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星形胶质细胞:让你认识新事物的脑电波

2014/09/09 来源:环球科学
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导读
伽马波可能影响我们的学习能力和记忆力,它是如何产生的?什么情况下它会受到影响?神经科学家又有了一些新思路,通过脑细胞研究的深入,他们把目光投向了星形胶质细胞。当伽马波被扰乱的时候,可能会引起精神分裂症、癫痫、阿尔兹海默症、自闭症和多动症。


伽马波可能影响我们的学习能力和记忆力,它是如何产生的?什么情况下它会受到影响?神经科学家又有了一些新思路,通过脑细胞研究的深入,他们把目光投向了星形胶质细胞。伽马波是大脑中一种快速的电振荡。查阅学术文献得到的结论是,伽马波可能涉到学习过程、记忆力和注意力。

当伽马波被扰乱的时候,可能会引起精神分裂症、癫痫、阿尔兹海默症、自闭症和多动症。它涉及到的疾病确实很多,这也正是这种周期为每秒25-80次的脑电波引起神经科学家兴趣的原因之一。

尽管神经学家一直对伽马波感兴趣,但是还有很多非常棘手的问题,比如,神经元是怎样通过特定的分子产生伽马波的?伽马波是如何帮助大脑沿着数万亿计的连接进行通讯的?加利福尼亚州拉荷亚Salk研究所的一些研究者通过在大脑的基本单元——神经元——之外进行研究,获得了对伽马波的新见解。

神经科学的教科书以前将星形胶质细胞看作是神经细胞的后援团队,为大脑中那些快速发放的信息处理单元(神经元)提供新陈代谢的支持。最近几年,随着人们发现星形胶质细胞和神经元一样,也有着处理信息的功能,这种看法有所改变。Salk研究所的这项研究说明,星形胶质细胞可以喷射出神经递质,从而和其他脑细胞进行交流。

考虑到神经元和星形胶质细胞会执行一些相同的功能,我们非常难说清楚星形胶质细胞有什么特别的功能。目前还没有确凿的证据来说明这些名义上的“后援细胞”在形成记忆和控制注意力时有何作用。

在Salk研究所的合作者们——包括了Terrence Sejnowski, InderVerma和Stephen Heinemann实验室——首先在海马体切片中发现了一些迹象。海马体是大脑中和形成记忆相关的组织。研究人员发现,在海马体切片中,星形胶质细胞内的钙离子浓度会在伽马波启动之前有所提升。因此研究者们随后开始寻找能够证明星形胶质细胞对产生伽马波起到了关键作用的确凿证据。

他们把可操纵的基因开关植入到小鼠体内,可以控制星形胶质细胞是否能释放神经递质。当细胞中的钙含量增长到一定程度后神经递质就会被释放。妨碍神经递质谷氨酸的释放会阻止星形胶质细胞和附近的细胞交流信息。神经递质的释放被阻止后,小鼠大脑内的伽马波减弱了。研究者们重新打开开关,观察伽马波振幅的变化,结果显示了星形胶质细胞发射信号的强弱会导致伽马波的强度的变化,它们之间有很强的因果关系。这项研究被发表在了2014年8月12日的美国国家科学院院刊上。

美国国立卫生研究院的一名研究员R. Douglas Fields在邮件中评论说:“脑电波的震荡对于耦合一群神经元的发放,从而形成功能集团非常重要。这对于信息处理十分关键。”Fields是神经胶质(不同于神经元的一类脑细胞,包括星形胶质细胞)研究领域的专家。他在评论中论述:“以前,神经元的快速振荡被认为是由于神经网络驱动别的神经元产生同步所引起的,至今这仍然是正确的。但是这项新的研究将这个结论拓展到了神经元以外,展示了叫做星形胶质细胞的神经胶质细胞会释放神经传导物质,促进了组群神经元的快速振荡,并且由此将神经细胞耦合为功能性群组。”

当暂停星形胶质细胞信号时,伽马波会衰减,但小鼠并不会昏迷和失去知觉。然而认知测验结果显示,正如预期的那样,小鼠并不会花费很多时间去了解和学习新事物(译者注:正常小鼠会在新事物上花费很多时间进行探索和学习)。当再次打开基因开关,恢复星形胶质细胞信号时,该异常行为就会消失。Sejnowski说:“通过有选择性地阻止了伽马波,我们展示了这些振荡对认知新事物时的必要性。这是首个能证明它们有因果关系的有力证据。但这仍旧只是第一步,我们还需要做更多的测试。”

带有星形胶质细胞信号的开关的小鼠在未来的实验中会有很大的用处,也许可以让研究者们继续探索伽马波是怎样帮助人类理解新事物的——这对于人类来说与如何在这个世界上生存同样重要。

关于作者:加里•斯蒂克斯(Gary Stix),《科学美国人》资深编辑,经授权写作和编辑专栏、新闻和网络博客。负责神经系统科学领域。他也经常为纳米科技、肥胖症等特殊话题或报道作栏目编辑。Gary在《科学美国人》已工作了20多年,最近三年是电气和电子工程师协会旗舰出版物《IEEE综览》(IEEE Spectrum)杂志的科学记者。他拥有纽约大学新闻学学士学位。他和他妻子Miriam Lacob一起写了一本技术入门读物,叫《谁给的千兆字节?》(Who Gives a Gigabyte?)。

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