Category: Scientific Digest

原先被认为无用的细胞，居然也能如神经元一样，在刺激下做出反应，让大脑闪耀，如同星河。 “胶质细胞”就是大脑里的海绵。科学家认为它们作为填充物支撑着我们大脑。一项新的研究发现，胶质细胞同样参与了大脑的工作。这一结果可能让我们得以重新认识生物体最神秘的器官。 该研究由麻省理工学院的舒默尔斯和中国留美学者俞洪波等人组成的研究小组完成，成果发表在近日的《科学》杂志上。本报记者专访了俞洪波。他详细讲解了此项研究的全过程。 如果你是美剧《豪斯医生》的粉丝，那你一定不会对“fMRI”感到陌生。它就是“脑功能核磁共振”。它一直是科学家探索大脑功能的工具。它让研究者直接进入“脑的丛林”。 一个脑包含数千亿个神经元，还有更多的胶质细胞填充其间。“可以想象，如果我们能身临其境，处身于兴奋的脑中，那将会是电光闪烁，此起彼伏，密如 织网。”俞洪波解释说现代脑成像技术让我们实现了这一梦想。研究人员如孙悟空一样缩小身形，进入铁扇公主的颅腔，置身于脑细胞的丛林中，观察这些细胞。 “了解了每个神经元的电活动就能破解脑的秘密。” 可是fMRI也有缺点。它的信号来源是模糊的，多年来科研人员不知道脑的活动是如何引起fMRI信号的，因此对fMRI结果的解释也是格外小心； 同时fMRI检测非常粗放，它的空间分辨率在毫米级别，而在1毫米见方的脑皮层内，有几十万神经元，人们无从得知具体的单个神经元的信息。记录单个神经元 的电活动，传统办法是在脑中插入及其细小的电极，可是一根电极最多只能记录几个细胞，工作起来如同大海捞针。 2001年，俞洪波所在的麻省理工学院建立的新系统解决了这个问题。“开始是用于形态学研究的，2003年我和同事将它应用于活体动物雪貂的长期形态学研究并取得成功。” 这一系统的核心是双光子激光成像。“分辨率可以小于一微米，比头发直径小百倍。”研究人员用多种荧光染料标记大脑，如果荧光分子遍布细胞全体，研 究人员就可以看到动物脑内细胞的全态。如果染料是与脑活动相关的，比如说神经元产生动作电位后，细胞内的钙离子浓度会大幅升高，采用特殊的钙离子染料，钙 浓度增加，荧光就增强；钙浓度降低，荧光就减弱，这样就可以检测细胞的反应强度。 结论延伸 解开脑功能成像之谜 星型胶质细胞的功能区和神经元的完全匹配，这样的精确有何意义？MIT教授聊起了以前的一个猜想，胶质细胞可能与血流相关。 研究人员立即联想到在实验中所观察到的一个有趣现象：星型胶质细胞只在一个非常特定的麻醉水平以下才反应，而这个水平与我们多年来在进行血流相关的脑功能成像中总结出的“魔术阈值”完全一致。“星型胶质细胞反应时，脑功能成像的血流信号也强烈，反之亦然。” 此后，研究人员又通过实验证实了这一猜想：神经元精准的功能区与星型胶质细胞的功能区匹配，由星型胶质细胞来控制局部血管的扩张，以精准控制局部 血流的变化，从而为包括fMRI在内的脑功能成像提供信号来源。即使神经元反应正常，只要星型胶质细胞不反应，脑功能成像信号几乎完全消失。 俞洪波解释说，脑功能成像研究开始之初就有很多未解决的问题，人们知道脑血流和功能相关，可不知道具体是如何实现的。比如脑的功能反应增强一倍， 脑血流是否也线性增强，这涉及到对成像研究的基本解释。过去多年来有很多解释，可矛盾重重。而星型胶质细胞的发现，则解开了脑功能成像的秘密，此时距离在 脑功能成像被广泛应用已经十多年。 对此，德国马普研究所的两位科学家在同期《科学》上发表的专题评论文章说：“单个星型胶质细胞独特的反应模式完全挑战了过去的学术观点。” 《科技评论》对这一结果则评价说：它可能解决了一个长期以来没有解决的科学奥秘：为什么当代脑功能成像方法的基础———脑血流，与脑功能密切相关？