2014-08-02 00:21:40
索爾克研究所的新研究表明，小有名氣的被稱為星形膠質(zhì)細胞的大腦支持細胞，實際上可能是控制伽馬振蕩和記憶的主要參與者。 |
當你期待的東西——比如你在餐廳點餐——或者引發(fā)你興趣的東西，這時獨特的電節(jié)律就會席卷你的大腦。這些電波被稱為伽馬振蕩，它們反映了細胞的交響曲，即興奮性和抑制性相互協(xié)調(diào)。盡管γ波的作用一直有爭論，但其已與更高級別的腦功能相關(guān)聯(lián)，以及它的干擾模式已與精神分裂癥，阿爾茨海默氏病，自閉癥，癲癇癥和其它疾病有關(guān)。
現(xiàn)在，索爾克研究所的新研究表明，小有名氣的被稱為星形膠質(zhì)細胞的大腦支持細胞，實際上可能是控制這些電波的主要參與者。相關(guān)文章發(fā)表于2014年7月28日的《PNAS》雜志上。
索爾克研究人員報告了新的，意想不到的策略(通過禁用星形膠質(zhì)細胞而不是神經(jīng)元)減小伽馬振蕩。在這個過程中，研究組表明，星形膠質(zhì)細胞有助于伽馬振蕩形成，這對于某些形式的記憶是至關(guān)重要的。
“這可以被稱為一個確鑿的證據(jù)，”合作者Terrence Sejnowski說。他是索爾克生物科學研究所計算神經(jīng)生物學實驗室的負責人和霍華德休斯醫(yī)學研究所的研究員。“有數(shù)百篇論文認為伽馬振蕩和記憶力以及注意力有關(guān)。這是首次，我們已經(jīng)能夠做一個因果的實驗。通過選擇性地阻斷伽馬振蕩，研究表明，它對大腦與世界如何相互作用有一個非常具體的影響?！?/p>
索爾克研究所的Sejnowski教授，Inder Verma和斯蒂芬·海涅曼實驗室合作， 在小鼠的大腦中，星形膠質(zhì)細胞鈣信號的活動形式緊跟在伽馬振蕩之前。這表明，星形膠質(zhì)細胞，和神經(jīng)元一樣，使用許多相同的化學信號影響這些振蕩。
為了驗證他們的理論，該研究組使用攜帶破傷風毒素的病毒禁止星形膠質(zhì)細胞選擇性釋放化學物質(zhì)的能力，有效地消除了細胞與鄰近細胞的溝通能力。神經(jīng)細胞不受毒素的影響。
添加化學物質(zhì)引發(fā)動物大腦的伽馬波后，研究人員發(fā)現(xiàn)，攜帶有缺陷的星形膠質(zhì)細胞的腦組織比含有健康細胞的組織產(chǎn)生更短的伽馬波。而且，添加三個允許研究人員有選擇地打開和關(guān)閉星形膠質(zhì)細胞的破傷風毒素的基因后，他們發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細胞的信號傳導被阻斷的小鼠的伽瑪波被削弱了。關(guān)閉毒素則推翻了這一效果。
星形膠質(zhì)細胞經(jīng)過修改后的小鼠看似完全健康的。但經(jīng)過幾個認知測試后，研究人員發(fā)現(xiàn)，它們?nèi)狈σ粋€主要領(lǐng)域：新物體識別。正如預(yù)期的那樣，健康小鼠比熟悉的物品花更多的時間在置放于其環(huán)境中的新物品。與此相反，該研究組的新突變小鼠處理所有的物品的時間都是相同的。
“在某種意義上說，這原來是個驚人的結(jié)果，新物體識別記憶不只是受損，而是已經(jīng)沒了，就好像我們刪除這一種形式的記憶，而其它完好無損，” Sejnowski說。
這個結(jié)果令人大吃一驚，部分原因是星形膠質(zhì)細胞在數(shù)秒鐘或更長的時間內(nèi)運行，而神經(jīng)元的信號卻遠遠比這個快多了，它們是毫秒級別的。正因為如此慢的速度，因此沒有人懷疑星形膠質(zhì)細胞參與了需要迅速做出決定的高速大腦活動。
“傳統(tǒng)上認為星形膠質(zhì)細胞只是神經(jīng)元和其他細胞的保護者和支持者，而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它們也都參與了信息的處理和其他認知行為，我覺得這個觀點很獨特，” 遺傳學實驗室和美國癌癥協(xié)會的維爾馬教授說。
這并不是說星形膠質(zhì)細胞變快了——它們?nèi)匀槐壬窠?jīng)元慢多了。但新的證據(jù)表明，星形膠質(zhì)細胞都在積極地為伽馬波發(fā)生提供合適的環(huán)境，這反過來又使大腦更容易學習和改變神經(jīng)元連接的強度。
Sejnowski說，這個行為結(jié)果只是冰山的一角。“該識別系統(tǒng)是非常重要的，”他補充說，它包括認識到其他人，地點，事實，以及發(fā)生在過去的事情。有了這個新的發(fā)現(xiàn)，科學家們就可以開始更好地理解伽馬射線波的識別記憶的作用，他補充道。
原文摘要：
Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory
Hosuk Sean Lee, Andrea Ghetti, António Pinto-Duarte, Xin Wang, Gustavo Dziewczapolski,Francesco Galimi, Salvador Huitron-Resendiz, Juan C. Pi?a-Crespo, Amanda J. Roberts,Inder M. Verma, Terrence J. Sejnowski and Stephen F. Heinemann
Glial cells are an integral part of functional communication in the brain. Here we show that astrocytes contribute to the fast dynamics of neural circuits that underlie normal cognitive behaviors. In particular, we found that the selective expression of tetanus neurotoxin (TeNT) in astrocytes significantly reduced the duration of carbachol-induced gamma oscillations in hippocampal slices. These data prompted us to develop a novel transgenic mouse model, specifically with inducible tetanus toxin expression in astrocytes. In this in vivo model, we found evidence of a marked decrease in electroencephalographic (EEG) power in the gamma frequency range in awake-behaving mice, whereas neuronal synaptic activity remained intact. The reduction in cortical gamma oscillations was accompanied by impaired behavioral performance in the novel object recognition test, whereas other forms of memory, including working memory and fear conditioning, remained unchanged. These results support a key role for gamma oscillations in recognition memory. Both EEG alterations and behavioral deficits in novel object recognition were reversed by suppression of tetanus toxin expression. These data reveal an unexpected role for astrocytes as essential contributors to information processing and cognitive behavior.
