Nature：震惊！发现一种对大脑功能至关重要的新型细胞---谷氨酸能星形胶质细胞

在一项新的研究中，来自瑞士洛桑大学和威斯生物与神经工程中心的研究人员发现了一种对大脑功能至关重要的新型细胞。这些新的细胞在组成和功能上介于目前已知的两种脑细胞---神经元和神经胶质细胞---之间，存在于小鼠和人类的多个大脑区域。他们还发现这些细胞能促进记忆能力、大脑对运动的控制，并能抑制癫痫发作。相关研究结果于2023年9月6日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Specialized astrocytes mediate glutamatergic gliotransmission in the CNS”。

神经科学正处于巨变之中。构成大脑的两大细胞家族---神经元和神经胶质细胞---秘密隐藏着一种介于这两类细胞之间的杂合细胞（hybrid cell）。自神经科学诞生以来，人们就认识到，大脑的运作主要依靠神经元及其通过网络快速产生和传递信息的能力。

为了支持神经元完成任务，神经胶质细胞发挥了一系列结构、能量和免疫功能，并稳定生理常数。一些称为星形胶质细胞的胶质细胞紧密地包围着突触，突触是神经元之间释放神经递质以传递信息的接触点。

因此，神经科学家长期以来一直认为，星形胶质细胞可能在突触传递中发挥着积极作用，并参与信息处理。然而，迄今为止为证明这一点而进行的研究结果相互矛盾，尚未达成明确的科学共识。通过鉴定一种具有星形胶质细胞特征并表达突触传递所需的分子机制的新细胞类型，这些作者结束了多年的争议。

谜题的关键

为了证实或反驳星形胶质细胞与神经元一样能够释放神经递质的假设，这些作者首先利用现代分子生物学方法仔细研究了星形胶质细胞的分子内含物。他们的目标是找到快速分泌谷氨酸（神经元使用的主要神经递质）所需的分子机制的痕迹。

论文共同通讯作者、洛桑大学助理教授Ludovic Telley说，“单细胞转录组学方法的精确性使我们能够证实在具有星形胶质细胞特征的细胞中，存在着负责填充专门用于释放谷氨酸的神经元囊泡的囊泡蛋白 VGLUT 的转录本。这些转录本在小鼠细胞中发现，在人类细胞中也明显保留。我们还在这些细胞中发现了其他的特殊蛋白，它们对谷氨酸能囊泡的功能及其与其他细胞快速交流的能力至关重要。”

新型功能性细胞

接下来，这些作者试图找出这些杂合细胞是否具有功能性，即是否能够以与突触传递相当的速度释放谷氨酸。为此，他们使用了一种先进的成像技术，该技术可以在脑组织和活体小鼠体内观察囊泡释放谷氨酸的情况。

对小鼠和人海马体中谷氨酸能星形胶质细胞亚群的scRNA-seq和RNAscope HiPlex鉴定。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06502-w。

论文共同通讯作者、洛桑大学名誉教授兼威斯生物与神经工程中心客座教授 Andrea Volterra 说，“我们发现了一个星形胶质细胞亚群，它们对快速释放谷氨酸的选择性刺激做出反应，这种反应发生在这些细胞的空间限定区域，这让人联想到突触。”

此外，这种谷氨酸释放还对突触传递产生影响，并调节神经元回路。这些作者通过抑制这些杂合细胞表达VGLUT，证明了这一点。

论文第一作者、洛桑大学高级研究员 Roberta de Ceglia 说，“它们是调节神经元活动的细胞，控制着神经元的交流和放电水平。”这项新的研究表明，如果没有这种功能性机制，长时程增强（一种参与记忆机制的神经过程）就会受损，小鼠的记忆力也会受到影响。

与大脑病理学的联系

这一发现的影响延伸至大脑疾病。通过特异性破坏谷氨酸能星形胶质细胞，这些作者证实了对记忆巩固的影响，同时也观察到了与癫痫等疾病（比如癫痫发作会加剧）的联系。最后，这项新的研究表明谷氨酸能星形胶质细胞还在调节参与运动控制的大脑回路中发挥作用，可能为帕金森病提供治疗靶标。

Volterra说，“在神经元和星形胶质细胞之间，我们如今有了一种新的细胞。它的发现开辟了广阔的研究前景。我们接下来的研究将探索这种类型的细胞对阿尔茨海默病的记忆障碍的潜在保护作用，以及它在其他大脑区域和病理中的作用。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Roberta de Ceglia et al. Specialized astrocytes mediate glutamatergic gliotransmission in the CNS. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06502-w.

2. La découverte de cellules d’un nouveau genre bouscule les neurosciences
https://news.unil.ch/display/1693819606816