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魅影脑细胞

时间:2005-03-28 12:39来源:本站原创 作者:admin 阅读:

魅影脑细胞

R.Douglas Fields

    越来越多的证据表明,被忽略了近半个世纪的胶质细胞,在思维和学习过程中扮演着几乎和神经元一样重要的角色。


新近出版的《走进爱因斯坦先生》一书,讲述了病理学家Thomas Harvey的真实故事,他曾在1955年对爱因斯坦进行过遗体解剖。在完成工作后,Harvey似乎很不敬地将爱因斯坦的大脑带回了家中,在接下来的40年中,爱因斯坦的大脑就被保存在一个塑料容器中。Harvey不时地将这些脑片像施舍一样分给世界各地的科学家和伪科学家,供他们从这些组织中找到爱因斯坦的遗传线索。但是当Harvey 80岁时,他把剩余的大脑装进了箱子,为了把它还给爱因斯坦的孙女,他开始了穿越整个国家的公路旅行。

Marian C.Diamond是位于伯克利市加利福尼亚大学的一位受人尊重的科学家,她曾研究过Harvey给她的脑片。在神经元(神经细胞)数量和大小上,她没有发现任何异常。但在负责高级认知功能的联络皮层中,她发现了异常丰富的非神经元细胞,也就是已知的胶质细胞,该脑区的胶质细胞分布要远远多于整个大脑分布的平均数量。

这是偶然的怪现象吗?也许不是。越来越多的证据表明胶质细胞所发挥的功能要远远大于历史曾给予它的定义。几十年来,生理学家把焦点集中在了神经元上,认为它是脑内主要的信息传递者。尽管胶质细胞的数量超过神经元的9倍,但人们认为它仅发挥一种保护功能:从血管中携带营养物质供给神经元,维持脑内离子浓度的正常平衡状态,防止逃逸免疫系统检测的病原体的攻击。在胶质细胞的支撑作用下,神经元可以自由地通过称为突触的精细接触部位传递信息,建立连接网络,并在此基础上形成了我们的思维、记忆以及兴奋时的跳跃动作。

如果关于胶质细胞的新认识成立的话,那么长久以来被人们认可的脑功能模式将发生巨大的变化。在过去的几年中,高敏感的成像技术已经证实,从胚胎发育阶段直到老年,神经元和胶质细胞参与了一种双向对话。胶质细胞影响突触的形成,帮助筛选哪些神经联系随时间而增强或减弱;这些变化对于学习和长期记忆的储存是很关键的。更新的研究表明,胶质细胞之间也可以一种独立的,并且和神经元网络相平行的网络结构进行信息传递,影响脑功能。神经科学家很谨慎,他们不急于赋予胶质细胞新的重要性,但他们兴奋地看到了脑功能研究的前景。人类大脑的大半部分还是未被开发的处女地,关于脑功能的研究将会包含大量的信息宝藏。

听一听,看一看

在我们的神经系统内,大多数人都拥有一副类似由杂乱无章的电线将神经元连接起来的思维图。每个神经元都有一个伸展着的长分支(轴突),它携带电信号到轴突末端的发芽处。每个发芽处都可以释放神经递质(化学信号分子),通过很短的突触间隙到邻近神经元的树枝样受体或树突上。但围绕神经元周围的是各种各样的胶质细胞。在爱因斯坦去世的那个年代,神经科学家曾怀疑胶质细胞可能参与信息的加工,但因为没有确凿的证据而放弃了这一想法。他们最终转移了在胶质细胞研究上的兴趣,使胶质细胞的研究很长一段时间内陷入了停滞状态。

以往神经科学家没有检测到胶质细胞间的信号联系,一方面可能是技术原因,更主要的还是注意力没有放在关键问题上。他们错误地认为,胶质细胞间的相互交流,也需采用与神经元同样的电学模式,即产生动作电位,最终使神经细胞释放神经递质,从而激活与之形成突触联系的其他神经元。因为胶质细胞缺乏传播自身动作电位所需的膜结构,科学家通过检测装置虽然发现胶质细胞突起上有许多能产生电信号的电压依赖性离子通道,但他们猜测这些通道仅仅能间接地改变周围神经细胞的兴奋性。现在利用先进的成像技术,揭示了以往无法证实的现象,即胶质细胞是依赖化学信号而不是电信号来传递信息。

关于神经胶质细胞如何感知周围神经细胞的活动,直到1990年代中期才取得一些有价值的进展。神经科学家发现,在胶质细胞膜上有各种各样的受体,能够对一系列的化学物质起反应,其中也包括神经递质。这一发现显示胶质细胞间可能是利用化学信号进行交流,而神经元并不能识别这些化学信号。而且,胶质细胞可能对神经元释放的神经递质有直接的应答。

为了证实这些假说,科学家首先必须证实,神经胶质细胞确实能感知神经元之间的交流,并且,它们能基于其所“听”到的一切做出相应的反应。更早期的工作提示我们,胶质细胞的钙内流是它们被激活的标志。基于这种理论,研究者设计了钙内流的实验分析方法,通过这种技术可以发现诸如施万细胞(包裹着外周神经肌肉接头处的突触)是否对神经肌肉接头处释放的神经递质敏感,以及神经胶质细胞是否仅仅通过清除突触处释放的神经递质来感知神经元的活性。实际上,更多具有普遍功能的施万细胞包裹着外周神经轴突的全长,而并非仅限于突触部分。而少突胶质细胞则包裹着中枢神经系统(脑和脊髓)的轴突。我们想了解当神经冲动沿着轴突传导时,是否神经环路上任一位置的动作电位都能被胶质细胞所感知,如果真是这样,它们之间的信息交流究竟是怎样完成的?更重要的是,动作电位又是如何来影响胶质细胞的?

为了找到答案,在装有电极的特制培养皿中,我们培育了一些小鼠的脊髓背根神经节(DRG)感觉神经元细胞,通过这些电极我们能够引发轴突上的动作电位。在一些培养皿中加入了施万细胞,而其余的则加入了少突胶质细胞。

我们需要分别检测轴突和胶质细胞的活性,以明确后者是否能感知轴突传导的信息。在此我们通过钙成像技术可视地记录细胞的活动。当神经元被激活时,神经元上的电压敏感性离子通道开放,从而使钙离子内流,我们就能看到绿色的荧光如火焰般从神经元内部迅速点燃整个细胞。当钙离子浓度升高时,荧光就会变得更强。光电倍增管能检测光的强度,而且发光细胞的影像可经数字化处理,实时地显示在监测器上,就如同我们平时在天气预报中所看到的暴风雨的雷达影像图一样。如果胶质细胞能在一定程度上通过摄取周围环境中的钙离子来感知神经元的活动,那么它们也将会被“点燃”,只是要稍迟一些而已。

当我和美国卫生研究院(NIH)的同事、生物学家Stevens在黑暗的房子里盯着电脑显示器时,我已经知道,在数月的准备之后,我们的假说将在瞬间被证实。当我们打开刺激装置,DRG神经元立即有了反应,随着钙离子如潮水般涌入细胞,屏幕上表示钙离子浓度的伪彩阶逐渐由蓝变绿,然后是红色,最后变成了白色。起初,施万细胞和少突胶质细胞并没有改变,但在大约15秒之后,胶质细胞就如同圣诞节的彩灯一样突然被点燃了[参见23页图示]。胶质细胞通过某种方式提高了胞浆内的钙浓度,以此来感知轴突的冲动并做出反应。

胶质细胞间的交流

我们已经确切地证明了胶质细胞是通过摄取钙离子来感知轴突的电活动。在神经元中,钙离子激活能产生合成神经递质的酶。我们可以假设,胶质细胞中的钙内流也可能激活了能引起某种反应的酶。但是引起的究竟是何种反应?更基本的问题是,钙内流究竟是怎样引发的呢?

我们可以回顾一下脑内其他胶质细胞如星形胶质细胞的功能。胶质细胞的功能之一是将营养物质从毛细血管运送到神经细胞内。另一个功能是维持神经元周围引发神经冲动所必需的阳离子环境,而这种功能就是通过部分地移去神经元兴奋时释放的神经递质和离子来实现的。1990年,美国耶鲁大学的Smith(目前在斯坦福大学)领导的一个小组,用钙离子成像技术显示,当给培养的细胞加入一种神经递质谷氨酸时,星形胶质细胞的反应就像这些神经递质是被一个神经元释放的一样,它们之间通过相互信息交流模拟神经元放电。

一些神经科学家一直怀疑,这些由钙离子或其他相关信息分子介导的细胞间交流是否仅仅通过相邻星形胶质细胞上的离子通道来实现。1996年, Kater及其同事解答了这个疑问,通过使用一个锋利的微电极,他们在培养的单层星形胶质细胞中,划出一条直线,形成一条无细胞的区域,就像用公路把着火的森林分隔开一样。但当他们在一边刺激钙流的波动时,钙波可以毫无障碍地跨过分隔区扩散到对侧的星形胶质细胞。星形胶质细胞只能通过细胞外介质而不是物理接触来传递信号。

在接下来的几年间,许多实验室在此方面开展了广泛的研究,得出了相似的结论。给星形胶质细胞施加神经递质或应用电极刺激突触部位神经递质的释放都可以诱导出星形胶质细胞的钙应答。同时,生理学家和生物化学家发现,胶质细胞拥有许多作为神经元间突触传递信号的神经递质的受体,以及可以使神经元放电产生动作电位的离子通道。

    胶质细胞和神经元在大脑和脊髓里共同工作,一个神经元通过长长的轴突运送到突触前膜,并通过突触间隙,传递到另一个神经元的树突上,星形胶质细胞可以为神经元运送营养物质,包裹突触并调节其功能。少突胶质细胞则合成使轴突绝缘的髓鞘。当一个神经元的电信号(动作电位)到达轴突末梢(触发),促使突触末梢的囊泡向突触前膜靠拢并释放神经递质(信号分子),这些递质在突触间隙中扩散并与树突上的受体结合——相似的原理同样适用于外周神经,但在外周神经中是由施万细胞包裹髓鞘。

ATP是信使分子

这些结果和其他的结果引起了人们的困惑。胶质细胞间的信息传递和神经元间的信息传递一样,都是由钙内流控制的。但是,电冲动引起了神经元的钙变化,而在胶质细胞上是不可以产生电冲动的,或者说电冲动不能到达胶质细胞。那么,胶质细胞的钙内流是由另外一种电现象或其他机制启动的吗?

在关于胶质细胞的实验中,研究者注意到一个熟悉的分子总是突然出现——ATP(三磷酸腺苷),每个生物学学生都知道它是细胞活动的能量来源。它可以作为一个巨大的能源储备,同时也具有许多特点,可以使它成为很好的细胞间信使分子。它们在细胞内高度富集,而在细胞外几乎不存在。ATP属于小分子,因此可以快速弥散,迅速降解。所有这些特点都保证ATP分子传递的信息对已经存在的信息不至于造成混乱。而且,ATP几乎全部聚集在轴突末端的内侧,也是神经递质分子储存的地方;它和神经递质可以在突触部位一起释放出来,也可以弥散到突触以外的地方。

1999年,美国犹他大学的Peter B.Guthrie及其同事结论性地指出,当胶质细胞兴奋时,它可以释放ATP到周围环境中。ATP与邻近胶质细胞的受体结合,引起离子通道的开放和钙离子的内流。钙离子水平的升高又促使这些细胞释放ATP,从而启动了星形胶质细胞群体ATP介导的钙应答的链式反应。

同时,他们还提出了关于围绕轴突的胶质细胞是如何感知神经元活动,以及它如何和位于轴突突触部位的其他胶质细胞进行信息传递的模型。神经元的放电可以某种未知的方式诱导轴突周围的胶质细胞释放ATP,从而引起邻近的胶质细胞钙内流,促使更多的ATP释放,因此激发了一串胶质细胞的信息传递,可以达到与原始兴奋神经元相距甚远的地方。但是,轴突和胶质细胞之间没有突触联系,而且围绕轴突的胶质细胞也不存在于突触周围,那么在我们的实验中,胶质细胞是如何感知神经元放电的?首先不是神经递质,因为它们不能弥散到轴突以外的部分(如果可以弥散的话,神经递质就可以在脑内不适宜的部位发挥功能,造成功能紊乱)。可能是ATP,神经元放电时,它可以和神经递质一起被释放出来,以某种方式沿着轴突逃逸到突触以外的部位。

为了验证这种想法,我们对纯的DRG轴突培养物给予电刺激,分析培养基发生的变化。在培养基中加入可以产生荧光的酶(该酶促反应需要ATP的参与),当轴突放电时,我们通过观察培养基中的荧光就可以检测到轴突ATP的释放。然后,我们在培养基中加入施万细胞,检测钙的反应性。它们在轴突放电产生动作电位后也被活化。然而,当我们加入三磷酸腺苷双磷酸酶时,它可以迅速降解ATP----因此可以阻断ATP,阻止它到达任何施万细胞----当轴突放电时,胶质细胞中没有荧光产生。由于细胞接收不到ATP信使分子的信号,施万细胞的钙应答被阻断。

轴突释放的ATP确实可以引发施万细胞的钙内流。同时应用生物化学分析方法和数字显微镜,我们观察到钙内流使信号从胞膜向胞核传递。由于胞核是基因存储的部位,从而引起各种基因的表达。令人惊奇的是,轴突通过放电同其他神经元进行信息传递,同时可以指导胶质细胞的基因表达,藉此影响它的行为。

轴突控制胶质细胞的命运

在这点上,我们以及其他人的工作都得出结论,胶质细胞通过感知轴突放电释放的ATP或者是从突触部位漏出的ATP而感知神经元的动作电位。胶质细胞通过自身的钙离子进行信息的中继传递。钙离子激活ATP释放酶,释放ATP到其他胶质细胞,也可以激活控制基因表达的酶类。

观察到这种现象就使我们想进一步知道,这些基因控制着细胞的哪些功能?它们是要告诉胶质细胞以某种方式影响周围的神经元活动吗?为回答这个问题,Stevens集中在研究轴突周围髓鞘绝缘层的产生过程,这个过程显然可以影响神经元的功能。这种绝缘性对于长距离、高速度的神经冲动传导是很关键的。它的生成可以使婴儿逐渐抬头,而它的破坏如多发性硬化等疾病可以造成严重损害。

我们转向研究髓鞘是因为我们想知道,胎儿或婴儿周围神经系统轴突上的未成熟施万细胞是如何分辨哪些轴突是需要髓鞘的,何时开始形成髓鞘,或者说,它是怎样知道是否应该转化成不形成髓鞘的细胞?通常,只有大直径轴突需要髓鞘。轴突的神经冲动或者ATP释放影响了这些过程的选择?我们发现,培养的施万细胞,在放电的轴突周围较静止的轴突周围,其增殖速度更加缓慢。而且,施万细胞的发育和髓鞘形成过程都被阻断。加入ATP产生了同样的效应。

可是,我们和Vittorio Gallo及其在NIH兄弟实验室的同事,在参与脑内髓鞘形成的少突胶质细胞上,发现了一种相反的现象。ATP不会抑制它们的增殖,而ATP去除磷酸分子后的腺苷,可以刺激细胞的成熟,形成髓鞘。这两种现象表明,神经元通过胶质细胞上的不同受体来分别给予中枢和周围神经系统胶质细胞不同的信号,而不必产生单独的信号分子或指定信号分子的靶点。

深入认识成鞘过程是很重要的。每年,成千上万的人因为脱髓鞘疾病而死亡,更有数不清的人因该病而瘫痪或者失明。比如,每700个人中就有一个发生多发性硬化。没有人确切地知道成鞘过程是如何启始的,而腺苷是第一个已知的来自于轴突的可以刺激髓鞘形成的物质。轴突放电可以引起腺苷释放的事实,意味着脑内的活动的确影响了成鞘过程。这些发现可以为疾病的治疗开辟出新的道路。腺苷的类似物可能发挥作用。在干细胞中加入腺苷可能使它们转化为成髓鞘的胶质细胞,进而被移植到受损神经部位。

把目光移到神经元之外

我们实验室的实验以及其他人的实验都强烈支持ATP和腺苷介导了施万和少突胶质细胞网络的信息传递,而ATP单独就可以在星形胶质细胞诱发出钙信号。但是,除了成鞘功能外,胶质细胞还有调节神经元功能的其他途径吗?

答案看来是肯定的。加拿大蒙特利尔大学的Richard Robitaille在蛙的肌肉上观察到突触部位的电压随注入突触部位施万细胞的化学物质不同而增强或减弱。美国明尼苏达大学的Eric A.Newman在大鼠视网膜上的研究发现,胶质细胞钙离子流的波动随视神经元放电的改变而变化。美国纽约医学院的Maiken Nedergaard对海马(参与记忆过程)脑切片的研究中观察到,当附近的星形胶质细胞刺激钙流的波动时,突触部位的电活动也增加。突触强度的变化被认为是神经系统通过经验(概念上称为可塑性)改变其反应性的基本方式,表明胶质细胞在学习的细胞机制上发挥重要作用。

这些观察也发现了一个问题。就像歌迷欢呼声可以横扫整个体育馆一样,钙波也在整个星形胶质细胞群中播散。对整体而言,大范围的应答是有效的,但它不能传递复杂的信息。快速反应(Go team)活动的一致性对睡眠-觉醒周期或癫痫发作期间,协调大脑的整体活动可能是有用的,但如果胶质细胞参与在信息加工的复杂过程中,保持局部的稳态又是很必要的。

Smith及其同事在他们于1990年发表的文章的脚注中指出,他们相信神经元和胶质细胞具有更加分散的稳态功能。然而,研究人员缺乏更加精确的实验方法给予一种神经递质,使其接近实际情况下突触部位星形胶质细胞发生的变化。2003年,美国宾州大学的Philip G. Haydon实现了这个目标。他应用改良的激光技术在海马脑片上释放极小量的谷氨酸,仅可以被一个星形胶质细胞感知。在这种条件下,Haydon发现一个星形胶质细胞仅对其周围少量的星形胶质细胞发送特定的钙信号。就像Haydon指出的,除了钙信号影响星形胶质细胞的整体活动以外,“星形胶质细胞间有着短程连接”。

换言之,脑内分散的星形胶质细胞回路和神经元回路产生协调的活动。(目前,对定义这些不同的星形胶质细胞回路的生理或生物化学因子还不清楚)。其他人的研究也表明,星形胶质细胞可以分泌与轴突释放的神经递质相同的物质,加强突触部位的信号传递----有效地对信号进行放大。

Haydon和我以及我的同事从这些发现中得出的工作假设是,星形胶质细胞间的信息交流有助于激活轴突终止部位相对较远的神经元,进一步有助于远端突触神经递质的释放。这种作用可以调节远端的突触在强度上发生何种变化,这将是学习和记忆的分子机制。

2003年11月在神经科学协会年会上报道的结果支持上述论点,很可能把胶质细胞的功能扩大到参与新突触的形成中[参见下页图文]。一些研究发现是建立在两年前斯坦福大学的Ben A.Barres和Frank W. Pfreger及其同事的研究结果上,他们报道,培养的大鼠神经元在星形胶质细胞存在的情况下可以形成更多的突触。

随后,在Berres的实验室工作的博士后Karen S. Christopherson和Eric M. Ullian发现了一种可能来自于星形胶质细胞的蛋白质thrombospondin,它可能是是促使突触形成的化学信号分子。Thrombospondin具有多种生物功能,但人们认为它不是神经系统中的一个关键分子。在星形胶质细胞培养基中加入越多的thrombospondin,就有越多的突触形成。在新生的神经网络形成过程中,Thrombospondin可能是负责把一些形成突触需要的蛋白质和其他化合物聚集在一起,因此thrombospondin也可能参与成年期突触的重塑过程。

进一步的实验将会加深我们对胶质细胞是如何影响脑功能这一新观念的认识。其中一个问题是证明记忆----或者记忆在细胞上的类似现象,如长时程增强----可以被与突触功能相关的星形胶质细胞影响。另一个问题是明确星形胶质细胞环路发出的信号可以影响到多远的突触结构和功能。

星形胶质细胞可以远距离作用的方式影响突触形成,这也许不应令人惊奇。由不同神经元回路处理的不同的刺激信号,比如对特定的气味的嗅觉体验、讲话,以及接收刺激的人形成的情感体验,它们之间要形成联系,大脑就必须在这些没有直接联系的神经元回路之间建立快速的信息传递方式。如果神经元就像电话通过电信号传递信息一样,它们通过突触之间的物理连接进行信息传递,那么星形胶质细胞就像细胞电话机,向四处发放化学信号传递信息,但是仅有那些具备适当受体的星形胶质细胞可以感知到传递的信息。如果信号可以通过星形胶质细胞回路广泛传播,那么一个部位的胶质细胞就可以激活远处的胶质细胞,对整个脑区神经元回路的放电进行调制。

大脑的比较学研究揭示,随着动物进化程度的升高,胶质细胞对神经元的比例大大升高。Haydon对星形胶质细胞之间存在的广泛联系是否有助于更好的学习的课题很感兴趣。他和同行们正在用新的实验验证这个假说。或许,提高胶质细胞在脑内的浓度,或出现一种更大潜能的胶质细胞就可以使一些人成为天才。爱因斯坦告诉了我们敢于打破常规思考的价值。那些不只看到神经元,更看到胶质细胞是如何参与信息加工的神经科学家正在走着与爱因斯坦同样的路。

[王韵/译 曾少立/校 张志文/审]

(责任编辑:泉水)
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