科学家表示,星形胶质细胞新功能的发现为神经科学研究开辟了一个全新的方向。

塔夫茨大学4月28日消息

塔夫茨大学医学院(Tufts University School of Medicin)的研究人员发现了星形胶质细胞以前未知的新功能,这种细胞几乎占大脑所有细胞的一半。

科学家们说,在小鼠身上发现的星形胶质细胞的新功能为神经科学研究开辟了一个全新的方向,可能有一天会导致治疗从癫痫、阿尔茨海默病到创伤性脑损伤等许多疾病的方法。

这归结于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接收外部世界输入的基本细胞。神经元通过一组复杂的电信号和化学信号,在大脑的不同区域之间以及大脑和神经系统的其他部分之间传递信息。

到目前为止,科学家们认为星形胶质细胞是重要的,但在这一活动中作用较小。星形胶质细胞引导轴突的生长,轴突是传导电脉冲的细长神经元投影。它们还控制着神经递质,这是一种能够在大脑和神经系统中传递电信号的化学物质。此外,星形胶质细胞建立血脑屏障并对损伤作出反应。

但直到现在,它们似乎并不像所有重要的神经元那样具有电活性。

“星形胶质细胞的电活动改变了神经元的功能,” Chris Dulla 说,他是塔夫茨大学医学院和生物医学研究生院的神经科学副教授,也是发表在《自然-神经科学》(Nature Neuroscience)杂志上的一篇论文的通讯作者,“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,发现控制大脑功能的新基本过程是开发神经疾病新疗法的关键。”

研究于2022年4月28日发表在《Nature Neuroscience》(最新影响因子:24．884)杂志上

除了 Dulla 和第一作者 Moritz Armbruster,该研究的其他作者包括来自塔夫茨大学医学院的 Saptarnab Naskar、Mary Sommer、Elliot Kim 和 Philip G． Haydon,还有塔夫茨大学生物医学研究生院细胞、分子和发育生物学项目的 Jacqueline P． Garcia 和其他机构的研究人员。

Chris Dulla

为了做出这一发现,研究小组使用了全新的技术,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。

“有了这些新工具,我们基本上已经揭示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,新的荧光传感器正在不断开发——我们将更好地理解我们以前甚至没有想过的东西。”

Moritz Armbruster

Dulla 解释说:“这项新技术用光来成像电活动。神经元是非常活跃的,新技术使我们能够看到星形胶质细胞也是活跃的。”

Dulla 将星形胶质细胞描述为“确保大脑中的一切都是良好的,如果有什么不对劲,如果有损伤或病毒感染,它们会检测到,试图做出反应,然后试图保护大脑免受伤害。我们下一步要做的是确定这些损伤发生时星形胶质细胞是如何变化的。”

神经元与神经元之间的交流是通过释放一种叫做神经递质的化学物质进行的。科学家们知道星形胶质细胞控制着神经递质,帮助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,从而改变星形胶质细胞的电活动以及它控制神经递质的方式。

“所以神经元控制着星形胶质细胞的行为,它们来回交流。神经元和星形胶质细胞以一种前所未有的方式相互交流,”他说。

对未来研究的影响

星形胶质细胞-神经元相互作用的发现提出了许多问题,即这种相互作用是如何在大脑病理和学习记忆的发展中起作用的。他说:“这让我们重新思考星形胶质细胞所做的一切,以及星形胶质细胞的电活动如何影响广泛的神经系统疾病。”

例如,在阿尔茨海默病中,星形胶质细胞不控制神经递质,即使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,这一问题可能是由于蛋白质缺失或突变导致蛋白质不起作用造成的。

Armbruster 说:“细胞外钾在大脑中的积累,已经被假设为导致癫痫和偏头痛的病理。这项新研究让我们更好地了解了星形胶质细胞是如何清除这种积聚并帮助维持兴奋平衡的。”

研究人员现在正在筛选现有的药物,看看它们是否能操纵神经元和星形胶质细胞的相互作用。通过这样做,有一天我们能帮助人们学得更快更好吗?我们能在脑损伤发生时修复它吗?” Dulla 问道。

用于这项发现的新技术不仅开辟了思考星形胶质细胞活动的新途径,也为大脑活动成像提供了新途径。在此之前,还没有办法成像大脑中钾的活动,例如,或研究钾如何参与睡眠、新陈代谢或大脑损伤和感染。

他说:“我们将这些工具提供给其他实验室,这样他们就可以使用相同的分析和技术来研究他们感兴趣的问题。科学家们正在获得研究头痛、呼吸、发育障碍和一系列不同的神经疾病的工具。”

创立于1852年的塔夫茨大学

参考文献

Source:Tufts University

Tufts University researchers discover new function performed by nearly half of brain cells

Reference:

Armbruster, M．, Naskar, S．, Garcia, J．P． et al． Neuronal activity drives pathway-specific depolarization of peripheral astrocyte processes． Nat Neurosci (2022)． https://doi．org/10．1038/s41593-022-01049-x

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