江西
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- 大家好，我是小锐，今天这篇科普文章将带你深入探索大脑中一位低调却至关重要的“幕后英雄”——星形胶质细胞。
- 我们常常听说神经元是大脑运作的主角，但鲜有人知的是，另一类细胞正悄然掌控着睡眠节律与记忆巩固的核心机制。
- 这些外形酷似星辰的细胞，在沉寂百年之后强势崛起，它们究竟蕴藏怎样的潜能？又将为人类健康打开哪些全新的突破口？
- 被低估百年的“大脑配角”
- 长期以来，神经科学领域几乎全部聚焦于神经元，普遍认为它是唯一承担信息处理任务的关键单元，而包括星形胶质细胞在内的胶质细胞群体，则被视为仅起辅助作用的“填充物”。
- 这种观念根深蒂固地主导了整整一个世纪，直到2010年代初，以色列耶路撒冷希伯来大学的记忆研究学者茵巴尔·戈申勇敢提出挑战。
- 彼时她在国际学术会议上发言犹如孤星独语，不少同行私下议论她的研究方向“不过是徒劳尝试”，但她凭借先进的分子成像技术捕捉到了星形胶质细胞活跃参与学习过程的证据，揭示其在记忆形成中的深层角色。
- 如今这一观点已被广泛接纳，加州拉霍亚索尔克研究所的尼古拉·艾伦长期致力于胶质细胞功能解析，她指出当前相关主题的研讨会场场座无虚席，曾经冷门的研究方向已跃升为核心前沿。
- 早在十九世纪末期，科学家通过显微观察便发现大脑内神经元与胶质细胞的数量比例接近一比一，然而二十世纪膜片钳技术的发展使神经元电信号研究突飞猛进，导致缺乏快速放电能力的星形胶质细胞被长期边缘化。
- 受限于当时的技术手段，无法检测钙波动等非电性活动的它们，自然被认为“生理功能迟缓”，从而错失数十年关注。
- 调控睡眠与记忆的“长曝光相机”
- 近年来，星形胶质细胞最令人振奋的突破在于它对昼夜节律维持和记忆编码两大谜题的破解。
- 人体主生物钟位于视交叉上核，依赖抑制性递质GABA实现周期调控，可一个持续施加抑制作用的系统如何产生自主振荡，这个问题困扰学界多年。
- 十年前，瑞士苏黎世联邦理工学院的马可·布兰卡乔利用高灵敏度谷氨酸探针在小鼠脑切片中观测到夜间谷氨酸浓度出现规律性高峰，且其节律与GABA同步，进一步溯源发现这些谷氨酸正是由星形胶质细胞释放。
- 后续实验证明，这类细胞通过白天吸收、夜间停止摄取GABA的方式，为生物钟提供了关键的负反馈调节路径。在记忆层面，它们的功能更像一台“长曝光相机”。
- 日本理化学研究所的永井淳教授解释道，星形胶质细胞的信息传递耗时可达数小时乃至数日，远慢于神经元毫秒级响应，但这种缓慢特性反而有利于捕捉并保留短暂易逝的经验痕迹。戈申团队记录到，当小鼠学会定位水源奖励后，接近目标区域时其星形胶质细胞内的钙离子活性逐步攀升。
- 而在陌生环境中则未见类似反应，表明这类细胞具备空间记忆编码能力。美日联合最新研究成果也证实，它们在巩固与提取恐惧记忆方面发挥稳定作用。
- 百万突触连接的“超级网络”
- 之所以能执行如此复杂的调控任务，离不开星形胶质细胞独特的三维结构特征。普通光学显微镜下它们呈现典型的星芒状形态。
- 但借助超分辨成像技术可观察到，除了中心胞体外，它们还延伸出大量宽度仅为几十纳米的精细小叶结构，这些分支如同密集球冠，精准嵌入神经元之间的缝隙之中，并与其他同类细胞互不交叠。
- 据估算，人脑单个星形胶质细胞最多可接触多达两百万个突触连接点，不同脑区还存在特异化的亚型分布，使其能够全域监控并调节局部微环境。支撑这一庞大网络运行的核心机制是钙信号传导系统。
- 尽管不具备神经元式的动作电位，它们却能依靠细胞内钙离子浓度的动态变化进行信息传递，同时对外界刺激如神经递质溢出做出响应。
- 虽然钙信号传播速度较慢，但影响范围极广，可触发多种信号分子、离子及营养物质的释放，进而调控邻近神经元、其他胶质细胞以及毛细血管的行为模式。
- 加州大学洛杉矶分校的巴尔吉特·哈克强调：“结构决定功能。”他的实验室通过对特定钙通道基因进行编辑，成功实现了对星形胶质细胞功能的人为干预，并观察到动物认知行为的显著改变。
- 西雅图艾伦脑科学研究所的曾宏奎补充指出，神经元负责高速传递核心指令，而星形胶质细胞则通过对突触周围微环境的精细调节，决定神经元是否被激活或沉默，两者协同共舞，缺一不可。
- 神经疾病的新治疗靶点
- 随着研究不断深化，科学家逐渐意识到星形胶质细胞可能是攻克多种神经系统疾病的突破口。在精神障碍领域，哈克团队在小鼠模型中验证：
- 选择性激活或阻断其特定钙信号通路，可有效缓解强迫性梳理毛发等典型行为症状，提示该细胞类型有望成为抑郁症、焦虑症等疾病的新型干预靶标。
- 针对亨廷顿病这类神经退行性疾病，研究人员发现患者纹状体区域的星形胶质细胞中，一组负责维持离子平衡与代谢稳态的关键基因表达水平明显下调；通过基因疗法恢复其表达后，小鼠运动协调性和注意力缺陷得到显著改善，提示早期干预潜力巨大。
- 阿尔茨海默病的研究更是迎来里程碑式进展。伦敦大学学院的巴特·德·斯特鲁珀团队揭示，星形胶质细胞与小胶质细胞会联手加速病理进程，甚至在淀粉样蛋白斑块出现之前就已介入异常网络活动。
- 疾病初期常伴随神经元过度兴奋现象，与此同时星形胶质细胞的钙信号活性下降；一旦修复该信号通路，神经元活动回归正常节奏，小鼠的失眠、昼夜紊乱等前驱症状也随之消失。
- 戈申团队发布的预印本论文尤为鼓舞人心：在阿尔茨海默病动物模型中，人为增强星形胶质细胞钙信号后，原本丧失的空间记忆能力完全复原。正如德·斯特鲁珀所言，未来的神经疗法必须兼顾神经元与胶质细胞双系统，方能实现真正意义上的治愈。
- 塑造人类智慧的关键
- 星形胶质细胞的重要性不仅限于疾病治疗，它或许正是人类智力超越其他物种的根本原因之一。英国曼彻斯特大学的阿列克谢·韦尔赫拉茨基团队对比分析发现：
- 人类星形胶质细胞的形态复杂度远超猴子与啮齿类动物，体积至少为大鼠同类细胞的十倍以上，分支数量亦高出十倍，而果蝇中的类似细胞则结构极为简单。
- 纽约罗切斯特大学医学中心开展的一项移植实验更具说服力：将人类星形胶质细胞植入新生小鼠大脑后，这些小鼠在迷宫导航和条件反射测试中的表现显著优于对照组，直接证明了该细胞类型的进化优势与高级认知功能密切相关。
- 目前，计算神经科学专家也加入这场探索浪潮。芬兰坦佩雷大学玛雅莉娜·林内课题组联合德国科研团队，开发出迄今规模最大的星形胶质-神经元混合模拟平台，可同时建模一百万个相互作用的细胞单元，为理解大脑整体工作机制提供前所未有的数字工具。
- 从一度被忽视的“背景配角”蜕变为驱动大脑功能的核心引擎，星形胶质细胞用半个世纪的努力完成了华丽转身。
- 这些静默运转的“宇宙星辰”，不仅重塑了我们对脑运作原理的认知框架，更在神经康复、人工智能仿生计算等多个前沿领域开辟全新赛道，未来必将带来更多颠覆性惊喜。
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