原先被認為無用的細胞，居然也能如神經元一樣，在刺激下做出反應，讓大腦閃耀，如同星河。
「膠質細胞」就是大腦裡的海綿。科學家認為它們作為填充物支撐著我們大腦。一項新的研究發現，膠質細胞同樣參與了大腦的工作。這一結果可能讓我們得以重新認識生物體最神秘的器官。
該研究由麻省理工學院的舒默爾斯和中國留美學者俞洪波等人組成的研究小組完成，成果發表在近日的《科學》雜誌上。本報記者專訪了俞洪波。他詳細講解了此項研究的全過程。
研究途徑 進入「腦的叢林」
如果你是美劇《豪斯醫生》的粉絲，那你一定不會對「fmri」感到陌生。它就是「腦功能核磁共振」。它一直是科學家探索大腦功能的工具。它讓研究者直接進入「腦的叢林」。
乙個腦包含數千億個神經元，還有更多的膠質細胞填充其間。「可以想象，如果我們能身臨其境，處身於興奮的腦中，那將會是電光閃爍，此起彼伏，密 如織網。」俞洪波解釋說現代腦成像技術讓我們實現了這一夢想。研究人員如孫悟空一樣縮小身形，進入鐵扇公主的顱腔，置身於腦細胞的叢林中，觀察這些細胞。 「了解了每個神經元的電活動就能破解腦的秘密。」
可是fmri也有缺點。它的訊號**是模糊的，多年來科研人員不知道腦的活動是如何引起fmri訊號的，因此對fmri結果的解釋也是格外小 心；同時fmri檢測非常粗放，它的空間解析度在公釐級別，而在1公釐見方的腦皮層內，有幾十萬神經元，人們無從得知具體的單個神經元的資訊。記錄單個神 經元的電活動，傳統辦法是在腦中插入及其細小的電極，可是一根電極最多只能記錄幾個細胞，工作起來如同大海撈針。
2023年，俞洪波所在的麻省理工學院建立的新系統解決了這個問題。「開始是用於形態學研究的，2023年我和同事將它應用於活體動物雪貂的長期形態學研究並取得成功。」
這一系統的核心是雙光子雷射成像。「解析度可以小於一微公尺，比頭髮直徑小百倍。」研究人員用多種螢光染料標記大腦，如果螢光分子遍布細胞全體， 研究人員就可以看到動物腦內細胞的全態。如果染料是與腦活動相關的，比如說神經元產生動作電位後，細胞內的鈣離子濃度會大幅公升高，採用特殊的鈣離子染料， 鈣濃度增加，螢光就增強；鈣濃度降低，螢光就減弱，這樣就可以檢測細胞的反應強度。
結論延伸 解開腦功能成像之謎
星型膠質細胞的功能區和神經元的完全匹配，這樣的精確有何意義？mit教授聊起了以前的乙個猜想，膠質細胞可能與血流相關。
研究人員立即聯想到在實驗中所觀察到的乙個有趣現象：星型膠質細胞只在乙個非常特定的麻醉水平以下才反應，而這個水平與我們多年來在進行血流相關的腦功能成像中總結出的「魔術閾值」完全一致。「星型膠質細胞反應時，腦功能成像的血流訊號也強烈，反之亦然。」
此後，研究人員又通過實驗證實了這一猜想：神經元精準的功能區與星型膠質細胞的功能區匹配，由星型膠質細胞來控制區域性血管的擴張，以精準控制局 部血流的變化，從而為包括fmri在內的腦功能成像提供訊號**。即使神經元反應正常，只要星型膠質細胞不反應，腦功能成像訊號幾乎完全消失。
俞洪波解釋說，腦功能成像研究開始之初就有很多未解決的問題，人們知道腦血流和功能相關，可不知道具體是如何實現的。比如腦的功能反應增強一 倍，腦血流是否也線性增強，這涉及到對成像研究的基本解釋。過去多年來有很多解釋，可矛盾重重。而星型膠質細胞的發現，則解開了腦功能成像的秘密，此時距 離在腦功能成像被廣泛應用已經十多年。
異常現象 膠質細胞總是「慢一拍」
2023年，俞洪波和同事舒默爾斯開始進行鈣離子成像實驗。他們以雪貂為實驗物件，用鈣離子螢光染料標記了雪貂特定腦區中所有的細胞。「成百上千個細胞猶如天上的星星，閃耀，此起彼伏。」
當研究人員給實驗動物看反覆變化的圖形時，細胞群的閃耀模式也隨之變化：一會兒如同轉動的風車，一會兒則是忽閃而過的薄雲。看到這樣的情景，研究人員很興奮。但進一步仔細觀察後，卻發現有一些閃爍明顯「慢一拍」。「這是以前沒見到的。」
起初研究人員認為它們可能是一類獨特的神經元。俞洪波解釋說，人腦中有1000億個神經元，它們構成了極其複雜的神經網路，對各種神經資訊進行 處理，是感覺、運動、學習、記憶、思維、創造等各種大腦功能的承擔者。神經膠質細胞的數量是神經元的10倍，但長期以來一直被認為僅限於在神經元之間充當 填充物，同時為神經元提供營養。
為了給這些慢一拍的細胞驗明身份，研究人員在下一次實驗中加入了另一種染料以標記星型膠質細胞，以便將它們從錄影中剔除，只留下研究物件神經元，更好地進行觀察。
「我們錯了！」當天深夜，他們發現，這些「慢一拍」的都是星型膠質細胞。第二次，第三次，研究人員變換各種指標，結論還是一樣。星型膠質細胞一直在進行反應。
發現「慢一拍」的星型膠質細胞後，研究人員對星型膠質細胞進行了測試，以比對原先被認為是神經元特有的一系列特性。實驗結果表明，這些特性星型膠質細胞也都有，甚至更強烈。「如神經元一樣，具有相同特性的星型膠質聚集在一起，形成非常嚴格的功能區。」
他們得出結論，星型膠質細胞的功能區和神經元的完全匹配，即使在完全不同功能區的邊界，也分毫不差。
特殊意義 重新認識神經疾病
這一發現在《科學》上發表後，引起了廣泛關注。乙個醫學研究的新方向也許就此開啟。《科學美國人》指出：「當星型膠質細胞反應異常時，它們將可能引發一系列神經疾病」。
在膠質細胞的研究中，我國科學家走在了世界的前列。中科院腦科學研究所的段樹民院士2023年發表在《科學》雜誌上的**表明了另一類膠質細胞 ———ng2膠質細胞具有學習記憶相關的反應特性，轟動了當時的學術界。「雖然我們的研究基本理念相通，我們對膠質細胞的功能要重新評估。」俞洪波強調。
比如以前對腦功能基本的研究多集中於神經元的異常，比如癲癇症就被認為是神經元的過度興奮而造成的大片腦區反應異常。但是當星型膠質細胞的新功能被發現後，這一看法就可能有了新的視角：它們是否和膠質細胞異常相關？
俞洪波指出，在有的老年痴呆症模型中已經發現，病患的功能性血流變化非常微弱，可是神經元反應的異化並不明顯。這強烈地提示星型膠質細胞可能參與其中。
由此，相應的**手段就會聚焦於膠質細胞上。同樣以前的研究表明癲癇病人的膠質細胞形態上不同於常人，而從俞洪波等科研人員的結果出發很可能意味著血流控制的異常，反過來將造成腦區大範圍的失常。
研究人員還發現星型膠質細胞也可以改變神經元之間的聯絡效率；它們失效時，乙個小的刺激就會引發長時間的異常反應。而這些特性為現有的神經疾病 研究提供了另外乙個研究途徑，在幾乎所有領域，研究者們都可以再做一次評估，它們是否和膠質細胞相關？能否制定基於膠質細胞的**方案？
本版採寫/本報記者 李健亞
本版由麻省理工學院sur實驗室
俞洪波與舒默爾斯博士提供
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