紅色）和未成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞（綠色）與大腦的海馬神經(jīng)元（藍(lán)色）相互交織

近日，Nature刊登了NIH神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和可塑性部主任R. Douglas Fields的評論文章Neuroscience: Map the other brain。該文章重點指出，美國的大腦圖譜計劃可能過分強調(diào)神經(jīng)元的描述，忽視大腦內(nèi)膠質(zhì)細(xì)胞重要作用，這或許導(dǎo)致該計劃*終難以產(chǎn)生預(yù)期的效益。

大腦研究計劃是美國總統(tǒng)奧巴馬在今年4月宣布啟動的，其目的是進行人類和實驗動物大腦精細(xì)圖譜和神經(jīng)連接功能的分析。但是自該計劃被提出后，許多學(xué)者提出了自己的疑慮，因為繪制腦圖要比人類基因組計劃的復(fù)雜程度高得多，而且該計劃所具有實用性也不夠確定。

Douglas認(rèn)為探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并開發(fā)相應(yīng)的研究技術(shù)具有重要的意義，應(yīng)當(dāng)大力支持。但簡單對神經(jīng)連接并不能從實質(zhì)上解決該計劃承諾解決的問題，例如理解感知、意識、記憶的機理，以及開發(fā)出治療癲癇、抑郁癥和精神分裂癥的方法。

可能導(dǎo)致該計劃失敗的一個巨大的絆腳石就是研究計劃設(shè)定時沒有考慮到除1000億神經(jīng)細(xì)胞外的更多不直接參與電活動的神經(jīng)膠質(zhì)。這些神經(jīng)膠質(zhì)分布在神經(jīng)連接體周圍，一般記錄神經(jīng)細(xì)胞電活動的手段很難對這些細(xì)胞活動進行有效記錄。這類細(xì)胞自從19世紀(jì)中葉被視為結(jié)締組織而發(fā)現(xiàn)后，在人類嘗試?yán)斫馍窠?jīng)信號傳遞的過程中，它們的功能一直被忽視。

許多研究發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)細(xì)胞可以感受到神經(jīng)電活動并對神經(jīng)電活動產(chǎn)生影響，并參與調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)記憶等各種重要的神經(jīng)系統(tǒng)功能。在腦損傷和疾病中，膠質(zhì)細(xì)胞甚至起到核心作用，例如精神分裂癥和老年性癡呆，而在過去，傳統(tǒng)認(rèn)為這些疾病源于神經(jīng)細(xì)胞的功能衰退。而“膠質(zhì)細(xì)胞（Glia）”這個詞在奧巴馬的腦研究計劃公告中根本沒有出現(xiàn)，在2012年和2013年重要期刊上發(fā)表的白皮書中也沒有蹤影。這意味著神經(jīng)科學(xué)家需要拓展研究思路，加深對研究舉措的思考。

神經(jīng)膠質(zhì)的巨大作用

大腦內(nèi)主要含有三種類型的膠質(zhì)細(xì)胞，包括少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞。這些細(xì)胞的作用是通過化學(xué)遞質(zhì)、縫隙連接、離子通道與神經(jīng)細(xì)胞進行離子和小分子的相互傳遞。

少突膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成包圍在神經(jīng)軸突周圍的神經(jīng)髓鞘，髓鞘的絕緣作用可以極大地加快神經(jīng)電活動傳遞速度，是神經(jīng)正常發(fā)揮其功能的重要保障。

早在幾十年前，生物學(xué)家們就已經(jīng)認(rèn)識了小膠質(zhì)細(xì)胞。它是大腦的免疫細(xì)胞，對大腦的感染創(chuàng)傷產(chǎn)生反應(yīng)，可清除因疾病導(dǎo)致的受傷組織，也可釋放一些可促進神經(jīng)修復(fù)的物質(zhì)。但是，去年的一項動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞對正常視覺神經(jīng)突觸的發(fā)育和功能重建也發(fā)揮著重要的作用，但取決于動物出生不久時的視覺經(jīng)歷。

此外，多項研究已表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過影響細(xì)胞外鉀離子濃度調(diào)節(jié)神經(jīng)電活動傳遞，也可以對局部血流量、神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)傳遞和細(xì)胞間的體積產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。這些功能都可以影響神經(jīng)系統(tǒng)的通訊和可塑性。

在今年2月在弗吉尼亞州阿靈頓舉行的關(guān)于膠質(zhì)細(xì)胞生物學(xué)研討會上，神經(jīng)元可塑性和計算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的專家聚集在一起，經(jīng)過討論，大部分學(xué)者一致認(rèn)為和神經(jīng)電活動的快速反應(yīng)不同，膠質(zhì)細(xì)胞由于其復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)及化學(xué)信號（相對于電信號）的變化相對緩慢，而這種相對緩慢的變化可能恰恰是許多重要神經(jīng)系統(tǒng)功能如學(xué)習(xí)記憶等所必須的，而這一過程通常需要幾小時、幾天甚至幾周，而不是幾毫秒或幾秒。

一些開創(chuàng)性的研究甚至能夠瞥見膠質(zhì)細(xì)胞可塑性和信息處理機制。舉例來說，已有研究小組在致力于體外環(huán)境條件下，軸突的脈沖流量通過神經(jīng)膠質(zhì)控制其髓鞘形成的相關(guān)研究。因為髓鞘能夠決定電氣信號通過軸突時的速度，因此這就決定了在同一時間一個神經(jīng)元可以輸入的信息量，這一過程就是學(xué)習(xí)和神經(jīng)元可塑性的基礎(chǔ)。當(dāng)人們在電腦游戲中學(xué)習(xí)到新的技能時，他們的大腦會發(fā)生相應(yīng)的變化。

科學(xué)家表示他們才剛剛開始了解星形膠質(zhì)細(xì)胞的多樣性、連通性和功能性。一些研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞具有加強大腦信息處理高階組織的解剖和生理特性。在灰質(zhì)的大腦皮質(zhì)和海馬，星形膠質(zhì)的組織沒有重疊。這樣的組織形式的生理學(xué)意義目前仍然是未知的，但一個人的星形膠質(zhì)可以涵蓋并影響兩萬個突觸。其實，人的星形膠質(zhì)細(xì)胞明顯不同于其他動物。在一系列的測試中，用人類星形膠質(zhì)細(xì)胞取代老鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞，老鼠具有了更強的學(xué)習(xí)能力。

神經(jīng)科學(xué)家們已經(jīng)知道神經(jīng)膠質(zhì)會導(dǎo)致某些疾病。大腦內(nèi)幾乎所有的癌變都起源于神經(jīng)膠質(zhì)；多發(fā)性硬化的關(guān)鍵問題就是少突膠質(zhì)細(xì)胞受損；HIV相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，愛滋病病毒可感染星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，而不感染神經(jīng)細(xì)胞；許多神經(jīng)性疾病，現(xiàn)在也涉及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，如自閉癥、運動神經(jīng)元側(cè)索硬化癥、早老性癡呆、慢性疼都和膠質(zhì)細(xì)胞關(guān)系十分密切；另外這同樣適用于其它各種發(fā)育和精神疾病如精神分裂癥、抑郁癥和強迫癥。

神經(jīng)膠質(zhì)不可忽略

測繪和監(jiān)測整個人類大腦皮層所需要的資金支持可以與人類基因組計劃相媲美：38億美元。如果公眾不能理解這項研究的好處或者成本不現(xiàn)實，他們是不會支持這樣一個需要重大資金支出的科研項目。通過1993年美國國會取消了數(shù)十億美元的建立超導(dǎo)對撞機項目就可以看得出來。

很少有人認(rèn)為我們有必要了解人類大腦。大腦是人體的不解之謎，智障、腦腫瘤、脊髓損傷、老年癡呆癥和精神疾病幾乎存在于每個人的周圍。但目前看來，大腦研究計劃有失敗的風(fēng)險——無論是科學(xué)還是公眾支持方面。

今年6月在紐約舉行的世界科學(xué)節(jié)，一位與會者堅持認(rèn)為，神經(jīng)膠質(zhì)的相關(guān)信息將是神經(jīng)元映射和跟蹤記錄神經(jīng)元連接技術(shù)開發(fā)的副產(chǎn)品。利用新的方法如電壓敏感染料或納米顆粒來監(jiān)測神經(jīng)元的電信號，對于了解不使用電脈沖的神經(jīng)元不會有多大的用處。正是這種觀點使得人們一直以來對于神經(jīng)膠質(zhì)都不甚了解。

此外，研究項目將神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞排除在外更凸顯了一個常規(guī)性的問題：多次測量足夠數(shù)量的神經(jīng)元才能揭開神經(jīng)元產(chǎn)生的“意外”的神秘面紗并治愈疾病，而不是簡單地“每次測量一個神經(jīng)元”。更好的理解和新的治療方法需要正確假說的導(dǎo)向。

在腦映射過程中，要務(wù)是調(diào)查未知的領(lǐng)域。我們所了解的只是大腦奧秘的一半，大腦研究計劃很可能擴展到這一陌生領(lǐng)域。“大腦”探索必須與神經(jīng)膠質(zhì)一起研究，而不能把神經(jīng)膠質(zhì)研究當(dāng)做是一種副產(chǎn)品。

原創(chuàng)作者：上海信帆生物科技有限公司