大脑中存在着数量与神经元相当的星形胶质细胞，然而长期以来，科学家们对这些细胞在大脑功能中的作用了解甚少。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是维持神经元群体编码信息所需的化学环境。
研究背景与突破
传统上，神经科学家们主要关注神经元在大脑信息处理中的作用，因为神经元具有电活动特性且更容易进行基因靶向研究。相比之下，星形胶质细胞的研究技术发展相对滞后。然而，2019年美国国立卫生研究院(NIH)向Sur教授提供了资助，用于开发更好的星形胶质细胞研究工具，这为此次突破性研究奠定了基础。
研究团队开发了一种名为MRCUTS的CRISPR/Cas9基因编辑变体，使他们能够使用单一病毒载体靶向编码Gat3的基因进行多处切割，从而在视觉皮层星形胶质细胞中精确敲除Gat3。这一技术创新是本研究的关键突破。
研究方法与发现
BCS研究生Jiho Park利用这种创新的基因编辑技术，结合神经元群体活动的统计和计算分析，揭示了Gat3在视觉信息处理中的关键作用。
单个神经元水平的变化
当Gat3被敲除后，神经元处于过量的GABA环境中，其电活动变得不那么强健和可靠。当小鼠观看灰色屏幕而非电影时，神经元的自发激活频率也降低了。然而，令人惊讶的是，单个神经元仍然能够执行其基本功能。在Gat3存在时对不同图像特征（如线条方向）做出响应的神经元，在Gat3被敲除后仍然保持这种响应能力。神经元之间的直接对话（通过突触）也没有发生改变。
神经群体水平的协调性障碍
尽管单个神经元功能保持不变，但研究团队通过深入分析发现，当Gat3被敲除时，神经元群体的协调性出现了显著问题。
Park使用多种统计和计算方法分析了数百个神经元集体信息编码的变化。通过"广义线性模型"分析神经元群体的活动模式，她发现当Gat3被敲除时，神经元活动对群体中其他神经元活动的预测能力下降，表明神经元之间的协调受损。此外，使用"支持向量机"解码器分析时，发现当Gat3存在时，随着样本中神经元数量的增加，解码器能够更好地评估所代表的信息；而当Gat3被敲除时，即使增加样本大小，解码器也无法确定所代表的信息。
临床意义与潜在应用
这项发现可能有助于解释一些临床观察现象：例如，丘脑中Gat3减少会增加癫痫风险；纹状体中Gat3增加会导致重复行为；苍白球中Gat3减少会损害运动协调能力。
"因为我们的研究首次从群体水平考察Gat3的影响，它可能有助于将这些发现与人们观察到的一些行为表型联系起来，"Park表示。然而，Sur教授指出，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。
星形胶质细胞通过调节GABA环境水平维持神经元群体的协调活动，确保视觉信息有效编码。
研究方法创新
本研究采用了多种创新方法：
- MRCUTS技术：一种改进的CRISPR/Cas9基因编辑技术，允许使用单一病毒载体进行多处基因切割，实现精确的基因敲除。
- 钙成像技术：通过追踪神经元钙活动（电活动的代理指标），观察Gat3敲除后的神经活动变化。
- 群体水平分析：结合统计和计算方法，分析神经元群体活动模式的变化。
- 解码器技术：使用支持向量机解码器评估神经元群体编码信息的能力。
研究局限与未来方向
尽管这项研究取得了重要突破，但仍存在一些局限性：
- 研究仅关注了视觉皮层，未来可扩展到其他脑区。
- 大脑可能使用其他Gat蛋白（如Gat1）来补偿Gat3的缺失。
- 研究在动物模型中进行，需要进一步验证在人类大脑中的适用性。
未来研究可以探索：
- 星形胶质细胞在其他认知功能中的作用
- GABA转运蛋白在不同神经疾病中的潜在治疗靶点
- 星形胶质细胞与神经元相互作用的更多机制
结论
这项研究首次揭示了星形胶质细胞通过调节GABA环境水平维持神经元群体协调性的关键作用，挑战了传统上认为神经元是大脑信息处理唯一主角的观点。研究不仅深化了我们对大脑视觉信息处理机制的理解，还为理解神经疾病提供了新视角，并可能为开发针对胶质细胞的治疗策略奠定基础。
正如研究作者Sur教授所言："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小变化，在群体水平上可能会累积成可测量的显著变化。"这一发现强调了研究神经群体活动而非仅关注单个神经元的重要性，为未来神经科学研究指明了新方向。
