大脑中，星形胶质细胞的数量与神经元相当，但科学家们对其在脑功能中的作用研究却远少于神经元。麻省理工学院(MIT)Picower学习与记忆研究所的一项创新研究表明，星形胶质细胞的一个关键功能似乎是维持神经元群体编码信息所需的化学环境。
研究背景与发现
MIT神经科学家团队发现，当他们在小鼠视觉皮质的星形胶质细胞中敲除一种名为"GABA转运蛋白3(Gat3)"的蛋白质时，那里的神经元群体代表小鼠所见电影信息的能力显著降低。GABA是一种常见的抑制性神经递质，能够 sharpen 神经活动，而星形胶质细胞独特地使用Gat3来调节其所在区域GABA的环境水平。
这项发表在eLife期刊上的研究表明，在视觉皮质中敲除Gat3后，神经元浸泡在过量的GABA"汤"中，虽然对单个神经元的影响微乎其微，但累积起来却对负责视觉功能的神经元群体造成了显著损害。
"即使单个神经元代表视觉刺激的变化不显著，但如果一百个神经元都有一些微小变化，在群体水平上就可能累积成可测量的显著变化，"资深作者、Picower研究所和MIT脑与认知科学系教授Mriganka Sur表示。值得注意的是，作者在eLife中写道，这是首次在活体小鼠中对Gat3进行跨越单个细胞和数百个细胞功能群体的研究。
创新研究方法
为了实现这一发现，脑与认知科学系研究生Jiho Park采用了CRISPR/Cas9基因编辑的创新实现方法来敲除Gat3，并结合了群体水平神经活动的统计和计算分析，Sur解释道。
"几十年来，神经科学家一直在研究大脑的视觉系统，但神经元获得了他们的大部分注意力，因为神经元具有电活性且更容易进行基因靶向，"Sur说。"追踪星形胶质细胞活动和操纵其功能的技术发展相对较慢。"
然而，2019年，美国国立卫生研究院(NIH)向Sur提供了一笔资助，用于开发研究星形胶质细胞的更好工具。这笔资金帮助实验室创造了他们称为MRCUTS的CRISPR/Cas9变体，促成了这项新研究。该工具使他们能够使用单个病毒载体靶向编码Gat3的基因进行多次切割。这种多重攻击决定性地且精确地敲除了视觉皮质星形胶质细胞中的Gat3。
研究结果分析
一旦Park敲除了Gat3，她就能通过视觉追踪神经元的钙活性（其电活性的代理）来观察其缺失的影响。后果比团队预期的更为微妙。浸泡在GABA中，神经元的放电强度和可靠性降低。当小鼠只观看灰色屏幕而不是电影时，神经元也会自发激活的频率降低。
但令研究人员惊讶的是，当Gat3缺失时，神经元 individually 仍然履行其职责。在存在Gat3时对图像不同特征（如线条方向）有反应的细胞，即使在敲除Gat3后仍然保持反应性。虽然GABA的环境水平较高，但成对的神经元仍然通过其直接连接（"突触"）共享GABA，意味着它们之间的直接对话没有改变。
"我们原本期望看到方向调谐等变化，但没有看到，"Park说。"这就是为什么我们进行了更深入的分析，看看是否有任何差异。"
神经群体协调性的破坏
这种更深入的分析发生在更广泛的神经群体层面，Park使用了几种统计和计算方法来分析当Gat3被敲除时，数百个神经元集体信息编码的变化。
使用称为"广义线性模型"的统计方法分析群体活动模式，Park发现当Gat3被敲除时，神经元的活动变得不如Gat3存在时对群体中其他神经元活动的预测性强。这表明，虽然单个神经元可能仍在履行其职责，但它们的协调性受到了损害。同时，使用基于"支持向量机"的解码器来识别群体所代表的信息，她发现当Gat3存在时，解码器可以随着样本中神经元数量的增加而改进其评估。但当Gat3被敲除后，即使样本量增加，解码器也无法确定所代表的信息。
"作者在eLife中写道，Gat3缺失后的解码缺陷证明，星形胶质细胞对环境GABA的调节对于组织视觉皮质网络中高效信息编码所需的协调神经元活动模式至关重要。"
临床意义
缺乏Gat3在群体水平上破坏神经协调这一发现，可能有助于解释临床观察：Gat3在丘脑中减少会增加癫痫风险，在纹状体中增加会导致重复行为，而在苍白球中减少则损害运动协调，Park说。
"因为我们的研究首次从群体水平研究了Gat3的影响，它可能有助于将其与人们观察到的一些行为表型联系起来，"Park说。但Sur指出，还需要更多研究，因为大脑可能使用其他Gat蛋白（如Gat1）来补偿。
研究意义与未来展望
这项研究不仅增进了我们对星形胶质细胞在脑功能中作用的理解，还为开发针对神经系统疾病的新治疗方法提供了潜在靶点。星形胶质细胞作为大脑中数量最多的胶质细胞类型，长期以来被视为神经元的"支持细胞"，但越来越多的证据表明它们在信息处理和脑功能调节中扮演着更为主动和关键的角色。
未来的研究可能会探索其他Gat蛋白在补偿Gat3缺失中的作用，以及星形胶质细胞在其他脑区功能中的类似机制。此外，这项研究中开发的MRCUTS技术为研究星形胶质细胞功能提供了强大工具，有望推动更多相关领域的突破。
技术创新与应用价值
这项研究的技术创新在于开发了MRCUTS（多重CRISPR靶向系统），使研究人员能够更精确地操纵星形胶质细胞中的基因表达。这种技术不仅适用于当前研究，还可扩展到其他类型的胶质细胞研究，为理解胶质细胞在神经系统疾病中的作用提供新工具。
从应用角度看，这一发现可能为开发针对癫痫、自闭症谱系障碍、帕金森病等神经系统疾病的新疗法提供思路。通过调节星形胶质细胞对神经递质的控制，可能能够恢复受损的神经网络功能，改善患者症状。
结论
MIT的这一研究揭示了星形胶质细胞通过GABA转运蛋白3调节神经递质环境，从而确保神经元群体有效协调处理视觉信息的关键机制。这一发现不仅改变了我们对大脑信息处理的传统理解，也为未来神经系统疾病的治疗开辟了新途径。随着对胶质细胞功能研究的深入，我们有望更全面地理解大脑的工作原理，并开发出更有效的治疗方法。
图：星形胶质细胞（绿色）与神经元（红色）在大脑中的相互作用示意图。星形胶质细胞通过调节神经递质环境，维持神经元群体的协调活动。
