腦膠質(zhì)細(xì)胞：另一種大腦作圖方式

李升偉/編譯

在大腦海馬體中，腦膠質(zhì)細(xì)胞的兩種類型：星形細(xì)胞和不成熟寡樹突細(xì)胞與神經(jīng)元相互交織在一起

●在推進(jìn)人腦研究的進(jìn)程中，美國神經(jīng)學(xué)家R·道格拉斯·菲爾茲（R.Douglas Fieids）認(rèn)為：作為大腦組成部分的非神經(jīng)元細(xì)胞——腦膠質(zhì)細(xì)胞——一定不能被雄心勃勃的人腦研究計(jì)劃拒之門外。

自從奧巴馬總統(tǒng)宣布“使用先進(jìn)神經(jīng)技術(shù)的人腦研究計(jì)劃（BRAIN）”以來，即尋求對實(shí)驗(yàn)動物整個大腦的神經(jīng)連接功能進(jìn)行作圖和監(jiān)測，最終實(shí)現(xiàn)對人腦皮層功能的作圖和監(jiān)測，一些研究者就此提出疑問，認(rèn)為BRAIN比人類基因組計(jì)劃復(fù)雜得多，其實(shí)用性也難以確定。

我認(rèn)為，探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和發(fā)展相關(guān)技術(shù)不僅值得提倡，而且應(yīng)該大力支持。但是，如果單純的規(guī)?；U(kuò)大目前繪制神經(jīng)連接的努力，可能難以實(shí)現(xiàn)BRAIN承諾的那些收益：認(rèn)識知覺、大腦是如何產(chǎn)生記憶的，以及開發(fā)癲癇、抑郁癥和精神分裂癥等疾病的治療方法。

一個重要的障礙是，盡管人類大腦包含了大約1 000億個神經(jīng)元，但它還包含了比之多出數(shù)十億的非電荷性腦細(xì)胞——腦膠質(zhì)細(xì)胞。這些腦膠質(zhì)細(xì)胞存在于神經(jīng)元“連接組”之外，它們的運(yùn)作難以被設(shè)計(jì)用來探測神經(jīng)元電信號傳導(dǎo)的工具所了解。19世紀(jì)中期，人們認(rèn)識到它們不是結(jié)締組織，從而開始了對腦膠質(zhì)有了新的認(rèn)識，但是，在對神經(jīng)元信號傳導(dǎo)的探索中，腦膠質(zhì)長期受到了人們的忽視。

有關(guān)研究揭示出，腦膠質(zhì)可以感知神經(jīng)元的活動或可進(jìn)行控制。許多研究還提示，腦膠質(zhì)可以操控不同的心理過程，包括記憶的形成，或在大腦損傷和疾病中起到了一種關(guān)鍵作用，甚至還是多種疾病的根源。比如，精神分裂癥和老年癡呆癥，這些疾病以前被人們推測是由神經(jīng)元單獨(dú)引起的。本文想說明的是，參與BRAIN的神經(jīng)學(xué)家需要擴(kuò)展他們的思維來對腦膠質(zhì)的重要性加以思考。

大腦中所有主要的腦膠質(zhì)細(xì)胞類型――寡樹突細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形細(xì)胞――都在與神經(jīng)元進(jìn)行著通信，利用化學(xué)性神經(jīng)遞質(zhì)和縫隙連接，后者是細(xì)胞之間交換離子和小分子的通道。

腦膠質(zhì)細(xì)胞

寡樹突細(xì)胞會產(chǎn)生髓鞘外殼（一種圍繞軸突神經(jīng)纖維的絕緣材料），這種外殼加大了電信號通過軸突傳遞速度――這是一項(xiàng)關(guān)鍵的特征，因?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)功能的發(fā)揮取決于信息高速地傳遞。

小膠質(zhì)細(xì)胞――大腦免疫細(xì)胞――在清除疾病組織或損傷組織的同時，釋放刺激修復(fù)物質(zhì)對感染和大腦創(chuàng)傷進(jìn)行應(yīng)答。但在2012年，一項(xiàng)關(guān)于眼-腦連接是如何在小鼠發(fā)育中建立的研究證明，小膠質(zhì)細(xì)胞也可以在健康大腦中減少突觸數(shù)量和重新連通神經(jīng)連接，其程度視個體在出生后的視覺經(jīng)歷而定。

星形細(xì)胞調(diào)控突觸之間電信號的傳遞是通過以下機(jī)制達(dá)到的：調(diào)節(jié)細(xì)胞外鉀離子的濃度；控制局部血流；釋放和吸收神經(jīng)遞質(zhì)和其他神經(jīng)調(diào)節(jié)性物質(zhì)；向神經(jīng)元傳輸營養(yǎng)物；以及改變大腦細(xì)胞之間的空間幾何學(xué)。

2013年2月，由美國科學(xué)基金會（NSF）在阿靈頓市舉辦的 “學(xué)習(xí)和認(rèn)知中的腦膠質(zhì)細(xì)胞生物學(xué)”研討會上，與會的學(xué)者們達(dá)成了一致結(jié)論：對于復(fù)雜的認(rèn)知過程（如記憶的形成），神經(jīng)元只能提供部分解釋。腦膠質(zhì)細(xì)胞復(fù)雜的分枝結(jié)構(gòu)和其相對緩慢的化學(xué)（相對于電子）信號傳導(dǎo)，實(shí)際上比神經(jīng)元更適合特定的認(rèn)知過程。

對神經(jīng)膠質(zhì)的開拓性研究還對構(gòu)成學(xué)習(xí)、或其他形式的可塑性和信息處理的相關(guān)機(jī)理有新的認(rèn)識。比如，我的研究團(tuán)隊(duì)在體外建立的動物模型，證明軸突中的脈沖通信可以控制由腦膠質(zhì)控制的髓鞘形成。髓鞘決定了電信號在軸突中傳遞的速度，它同時可以影響許多輸入信號在一個神經(jīng)元中點(diǎn)火――盡管這個過程對于大多數(shù)學(xué)習(xí)或體驗(yàn)而言是基礎(chǔ)性的。當(dāng)人們獲得新的技能，從玩耍到玩電腦游戲時，他們大腦的特定髓鞘區(qū)域的結(jié)構(gòu)也就為之改變了。

對于星形細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的多樣性、連接性和功能，我們還剛剛涉及到。研究顯示，星形細(xì)胞擁有的解剖學(xué)和生理學(xué)功能，對于大腦信息處理的高層次組織可能會產(chǎn)生影響。在大腦皮層和海馬的灰質(zhì)中，星形細(xì)胞以非重疊結(jié)構(gòu)有序排列著，盡管這種瓦狀結(jié)構(gòu)的意義尚未清楚，但其可以影響200萬個突觸。事實(shí)上，人體星形細(xì)胞顯著地不同于其他動物的星形細(xì)胞。在一系列實(shí)驗(yàn)中，用人體星形細(xì)胞替代小鼠星形細(xì)胞后，突觸的可塑性增加和更快的學(xué)習(xí)能力。

神經(jīng)學(xué)家已經(jīng)在幾十年前就知道腦膠質(zhì)可以導(dǎo)致特定的疾病——幾乎所有大腦中的癌癥都來源于腦膠質(zhì)。在多發(fā)性硬化中，包裹在軸突周圍的髓鞘外殼會受到損傷；而在HIV病毒相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，病毒感染的是星形細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，而不是神經(jīng)元。過去一向被認(rèn)為僅僅與神經(jīng)元有關(guān)的許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病，現(xiàn)在也被發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)膠質(zhì)有關(guān)，包括雷特氏綜合癥、肌萎縮性側(cè)索硬化癥、阿爾茲海默氏癥和慢性疼痛。同樣的情況還發(fā)生在其他發(fā)育和精神系統(tǒng)疾病中，比如精神分裂癥、抑郁癥和強(qiáng)迫癥。

向成功邁進(jìn)

對整個人類大腦皮層進(jìn)行作圖和監(jiān)測，預(yù)期需要一筆與人類基因組計(jì)劃相當(dāng)?shù)馁Y金。如果承諾被過度兜售、或公眾不理解其收益、或所需費(fèi)用不切實(shí)際，公眾就不會支持把公共資金投向這一大科學(xué)項(xiàng)目。

同樣是大科學(xué)項(xiàng)目，與人類對希格斯玻色子的捕獲和“阿波羅”登月計(jì)劃不同，大腦是最偉大也是最經(jīng)久不衰的人體之謎，智力障礙、腦癌、脊索損傷、阿爾茲海默氏癥和包括精神分裂癥和抑郁癥在內(nèi)的精神性疾病，幾乎與每個人都息息相關(guān)。而在目前的發(fā)展軌跡上，BRAIN不能排除失敗的風(fēng)險，不論是科學(xué)意義上還是公眾的支持度。

2013年6月在紐約舉行的“世界科學(xué)日”紀(jì)念活動上，一位參與者宣稱，腦膠質(zhì)信息或?qū)⑹巧窠?jīng)元作圖和示蹤與記錄神經(jīng)元連接技術(shù)的副產(chǎn)品，是一種意外收獲。對此，我難以茍同。那些用于監(jiān)測神經(jīng)元電子信號傳導(dǎo)的新技術(shù)，如電壓敏感性染料或納米粒子，可以對細(xì)胞膜電位變化感覺和記錄。當(dāng)然，對于那些并不通過電脈沖進(jìn)行通信的細(xì)胞研究，完全沒有什么用處。正是基于這樣的認(rèn)識，人們一直以來都重視神經(jīng)元而忽視神經(jīng)膠質(zhì)的研究。

而且，BRAIN對神經(jīng)膠質(zhì)研究的排斥是基于這樣的假設(shè)：對足夠多的神經(jīng)元進(jìn)行足夠多的測量，將會發(fā)現(xiàn)一些“急用先行”的大腦屬性，并從中發(fā)現(xiàn)多種疾病的治療方法。與簡單地測量“來自每個神經(jīng)元的每個動作電位”不同的是，更好的認(rèn)識和更新的治療方法將要求“假說導(dǎo)向型研究”。上世紀(jì)70年代和80年代，科學(xué)家完成了對美麗隱桿線蟲體內(nèi)構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)的302個神經(jīng)元和7 000個連接的作圖。然而20多年過去了，人們?nèi)匀粚@種蠕蟲的神經(jīng)系統(tǒng)是如何產(chǎn)生復(fù)雜行為的知識所知甚少。

在任何重大的科學(xué)作圖中，首先應(yīng)該加強(qiáng)對未知區(qū)域的研究。我們對大腦另一半（星形細(xì)胞、寡樹突細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞）的認(rèn)識比我們對神經(jīng)元的認(rèn)識要落后一個世紀(jì)。我相信，公眾對這一大規(guī)模研究項(xiàng)目的支持更多地來自擴(kuò)展對這個未知疆域的探索。如果認(rèn)為這種探索是神經(jīng)元研究的副產(chǎn)品的話，那是難以取得成功的。