星形胶质细胞是神经系统的重要组成部分，它们在神经网络的维持和保护中起着至关重要的作用，它们具有复杂多样的功能。 星形胶质细胞是否参与电信号传导是一个长期存在的问题，以前的体外实验给出了相互矛盾的结果。 最近发表在《自然》杂志上的一项研究首次证实了星形胶质细胞的特定亚群的存在，该亚群能够通过胞吐作用释放谷氨酸，从而参与神经系统中的电信号传导。
作者 |Veronica（清华大学医学院）。
神经系统由两种主要类型的细胞组成：神经元和神经胶质细胞（神经胶质细胞）。 长期以来，人们普遍认为神经元负责神经系统的功能活动，而神经胶质细胞则被视为“背景细胞”，仅对神经元起到支持、营养和保护等辅助作用。 然而，随着研究的进展，这种观点受到了挑战——神经胶质细胞的作用远不止于此。
2023 年 9 月，发表在《自然》杂志上的一篇文章首次证实，有一个特定的星形胶质细胞亚群能够通过胞吐作用释放谷氨酸来参与神经系统的电信号传导。 这一发现颠覆了传统认知，揭示了星形胶质细胞在神经系统中具有重要的生理作用，也为复杂神经系统疾病的发展开辟了新的思路。
星形胶质细胞：数量最多、最复杂的神经胶质细胞。
1856 年，德国病理学家 Rudolf Virchow（1821-1902 年）首次将神经胶质细胞描述为大脑和脊髓内将神经元连接在一起的结缔组织。 神经胶质细胞一词源自希腊语中的胶水，这也反映了科学家对神经胶质细胞功能的原始理解——将神经元“粘合”在一起并将它们编织成一个紧密的神经网络。 在人类中枢神经系统中，神经胶质细胞的数量是神经元的 10 50 倍，高达 1 5x10 12 [2]。 与神经元类似，神经胶质细胞表面有突起，但不是树突和轴突，它们不能相互形成化学突触，而是通过间隙连接连接。 如果将神经元及其突起比作森林，那么神经胶质细胞就是森林中的真菌，缠绕在树干上并交织成网。
事实上，神经胶质细胞不是一种单一类型的细胞，而是包括多种细胞类型。 在中枢神经系统中，神经胶质细胞主要包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。 在周围神经系统中，它主要包括雪旺细胞和卫星细胞。
图1中枢神经系统的荧光显微镜检查。 在图中，神经元（蓝色）被大量的神经胶质细胞包围，包括星形胶质细胞（红色）和少突胶质细胞（绿色）。图片来源：Jonathan Cohen Nih
我们今天的主角是星形胶质细胞。 星形胶质细胞是中枢神经系统中数量最多、功能最复杂的神经胶质细胞，是维持神经系统稳态不可缺少的成分，可以说是神经胶质细胞的“明星”。
1871年，意大利神经解剖学家和病理学家卡米洛·高尔基（Camillo Golgi，1843-1926，著名的高尔基体的发现者）发明了著名的铬酸盐-硝酸银染色技术[3]，该技术通过显微镜观察星形胶质细胞的形态，并将其分为原生质和纤维两种基本亚型。 在传统观点中，前者主要分布于灰质中，突起短而粗，分支众多; 后者主要存在于白质中，有长而直的突起，分支很少。 然而，这种分类方法大大低估了星形胶质细胞的异质性。 事实上，在大脑的不同区域和不同的皮质层中，星形胶质细胞在转录和功能水平上存在高度的异质性。 然而，对于这种异质性是如何发展的，没有决定性的陪审团。
在不同的物种中，星形胶质细胞约占中枢神经系统的20-50%[4]。 大量的星形胶质细胞与神经元紧密相邻并粘在一起，它们的长突起在大脑和脊髓中交织在一起，形成支撑神经元的支架。 星形胶质细胞的突出末端扩大，形成血管周围基点并参与血脑屏障 （BBB） 的形成。 这些突起包裹着神经元的神经末梢，同时避免了不同传入纤维的干扰，并在隔离中枢神经系统内的各个区域方面发挥作用。
除了这些基本功能外，科学家们还发现星形胶质细胞具有更复杂的功能。 例如，星形胶质细胞能够吸收神经元释放的递质谷氨酸和氨基丁酸（GABA），并将它们转化为谷氨酰胺。 这些神经递质可以激活神经元表面的受体，激发神经元，使电信号在相邻神经元之间传输。 然而，谷氨酰胺不能激活受体，避免神经元的持续兴奋，也可以被运回神经元进行循环利用，为神经元合成新的递质提供原料。
人脑约占人体总重量的 2%，但消耗了人体 20% 的葡萄糖，其中神经元对能量和持续葡萄糖的需求最高**。 星形胶质细胞可以从血液中吸收葡萄糖并将其转化为糖原储存，或转化为乳糖来为活跃的神经元提供动力。 这种代谢过程与星形胶质细胞-神经元抗氧化交换系统密切相关，有助于缓解神经元的氧化应激损伤。 此外，星形胶质细胞还可以产生多种神经营养因子，这些因子在神经元的生长、发育、存活和功能完整性中起着重要作用。
在发育过程中，星形胶质细胞在引导神经元迁移和突触修剪、调节突触形成和功能方面发挥作用。 它们本身也可以作为中枢神经系统中的抗原呈递细胞，将抗原呈递给 T 淋巴细胞并发挥免疫反应。
与神经元不同，神经胶质细胞具有在其一生中增殖的能力。 当大脑和脊髓受损和退化时，它们主要依靠星形胶质细胞的增殖来填充组织缺损。 然而，增生可能导致神经胶质细胞肿瘤的形成，也可能成为癫痫发作的焦点。 研究表明，体外神经胶质细胞分化为神经元是可以实现的，这为多种神经退行性疾病的发展提供了希望[5]。 然而，一些学者持相反的观点，认为神经胶质神经元转化尚不可能。 他们使用谱系追踪技术来确认神经胶质细胞没有转化为神经元，但一些内源性神经元被错误标记[6]。
图2星形胶质细胞的荧光显微镜资料来源：D**ID Robertson，LCR 科学图片库
争论：星形胶质细胞可以参与电信号吗？
从上面的介绍可以看出，星形胶质细胞功能的研究是重要的前沿课题之一，还有很多未知数有待探索。 其中一个问题已经存在了几十年：星形胶质细胞是否参与神经系统中的电信号传导。
电信号是神经系统正常运作的基础，对于维持生命活动、适应环境变化和实现生物体的复杂功能至关重要。 电信号异常可导致多种疾病，包括神经退行性疾病、癫痫和疼痛障碍。 在过去的理解中，神经元是神经系统中唯一具有电信号功能的细胞。 一些学者认为星形胶质细胞可能参与电信号传导，但始终缺乏确凿的证据。
1990年，美国耶鲁大学医学院的一个研究小组发现[7]，谷氨酸在体外培养条件下可以诱导海马星形胶质细胞中游离钙离子水平的增加。 该研究证实了星形胶质细胞表面存在谷氨酸受体，表明它们可能参与神经电信号传导。
1994年，美国爱荷华州立大学动物学与遗传学学院的一个研究团队构建了星形胶质细胞和神经元的体外共培养系统[8]，发现缓激肽的加入增加了星形胶质细胞中钙离子的浓度，进而诱导谷氨酸释放。 释放的谷氨酸通过与神经元表面的谷氨酸受体结合来触发神经元中钙离子浓度的增加。 在没有星形胶质细胞的分离神经元培养系统中，缓激肽的添加不会引起神经元内钙离子浓度的变化。 这表明星形胶质细胞可以通过在体外培养条件下释放谷氨酸将电信号传递给神经元。
1997年，来自意大利米兰大学药理学研究所的Andrea Volterra团队发现了相反的情况[9]，即星形胶质细胞对来自神经元的电信号做出反应。 他们使用荧光共聚焦显微镜观察大鼠脑切片，发现神经元传入纤维的刺激引起星形胶质细胞中钙浓度的波动（振荡），钙浓度波动的频率与神经纤维接受的刺激模式有关。
图3“三重突触”理论示意图。 突触前神经元：突触前神经元; 突触后神经元：突触后神经元; 星形胶质细胞：星形胶质细胞; Ca2+：钙离子浓度; NT（神经递质）：神经元释放的神经递质; GT（胶质递质）：神经胶质细胞释放的神经递质资料来源：参考文献[10]。
一般理论认为，神经元之间信号的传递过程是突触前神经元释放神经递质，激活突触后神经元表面的受体，引发细胞内钙离子浓度的波动，从而刺激突触后神经元。 在发现星形胶质细胞可能参与电信号传导后，“三方突触”理论被提出[10]。 从理论上讲，突触电信号的整合和传导不仅涉及突触前和突触后末端，还涉及相邻的突触周围星形胶质细胞。
2000 年至 2012 年间，该领域发表了 100 多篇出版物**，支持星形胶质细胞参与通过突触传递神经电信号。 然而，也有反对的声音，质疑数据收集和解释的合理性。 相反的论点是，大多数实验都是在体外培养的星形胶质细胞中进行的，不能证明星形胶质细胞释放神经递质的过程实际上发生在体内。
在体内实验中，最有力的证据来自转基因小鼠模型，其中星形胶质细胞的囊泡释放受到抑制。 然而，在2014年，一种广泛用于星形胶质细胞研究的小鼠模型被发现存在缺陷[11]，导致人们对使用该小鼠模型的所有研究的可靠性产生怀疑。 在该小鼠模型中，神经胶质纤维酸性蛋白 （GFAP） 启动子用于在囊泡运输和释放过程中敲除关键蛋白 （SNARE），从而抑制递质释放。 先前的研究表明，GFAP仅在星形胶质细胞中特异性表达，但后来发现一些神经元也可以表达GFAP。 因此，该小鼠模型中存在“脱靶效应”。 SNARE敲除后观察到的生物学效应并不能证明星形胶质细胞递质释放过程存在于体内并具有生理功能，因为这种效应可能与某些神经元中递质释放的抑制有关。
如上所述，关于星形胶质细胞的功能，大多数学者都认为星形胶质细胞可以吸收神经元释放的谷氨酸，从而消除神经递质对神经元的持续影响。 然而，需要更直接的证据来证实星形胶质细胞是否可以通过释放谷氨酸参与神经元电信号的传导。
《自然》杂志的最新研究证实，星形胶质细胞参与神经电信号传导。
自 1997 年发现神经元可以将电信号传递到星形胶质细胞以来，Andrea Volterra 的团队一直致力于星形胶质细胞-神经元信号传导，并为该领域做出了杰出贡献。 2023 年 9 月，《自然》杂志发表了 Volterra 团队** [12] 的一项研究，题为“Specialized Astrocytes Mediate Glutamatergic Gliotransmission in the CNS”，为星形胶质细胞参与神经电信号传导提供了强有力的证据。
图4Volterra 团队的最新研究**。 资料来源：参考文献[12]。
通过对8个小鼠海马单细胞的单细胞RNA测序数据和小鼠海马的贴片测序数据进行综合分析，研究人员将小鼠海马星形胶质细胞分为9个具有不同分子特征的亚群。结果发现，只有一个亚群选择性表达和胞吐作用（细胞内囊泡与细胞膜融合，将囊泡中的物质运输到细胞外部的过程，这是神经递质释放的重要机制）、钙离子调节的胞吐作用和调节神经递质分泌分泌）和谷氨酸分泌的调节。这表明星形胶质细胞的这一子集理论上能够参与电信号传导。 星形胶质细胞的这一亚群在小鼠大脑区域分布不均匀，即使在特定的神经回路中也是如此。
为了验证人脑中星形胶质细胞子集的存在，研究人员搜索了他们在三个人类海马单细胞转录组测序开源数据中发现的特定分子标记。 结果证实，人类海马体中也存在一个能够释放谷氨酸的星形胶质细胞子集。
图5体外实验示意图。 在将病毒注射到小鼠脑切片中六到八周后，研究人员使用双光子共聚焦显微镜拍摄星形胶质细胞的图像资料来源：参考文献[12]。
单细胞转录组测序结果令人信服，但仍然只是间接的。 为了直接确认特定的星形胶质细胞能够释放谷氨酸，Volterra的团队使用双光子共聚焦显微镜观察小鼠大脑齿状回背侧分子层（该区域的数据**谷氨酸分泌星形胶质细胞）中的递质释放。 对在小鼠星形胶质细胞中选择性表达的谷氨酸受体进行成像，并将突触释放阻滞剂添加到实验系统中以排除对神经元递质释放的干扰。 为了模拟G蛋白偶联受体（GPCRs）介导的钙离子在体内的浓度依赖性释放，研究团队在实验小鼠的星形胶质细胞中表达了一种由氯氮平n-氧化物（CNO）激活的GPCR受体。 在小鼠脑切片中局部添加CNO后，他们观察到星形胶质细胞亚群中谷氨酸递质的释放，并发现该星形胶质细胞亚群聚集在一个特定区域，称为谷氨酸释放“热点”区域。 通过将病毒载体注射到小鼠脑切片中，研究人员特异性敲除了小鼠星形胶质细胞中的囊泡谷氨酸转运蛋白1（VGLUT1）。 结果发现，在VGLUT1敲除后，在“热点”区域无法观察到CNO诱导的谷氨酸递质递质释放，这表明星形胶质细胞递质的释放是由胞吐作用介导的。
图6体内实验示意图。 双光子：双光子共聚焦显微镜; 头杆：用于固定鼠标头部的杆子; 颅窗：颅窗，用于注射毒品; 药品：实验性药物资料来源：参考文献[12]。
为了确认星形胶质细胞递质释放的过程可以在体内发生，研究人员打开了小鼠的头骨，并使用双光子共聚焦显微镜观察了清醒小鼠初级视觉皮层中的谷氨酸释放。 在没有药物刺激的情况下，他们记录了内源性星形胶质细胞谷氨酸释放信号，称星形胶质细胞能够在自然状态下感知细胞外空间中谷氨酸浓度的波动。 在CNO的刺激下，星形胶质细胞谷氨酸释放频率显著增加。
此外，研究人员还进行了功能实验，以证明VGLUT1依赖性星形胶质细胞递质释放对急性癫痫发作具有保护作用; VGLUT2依赖性星形胶质细胞信号通路具有调节纹状体基质回路的功能，这是帕金森病的潜在靶点。
Volterra团队通过单细胞测序技术发现了星形胶质细胞可以释放谷氨酸的分子特征，通过体内和体外实验直接观察了星形胶质细胞递质细胞释放的过程，并通过功能实验证明了星形胶质细胞递质释放在神经系统疾病中的潜在保护作用。 星形胶质细胞的电传导功能领域终于迎来了最终的证据。 同时，这些发现为过去三十年相互矛盾的研究提供了解释。 由于只有特定亚群的星形胶质细胞能够释放谷氨酸，因此以前的研究得出结论，谷氨酸释放与星形胶质细胞物质密切相关：如果研究者使用的星形胶质细胞不属于该特定亚群，则无法观察到谷氨酸释放。
图7沃尔泰拉的近照。 自从Volterra首次发现体外培养的星形胶质细胞可以对神经元电信号做出反应以来，已经过去了25年。 这一次，他带来了新的重磅证据资料来源：Andrea Voltera
在接受采访时，沃尔泰拉说：“我们是对的，有星形胶质细胞释放谷氨酸。 但我们也错了，因为我们认为所有的星形胶质细胞都会释放谷氨酸。 [13] 英国伦敦大学学院神经科学教授迪米特里·鲁萨科夫（Dimitri Rusakov）评论说：“几乎可以肯定的是，这些发现颠覆了目前对大脑信号传导如何进行的理解，但究竟如何颠覆它仍然是一个悬而未决的问题。 ”
好的研究会带来更多的问题。
确认星形胶质细胞可以释放谷氨酸递质只是第一步，未来还有很多问题有待解答。 星形胶质细胞释放的谷氨酸递质对突触有什么影响？ 哪些大脑功能需要星形胶质细胞的参与？ 为什么大脑中只有某些区域富含谷氨酸能星形胶质细胞？
当然，还有一些技术问题需要回答——如何更好地标记星形胶质细胞。 理想的星形胶质细胞标志物（分子）应该是稳定的，专门针对该类型的细胞进行标记，并在每个细胞中以相似的水平表达。 现有的标志物有其自身的缺点，例如GFAP（一种参与细胞骨架组装的蛋白质），它们可能因细胞而异，并且在疾病或损伤方面可能有很大差异。 然而，ALDH1L1（一种代谢酶）的表达水平相对稳定但很低，很难通过免疫荧光免疫组化检测，ALDH1L1（一种代谢酶）的表达水平在肝细胞中也很高。 缺乏完美的细胞特异性标记给星形胶质细胞的研究带来了很大的障碍。
一项伟大的科学研究不仅可以回答问题，还可以提出无数的新问题。 星形胶质细胞的绝对数量提供了无限的可能性，吸引了许多科学家。 正如卢萨科夫所说，“我们已经积累了很多证据，我们现在需要的是一种能够将它们结合在一起的理论。 ”
引用。 1] virchow, r. (1856). gesammelte abhandlungen zur wissenschaftlichen medizin. meidinger sohn & co.
[2]吴江等. 神经病学，人民医学出版社，第 3 版，2015 年 6 月。
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