Trends in Neurosci星形膠質(zhì)細胞—大腦認知功能不可或缺的參與者
外部信息與身體內(nèi)部狀態(tài)的整合是幾乎每一種多細胞生物生存的核心。目前這種整合過程的模型表明，感覺信息是由快速和空間限制的神經(jīng)元突觸傳遞編碼的，而內(nèi)部狀態(tài)信息是由緩慢作用的神經(jīng)調(diào)節(jié)劑在全腦范圍內(nèi)傳遞的。然而，對控制這一進程的機制缺乏全面的了解。
近日，丹麥哥本哈根大學轉化神經(jīng)醫(yī)學中心Rune Nguyen Rasmussen等人在Trends in Neurosciences發(fā)表觀點文章，作者認為星形膠質(zhì)細胞，一種在系統(tǒng)神經(jīng)科學中經(jīng)常被忽視的腦細胞類型，有助于這兩種信息源的整合，為我們理解大腦中外部和內(nèi)部信息是如何融合的增加了一個新的維度。假設認為，星形膠質(zhì)細胞將感覺信號與內(nèi)部狀態(tài)整合在一起，這一過程對于確保最優(yōu)行為是必要的。以及功能失調(diào)的星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號傳導可能是以感覺處理中斷為特征的疾病的潛在因素。
星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號的性質(zhì)和特征
細胞內(nèi)Ca2+濃度的激增主要是由內(nèi)部儲存的Ca2+釋放引起的，由G蛋白偶聯(lián)受體介導的肌醇三磷酸（IP3）途徑的激活觸發(fā)。然而，其他與IP3無關的機制，如Ca2+可滲透的離子通道、交換劑和轉運蛋白，也可能參與其中。
在空間上，Ca2+信號從精細星形膠質(zhì)細胞過程中的局部反應到延伸到整個細胞的反應，后者通常平行發(fā)生在許多星膠細胞中或從一個星膠細胞擴散到另一個。同樣，在時間過程上也有顯著的變化，從數(shù)百毫秒到幾分鐘不等。不幸的是，對這種多樣性的基本機制和功能作用的理解仍然有限。
星形膠質(zhì)細胞對覺醒和感覺輸入均有反應
在哺乳動物中，覺醒增強的時期與去甲腎上腺素（NA）和乙酰膽堿（ACh）信號增加相關?，F(xiàn)如今有充分的證據(jù)支持星形膠質(zhì)細胞通過NA驅動的整體Ca2+信號傳遞反映喚醒變化的觀點，證實了早期離體數(shù)據(jù)，并通過去甲腎上腺素受體的細胞表達模式進一步證明了這一點。具體而言，顯著的感覺刺激和自我啟動的運動發(fā)作通過激活α1去甲腎上腺素能受體，在大皮層星膠細胞網(wǎng)絡中引發(fā)NA介導的Ca2+信號傳導。
實驗證實了覺醒和星形膠質(zhì)細胞信號傳導之間的密切聯(lián)系，實驗表明，與清醒相比，在自然睡眠和麻醉期間，星形細胞Ca2+信號傳導顯著減少。總之，文獻強烈支持星形膠質(zhì)細胞對狀態(tài)相關神經(jīng)調(diào)節(jié)劑有反應，且星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號傳導與覺醒普遍相關。
越來越多的證據(jù)表明，星形膠質(zhì)細胞可以在體內(nèi)對感覺輸入和在體外對局部突觸傳遞做出反應。奇怪的是，星膠細胞對體內(nèi)感覺刺激的反應似乎取決于動物的覺醒狀態(tài)?？傊?，星形膠質(zhì)細胞信號既反映了感覺信號，也反映了喚醒水平。
星形膠質(zhì)細胞中覺醒和感覺信息整合的一般假設
作者假設星形膠質(zhì)細胞通過不同的Ca2+信號傳導整合外部感覺信號（在神經(jīng)元回路中作為突觸活動攜帶）和內(nèi)部喚醒狀態(tài)信息（由神經(jīng)調(diào)節(jié)劑如NA和ACh傳遞）[Fig.1]。覺醒相關的信號使星形膠質(zhì)細胞進入一種獨特的活動模式，這增加了它們對感覺輸入表現(xiàn)出Ca2+信號的概率。因此，如果感覺輸入驅動的突觸活動不足以單獨引發(fā)可測量的Ca2+信號，則神經(jīng)調(diào)節(jié)劑如NA和ACh可以將星形膠質(zhì)細胞推到理論激活閾值以上。相反，如果感覺輸入足夠強，它可以在沒有顯著喚醒的情況下觸發(fā)星形細胞Ca2+信號。
作者還提出，在整合Ca2+信號的下游，星形膠質(zhì)細胞可以反饋到神經(jīng)回路，以調(diào)節(jié)感覺處理，最終調(diào)節(jié)行為。星形膠質(zhì)細胞到神經(jīng)元的信號傳導在很大程度上仍然是謎，但它可能是直接由膠質(zhì)遞質(zhì)釋放（如ATP）和/或通過間接調(diào)節(jié)谷氨酸和GABA攝取或細胞外鉀離子水平所介導的。通過這些機制，星形膠質(zhì)細胞可以增強和抑制突觸活動，未來需要進行實驗來確定這種情況是否發(fā)生以及何時發(fā)生。
Figure 1 星形膠質(zhì)細胞鈣（Ca2+）信號作為外部和內(nèi)部信息的整合
星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號與病理生理條件
星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號異常似乎是各種疾病的病理生理組成部分，包括與感覺處理和覺醒中斷相關的疾病。感覺超敏反應和過度興奮是自閉癥譜系障礙和脆性X和Rett綜合征的特征。相反，感覺敏感性低和警惕性低與嚴重抑郁癥和癡呆癥有關。有趣的是，來自自閉癥譜系障礙或Rett或脆性X綜合征患者的星形膠質(zhì)細胞在體外表現(xiàn)出加重的Ca2+信號，星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號缺乏的小鼠在體內(nèi)表現(xiàn)出與重度抑郁癥患者一致的長程功能連接變化。
此外，最近的報告表明，在兩種不同的阿爾茨海默病模型中，星形細胞Ca2+信號對NA和感覺輸入的反應較弱。有趣的是，一些抗抑郁藥物，如氯胺酮，可以通過星形膠質(zhì)細胞發(fā)揮作用。因此，異常的星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號是各種大腦疾病中與感覺和喚醒相關缺陷的關鍵組成部分，星形膠質(zhì)細胞可能是一個有效的治療靶點。
總結與展望
將星形膠質(zhì)細胞視為認知功能中不可或缺的參與者，為大腦信息處理的機制理解增加了一層新的內(nèi)容。雖然神經(jīng)元可以傳遞快速準確的信息，而神經(jīng)調(diào)節(jié)劑可以提供長時間、長距離的信號來調(diào)節(jié)大腦活動，但星形膠質(zhì)細胞的Ca2+信號介于兩者之間。正是這些性質(zhì)使星形膠質(zhì)細胞能夠參與整合感覺神經(jīng)元回路中突觸活動所攜帶的外部感覺信息，并通過神經(jīng)調(diào)節(jié)劑傳遞瞬時的內(nèi)部覺醒狀態(tài)。
根據(jù)本文中作者所提出的假設，星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號是精細調(diào)控感覺處理動態(tài)范圍的核心，允許在被喚醒狀態(tài)下整合細微的感覺輸入，同時在沒有顯著喚醒的情況下對強烈的感覺輸入做出反應。這種最佳的感覺動態(tài)范圍有助于適當?shù)男袨榉磻Ⅱ寗佑洃浀男纬伞?/strong>
關于星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號是如何被神經(jīng)元活動調(diào)節(jié)并進而影響神經(jīng)元活動的，還有很多需要了解。然而，有兩件事是肯定的：（i）神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞之間的交流比以前想象的要復雜得多；以及（ii）持續(xù)的技術進步允許對這種通信進行詳細的剖析。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tins.2023.03.003
參考文獻
Rasmussen, Rune Nguyen et al. “Astrocytes: integrators of arousal state and sensory context.” Trends in neurosciences, S0166-2236(23)00050-4. 30 Mar. 2023, doi:10.1016/j.tins.2023.03.003
編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
