再活一甲子

标题: 星形胶质细胞：你所不知的大脑另一面 [打印本页]

作者: 再活一甲子 时间: 2023-10-4 20:13
标题: 星形胶质细胞：你所不知的大脑另一面
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想想你最熟悉的菜谱，一道从未亲自做过但是看过妈妈做过很多次的美食。就假设是南瓜派吧，食材原料需要南瓜罐头、高脂浓奶油、鸡蛋、玉米淀粉、糖，也许还需要一点肉豆蔻。
你看妈妈做这道菜的次数已经多到数不清了，基本上都可以凭借记忆自己做了。但事实却是，你妈妈做的南瓜派还需要沙丁鱼，且用量都快和南瓜一样多了。然后你就会失望地发现，你做的派不好吃。没了沙丁鱼，吃起来就不像南瓜派了。
某种程度上，你对大脑的了解也是一样的。大多人都知道大脑是由巨大且相互连接的神经元网络组成的。多数情况下，人们都认为神经元就等于“大脑细胞”，两个词是可以互换的。但这其实是完全错误的。
在决定大脑如何学习和处理信息方面，神经元当然扮演着重要的角色。但是它们肯定不是大脑中唯一的细胞类型。在正常的成年人大脑中存在着大约850亿个神经元。但是大脑中还有另外860亿个非神经元细胞，其中一个主要非神经元细胞类型便是胶质细胞。它们便是我们的南瓜派中意料不到的沙丁鱼。
胶质细胞主要分三种类别。寡突胶质细胞在一些神经元中加快了电信号的速度；小神经胶质细胞是大脑与脊髓中的免疫细胞，因为血液中普通的免疫细胞和抗体无法进入到中枢神经系统这种独立的化学环境中。
星形胶质细胞是胶质细胞中第三重要的类别。大脑中胶质细胞的数量大约和神经元一样多。胶质细胞中大约20-40%是星形胶质细胞，这也是本文的关注点。
没有了它们，神经元就无法正常工作。更重要的是，星形胶质细胞包含能够监听并调节神经元信号的分子机制。它们自己形成了巨大的网络，在与神经元网络交叉通讯时，还能够互相通讯。
实际上我们的大脑中还有一个网络，它在维持脑健康方面起到了关键作用，同时还以我们暂不清楚的方式影响着学习和信息的处理。
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量子点标记的连接在一起的星形胶质细胞。来自加利福尼亚大学圣迭戈分校，席尔瓦实验室。
如果你还没听说过星形胶质细胞，或者只是略有耳闻，这很正常，你并不是一个人。即使了解了一点它们的分子生物学、生物物理学和化学组成，神经科学家还是不知道他们是如何互动，影响神经信号和信息处理的。
已经有了许多想法和假设，以及累积的数据，但是我们对其在大脑中的计算作用还没有机制上的清晰理解。它是神经科学中最激动人心的领域之一，也是我们对大脑的知识中所不熟悉的部分。
德国病理学家鲁道夫·菲尔绍在1858年第一次将神经胶质细胞描述为“一种存在于固有神经部分的物质，并多多少少在一定程度上将整个神经粘连组织在了一起。”
“胶质”这个词本身就和“胶水”一词是同源的，所以一开始神经胶质只被认为是将神经元连接在一起的物质。
当然，胶质细胞的作用远不止于此。星形胶质细胞最常见的作用便是为神经元提供自我平衡的支持。
这些细胞为周围的神经元提供并维持了一个可供它们正常运作的化学环境。因为神经元是电兴奋细胞——它们通过传导信号和信息来通讯，这些信息是由穿过细胞膜波动不定的电位差编码而成的——它们很容易变得过于活跃，从而导致细胞无法正常运作。
比如说，神经递质这种在神经元之间传导信息的信号化学物质在数量上的不足，或是钠和钾离子这种在神经元中携带电荷的物质在数量上过多，都有扰乱神经元解读信息的风险，并使它们过度活跃，从而死亡。
星形胶质细胞则在它们身上组成了一个网络，其独立于神经元网络。为了维持神经元在一个自我平衡的环境中，星形胶质细胞会“除掉”这些过剩的化学物质，并通过自身的网络将这些化学物质运送到血管中。组成星形胶质细胞网络最外一层的细胞会启动名为终钮的程序，来与血管相连接。
这些“废掉”的化学物质会被高效地输送到血流中并被快速冲走。若是情况相反，星形胶质细胞则从血流里运输葡萄糖和有关的能量副产品到神经元活跃度高的区域，该区域的神经元集中工作，它们是最需能量的。
但是星形胶质细胞的作用不只是保持内环境稳定。上世纪90年代初的神经科学家发现了神经递质谷氨酸，它是最重要和常见的刺激性神经递质之一，由神经元释放。
它能够激活星形胶质细胞并在星形胶质细胞网络内催发远程信号。也就是说，星形胶质细胞能够在神经元互相通讯时进行监听。但不同的是，神经元通过电兴奋来互相通讯，而星形胶质细胞是通过钙波来通讯的。
更神奇的是，星形胶质细胞不光监测神经元之间的神经递质信号，它们还能释放可以相互影响神经元反应的神经递质。实际上，它们能够调节和形成脑中的信息处理。星形胶质细胞释放出的神经递质被称为胶质递质，以此将它们与神经元分泌的神经递质区分开来。但它们在化学层面其实是一种物质。
神经元和星形胶质细胞可以通过三联突触（或三部分突触）这一概念相紧密联系并相互协调。突触是一个神经元的信号传到另一个神经元的相互接触的结构。当一个神经元被电刺激的时候，电波就会向下传导其轴突，直到它抵达突触，继而刺激神经递质释放化学信息物。
在三联突触中，星形胶质细胞会环绕在神经元突触周围来监听以及参与发送信号的过程。
不止于此，单个星形胶质细胞能够向不同的突触伸出多个触手状的臂，以此来参与到三联突触中去。这就意味着，星形胶质细胞或许有能够在功能上连接很多对神经元的潜力，而通常情况下这些神经元无法被连接在一起。
对星形胶质细胞有影响的单个三联突触上的突触信号有可能会使其调节一个新的突触，同时这一突触也连接一个新的星形胶质细胞，而两对神经元实际上本无联系。事实上，一个星形胶质细胞能够使神经网络“短路”。
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不可否认的是，星形胶质细胞能够调节神经信号到什么程度，以及它们对大脑处理信息最终有什么影响——它是如何学习和影响你做决策的——目前来说这些还都只是猜测。我们对大脑的这一方面了解得还不足够。
再则，我们对星形胶质细胞在复杂的神经发育和神经精神的紊乱（如自闭症或精神分裂症）中起到了什么作用更是知之甚少。星形胶质细胞甚至可以调节突触的可塑性——神经元之间连接的“强度”。
除了神经科学和生物上的大脑外，将类似星形胶质细胞的元素加入到人工神经网络中或许能够影响到机器学习和人工智能的未来实体化（实体化）。
实际上，早些时候就有科学家尝试过建立类似神经星形胶质细胞的人工神经网络，提高分类任务的性能。总的来说，机器学习和人工智能能够从生物大脑中学到很多东西。
搞清楚大脑是如何运作以及如何在患病死亡的这一问题长期以来对神经科学家来说都是项挑战。这一点对于我们尝试理解这谦逊低调的星形胶质细胞究竟是如何运作来说，尤是如此。

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