科学家发现近一半脑细胞具有新的电功能
塔夫茨大学的研究人员发现了大脑中星形胶质细胞的电活动。图片来源：Siena Fried 为塔夫茨大学绘制的插图
令人惊讶的小鼠研究结果可能会为从癫痫到阿尔茨海默氏症的各种脑部和神经系统疾病带来新的见解和治疗方法。
塔夫茨大学医学院的研究人员发现了星形胶质细胞执行的一种以前未知的功能，星形胶质细胞是一种细胞，占大脑中所有细胞的近一半。
据研究人员称，在小鼠中发现星形胶质细胞的新功能为神经科学研究开辟了一条全新的途径，可以治疗从癫痫到阿尔茨海默氏症到创伤性脑损伤等各种疾病。
这一切都归结为星形胶质细胞如何与神经元相互作用，神经元是大脑和神经系统的基本细胞，接收来自外部世界的输入。通过一组复杂的电和化学信号，神经元在大脑的不同区域之间以及大脑与神经系统的其他部分之间传递信息。
星形胶质细胞，也统称为星形胶质细胞，是在大脑和脊髓中发现的星形胶质细胞。它们执行多种功能，包括对形成血脑屏障的内皮细胞进行生化控制、为神经组织提供营养、维持细胞外离子平衡、调节脑血流，以及在修复和瘢痕形成过程中的作用。感染和外伤后的大脑和脊髓。
到目前为止，科学家们认为星形胶质细胞很重要，但在这项活动中的演员人数较少。星形胶质细胞指导轴突的生长，轴突是传导电脉冲的神经元的细长投射。它们还控制神经递质，这种化学物质能够在整个大脑和神经系统中传输电信号。此外，星形胶质细胞建立血脑屏障并对损伤作出反应。
但它们似乎不像最重要的神经元那样具有电活性——直到现在。
“星形胶质细胞的电活动改变了神经元的功能，”医学院和生物医学科学研究生院神经科学副教授、Nature Neuroscience今天（2022 年 4 月 28 日）发表的一篇论文的通讯作者 Chris Dulla 说。“我们发现了大脑中两个最重要的细胞相互交流的新方式。因为关于大脑如何工作还有很多未知数，所以发现控制大脑功能的新的基本过程是开发神经疾病新疗法的关键。”
除了 Dulla 和主要作者 Moritz Armbruster，该研究的其他作者还包括来自塔夫茨大学医学院的 Saptarnab Naskar、Mary Sommer、Elliot Kim 和 Philip G. Haydon；塔夫茨生物医学科学研究生院细胞、分子和发育生物学项目的 Jacqueline P. Garcia；和其他机构的研究人员。
为了做出这一发现，该团队使用全新的技术设计了一种技术，使他们能够看到和研究脑细胞相互作用的电特性，这是以前无法观察到的。
“通过这些新工具，我们基本上发现了生物学的全新方面，”医学院神经科学研究助理教授 Armbruster 说。“随着更好的工具的出现——例如，不断开发新的荧光传感器——我们将更好地了解我们以前从未想过的事情。”
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“新技术用光成像电活动，”杜拉解释说。“神经元非常活跃，新技术让我们看到星形胶质细胞也有电活跃。”
Dulla 将星形胶质细胞描述为“确保大脑中的一切都是醋酸，如果出现问题，如果有损伤或病毒感染，它们会检测到它，尝试做出反应，然后尝试保护大脑免受伤害。我们接下来要做的是确定当这些侮辱发生时星形胶质细胞如何变化。”
神经元与神经元之间的交流是通过释放称为神经递质的化学物质包来实现的。科学家们知道星形胶质细胞控制神经递质，有助于确保神经元保持健康和活跃。但这项新研究表明，神经元也会释放钾离子，这会改变星形胶质细胞的电活动以及它如何控制神经递质。
“所以神经元控制着星形胶质细胞在做什么，它们来回交流。神经元和星形胶质细胞以一种以前不为人知的方式相互交谈，”他说。
对未来研究的影响
星形胶质细胞-神经元串扰的发现引发了许多关于相互作用如何在脑病理学和学习和记忆发展中发挥作用的问题。“它让我们重新思考星形胶质细胞所做的一切，以及星形胶质细胞具有电活性这一事实如何影响广泛的神经系统疾病，”他说。
例如，在阿尔茨海默病中，星形胶质细胞不控制神经递质，尽管这是它们的基本工作，Dulla 解释说。创伤性脑损伤和癫痫也会出现类似的问题。多年来，科学家们一直认为问题可能是由于蛋白质缺失或导致蛋白质不起作用的突变引起的。
大脑中的神经元会在某些数学运算中特别激发。图宾根大学和波恩大学最近进行的一项研究表明了这一点。研究结果表明，检测到的一些神经元仅在加法期间活跃，而其他神经元在减法期间活跃。他们不关心计算指令是写成单词还是符号。该结果现已发表在《当代生物学》杂志上。
“据推测，大脑中细胞外钾的积累会导致癫痫和偏头痛疾病，”Armbruster 说。“这项新研究让我们更好地了解星形胶质细胞如何清除这种积聚并帮助维持兴奋的平衡。”
研究人员现在正在筛选现有的药物，看看它们是否可以操纵神经元-星形胶质细胞的相互作用。“通过这样做，我们有朝一日可以帮助人们更快或更好地学习吗？我们能在脑损伤发生时修复它吗？” 杜拉问道。
用于做出这一发现的新技术不仅开辟了思考星形胶质细胞活动的新方法，还提供了通过大脑成像活动的新方法。例如，在此之前，没有办法对大脑中的钾活动进行成像，或者研究钾如何参与睡眠、新陈代谢或大脑中的损伤和感染。
“我们将这些工具提供给其他实验室，以便他们可以使用相同的分析和技术来研究他们感兴趣的问题，”他说。“科学家们正在获得研究头痛、呼吸、发育障碍和各种不同神经系统疾病的工具。”