100多年來(lái),，占人腦10%的神經(jīng)元—直被認(rèn)為是形成學(xué)習(xí)記憶、思維決策等大腦高級(jí)功能的“主角”,，而占人腦90%的膠質(zhì)細(xì)胞被認(rèn)為是僅僅對(duì)神經(jīng)元起支持,、營(yíng)養(yǎng)、保護(hù),、清除等作用的“配角”,。
但加拿大渥太華大學(xué)精神健康研究所教授張遐等人最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，膠質(zhì)細(xì)胞可直接調(diào)控神經(jīng)元間突觸聯(lián)系來(lái)主控學(xué)習(xí)記憶——配角變成了主角,。相關(guān)文章發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》2012年第32期上,。
只被當(dāng)做配角的膠質(zhì)細(xì)胞
“典型的神經(jīng)元是大腦皮層和海馬區(qū)中的錐體神經(jīng)元，細(xì)胞形似古埃及的金字塔,；而膠質(zhì)細(xì)胞的主要亞型——星形膠質(zhì)細(xì)胞,，則形似夜晚天空中閃爍的星星。”張遐向記者如此描述,。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，神經(jīng)元直接參與了調(diào)控所有正常和疾病狀態(tài)下的腦功能機(jī)制，包括睡眠,、體溫調(diào)節(jié)等低級(jí)腦功能以及學(xué)習(xí)記憶,、思維決策等高級(jí)腦功能。神經(jīng)元傳遞信息,，成為決定腦功能的主角,，而膠質(zhì)細(xì)胞是起支持作用的配角。
直到20世紀(jì)末,，美國(guó)的經(jīng)典教科書(shū)仍然認(rèn)為,，膠質(zhì)細(xì)胞是起支持作用的配角，如諾貝爾獎(jiǎng)得主埃里克·坎德?tīng)柕仍?000年第四版《神經(jīng)科學(xué)原理》中明確肯定地定義道,，“沒(méi)有任何證據(jù)證明,，膠質(zhì)細(xì)胞直接參與腦電信號(hào)傳遞”。
星形膠質(zhì)細(xì)胞直接調(diào)節(jié)神經(jīng)元突觸電傳導(dǎo)活動(dòng)的直接證據(jù),，是進(jìn)入21世紀(jì)以后獲得的,。
但是，所有證據(jù)都是從細(xì)胞培養(yǎng)或腦片等離體實(shí)驗(yàn)中獲得的。“離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果其實(shí)與活體真實(shí)發(fā)生的活動(dòng)有較大差距,。”
南方醫(yī)科大學(xué)教授高天明說(shuō),，在張遐團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表之前，人們并不知道星形膠質(zhì)細(xì)胞是否可在活體動(dòng)物中直接調(diào)控神經(jīng)元突觸傳遞電信號(hào),。
公認(rèn)理論無(wú)法解釋的結(jié)果
2008年初,，張遐在加拿大的團(tuán)隊(duì)觀察到，大麻素可在中腦多巴胺能神經(jīng)元的興奮性突觸誘導(dǎo)活體長(zhǎng)時(shí)程抑制,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果用當(dāng)時(shí)的公認(rèn)理論無(wú)法解釋?zhuān)@令張遐百思不得其解,。
半年后，張遐與武漢同濟(jì)醫(yī)院副院長(zhǎng)王偉討論他的疑惑,。作為星形膠質(zhì)細(xì)胞研究專(zhuān)家,，王偉建議張遐可從星形膠質(zhì)細(xì)胞上找找答案,。
于是,，張遐帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)將注意力轉(zhuǎn)向膠質(zhì)細(xì)胞。
他們以大麻對(duì)腦功能的影響作為切入點(diǎn),，以3種神經(jīng)細(xì)胞特異的基因敲除小鼠為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),，還應(yīng)用了活體電生理記錄和行為學(xué)測(cè)試等技術(shù)。
研究發(fā)現(xiàn),，大麻通過(guò)激活星形膠質(zhì)細(xì)胞上的大麻素Ⅰ型受體,，使處理信息的重要區(qū)域——大腦海馬區(qū)的神經(jīng)元突觸傳遞活動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間被抑制，進(jìn)而導(dǎo)致大腦的工作記憶受損,。
“研究星形膠質(zhì)細(xì)胞直接調(diào)節(jié)腦功能活動(dòng)的主要挑戰(zhàn),，是建立一種選擇性特異影響星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的方法，例如構(gòu)建星形膠質(zhì)細(xì)胞特異的轉(zhuǎn)基因小鼠,。”張遐說(shuō),。
高天明的團(tuán)隊(duì)從5年前開(kāi)始作膠質(zhì)細(xì)胞研究。他也認(rèn)為,，腦功能研究的最大障礙是技術(shù)手段問(wèn)題,。“尤其是膠質(zhì)細(xì)胞，長(zhǎng)期被忽略,，對(duì)其認(rèn)識(shí)非常有限,，缺乏研究積累，難度更大,。”
神經(jīng)科學(xué)的重要時(shí)刻
“我們正處在神經(jīng)科學(xué)研究歷史長(zhǎng)河中的一個(gè)重要時(shí)刻——人類(lèi)剛剛開(kāi)啟探索膠質(zhì)細(xì)胞主控大腦高級(jí)功能,。”張遐說(shuō)。
中科院昆明動(dòng)物研究所研究員徐林認(rèn)為,，通過(guò)全面認(rèn)識(shí)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞在腦功能過(guò)程中的各自分工和特點(diǎn),，尤其是功能調(diào)節(jié)的各種環(huán)節(jié)和靶點(diǎn)，能夠?yàn)槟X工作原理和腦疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論基礎(chǔ)，而這種理論基礎(chǔ)不僅可提供理解現(xiàn)有臨床治療藥物的工作原理,，也可為研發(fā)新的臨床藥物指明方向,。
“大腦的復(fù)雜精細(xì)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們現(xiàn)有的所有研究手段和策略。”張遐說(shuō),，“我們至今仍然不清楚大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)記憶的詳盡機(jī)制,，更對(duì)各種腦疾病如精神分裂癥、焦慮,、抑郁等等所知寥寥,。”
迄今為止，人類(lèi)意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么,、記憶信息是什么,、記憶信息儲(chǔ)存在哪里等等問(wèn)題，都幾乎沒(méi)有找到答案,。
徐林說(shuō),，目前各個(gè)科學(xué)家均從不同的角度去深入認(rèn)識(shí)大腦奧秘，就如“盲人摸象”,，對(duì)大腦的了解非常有局限,，也極其不完整。
他認(rèn)為,，未來(lái)的發(fā)展方向是,，繪制腦結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的“google地圖”和“腦功能聯(lián)結(jié)的google地圖”。“這是極其復(fù)雜而龐大的工程,，其困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)基因組計(jì)劃,、蛋白質(zhì)組計(jì)劃等。”(生物谷Bioon.com)
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Key opportunity for brain research: Study on glial regulation of advanced brain functions
ZHANG Xia①②③*, XIONG LiZe②, REN Wei③, WANG Wei④, XU Lin⑤*
Exploring the secrets of the brain has long been a dream of neuroscientists. Our brains consist of neurons and glial cells, which comprise approximately 10% and 90% of total brain cells, respectively. During the past century, neurons have been regarded as the leading brain cells responsible for advanced brain functions such as learning and memory, whereas glial cells have been believed to be supporting brain cells providing supportive, nutritional, protective, and clearing contributions to neurons. However, recent studies have revealed novel functions of astroglial cells, the major subtype of glial cells. This review will discuss recent in vitro evidence showing the direct modula-tion of neuronal synaptic transmission by astroglial cells, evaluate the importance of astroglial regulation of sleep, analyze our recent in vivo data published in the 2012 March issue of Cell demonstrating direct regulation of working memory by astroglial cells, and comment on their scientific inspiration: we are now witnessing a crucial time in neuroscience research history in which mankind is starting to explore the active regulation of advanced brain functions by glial cells.
