江西
- 大家好，我是小銳，今天這篇科普文章將帶你深入探索大腦中一位低調卻至關重要的“幕后英雄”——星形膠質細胞。
- 我們常常聽說神經元是大腦運作的主角，但鮮有人知的是，另一類細胞正悄然掌控著睡眠節律與記憶鞏固的核心機制。
- 這些外形酷似星辰的細胞，在沉寂百年之后強勢崛起，它們究竟蘊藏怎樣的潛能？又將為人類健康打開哪些全新的突破口？
- 被低估百年的“大腦配角”
- 長期以來，神經科學領域幾乎全部聚焦于神經元，普遍認為它是唯一承擔信息處理任務的關鍵單元，而包括星形膠質細胞在內的膠質細胞群體，則被視為僅起輔助作用的“填充物”。
- 這種觀念根深蒂固地主導了整整一個世紀，直到2010年代初，以色列耶路撒冷希伯來大學的記憶研究學者茵巴爾·戈申勇敢提出挑戰。
- 彼時她在國際學術會議上發言猶如孤星獨語，不少同行私下議論她的研究方向“不過是徒勞嘗試”，但她憑借先進的分子成像技術捕捉到了星形膠質細胞活躍參與學習過程的證據，揭示其在記憶形成中的深層角色。
- 如今這一觀點已被廣泛接納，加州拉霍亞索爾克研究所的尼古拉·艾倫長期致力于膠質細胞功能解析，她指出當前相關主題的研討會場場座無虛席，曾經冷門的研究方向已躍升為核心前沿。
- 早在十九世紀末期，科學家通過顯微觀察便發現大腦內神經元與膠質細胞的數量比例接近一比一，然而二十世紀膜片鉗技術的發展使神經元電信號研究突飛猛進，導致缺乏快速放電能力的星形膠質細胞被長期邊緣化。
- 受限于當時的技術手段，無法檢測鈣波動等非電性活動的它們，自然被認為“生理功能遲緩”，從而錯失數十年關注。
- 調控睡眠與記憶的“長曝光相機”
- 近年來，星形膠質細胞最令人振奮的突破在于它對晝夜節律維持和記憶編碼兩大謎題的破解。
- 人體主生物鐘位于視交叉上核，依賴抑制性遞質GABA實現周期調控，可一個持續施加抑制作用的系統如何產生自主振蕩，這個問題困擾學界多年。
- 十年前，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的馬可·布蘭卡喬利用高靈敏度谷氨酸探針在小鼠腦切片中觀測到夜間谷氨酸濃度出現規律性高峰，且其節律與GABA同步，進一步溯源發現這些谷氨酸正是由星形膠質細胞釋放。
- 后續實驗證明，這類細胞通過白天吸收、夜間停止攝取GABA的方式，為生物鐘提供了關鍵的負反饋調節路徑。在記憶層面，它們的功能更像一臺“長曝光相機”。
- 日本理化學研究所的永井淳教授解釋道，星形膠質細胞的信息傳遞耗時可達數小時乃至數日，遠慢于神經元毫秒級響應，但這種緩慢特性反而有利于捕捉并保留短暫易逝的經驗痕跡。戈申團隊記錄到，當小鼠學會定位水源獎勵后，接近目標區域時其星形膠質細胞內的鈣離子活性逐步攀升。
- 而在陌生環境中則未見類似反應，表明這類細胞具備空間記憶編碼能力。美日聯合最新研究成果也證實，它們在鞏固與提取恐懼記憶方面發揮穩定作用。
- 百萬突觸連接的“超級網絡”
- 之所以能執行如此復雜的調控任務，離不開星形膠質細胞獨特的三維結構特征。普通光學顯微鏡下它們呈現典型的星芒狀形態。
- 但借助超分辨成像技術可觀察到，除了中心胞體外，它們還延伸出大量寬度僅為幾十納米的精細小葉結構，這些分支如同密集球冠，精準嵌入神經元之間的縫隙之中，并與其他同類細胞互不交疊。
- 據估算，人腦單個星形膠質細胞最多可接觸多達兩百萬個突觸連接點，不同腦區還存在特異化的亞型分布，使其能夠全域監控并調節局部微環境。支撐這一龐大網絡運行的核心機制是鈣信號傳導系統。
- 盡管不具備神經元式的動作電位，它們卻能依靠細胞內鈣離子濃度的動態變化進行信息傳遞，同時對外界刺激如神經遞質溢出做出響應。
- 雖然鈣信號傳播速度較慢，但影響范圍極廣，可觸發多種信號分子、離子及營養物質的釋放，進而調控鄰近神經元、其他膠質細胞以及毛細血管的行為模式。
- 加州大學洛杉磯分校的巴爾吉特·哈克強調：“結構決定功能?！彼膶嶒炇彝ㄟ^對特定鈣通道基因進行編輯，成功實現了對星形膠質細胞功能的人為干預，并觀察到動物認知行為的顯著改變。
- 西雅圖艾倫腦科學研究所的曾宏奎補充指出，神經元負責高速傳遞核心指令，而星形膠質細胞則通過對突觸周圍微環境的精細調節，決定神經元是否被激活或沉默，兩者協同共舞，缺一不可。
- 神經疾病的新治療靶點
- 隨著研究不斷深化，科學家逐漸意識到星形膠質細胞可能是攻克多種神經系統疾病的突破口。在精神障礙領域，哈克團隊在小鼠模型中驗證：
- 選擇性激活或阻斷其特定鈣信號通路，可有效緩解強迫性梳理毛發等典型行為癥狀，提示該細胞類型有望成為抑郁癥、焦慮癥等疾病的新型干預靶標。
- 針對亨廷頓病這類神經退行性疾病，研究人員發現患者紋狀體區域的星形膠質細胞中，一組負責維持離子平衡與代謝穩態的關鍵基因表達水平明顯下調；通過基因療法恢復其表達后，小鼠運動協調性和注意力缺陷得到顯著改善，提示早期干預潛力巨大。
- 阿爾茨海默病的研究更是迎來里程碑式進展。倫敦大學學院的巴特·德·斯特魯珀團隊揭示，星形膠質細胞與小膠質細胞會聯手加速病理進程，甚至在淀粉樣蛋白斑塊出現之前就已介入異常網絡活動。
- 疾病初期常伴隨神經元過度興奮現象，與此同時星形膠質細胞的鈣信號活性下降；一旦修復該信號通路，神經元活動回歸正常節奏，小鼠的失眠、晝夜紊亂等前驅癥狀也隨之消失。
- 戈申團隊發布的預印本論文尤為鼓舞人心：在阿爾茨海默病動物模型中，人為增強星形膠質細胞鈣信號后，原本喪失的空間記憶能力完全復原。正如德·斯特魯珀所言，未來的神經療法必須兼顧神經元與膠質細胞雙系統，方能實現真正意義上的治愈。
- 塑造人類智慧的關鍵
- 星形膠質細胞的重要性不僅限于疾病治療，它或許正是人類智力超越其他物種的根本原因之一。英國曼徹斯特大學的阿列克謝·韋爾赫拉茨基團隊對比分析發現：
- 人類星形膠質細胞的形態復雜度遠超猴子與嚙齒類動物，體積至少為大鼠同類細胞的十倍以上，分支數量亦高出十倍，而果蠅中的類似細胞則結構極為簡單。
- 紐約羅切斯特大學醫學中心開展的一項移植實驗更具說服力：將人類星形膠質細胞植入新生小鼠大腦后，這些小鼠在迷宮導航和條件反射測試中的表現顯著優于對照組，直接證明了該細胞類型的進化優勢與高級認知功能密切相關。
- 目前，計算神經科學專家也加入這場探索浪潮。芬蘭坦佩雷大學瑪雅莉娜·林內課題組聯合德國科研團隊，開發出迄今規模最大的星形膠質-神經元混合模擬平臺，可同時建模一百萬個相互作用的細胞單元，為理解大腦整體工作機制提供前所未有的數字工具。
- 從一度被忽視的“背景配角”蛻變為驅動大腦功能的核心引擎，星形膠質細胞用半個世紀的努力完成了華麗轉身。
- 這些靜默運轉的“宇宙星辰”，不僅重塑了我們對腦運作原理的認知框架，更在神經康復、人工智能仿生計算等多個前沿領域開辟全新賽道，未來必將帶來更多顛覆性驚喜。
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