非神经元脑细胞如何通过通讯协调大脑重连

How non-neuronal brain cells communicate to coordinate rewiring of the brain

马萨诸塞大学陈医学院的多萝西·P·夏弗博士(Dorothy P. Schafer, Ph.D.)和特拉维斯·E·福斯特博士(Travis E. Faust, Ph.D.)的一项研究解释了大脑中两种不同类型的细胞——星形胶质细胞(astrocytes)和小胶质细胞(microglia)——如何响应感觉输入的变化来沟通，从而重塑神经元之间的连接即突触(synapses)。

这些发表在《细胞》(Cell)杂志上的发现，是神经生物学家们感兴趣的一个新兴领域，他们希望了解大脑中不同细胞如何相互作用以重连大脑。

这种新机制有可能被转化科学家作为靶点，希望有一天能预防神经退行性疾病(如阿尔茨海默病或ALS)以及与年龄相关的认知衰退过程中所造成的突触损伤。它也可能为神经发育和精神障碍(如自闭症和精神分裂症)提供新的见解，在这些疾病中，大脑的环路精细化过程可能在发育过程中受到了损害。

"大脑由数十亿个细胞组成，这些细胞必须以某种方式相互协调，以实现适当的大脑连接，"担任生物医学研究莫莉·麦戈文讲席(Molly McGovern Chair in Biomedical Research)的神经生物学副教授夏弗博士说。

"理解所有这些细胞如何协调是关键。在这里，我们提供了关于称为胶质细胞(glia cells)的非神经元细胞如何在发育过程中沟通以重连大脑环路的新见解，我们认为这对一系列神经退行性疾病和神经发育障碍(neurodevelopmental disorders)具有相关性，在这些疾病中，大脑环路被不恰当地重塑。"

随着大脑的发育，神经环路(neural circuits)会根据从环境中接收的感觉刺激进行精细化和修剪。神经生物学讲师、该研究的合著者福斯特博士解释说，如果允许过多的神经突触(synapses)发育，神经网络(neural networks)就无法正常运作。自闭症是一种被认为由突触修剪不足引起的神经发育障碍。精神分裂症患者也被证明在大脑的某些部分突触过少，而在其他部分突触过多。

相反，许多神经退行性疾病(如阿尔茨海默病和ALS)的特点是突触的退化和破坏，其中不受控制的突触连接重塑被认为导致认知和功能衰退。保护这些突触免受失调的突触重塑，可能对患有这些疾病的患者有益。

"这项研究表明，称为星形胶质细胞和小胶质细胞的两种不同胶质亚型如何协同工作，在改变感觉体验后移除或'修剪'大脑皮层中的突触，"夏弗说。

这项研究建立在夏弗实验室2019年发表在《神经科学杂志》(The Journal of Neuroscience)上的一项先前研究基础上，当时他们修改了发育中老鼠的感觉体验。

"即使动物在早期发育(early development)中的感觉体验发生细微变化，也会对大脑连接产生深远影响，"夏弗说。

夏弗和福斯特现在已经展示了这种重连是如何实现的。

"你可以把星形胶质细胞想象成密集的灌木丛，拥有数百万个微小的分支，它们接触单个突触并填补神经元之间大脑中的所有空隙，"夏弗说。

相比之下，小胶质细胞是监测大脑的常驻免疫细胞，通常会吞噬突触。

"我们发现，小胶质细胞分泌一种称为Wnts的分子，向星形胶质细胞发出信号，"福斯特说。"这种信号导致星形胶质细胞将其微小分支从突触移开，从而使小胶质细胞能够迅速介入并吞噬突触。"

关键信号分子Wnt是一类由细胞分泌的蛋白质，对包括胚胎发育、组织稳态、干细胞调节和细胞分化在内的众多生物过程至关重要。在此背景下，Wnt蛋白作为向星形胶质细胞发出的信号，使其移开并暴露突触。这使得小胶质细胞可以自由移动并吞噬暴露且不活跃的突触。

夏弗表示，这些发现的意义广泛。

"在我们体验周围世界和这些感官体验发生变化的过程中，大脑在发育过程中发生了如此多的重塑，"夏弗说。

"人们可以想象在其他情境中也会发生类似的事情，例如在学习和记忆过程中或在睡眠期间。我们也在研究这可能如何参与自闭症和精神分裂症等疾病，其中这些重塑过程可能出现问题，或者在错误的时间和地点异常上调，导致阿尔茨海默病等神经退行性疾病(neurodegenerative diseases)中突触连接和认知能力的丧失。

"了解这些过程如何参与疾病是我们重要的下一步之一。"

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