在脑功能研究中，神经元通常获得最多关注。然而，健康的大脑依赖于多种类型细胞的协同作用，其中最丰富的非神经元细胞就是星形胶质细胞——这些星形细胞承担着多种重要职责。星形胶质细胞帮助塑造神经环路，参与信息处理，并为神经元提供营养和代谢支持。在细胞生命周期中，单个细胞可以承担新角色，且在同一时间点，大脑某一部分的星形胶质细胞会与另一部分的星形胶质细胞在形态和行为上表现出差异。
经过麻省理工学院(MIT)研究人员的广泛分析，神经科学家现在拥有了一份详细描述星形胶质细胞动态多样性的图谱。这些图谱描绘了小鼠和狨猴大脑中星形胶质细胞的区域特化特性——这两种动物是神经科学研究的强大模型——并展示了它们在大脑发育、成熟和衰老过程中种群的变化。
研究背景与意义
这项发表在《Neuron》期刊上的开放获取研究，由MIT脑科学与认知科学系的James W.和Patricia T. Poitras教授冯国平(Guoping Feng)领导。冯国平教授同时也是McGovern脑研究所的副所长以及MIT的Hock E. Tan和K. Lisa Yang自闭症研究中心的主任。
"对我们来说，关注非神经元细胞在健康和疾病中的作用非常重要，"冯教授表示。这些细胞——曾经仅被视为配角——近年来获得了更多关注。星形胶质细胞在大脑发育和功能中发挥着关键作用，其功能障碍似乎与许多精神疾病和神经退行性疾病有关。"但与神经元相比，我们了解得少得多——特别是在发育过程中，"冯教授补充道。
探索未知领域
冯国平和他的前研究生Margaret Schroeder认为，理解星形胶质细胞多样性需要在三个维度上进行：空间、时间和物种。他们从实验室早期的工作中得知，在成年动物中，大脑的不同区域具有独特的星形胶质细胞组合。
"自然的问题是，我们认为这种星形胶质细胞的区域模式在发育多早期就开始了？"Schroeder问道。
为了找到答案，她和她的同事们从小鼠和狨猴的六个生命阶段收集脑细胞，涵盖从胚胎发育到老年阶段。对于每种动物，他们从四个不同的脑区域取样：前额叶皮层、运动皮层、纹状体和丘脑。
然后，与现在担任普林斯顿大学助理教授的Krienen合作，他们分析了这些细胞的分子内容，为每个细胞创建了基因活动图谱。该图谱基于细胞内的mRNA基因拷贝， collectively称为细胞的转录组。确定细胞使用哪些基因以及这些基因的活跃程度，可以让研究人员深入了解细胞的功能，并定义其身份的一种方式。
动态多样性揭示
在评估了约140万个脑细胞的转录组后，研究团队重点关注星形胶质细胞，分析和比较了它们的基因表达模式。在从出生前到老年的每个生命阶段，团队都发现了区域特化现象：来自不同脑区域的星形胶质细胞具有相似的基因表达模式，这与其他脑区域的星形胶质细胞明显不同。
这种区域特化在星形胶质细胞的不同形状中也很明显，研究团队能够通过扩张显微镜观察到这一现象——这是一种由McGovern同事Edward Boyden开发的高分辨率成像方法，可揭示精细的细胞特征。
值得注意的是，每个区域的星形胶质细胞随着动物的成熟而发生变化。"当我们观察晚期胚胎时间点时，星形胶质细胞已经表现出区域模式。但当我们将其与成年期图谱比较时，它们又完全改变了，"Schroeder说。"所以在产后发育过程中发生了某些事情。"团队检测到的最显著变化发生在出生和青春期早期之间，这一时期大脑迅速重组，因为动物开始与世界互动并从经验中学习。
冯国平和Schroeder怀疑他们观察到的变化可能是由随着大脑成熟而被塑造和精炼的神经环路驱动的。"我们认为它们正在适应其局部的神经元生态位，"Schroeder说。"它们在发育过程中上调和变化的基因类型表明了它们与神经元的相互作用。"冯教授补充说，星形胶质细胞可能会响应附近的神经元而改变其基因程序，或者，它们可能在 adopting 最适合支持特定神经元的身份时，帮助指导局部环路的发育或功能。
跨物种比较发现
小鼠和狨猴大脑都表现出星形胶质细胞的区域特化和种群随时间的变化。然而，当研究人员查看定义各种星形胶质细胞种群的具体基因活性时，两个物种的数据出现了分歧。Schroeder提醒研究动物模型中星形胶质细胞的科学家注意这一点，并补充说新的图谱将帮助研究人员评估跨物种发现的潜在相关性。
未来研究方向
有了对星形胶质细胞多样性的新理解，冯教授表示他的团队将密切关注这些细胞如何受到他们研究的疾病相关基因的影响，以及这些影响如何在发育过程中变化。他还指出，图谱中的基因表达数据可用于预测星形胶质细胞和神经元之间的相互作用。"这将真正指导未来的实验：这些细胞的相互作用如何随着神经元或星形胶质细胞的变化而变化，"他说。
冯国平实验室热切希望其他研究人员能够利用他们在制作图谱时生成的海量数据。Schroeder指出，团队研究了他们研究的脑区域中所有类型细胞的转录组，而不仅仅是星形胶质细胞。他们分享这些研究结果，以便研究人员可以利用它们来理解特定基因在何时何地在大脑中使用，或者更深入地探索大脑的细胞多样性。
图：星形胶质细胞（黄色）是一种非神经元或胶质脑细胞，已知在大脑发育和功能中发挥重要作用。冯国平的实验室创建了一个图谱，详细说明了星形胶质细胞种群如何随着大脑发育、成熟和衰老而变化。
