肖林:揭秘运动技能学习的神秘参与者

【字体: 时间:2016年07月28日 来源:生物通

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  经过多年的研究,科学家们发现神经元和神经环路的活动(可塑性)在运动学习的过程中起到了关键性的作用。然而,这并不是故事的全部——近期来自英国伦敦大学学院(UCL)的研究人员发现运动学习过程中还有另一个不为人知的重要神秘参与者:少突胶质细胞。

  

当你看到杂技演员或极限运动者们令人惊叹的精彩表演时,你可能不禁要问:神奇的大脑究竟是怎样赋予我们如此高超学习能力的呢?不仅专业人士如此,其实我们每个人从出生起就不断处在对各种运动技能的学习中,例如小时候的手抓东西,蹒跚走路,稍后的骑车,滚铁环,弹钢琴等等。

对这些技能,我们经常看到有人可以学得很快,而有人却学得慢,这又是为什么呢?科学家们一直试图找到答案,事实上,运动技能学习的神经机制,是长期以来吸引着众多神经科学家们的一个谜团。

经过多年的研究,科学家们发现神经元和神经环路的活动(可塑性)在运动学习的过程中起到了关键性的作用。然而,这并不是故事的全部——近期来自英国伦敦大学学院(UCL)的研究人员发现运动学习过程中还有另一个不为人知的重要神秘参与者:少突胶质细胞(oligodendrocyte)。

这一研究成果公布在7月25日的Nature Neuroscience杂志上,文章的通讯作者是伦敦大学学院,英国皇家学会院士William D Richardson教授,第一作者是上海第二军医大学副教授肖林博士。

什么是少突胶质细胞

少突胶质细胞是大脑的一种支持细胞,它们在神经系统的细胞通讯中起到了重要的作用。这种细胞为神经元的轴突提供髓鞘,起着支持、绝缘和营养作用,对维持电脉冲的快速和准确传递以及神经系统功能完整性十分重要。

肖林博士解释道,“在哺乳动物大脑中,神经元的数量仅占全部神经细胞的一小部分,而其余大部分都是胶质细胞。以人类为例,神经元只占约10%。少突胶质细胞是胶质细胞中比较特殊的一类,它负责形成中枢神经系统的髓鞘,而后者对神经信号的正常传导极为重要。”

少突胶质细胞由其未成熟前体细胞,即少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor cell, OPC,占所有神经细胞总数的约5%)分化而产生,而且这种生成过程在成年哺乳动物脑内持续存在,但人们其潜在的生理功能几乎一无所知。

少突胶质细胞:运动技能学习不可或缺的一环

为了了解其背后的机制,肖林等人利用了系列转基因小鼠,以达到时间和空间可控性的特异阻断大脑中少突胶质细胞的生成过程,并以“跑轮”的运动技能学习作为检测指标。

研究发现,一旦少突胶质细胞的新生过程被阻断,小鼠的该种学习能力即受到明显影响,而且这种相对正常小鼠“能力减弱”的差别在学习训练开始的2-3小时内就体现了出来。

更令人兴奋的是,他们还找到一种标记新生成的少突胶质细胞(区别于已有的“旧”的少突胶质细胞)的标记基因。利用这一标记物,肖林等人通过原位杂交实验发现:在运动学习开始的2.5小时内小鼠大脑的胼胝体部这种新生少突胶质细胞的数量即有明显的增加,而运动皮层则在4小时的时候亦可检测到该细胞的增加,这就表明少突胶质细胞的新生成直接参与了运动技能的学习。

文章作者之一,UCL的李会良博士认为,这一研究提示少突胶质细胞的新生与人们以往所知的神经元突触结构的可塑性均是运动学习过程中重要的早期神经事件,他们可能一起构成了运动学习的生物学基础,这将大大拓展人们对运动学习内在机制的认识。


(图注:少突胶质前体细胞在神经元和神经环路的放电活动下,启动分化过程,生成新的成熟少突胶质细胞,对相关轴突环路进行髓鞘化包裹,加速环路的神经传导,并对其起到支持和保护,促进特定学习所关联神经环路的稳固,从而在运动学习中起到积极的作用。)

此前,科学家曾利用弥散张量核磁共振的方法,对玩动作游戏的受试者进行全脑扫描,发现2小时内其大脑灰质和白质部分就可以检测到“微结构”的变化,这种变化原则上可以是神经突触的新生及神经元树突的精致化、星形胶质细胞形态学的改变、微血管的改变、以及髓鞘结构变化中的任何一种或几种,而这项研究支持的正是最后一种。

“当我们的大脑开启运动学的模式时,事实上,我们的神经元并不是一个人在战斗,它还有个得力的好兄弟,那就是少突胶质细胞!”,肖林博士不无风趣地说到。

作者简介:
肖林,男,湖南浏阳人,2002年毕业于第二军医大学临床医学系,2007年获理学博士学位,师从我国著名神经生理学家中国科学院院士陈宜张教授。2010年至今任第二军医大学神经科学研究所副教授,硕士生导师。2014至2016年间赴英国伦敦大学学院(UCL)英国皇家学会院士William D Richardson教授实验室从事博士后工作。长期聚焦少突胶质细胞(OPC)功能和相关神经疾病的研究。在《Science》等国际重要学术刊物发表SCI原始论著17篇,其中以第一和/或通讯作者在《Nat. Neurosci.》、《Glia》,《J Biol Chem》,《Mol.Endocrinol》,《Endocrinology》等杂志发表论文10篇,论文总计已被他引376次。曾获得上海市优秀博士学位论文奖、中国神经科学学会GSK-神经科学“明日之星”奖、中国生理学会第十一届张锡均全国生理学青年优秀论文奖、上海市科技进步二等奖等。被评为第二军医大学优秀青年学者,入选上海市“青年科技启明星”计划(A类)以及解放军总后勤部优秀“青年科技人才扶持对象”。常用邮箱:liuyangxiaolin@aliyun.com.

原文摘要:

Rapid production of new oligodendrocytes is required in the earliest stages of motor-skill learning

We identified mRNA encoding the ecto-enzyme Enpp6 as a marker of newly forming oligodendrocytes, and used Enpp6 in situ hybridization to track oligodendrocyte differentiation in adult mice as they learned a motor skill (running on a wheel with unevenly spaced rungs). Within just 2.5 h of exposure to the complex wheel, production of Enpp6-expressing immature oligodendrocytes was accelerated in subcortical white matter; within 4 h, it was accelerated in motor cortex. Conditional deletion of myelin regulatory factor (Myrf) in oligodendrocyte precursors blocked formation of new Enpp6+ oligodendrocytes and impaired learning within the same ~2−3 h time frame. This very early requirement for oligodendrocytes suggests a direct and active role in learning, closely linked to synaptic strengthening. Running performance of normal mice continued to improve over the following week accompanied by secondary waves of oligodendrocyte precursor proliferation and differentiation. We concluded that new oligodendrocytes contribute to both early and late stages of motor skill learning.



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