研究人员已创建一份详细图谱，揭示星形胶质细胞在空间分布与时间演变中的动态多样性特征。
当谈及大脑功能时，神经元往往备受关注。 但健康的大脑依赖于多种细胞的协同合作。 作为大脑中最丰富的非神经元细胞，星形胶质细胞具有星形结构并承担多重职责：它们说明塑造神经回路、参与信息处理，并为神经元提供营养和代谢支援。 单个细胞在其生命周期中可能承担新角色，且在任何特定时刻，大脑某一区域的星形胶质细胞在形态和行为上均区别于其他区域的同类细胞。
经过麻省理工学院研究团队的深入分析，神经科学家现已获得一份详述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（两种重要的神经科学研究模型）大脑中星形胶质细胞的区域特化现象，并展示了其种群在大脑发育、成熟和衰老过程中的演变规律。
这项开放获取研究发表于11月20日的《神经元》期刊，由麻省理工学院脑与认知科学系詹姆斯· W·普瓦特拉斯教授冯国平领导。 研究获得麻省理工学院杨谭集体旗下的霍克· E·谭和K·丽莎·杨自闭症研究中心以及美国国立卫生研究院BRAIN计划的支援。
“我们必须重视非神经元细胞在健康与疾病中的作用，”
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冯国平表示。 他同时担任麻省理工学院麦戈文脑研究所副所长及自闭症研究中心主任。 事实上，这些曾被视为单纯支援角色的细胞近年来日益受到关注。 星形胶质细胞对大脑发育和功能至关重要，其功能障碍似乎与多种精神疾病和神经退行性疾病相关。 “但相比神经元，我们对其了解甚少——尤其在发育过程中，”冯国平补充道。
探索未知领域
冯国平与其实验室前博士生玛格丽特·施罗德认为，理解星形胶质细胞在空间、时间和物种三个维度的多样性至关重要。 此前与哈佛大学史蒂夫·麦卡洛实验室合作的研究（由芬娜·克里嫩主导）已证实：在成年动物中，大脑不同区域拥有特征鲜明的星形胶质细胞群。
“自然的问题是，星形胶质细胞的区域模式化从发育早期何时开始？” 施罗德指出。
为此，她与同事采集了小鼠和狨猴从胚胎发育到老年共六个生命阶段的脑细胞样本。 针对每只动物，他们选取了前额叶皮层、运动皮层、纹状体和丘脑四个不同脑区进行细胞取样。
随后，研究团队与现任普林斯顿大学助理教授的克里嫩合作，分析了这些细胞的分子成分，为每个细胞创建基因活性图谱。 该图谱基于细胞内基因的mRNA拷贝（即细胞转录组），通过确定细胞所用基因及其活性程度，研究人员得以洞察细胞功能并定义其身份特征。
动态多样性特征
在评估约140万个脑细胞的转录组后，研究团队聚焦于星形胶质细胞，分析并比较其基因表达模式。 从出生前到老年各生命阶段，团队均观察到区域特化现象：不同脑区的星形胶质细胞具有相似的基因表达模式，且与其他脑区的细胞显著不同。
这种区域特化在不同脑区星形胶质细胞的独特形态中同样显著。 研究团队借助麦戈文研究所同事爱德华·博伊登开发的扩展显微镜技术（一种可揭示精细细胞特征的高解析度成像方法）清晰观测到这一现象。
值得注意的是，各区域的星形胶质细胞随动物成熟而持续变化。 “在晚期胚胎阶段，星形胶质细胞已呈现区域模式化特征。 但与成年期图谱对比时，它们的特征完全再次转变，“施罗德解释道，”说明出生后发育过程中发生了重要变化。 “团队检测到的最显著变化发生在出生至青少年早期阶段——此时大脑正快速重构，动物开始与外界互动并从经验中学习。
冯国平与施罗德推测，观测到的变化
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可能由大脑成熟过程中不断塑形的神经回路驱动。 “我们认为这些细胞正在适应其局部神经元微环境，”施罗德指出，“它们在发育期间上调和改变的基因类型指向了与神经元的互动。 “冯国平补充道，星形胶质细胞可能根据邻近神经元调整基因程式，或通过采用最适合支援特定神经元的身份特征来引导局部神经回路的发育或功能。
小鼠和狨猴大脑均表现出星形胶质细胞的区域特化及种群随时间的变化。 但当研究人员分析定义各类星形胶质细胞种群的特定基因活性时，两物种的数据出现分歧。 施罗德强调，这对在动物模型中研究星形胶质细胞的科学家是一个警示，新图谱将说明研究者评估跨物种研究发现的潜在相关性。
突破星形胶质细胞研究
基于对星形胶质细胞多样性的新认知，冯国平表示其团队将重点关注这些细胞如何受疾病相关基因影响，以及这些影响在发育过程中的变化。 他同时指出，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的相互作用。 “这将真正指导未来实验：当神经元或星形胶质细胞发生变化时，这些细胞的相互作用如何转变，”他说。
冯国平实验室热切期待其他研究者充分利用其绘制图谱过程中产生的海量数据。 施罗德强调，团队分析了所研究脑区所有类型细胞的转录组，而不仅限于星形胶质细胞。 研究团队共用这些发现，旨在说明研究者理解特定基因在大脑中的时空表达规律，或更深入探索大脑细胞多样性。
