本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
本期《科学》（11月5日）杂志标志着大脑研究的一个转折点。这一事件令人着迷，不仅在于关于大脑如何运作以及精神和神经疾病如何导致大脑功能失常的大量新信息，而且同样作为科学领域改变方向的罕见展示。这种转变是科学史的传统，但我们很少有机会实时见证如此关键的时刻。
《科学》杂志是一本涵盖所有科学领域的顶尖国际期刊，本期包含关于神经胶质细胞的特别部分。与神经元相反，神经胶质细胞是不产生电脉冲的脑细胞，而且它们有很多——占大脑细胞的 85%。然而，这些细胞在 100 年来一直被严重忽视。我称神经科学的这个新领域为“另一个大脑”，因为我们现在才开始探索它。新的发现正在扩大我们对大脑信息处理的概念。它们正在迅速导致治疗从脊髓损伤到脑癌再到慢性疼痛和阿尔茨海默病等疾病的新方法。而且它们正在颠覆一个世纪以来关于大脑如何在最基本层面运作的传统思维。
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过去，人们认为神经胶质细胞是支持神经元的；喂养它们，清理它们，并应对脑损伤。但这些功能被认为是次要的，与神经元在处理信息和存储记忆方面所执行的令人兴奋的功能相比。因此，在竞争激烈的有限大脑研究资助中，对神经胶质细胞的研究进展不佳。神经科学家没有接受过神经胶质细胞科学的培训，而且标准教科书对神经胶质细胞的介绍即使有也只是肤浅的。主要期刊的编辑并不十分了解这些奇怪且非常复杂的大脑细胞。结果，关于神经胶质细胞的研究很少在高影响力的科学期刊上发表。这些因素拖累了神经胶质细胞研究人员数十年。现在，这一切都在发生变化。
神经胶质细胞的功能可以大致分为三个主要类别，四种非常不同的神经胶质细胞服务于这些不同的功能。星形胶质细胞之所以得名，是因为它们的形状让早期的解剖学家想起了星星，它们填充了神经元之间的空间。星形胶质细胞为神经元提供能量来源；它们将神经元周围的化学环境维持在神经元生存、发射电脉冲以及在突触处进行交流所需的狭窄范围内。
小胶质细胞是大脑的免疫细胞。大脑与身体其他部位的液体隔离，因为必须维持大脑组织内的独特环境。大脑和血液之间的屏障由大脑血管壁上的细胞形成，这阻止了血液和大脑之间物质和细胞的自由扩散。然而，这种屏障也阻止了保护全身的血液中的免疫细胞进入大脑。小胶质细胞是大脑的私人细胞守卫细胞，寻找并杀死细菌，并在损伤后修复大脑。因此，小胶质细胞参与神经系统疾病和修复的各个方面。
神经胶质细胞的第三个重要功能是在神经纤维（轴突）上形成电绝缘，这对于高速传输电脉冲至关重要。这种称为髓鞘的绝缘的重要性在患有多发性硬化症的人身上可以清楚地看到，多发性硬化症是一种攻击轴突髓鞘的自身免疫性疾病，这使得这些人在感觉和运动功能方面存在严重的障碍。在大脑和脊髓内部，类似于细胞章鱼的神经胶质细胞将多达 150 层压实膜包裹在轴突周围，很像电工胶带。大脑的核心——一半的体积——由数百万个用髓鞘绝缘的紧密捆绑的轴突组成。这个大脑区域被称为“白质”，因为髓鞘的颜色使这个大脑组织呈现白色。尽管过去人们对其不感兴趣，但白质是学习研究的最新领域。在身体的其他部位，称为施万细胞的神经胶质细胞，类似于串在轴突上的扁平珍珠，形成这种至关重要的绝缘层。
我在本期杂志上的文章解释了关于大脑中白质的思维方式的巨大变化。传统上，髓鞘主要引起那些关注脱髓鞘疾病的人的兴趣，但新的脑成像研究和细胞研究表明，髓鞘化的神经胶质细胞可以感知轴突中的电活动，这表明白质在学习过程中会发生变化。髓鞘的形成可以受到电脉冲活动的影响，从而受到经验的影响。当裸轴突被髓鞘化时，通过纤维的脉冲传输速度大约会增加 50 倍。传输速度的增加将对该神经回路中的信息处理产生深远的影响。关于人类大脑的一个显着之处是，它会继续在儿童期、青春期形成髓鞘，并在成年早期以较慢的速度形成。50 岁以后，髓鞘开始流失，这与随着年龄增长而导致的认知功能逐渐下降平行。这项新研究正在扩大关于学习机制的思考，超越突触，包括通过参与执行复杂认知功能的整个网络传输信息。大脑成像显示，在学习新技能后，白质会发生变化，从玩电脑游戏、高尔夫到阅读、杂耍、弹钢琴，并且正在确定来自轴突的分子信号，这些信号控制髓鞘的生长和形成以响应电脉冲活动。
澳大利亚墨尔本弗洛里神经科学研究所的本·埃默里（Ben Emery）的文章总结了关于控制少突胶质细胞和髓鞘发育机制的已知信息。来自环境的化学信号和内部控制都调节着少突胶质细胞从不成熟的“祖细胞”的发育。这些少突胶质细胞祖细胞（OPC）引起了人们的强烈兴趣，因为新的研究表明，在适当的条件下，它们不仅可以转化为成熟的少突胶质细胞，还可以转化为星形胶质细胞和神经元。这些细胞现在正在实验研究中移植到脊髓损伤患者体内以治愈瘫痪。最令人感兴趣的是，神经元在这些细胞上形成突触，原因尚不清楚。一个正在积极探索的可能性是突触交流可以指导这些细胞形成髓鞘，尽管目前还没有证据表明这一点。（此外，我实验室刚刚在 10 月 5 日出版的《科学信号》杂志上发表的研究揭示了轴突在没有突触的情况下释放神经递质的新机制。这对于与远离突触的髓鞘化神经胶质细胞进行交流尤为重要。）埃默里认为，未来的主要挑战是将我们的新知识转化为治疗多发性硬化症等疾病的新疗法。
澳大利亚悉尼大学的曼努埃尔·格雷伯（Manuel Graeber）回顾了小胶质细胞如何感知和应对大脑中的威胁，以及它们如何参与慢性疼痛。回顾了小胶质细胞在阿尔茨海默病中的作用以及它们对突触活动的积极监测。神经胶质细胞在疾病期间重塑大脑的这些功能表明，它们可能在健康的大脑中对神经回路进行类似的重塑。研究开始表明，小胶质细胞可以拔掉突触，并且它们参与心理障碍，例如慢性抑郁症。
第三篇文章是马萨诸塞大学的马克·弗里曼（Marc Freeman）关于星形胶质细胞的文章。这篇文章回顾了星形胶质细胞在形成突触和改变其强度方面的作用，以及星形胶质细胞如何相互之间以及与神经元进行交流。他认为，我们才刚刚开始了解星形胶质细胞如何发育、生长、改变形态以及对神经元作出反应。然而，星形胶质细胞确实可以通过化学信号相互交流。可以使用感应细胞内钙水平的荧光染料来观察这种信号传导。星形胶质细胞具有神经递质的受体，使它们能够对神经元在突触处释放的神经递质作出反应。星形胶质细胞可以与其他星形胶质细胞进行交流，并且它们会释放或吸收来自远端突触的神经递质，以控制神经元之间的信息传输。星形胶质细胞在控制突触神经递质水平方面的活动表明它们与精神疾病有关。所有治疗精神疾病的药物都是通过控制不同神经递质的水平起作用的，但这正是星形胶质细胞的正常工作。
脑科学的新维度正在展开，随着神经科学家开始探索它，他们正在获得对大脑的新理解。与此同时，神经科学家正在重新学习关于科学如何通过适合和时尚而进步的古老教训，并且我们的无意识偏见可能会误导“专家”，直到最终新的实验数据指明方向。
图片：星形胶质细胞显示为红色，OPC 显示为绿色，神经元显示为蓝色。这些细胞取自大鼠海马体并在培养中生长。图片来源：乔纳森·科恩博士，NICHD
参考文献:
Emery, B. (2010) 少突胶质细胞分化和髓鞘形成的调节。科学 330: 779-782。
Fields, R.D. (2010) 大脑白质的变化。科学 330: 768-769。
Fields, R.D. 和 Ni, Y. (2010) 通过轴突中体积激活的阴离子通道释放 ATP 实现的非突触交流。科学信号 3: ra73。
Freeman, M.R. (2010) 星形胶质细胞的规格和形态发生。科学 330:774-778。
Graeber, M.B. (2010) 小胶质细胞的变脸。科学 330:783-788。
其他资源
Fields, R.D. 另一个大脑，由西蒙和舒斯特出版社出版，2010 年。第一本关于神经胶质细胞的面向大众的书籍。 http://theotherbrainbook.com
Fields RD (2004) 大脑的另一半。大众科学 290: 54-61。
Fields RD (2008) 白质很重要。大众科学 298: 42-49。
Fields RD (2009) 慢性疼痛的新罪魁祸首。大众科学 301: 50-57。
Fields, R.D. 观看大脑学习，大众科学博客：https://sciam.cn/article.cfm?id=watching-the-brain-learn
神经胶质细胞，另一种脑细胞。大脑简报，2010 年 9 月。神经科学学会：http://www.sfn.org/index.aspx?pagename=brainBriefings_10_glia
关于作者
R.道格拉斯·菲尔兹博士是美国国家儿童健康和人类发育研究所神经系统发育和可塑性部门的主任，以及马里兰大学帕克分校的兼职教授。菲尔兹曾在斯坦福大学、耶鲁大学和美国国立卫生研究院进行博士后研究，是《神经元神经胶质生物学》杂志的主编，也是神经科学领域其他几家期刊的编辑委员会成员。他是新书 另一个大脑（西蒙和舒斯特出版社）的作者，该书是关于大脑中不使用电力进行交流的细胞（神经胶质细胞）的。他的爱好包括制作吉他、登山和潜水。他住在马里兰州银泉市。
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