在探讨大脑功能时，神经元往往获得最多的关注。然而，健康的大脑依赖于多种类型细胞的协同作用。其中，星形胶质细胞作为大脑中最丰富的非神经元细胞，承担着众多重要职责。这些星形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。在个体生命周期中，单个细胞可以承担新角色，且在特定时间点，大脑某部分的星形胶质细胞与另一部分的星形胶质细胞在形态和行为上都会有所不同。
经过麻省理工学院研究人员的广泛分析，神经科学家现在拥有了一份详细记录星形胶质细胞动态多样性的图谱。该图谱描绘了小鼠和狨猴大脑中星形胶质细胞的区域特化——这两种动物是神经科学研究的强大模型，并展示了它们的种群如何随着大脑发育、成熟和衰老而变化。
这项开放获取的研究发表在11月20日的《Neuron》杂志上，由MIT脑与认知科学系的James W.(1963)和Patricia T.Poitras教授冯国平(Guoping Feng)领导。这项工作得到了MIT的Hock E.Tan和K.Lisa Yang自闭症研究中心(属于MIT的Yang Tan Collective)以及美国国立卫生研究院BRAIN倡议的支持。
"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，"冯国平说，他也是McGovern脑研究所的副所长和Hock E.Tan与K.Lisa Yang自闭症研究中心的主任。事实上，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，我们知之甚少——尤其是在发育过程中，"冯国平补充道。
探索未知领域
冯国平及其实验室前研究生Margaret Schroeder认为，理解星形胶质细胞在空间、时间和物种三个维度上的多样性非常重要。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，这项工作是与哈佛大学Steve McCarroll实验室合作完成的，由其团队中的Fenna Krienen领导。
"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说。
为了找出答案，她和她的同事收集了小鼠和狨猴在六个生命阶段的脑细胞，涵盖了从胚胎发育到老年。对于每种动物，他们从前额叶皮层、运动皮层、纹状体和丘脑四个不同的脑区域取样细胞。
然后，她们与现在担任普林斯顿大学助理教授的Krienen合作，分析了这些细胞的分子内容，为每个细胞创建了基因活性图谱。该图谱基于细胞内发现的基因mRNA拷贝， collectively known as the cell's transcriptome. 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
在评估了约140万个脑细胞的转录组后，研究小组重点分析了星形胶质细胞，比较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：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，这与其它脑区域星形胶质细胞的模式明显不同。
这种区域特化在不同脑区域星形胶质细胞的独特形状中也很明显，研究团队能通过扩张显微镜看到这一点，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变化。"当我们观察晚期胚胎时间点时，星形胶质细胞已经具有区域模式。但当我们将其与成年期图谱进行比较时，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，这是一个大脑迅速重构的时期，此时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它们与神经元的相互作用。"冯国平补充说，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，它们可能在采用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。
小鼠和狨猴大脑都表现出星形胶质细胞的区域特化及其随时间变化的种群变化。但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提醒那些在动物模型中研究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研究发现跨物种的潜在相关性。
超越星形胶质细胞
有了对星形胶质细胞多样性的新理解，冯国平说他的团队将密切关注这些细胞如何受他们研究的疾病相关基因的影响，以及这些影响如何随发育而变化。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与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改变，"他说。
冯国平实验室热切希望其他研究人员能利用他们在制作图谱时产生的大量数据。Schroeder指出，团队不仅分析了他们研究的脑区域中的星形胶质细胞，还分析了所有类型细胞的转录组。他们分享自己的研究成果，以便研究人员可以利用这些数据理解大脑中特定基因的使用时间和地点，或更深入地探索大脑的细胞多样性。
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。
冯国平团队生成的图谱描绘了小鼠和狨猴大脑中星形胶质细胞的区域特化——这两种动物是神经科学研究的强大模型，并展示了它们的种群如何随着大脑发育、成熟和衰老而变化。
