大腦工作，群星閃耀

李　健

原先被認(rèn)為無用的細(xì)胞，居然也能如神經(jīng)元一樣，在刺激下做出反應(yīng)，讓大腦閃耀，如同星河。“膠質(zhì)細(xì)胞”就是大腦里的海綿?？茖W(xué)家認(rèn)為它們作為填充物支撐著我們的大腦。麻省理工學(xué)院的舒默爾斯和中國留美學(xué)者俞洪波等人研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)細(xì)胞同樣參與了大腦的工作。這一結(jié)果可能讓我們得以重新認(rèn)識生物體最神秘的器官。

一個腦包含數(shù)千億個神經(jīng)元，還有更多的膠質(zhì)細(xì)胞填充其間?！翱梢韵胂?，如果我們能身臨其境，處身于興奮的腦中，那將會是電光閃爍，此起彼伏，密如織網(wǎng)?！庇岷椴ń忉屨f。如果你是美劇《豪斯醫(yī)生》的粉絲，那你一定不會對“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”。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(xì)胞的叢林中，觀察這些細(xì)胞?！傲私饬嗣總€神經(jīng)元的電活動就能破解腦的秘密。”

可是fMRI也有缺點。它的信號來源是模糊的，多年來科研人員不知道腦的活動是如何引起fMRI信號的，因此對fMRI結(jié)果的解釋也是格外小心；同時fMRI檢測非常粗放，它的空間分辨率在毫米級別，而在1毫米見方的腦皮層內(nèi)，有幾十萬神經(jīng)元，人們無從得知具體的單個神經(jīng)元的信息。記錄單個神經(jīng)元的電活動，傳統(tǒng)辦法是在腦中插入極其細(xì)小的電極，可是一根電極最多只能記錄幾個細(xì)胞，工作起來如同大海撈針。

2001年，俞洪波所在的麻省理工學(xué)院建立的新系統(tǒng)解決了這個問題。這一系統(tǒng)的核心是雙光子激光成像?！胺直媛士梢孕∮?微米，比頭發(fā)直徑小百倍。”研究人員用多種熒光染料標(biāo)記大腦，如果熒光分子遍布細(xì)胞全體，研究人員就可以看到腦內(nèi)細(xì)胞的全態(tài)。如果染料是與腦活動相關(guān)的，比如說神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位后，細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度會大幅升高，采用特殊的鈣離子染料，鈣濃度增加，熒光就增強(qiáng)；鈣濃度降低，熒光就減弱。這樣就可以檢測細(xì)胞的反應(yīng)強(qiáng)度。

星型膠質(zhì)細(xì)胞的功能區(qū)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猜想，膠質(zhì)細(xì)胞可能與血流相關(guān)。

研究人員立即聯(lián)想到在實驗中所觀察到的一個有趣現(xiàn)象：星型膠質(zhì)細(xì)胞只在一個非常特定的麻醉水平以下才反應(yīng)，而這個水平與多年來在進(jìn)行血流相關(guān)的腦功能成像中總結(jié)出的“魔術(shù)閾值”完全一致?！靶切湍z質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)時，腦功能成像的血流信號也強(qiáng)烈，反之亦然?！?/p>

此后，研究人員又通過實驗證實了這一猜想：神經(jīng)元精準(zhǔn)的功能區(qū)與星型膠質(zhì)細(xì)胞的功能區(qū)匹配，由星型膠質(zhì)細(xì)胞來控制局部血管的擴(kuò)張，以精準(zhǔn)控制局部血流的變化，從而為包括fMRI在內(nèi)的腦功能成像提供信號來源。即使神經(jīng)元反應(yīng)正常，只要星型膠質(zhì)細(xì)胞不反應(yīng)，腦功能成像信號幾乎完全消失。

人們知道腦血流和功能相關(guān)，可不知道具體是如何實現(xiàn)的。比如腦的功能反應(yīng)增強(qiáng)一倍，腦血流是否也線性增強(qiáng)，這涉及到對成像研究的基本解釋。過去多年來有很多解釋，可矛盾重重。而星型膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，則解開了腦功能成像的秘密，此時距離腦功能成像被廣泛應(yīng)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)表的專題評論文章說：“單個星型膠質(zhì)細(xì)胞獨特的反應(yīng)模式完全挑戰(zhàn)了過去的學(xué)術(shù)觀點?！?/p>

當(dāng)研究人員給實驗動物看反復(fù)變化的圖形時，細(xì)胞群的閃耀模式也隨之變化：一會兒如同轉(zhuǎn)動的風(fēng)車，一會兒則是忽閃而過的薄云。看到這樣的情景，研究人員很興奮。但進(jìn)一步仔細(xì)觀察后，卻發(fā)現(xiàn)有一些閃爍明顯“慢一拍”?！斑@是以前沒見到的?！?/p>

為了給這些慢一拍的細(xì)胞驗明身份，研究人員在下一次實驗中加入了另一種染料來標(biāo)記星型膠質(zhì)細(xì)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)行觀察。

“我們錯了！”當(dāng)天深夜，他們發(fā)現(xiàn)，這些“慢一拍”的都是星型膠質(zhì)細(xì)胞。第二次，第三次，研究人員變換各種指標(biāo)，結(jié)論還是一樣。星型膠質(zhì)細(xì)胞一直在進(jìn)行反應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)“慢一拍”的星型膠質(zhì)細(xì)胞后，研究人員對星型膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了測試，以比對原先被認(rèn)為是神經(jīng)元特有的一系列特性。實驗結(jié)果表明，這些特性星型膠質(zhì)細(xì)胞也都有，甚至更強(qiáng)烈?！叭缟窠?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(yán)格的功能區(qū)?！彼麄兊贸鼋Y(jié)論，星型膠質(zhì)細(xì)胞的功能區(qū)和神經(jīng)元的完全匹配，即使在完全不同功能區(qū)的邊界，也分毫不差。

一個醫(yī)學(xué)研究的新方向就此打開，《科學(xué)美國人》指出：“當(dāng)星型膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)異常時，它們將可能引發(fā)一系列神經(jīng)疾病”。

在膠質(zhì)細(xì)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)研究所的段樹民院士2006年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文表明了另一類膠質(zhì)細(xì)胞———NG2膠質(zhì)細(xì)胞具有學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的反應(yīng)特性，轟動了當(dāng)時的學(xué)術(shù)界。

“雖然我們的研究基本理念相通，但我們對膠質(zhì)細(xì)胞的功能要重新評估?！庇岷椴◤?qiáng)調(diào)。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(rèn)為是神經(jīng)元的過度興奮而造成的大片腦區(qū)反應(yīng)異常。但是當(dāng)星型膠質(zhì)細(xì)胞的新功能被發(fā)現(xiàn)后，這一看法就可能有了新的視角：它們是否和膠質(zhì)細(xì)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(xiàn)，病患的功能性血流變化非常微弱，可是神經(jīng)元反應(yīng)的異化并不明顯。這強(qiáng)烈地提示星型膠質(zhì)細(xì)胞可能參與其中。

由此，相應(yīng)的治療手段就會聚焦于膠質(zhì)細(xì)胞上。同樣，以前的研究表明癲癇病人的膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)上不同于常人，而從俞洪波等科研人員的結(jié)果出發(fā)很可能意味著血流控制的異常，反過來將造成腦區(qū)大范圍的失常。

研究人員還發(fā)現(xiàn)星型膠質(zhì)細(xì)胞也可以改變神經(jīng)元之間的聯(lián)系效率；它們失效時，一個小的刺激就會引發(fā)長時間的異常反應(yīng)。而這些特性為現(xiàn)有的神經(jīng)疾病研究提供了另外一個研究途徑，幾乎在所有領(lǐng)域，研究者們都可以再做一次評估：它們是否和膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)？能否制定基于膠質(zhì)細(xì)胞的治療方案？