大腦中的後勤部隊?
大腦中不只有主力部隊或前線部隊——神經元，而且還有－－
大腦不只有神經元
當我們談論腦細胞時，通常指的是神經元：那些群居的、精力充沛的「明星細胞」，它們交織在一起組成有著很多分支的複雜網路，而且還使用電信號不停地交換信息。但是，大腦中的神經元只佔大腦所有細胞的一半。剩下的部分，稱為神經膠質細胞或簡稱為神經膠質，卻一直生活在神經元這個「大牌明星」的陰影下。
神經膠質首先被法國生理學家亨利·杜托息在1824年記錄到，儘管杜托息完全不知道這東西是什麼，他只是記錄為軟體動物神經之間的小球。1856年，德國生物學家魯道夫·菲爾紹給這些小球命名為「神經膠質」，並把它們的作用描述為類似於包裝盒內的填充物一樣，用來固定神經元的。在接下來的幾十年里，科學家發現神經膠質實際上是由細胞構成的，並與神經元和血管一起構成一種複雜的網路結構。但是，科學家仍然認為神經膠質是不重要的東西，只是一種填充物而已。
直到20世紀初期，人們對神經膠質的認識才開始轉變。許多神經科學家開始推測，神經膠質有著更多的功能：或許神經膠在餵養神經元，或幫助神經元溝通，或修復受損的神經元。從20世紀60年代開始，藉助於一系列新發明的實驗設備，科學家終於把神經膠質帶到了聚光燈下，發現它們是一種很活躍的、多才多藝的腦細胞，是神經元不可或缺的合作夥伴。下面，我們就來談談最近所發現的神經膠質具有的一些功能。
搬運神經元和線路維護
神經元並不總是駐留在自己的出生地。一顆正在發育的大腦中，一種被稱為放射狀膠質細胞可形成一種分布範圍很廣的網格，神經元可以像尺蠖（一種細小的昆蟲）那樣沿著網格從原來的地方爬到它永久的新家。當大腦不再需要這種網格時，放射狀膠質細胞會轉變成其他類型的神經膠質，例如星形膠質細胞和像章魚模樣的少突膠質細胞，甚至還可以轉變為神經元。科學家最近發現，一部分放射狀膠質細胞註定要變為大腦皮層上的神經元，而大腦皮層則是大腦外層的皺紋部分，大部分最複雜的神經功能都是由它負責。
人類的大腦皮層面積如此之大，而且還擠在我們不太大的腦袋中，所以裡面的神經線路維護是極為必要的。近幾年的研究表明，神經膠質在維護大腦神經線路中發揮了關鍵性的作用。一些神經膠質細胞會分泌一種分子，促進神經元之間新線路的形成，而另一些會吞噬、消化虛弱的和未充分利用的突觸（神經元之間或神經元與其他細胞之間的接觸結構）。在人整個一生中，神經膠質都在不斷微調大腦的神經線路。
清理垃圾
身體內的每個器官需要清潔員，這意味著要清理掉多餘液體、死細胞和細胞碎片等各種阻礙細胞正常工作的垃圾。大腦同樣也需要清理垃圾，多年以來，科學家就已經知道一種纖細的神經膠質，稱為小膠質細胞，在大腦的垃圾處理系統中發揮著重要的作用。小膠質細胞在大腦中四處遊盪，並清除有害的蛋白質、死細胞的殘留和少量不需要的DNA。另外，在2014年所發表的一項研究表明，小膠質細胞對於消除β-澱粉樣蛋白和其他蛋白質，發揮著至關重要的作用，而這些蛋白質的增多與阿爾茨海默病（老年性痴呆）和其他相關的神經退行性疾病的發生有密切關聯。
小膠質細胞並不是唯一可以清理垃圾的神經膠質。2012年，來自美國羅切斯特大學醫學中心的研究人員把熒光分子注射到圍繞老鼠大腦周圍的液體中時，這些熒光分子描繪出了一個以前從未發現過的管道網路，而這些管道由星形膠質細胞構成，分布於動脈和靜脈的兩側。研究人員猜測，這些神經膠質管道可能屬於大腦的排水系統。當把β-澱粉樣蛋白注射到老鼠大腦內時，他們發現注射物的確從這些神經膠質管道沖走掉了。
幫助神經元說話
少突膠質前體細胞（簡稱OPC）是一種很獨特的神經膠質。OPC最終會成長為「成年」的少突膠質細胞，把軸突（神經元長出的突起）包裹起來，作用類似於電線中的絕緣皮那樣，起到絕緣作用。10多年前，科學家就發現OPC會與神經元形成突觸，並可以根據它們從神經元那裡接收到的電信號改變自己的行為。而OPC是唯一可以做這樣事情的神經膠質。最新的研究表明，OPC和神經元之間的交流不是單向的，而是雙向的。
OPC的表面鑲嵌著一種獨特的蛋白質，稱為NG2。2014年，由德國美因茲大學所發表的一項研究表明，OPC從神經元接收到電脈後，有時會觸發一些酶把NG2從原來位置上切掉，而被切掉的NG2的碎片會跑到附近的神經元那裡，並與之相結合，使得神經元對谷氨酸等神經遞質的反應更加強烈，而神經遞質則是神經元溝通時所使用的「信使」。當研究人員清除掉老鼠中的NG2或相關的酶時，這些動物處理感覺信息的能力就會受損：它們會比普通的老鼠花費更長的時間，才意識到一種不斷重複的怪異聲音是無害的，而且它們對奇怪的味道也缺乏興趣。這表明，OPC和神經元之間的交流是雙向的，而且不是閑聊，反到是會影響個體行為的重要對話。
幫助你呼吸
星形膠質細胞會緊緊包裹住神經元附近的血管，對血管內血液進行監控，並根據需求調整血液循環。英國倫敦大學學院的研究人員，研究了老鼠大腦內的星形膠質細胞面對血液pH值變化（由氧氣和二氧化碳的含量改變而引起的）時會做出何種反應。首先，他們把老鼠腦內的星形膠質細胞進行基因改造，使它們在準備產生細胞內鈣信號（通常是用來幫助協調細胞內活動的）時會發出光亮。然後，他們再使星形膠質細胞暴露在具有不同的pH值的血液環境下。
他們發現，只有在延髓中的星形膠質細胞會對血液pH值變化時做出反應。延髓是腦幹的一部分，它控制著呼吸和心率等基本的生命活動。當這些星形膠質細胞檢測到血液pH值下降時（這通常代表著血液中二氧化碳含量變高），它們會開始分泌能量分子三磷酸腺苷（簡稱ATP）來刺激周圍的神經元，使神經元產生電信號並傳播出去，這會增加老鼠的呼吸頻率，給大腦帶來氧氣。而血液的pH值升高時（這通常代表著血液中氧氣含量變高），星形膠質細胞會做出相反的反應。這表明，星形膠質細胞對你每一次的呼吸都起著至關重要的作用。
使你聰明
在由美國作家丹尼爾·凱斯所著的著名科幻小說《獻給阿爾吉儂的花束》中，科學家給一個名叫查理·高登的弱智成年人進行了一個實驗性的腦部手術，來增加他的智商。當然，與其他的醫學研究過程一樣，在此之前，這些科學家就給一隻叫做阿爾吉儂的老鼠做過這種增加智商的實驗，而且還成功了。
上面說的是小說情節，不過幾年前，科學家們做了一件事情與這篇小說中的情節詭異地類似。美國羅切斯特大學醫學中心的研究人員把尚未發育成熟的人類大腦細胞注射到一些幼年老鼠的大腦里。幾個月之後，這些含有部分人類腦細胞的老鼠，在進行關於記憶和智力測試中，會比普通的老鼠表現得更好。它們會更快地找到迷宮的出口，會更快地學習到意味著要有電擊降臨的某種聲音。也就是說，這些老鼠智商提高了。不過，研究人員並沒有把人類的神經元注射到老鼠的大腦內，注射的是人類的神經膠質細胞。人類的神經膠質會增加老鼠的智商，可能有多種原因，例如可能與星形膠質細胞有關。
手術後經過幾個月，許多未成熟的神經膠質細胞會成長為人類的星形膠質細胞，並接管老鼠的前腦。人類的星形膠質細胞比嚙齒動物的更大、功能更強：它們的分支數量大約是老鼠的10倍，細胞內鈣信號傳播速度是老鼠的3倍左右。通過吸收和釋放神經遞質，即控制神經遞質的含量，星形膠質細胞可以操控神經元產生電信號的頻率和強度。老鼠有了人類的星形膠質細胞，神經元會更頻繁地發出更為強烈的信號，使得老鼠的前腦「動力倍增」。從這個實驗可以看出，我們人類能如此聰明，除了神經元以外，也與神經膠質密不可分。
這就是默默奉獻的神經膠質，它們是大腦的建築師、醫生、警察、清潔工和園丁——在大腦中做出龐大複雜的後勤工作。沒有它們，我們大腦的神經元就無從活躍，無法工作，大腦的組織系統就癱瘓下來。對它們的深入研究，將使科學家能更多地揭示大腦深層奧秘。
（本文源自大科技*科學之謎2015年第12期文章）
TAG:知識百科 |