在大腦中存在兩類神經(jīng)細(xì)胞——神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞,，后者在腦內(nèi)占了絕大多數(shù)，卻被長期認(rèn)為與大腦學(xué)習(xí)和記憶沒多大關(guān)系,，僅像"膠水"一樣粘附在神經(jīng)元周圍，對神經(jīng)元起支持和營養(yǎng)作用。 以往這一論斷并不準(zhǔn)確,。事實(shí)上，膠質(zhì)細(xì)胞突觸具有可塑性,，即膠質(zhì)細(xì)胞也同神經(jīng)元一樣具有"記憶"功能,，能產(chǎn)生長時(shí)程增強(qiáng)反應(yīng)。這種反應(yīng)機(jī)理,，被認(rèn)為與腦的信息處理,、儲存及學(xué)習(xí)記憶等有關(guān)。 這項(xiàng)成果被刊登在6月9日版的國際權(quán)威雜志《科學(xué)》（Science）上,。
這一研究成果,，是中科院上海生科院神經(jīng)所段樹民研究員及其博士研究生戈鵡平,、楊秀娟等經(jīng)過四年多的研究發(fā)現(xiàn)。這也是國際上首次對膠質(zhì)細(xì)胞突觸可塑性進(jìn)行研究,，并首次闡明其產(chǎn)生機(jī)理,。以往人們認(rèn)為僅神經(jīng)元才具有通過突觸部位進(jìn)行信息傳遞和處理的功能，而我國科學(xué)家的研究成果表明,，神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞中的一種——NG2膠質(zhì)細(xì)胞（又稱少突膠質(zhì)前體細(xì)胞）之間的突觸聯(lián)系也具可塑性,，可產(chǎn)生長時(shí)程增強(qiáng)反應(yīng)。
"腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的長時(shí)程增強(qiáng)反應(yīng)可用'一朝被蛇咬,、十年怕井繩'的俗語來形容,。一朝被蛇咬，就是當(dāng)時(shí)對人腦的一種強(qiáng)烈刺激,，過了很長時(shí)間后,，再看到蛇甚至是一根井繩，也會(huì)產(chǎn)生恐懼的心情,，這就是當(dāng)時(shí)的強(qiáng)刺激帶來的長時(shí)程增強(qiáng)反應(yīng),。"
有趣的是，這類新發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞間的突觸產(chǎn)生長時(shí)程增強(qiáng)反應(yīng)的機(jī)制,，與以往人們熟悉的神經(jīng)元間的突觸產(chǎn)生可塑性的機(jī)制并不相同,。膠質(zhì)細(xì)胞也具有 "記憶"功能這一發(fā)現(xiàn)及其機(jī)理的闡明對人們更深入地認(rèn)識大腦的工作原理具有重要意義。
第一次被蛇咬,，第二次看到細(xì)長的繩子為何會(huì)“毛骨悚然”,？經(jīng)過四年多攻關(guān)，來自中國科學(xué)院的科學(xué)家證實(shí)：被傳統(tǒng)教科書認(rèn)為“沒有信息傳導(dǎo)功能”的大腦膠質(zhì)細(xì)胞,，其突觸不僅能接受外界的信號,，而且還能長時(shí)間“保存”并形成記憶，而不為神經(jīng)元所獨(dú)有,。
采訪中,，中國科學(xué)院上海生科院神經(jīng)科學(xué)研究所段樹民研究員，以他們所做的實(shí)驗(yàn)向記者解釋了機(jī)理：第一組實(shí)驗(yàn)中,，他們先對膠質(zhì)細(xì)胞突觸進(jìn)行一般刺激,。而在第二組，刺激的強(qiáng)度先極強(qiáng)之后恢復(fù)一般,。結(jié)果,，第二組細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一組,。
據(jù)悉,，這個(gè)成果對于人們認(rèn)識大腦工作的機(jī)理有重要意義。
神經(jīng)學(xué)科誕生百余年來,，研究者一般把神經(jīng)細(xì)胞中的神經(jīng)元作為大腦的“聰明之源”,，認(rèn)為它們“觸手”的尖端———突觸具有信息傳遞和處理能力，而且這種能力可以改變,，一旦改變還能維持很長時(shí)間,，具有“長時(shí)程”的可塑性，這可能就是大腦智能的基礎(chǔ),。好比“一朝被蛇咬,，十年怕井繩”，大腦受到某一次較大刺激后,，相關(guān)突觸的反應(yīng)機(jī)制就突然增強(qiáng),，這一“重塑”事件能被長期保存。
在人類百億個(gè)腦細(xì)胞中,，被認(rèn)定為“智者”的神經(jīng)元細(xì)胞約10億個(gè),，其余則都是看似有點(diǎn)“懶惰”的膠質(zhì)細(xì)胞。但為什么腦中膠質(zhì)細(xì)胞的比例卻與生物進(jìn)化程度成正比,？比如果蠅只有25％,，老鼠僅65％，人類則高達(dá)90％,。近年來的研究發(fā)現(xiàn),，神經(jīng)元與一類“NG2”膠質(zhì)細(xì)胞間存在直接的突觸聯(lián)系，但這種聯(lián)系到底有何意義卻一直不清楚,。
中科院上海生科院神經(jīng)所研究員段樹民及其博士生戈鵡平,、楊秀娟等，經(jīng)過4年多研究,，發(fā)現(xiàn)這種膠質(zhì)細(xì)胞的突觸同樣具有神經(jīng)元突觸那樣的可塑性,，也能通過刺激產(chǎn)生“長時(shí)程”的增強(qiáng)反應(yīng)。也就是說,，它們其實(shí)也很“聰明”,，可能與大腦信息處理、儲存及學(xué)習(xí),、記憶有關(guān),。從這兩類神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)區(qū)分看，神經(jīng)元細(xì)胞的“觸手”較長,，適于相對長距離的信息傳遞,；而NG2膠質(zhì)細(xì)胞的“觸手”較短，似乎更適應(yīng)某個(gè)局部的信息處理,。
膠質(zhì)細(xì)胞如何“另辟蹊徑”接受神經(jīng)元的信息,？段樹民介紹，大多數(shù)神經(jīng)元之間突觸可塑性的產(chǎn)生，是由于激活了一種叫NMDA的“信息感受器”———受體,，盡管NG2膠質(zhì)細(xì)胞并沒有這種受體,，但它們卻擁有另一種與大多數(shù)神經(jīng)元不同的AMPA受體，對鈣離子也具有通透性,，能讓細(xì)胞外的鈣離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),，從而產(chǎn)生可塑性變化。這些發(fā)現(xiàn)對人們更深入認(rèn)識大腦的工作原理具有重要意義,。
腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞包括神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞兩類,，其中膠質(zhì)細(xì)胞的比例是隨著生物進(jìn)化程度的增高而增高的。人類膠質(zhì)細(xì)胞占總腦細(xì)胞的90%,。但是,，膠質(zhì)細(xì)胞在過去并沒有引起研究者足夠的重視。人們認(rèn)為只有神經(jīng)元才具有信息傳遞和處理的能力,，神經(jīng)元之間可以通過突觸進(jìn)行信息傳遞和處理,，而且這種突觸的能力是可以改變的，即具有可塑性,，當(dāng)受到外界特異刺激時(shí),，突觸的強(qiáng)度會(huì)增大，持續(xù)時(shí)間也會(huì)增長,，這稱為長時(shí)程可塑性,。膠質(zhì)細(xì)胞在人們眼中不過是一類惰性細(xì)胞，像“膠水”一樣粘附在神經(jīng)元周圍,，主要對神經(jīng)元起到支撐和營養(yǎng)作用,。
近年的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元與NG2膠質(zhì)細(xì)胞之間也有直接的突觸聯(lián)系，但其突觸的意義及是否具有可塑性等問題仍然沒有解決,。段樹民研究員等經(jīng)過四年多的研究,，發(fā)現(xiàn)這類突觸也具有可塑性，可以產(chǎn)生長時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng),，但其機(jī)制卻和神經(jīng)元間突觸不同,。比較而言，神經(jīng)元間突觸的反應(yīng)比神經(jīng)元—NG2膠質(zhì)細(xì)胞間突觸的反應(yīng)要大一些,，前者主要用于遠(yuǎn)距離信息傳遞,，后者可能主要用于信息的局部處理。
由于腦內(nèi)有大量的NG2膠質(zhì)細(xì)胞,，而突觸的長時(shí)程增強(qiáng)反應(yīng)又被認(rèn)為與腦的信息處理,、儲存及學(xué)習(xí)記憶等有關(guān)，因而NG2膠質(zhì)細(xì)胞的突觸具有可塑性這一發(fā)現(xiàn)及其產(chǎn)生機(jī)理的闡明,，對人們認(rèn)識腦的工作原理具有重要意義,。
原文出處：
Long-Term Potentiation of Neuron-Glia Synapses Mediated by Ca2+-Permeable AMPA Receptors
Woo-Ping Ge, Xiu-Juan Yang, Zhijun Zhang, Hui-Kun Wang, Wanhua Shen, Qiu-Dong Deng, and Shumin Duan
Science 9 June 2006: 1533-1537.
Synapses between hippocampal neurons and nearby glial cells can become stronger after stimulation, just as excitatory neuron-neuron synapses can show long-term potentiation.
Abstract »| Full Text »| PDF »| Supporting Online Material »|
Publications
Shen, W., Wu, B., Zhang, Z., Dou, Y., Rao, Z., Chen, Y., and Duan, S. (2006) Activity-induced rapid synaptic maturation mediated by presynaptic cdc42 signaling. Neuron 50: 401-414.
Xu, X., Fu, A., Ip, F., Wu, C., Duan, S., Poo, M., Yuan, X., and Ip, N. (2005) Agrin regulates growth cone turning of Xenopus spinal motoneurons. Development 132: 4309-4316.
Pan, P., Cai, Q., Lin, L., Lu, P., Duan, S., and Sheng, Z. (2005) SNAP-29-mediated Modulation of Synaptic Transmission in Cultured Hippocampal Neurons. J. Biol.Chem. 280: 25769-25779.
Li, C., Lu, J., Wu, J., Duan, S., and Poo, M. (2004) Bidirectional Modification of Presynaptic Neuronal Excitability Accompanying Spike Timing-Dependent Synaptic Plasticity. Neuron 41, 257-268.
Yang, Y., Ge, W., Chen, Y., Zhang, Z., Shen, W., Wu, C., Poo, M., and Duan, S. (2003) Contribution of astrocytes to hippocampal long-term potentiation through release of D-serine. PNAS, 100: 15194-15199.
Zhang, J., Wang, H., Ye, C., Ge, W., Chen, Y., Jiang, Z., Wu, C., Poo, M. and Duan, S. (2003) ATP Released by Astrocytes Mediates Glutamatergic Activity-Dependent Heterosynaptic Suppression. Neuron, 40: 971-982.
Duan, S., Anderson C. M. , Keung, E. C., Chen, Y., Chen, Y., and Swanson R. A.(2003) P2X7 Receptor-Mediated Release of Excitatory Amino Acids from Astrocytes. J Neurosci, 23: 1320-1328
Wang, Z., Xu, N., Wu,CP., Duan, S., and Poo, M. (2003) Bidirectional changes in spatial dendritic integration accompanying long-term synaptic modifications. Neuron, 37: 463-472
Yuan, X., Jin, M., Xu, X., Wu, CP., Poo, M., and Duan, S.(2003) Signalling and crosstalk of Rho GTPases in mediating axon guidance. Nature Cell Biol , 5, 38 - 45 [Abstract]
Note: This paper is cited by Nature Signaling Gateway as a Featured Article.
Xiang, Y., Li, Y., Zhang, Z., Wang, S., Yuan, X.B., Wu, C., Poo, M. and Duan S., (2002) Nerve growth cones guidance mediated by G-protein-coupled receptors. Nature Neuroscience, 5, 843 - 848 [Abstract]
Anderson, C.M., Norquist, B.A., Vesce, S., Nicholls, D.G., Soine, W.H., Duan, S., and Swanson, R.A. (2002) Barbiturates Induce Mitochondrial Depolarization and Potentiate Excitotoxic Neuronal Death. J Neurosci, 22: 9203-9209
Duan, S., Cooke, I.M., (2000)Glutamate and GABA activate different receptors and Cl(-) conductances in crab peptide-secretory neurons. J Neurophysiol 83: 31-37
Swanson, R.A., Duan, S., (1999) Regulation of glutamate transporter function. Neuroscientist, 5: 280-282
Duan, S., Cooke, I.M., (1999) Selective inhibition of transient K+ current by La3+ in crab peptide-secretory neurons. J Neurophysiol 81:1848-1855
Duan, S., Anderson, C.M., Stein, B.A., Swanson, R.A., (1999) Glutamate induces rapid upregulation of astrocyte glutamate transport and cell-surface expression of GLAST. J Neurosci 19: 10193-10200
