新評估。”俞洪波強調。
比如以前對腦功能基本的研究多集中于神經(jīng)元的異常，比如癲癇癥就被認為是神經(jīng)元的過(guò)度興奮而造成的大片腦區反應異常。但是當星型膠質(zhì)細胞的新功能被發(fā)現后，這一看法就可能有了新的視角：它們是否和膠質(zhì)細胞異常相關(guān)？
俞洪波指出，在有的老年癡呆癥模型中已經(jīng)發(fā)現，病患的功能性血流變化非常微弱，可是神經(jīng)元反應的異化并不明顯。這強烈地提示星型膠質(zhì)細胞可能參與其中。
由此，相應的治療手段就會(huì )聚焦于膠質(zhì)細胞上。同樣以前的研究表明癲癇病人的膠質(zhì)細胞形態(tài)上不同于常人，而從俞洪波等科研人員的結果出發(fā)很可能意味著(zhù)血流控制的異常，反過(guò)來(lái)將造成腦區大范圍的失常。
研究人員還發(fā)現星型膠質(zhì)細胞也可以改變神經(jīng)元之間的聯(lián)系效率；它們失效時(shí)，一個(gè)小的刺激就會(huì )引發(fā)長(cháng)時(shí)間的異常反應。而這些特性為現有的神經(jīng)疾病研究提供了另外一個(gè)研究途徑，在幾乎所有領(lǐng)域，研究者們都可以再做一次評估，它們是否和膠質(zhì)細胞相關(guān)？能否制定基于膠質(zhì)細胞的治療方案？
本版采寫(xiě)/本報記者 李健亞
本版圖片由麻省理工學(xué)院Sur實(shí)驗室
俞洪波與舒默爾斯博士提供
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