星形胶质细胞（黄色）是一种非神经元或胶质脑细胞，已知在大脑发育和功能中发挥着至关重要的作用。冯国平（Guoping Feng）实验室创建了一个图谱，详细描述了星形胶质细胞群落如何随着大脑发育、成熟和老化而变化。图片来源：玛格丽特·施罗德（Margaret E. Schroeder）等
谈到大脑功能，神经元往往获得最多的关注。但健康的大脑依赖于多种细胞的协同合作。大脑中数量最多的非神经元细胞是星形胶质细胞，这些星状细胞承担着众多职责。星形胶质细胞帮助塑造神经回路，参与信息处理，并为神经元提供营养和代谢支持。单个细胞在其生命周期中可以承担新角色，在任何给定时间，大脑某一部分的星形胶质细胞看起来和行为方式都与其他地方的星形胶质细胞不同。
经过麻省理工学院研究人员的广泛分析，神经科学家现在拥有了一个详细描述星形胶质细胞动态多样性的图谱。该图谱描绘了星形胶质细胞在小鼠和绒猴大脑中的区域特化情况——这两种动物是神经科学研究的有力模型——并展示了它们的群落如何随着大脑发育、成熟和老化而变化。
这项开放获取的研究发表在11月20日的《神经元》（Neuron）期刊上，由麻省理工学院脑与认知科学James W. (1963)和Patricia T. Poitras教授冯国平（Guoping Feng）领导。
"我们必须关注非神经元细胞在健康和疾病中的作用，"冯国平表示，他同时也是麦戈文脑研究所（McGovern Institute for Brain Research）的副所长和麻省理工学院霍克·E·谭和K·丽莎·杨自闭症研究中心（Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research）的主任。事实上，这些细胞——曾经被视为仅仅是支持角色——近年来获得了更多关注。星形胶质细胞已知在大脑发育和功能中发挥着至关重要的作用，其功能障碍似乎会促成许多精神疾病和神经退行性疾病。"但与神经元相比，我们对它们的了解少得多——特别是在发育过程中，"冯国平补充道。
冯国平团队生成的地图描绘了星形胶质细胞在小鼠和绒猴大脑中的区域特化情况——这两种动物是神经科学研究的有力模型——并展示了它们的群落如何随着大脑发育、成熟和老化而变化。图片来源：玛格丽特·施罗德（Margaret E. Schroeder）等
探索未知
冯国平和他实验室的前研究生玛格丽特·施罗德（Margaret Schroeder）认为，了解星形胶质细胞在三个维度上的多样性很重要：空间、时间和物种。他们从实验室早期的工作中了解到——这项工作是与哈佛大学（Harvard University）史蒂夫·麦克卡罗尔（Steve McCarroll）实验室合作完成的，并由他团队的费娜·克里嫩（Fenna Krienen）领导——在成年动物中，大脑的不同部分具有独特的一组星形胶质细胞。
"自然而然的问题是，我们认为星形胶质细胞的这种区域模式化在发育的早期阶段就开始了吗？"施罗德说。
为了找出答案，她和同事们从小鼠和绒猴的六个生命阶段收集了脑细胞，涵盖从胚胎发育到老年。对于每种动物，他们从四个不同的大脑区域取样细胞：前额叶皮层、运动皮层、纹状体和丘脑。
然后，与现在是普林斯顿大学（Princeton University）助理教授的克里嫩合作，他们分析了这些细胞的分子含量，为每个细胞创建了基因活性的概况。该概况基于细胞内部发现的基因mRNA拷贝，这些mRNA拷贝统称为细胞的转录组。确定细胞正在使用哪些基因以及这些基因的活跃程度，使研究人员能够深入了解细胞的功能，也是定义其身份的一种方式。
动态多样性
在评估了约140万个脑细胞的转录组后，研究小组专注于星形胶质细胞，分析并比较了它们的基因表达模式。从出生前到老年，每个生命阶段，研究小组都发现了区域特化：来自不同大脑区域的星形胶质细胞具有相似的基因表达模式，这些模式与其他大脑区域的星形胶质细胞不同。
这种区域特化也在大脑不同部位星形胶质细胞的独特形状中显现出来，研究小组能够通过扩展显微镜看到这一点，这是一种由麦戈文同事爱德华·博伊登（Edward Boyden）开发的高分辨率成像方法，可以揭示精细的细胞特征。
值得注意的是，每个区域的星形胶质细胞随着动物成熟而发生变化。"当我们观察晚期胚胎时间点时，星形胶质细胞已经呈现出区域模式化。但当我们将此与成年概况进行比较时，它们又完全发生了变化，"施罗德说。"因此，在出生后发育过程中发生了某些事情。"研究小组检测到的最显著变化发生在出生和青春期早期之间，这一时期大脑会随着动物开始与世界互动并从经验中学习而迅速重新连接。
冯国平和施罗德怀疑他们观察到的变化可能由大脑成熟过程中塑造和精炼的神经回路驱动。"我们认为它们正在适应其局部的神经元生态位，"施罗德说。"它们在发育过程中上调和改变的基因类型表明它们与神经元的相互作用。"
冯国平补充说，星形胶质细胞可能会响应附近神经元而改变其基因程序，或者，它们可能会通过采用最适合支持特定神经元的身份来帮助指导局部回路的发育或功能。
小鼠和绒猴的大脑都表现出星形胶质细胞的区域特化以及这些群落在时间上的变化。但是，当研究人员查看定义各种星形胶质细胞群落的特定基因的活性时，来自两个物种的数据出现了分歧。施罗德称，这对研究动物模型中星形胶质细胞的科学家来说是一个警示，并补充说新图谱将帮助研究人员评估跨物种发现的潜在相关性。
超越星形胶质细胞
冯国平表示，在对星形胶质细胞多样性有了新的理解后，他的团队将密切关注这些细胞如何受到他们研究的疾病相关基因的影响，以及这些影响在发育过程中如何变化。他还指出，图谱中的基因表达数据可用于预测星形胶质细胞和神经元之间的相互作用。"这将真正指导未来的实验：这些细胞的相互作用如何随着神经元的变化或星形胶质细胞的变化而改变，"他说。
冯国平实验室热切希望其他研究人员能够利用他们制作图谱时产生的大量数据。施罗德指出，该团队分析了他们研究的大脑区域中所有类型细胞的转录组，而不仅仅是星形胶质细胞。他们分享了他们的发现，以便研究人员可以利用它们来了解特定基因在大脑中的使用时间和地点，或更深入地探索大脑的细胞多样性。
更多信息：玛格丽特·施罗德（Margaret E. Schroeder）等，《小鼠和绒猴中跨越时空的星形胶质细胞异质性转录组图谱》，《神经元》（Neuron）(2025)。DOI: 10.1016/j.neuron.2025.09.011
期刊信息：《神经元》（Neuron）
由麻省理工学院提供
此故事经MIT News重新发布，这是一个报道MIT研究、创新和教学新闻的热门网站。
引用：新图谱揭示星形胶质细胞在时空维度上的多样性 (2025年12月8日)
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