星形胶质细胞跨越时空的多样性

一份新的图谱绘制了小鼠和狨猴大脑中一种有影响的细胞类型的多样性。

　　

当涉及到大脑功能时，神经元得到了很多荣誉。但健康的大脑依赖于多种细胞的合作。大脑中最丰富的非神经元细胞是星形胶质细胞，这是一种星形细胞，具有许多功能。星形胶质细胞帮助形成神经回路，参与信息处理，并为神经元提供营养和代谢支持。单个细胞在其一生中可以承担新的角色，在任何给定的时间，大脑某个部位的星形胶质细胞的外观和行为都与其他部位的星形胶质细胞不同。

经过麻省理工学院研究人员的广泛分析，神经科学家现在有了一个详细描述星形胶质细胞动态多样性的图谱。它的地图描绘了老鼠和狨猴大脑中星形胶质细胞的区域特化——这是神经科学研究的两种强大模型——并展示了它们的数量如何随着大脑发育、成熟和衰老而变化。

这项开放获取的研究报告发表在11月20日的《神经元》杂志上，由麻省理工学院James W.（1963）和Patricia T. Poitras脑与认知科学教授Guoping Feng领导。这项工作得到了Hock E. Tan和K. Lisa Yang自闭症研究中心的支持，该中心是麻省理工学院Yang Tan集体的一部分，以及美国国立卫生研究院的BRAIN倡议。

“对我们来说，关注非神经元细胞在健康和疾病中的作用真的很重要，”Feng说，他也是麦戈文大脑研究所的副主任，也是麻省理工学院Hock E. Tan和K. Lisa Yang自闭症研究中心的主任。事实上，这些细胞——曾经被视为仅仅是配角——近年来获得了更多的关注。星形胶质细胞在大脑发育和功能中起着至关重要的作用，它们的功能障碍似乎与许多精神疾病和神经退行性疾病有关。“但与神经元相比，我们知道的要少得多——尤其是在发育过程中，”Feng补充道。

探索未知

Feng和他实验室的前研究生玛格丽特·施罗德（Margaret Schroeder）认为，了解星形胶质细胞在三个轴上的多样性是很重要的：空间、时间和物种。他们从实验室早期的工作中了解到，在成年动物大脑的不同部位有不同的星形胶质细胞组，这些工作是与哈佛大学史蒂夫·麦卡罗尔的实验室合作完成的，由芬纳·克里南领导他的小组。

“自然的问题是，我们认为星形胶质细胞的区域模式是在多早的发育阶段开始的？”Schroeder说。

为了找到答案，她和她的同事收集了小鼠和狨猴生命的六个阶段的脑细胞，从胚胎发育到老年。对于每只动物，他们从四个不同的大脑区域取样细胞：前额叶皮层、运动皮层、纹状体和丘脑。

然后，他们与Krienen（现在是普林斯顿大学的助理教授）合作，分析了这些细胞的分子含量，为每个细胞创建了基因活动的概况。该图谱是基于在细胞内发现的基因的mRNA拷贝，这些基因被统称为细胞的转录组。确定一个细胞正在使用哪些基因，以及这些基因的活跃程度，可以让研究人员深入了解细胞的功能，也是确定细胞身份的一种方法。

动态多样性

在评估了大约140万个脑细胞的转录组后，研究小组将重点放在星形胶质细胞上，分析和比较它们的基因表达模式。在生命的每个阶段，从出生前到老年，研究小组发现了区域特化：来自不同大脑区域的星形胶质细胞具有相似的基因表达模式，这与大脑其他区域的星形胶质细胞不同。

这种区域特化在大脑不同部位星形胶质细胞的不同形状上也很明显，研究小组可以用扩展显微镜看到这一点，这是一种由麦戈文同事爱德华·博伊登开发的高分辨率成像方法，可以揭示精细的细胞特征。

值得注意的是，随着动物的成熟，每个区域的星形胶质细胞都发生了变化。“当我们观察胚胎后期的时间点时，星形胶质细胞已经形成了区域模式。但当我们将其与成人档案进行比较时，他们又完全改变了，”Schroeder说。“所以在出生后的发育过程中发生了一些事情。”研究小组发现，最显著的变化发生在出生到青春期早期，在这段时间里，动物开始与世界互动，并从自己的经验中学习，大脑会迅速重组。

Feng和Schroeder怀疑，他们观察到的变化可能是由随着大脑成熟而被塑造和完善的神经回路驱动的。Schroeder说：“我们认为它们正在做的是适应当地的神经龛。它们在发育过程中上调和改变的基因类型表明它们与神经元的相互作用。”Feng补充说，星形胶质细胞可能会改变它们的遗传程序，以响应附近的神经元，或者，它们可能会帮助指导局部电路的发育或功能，因为它们采用最适合支持特定神经元的身份。

小鼠和狨猴的大脑都表现出星形胶质细胞的区域特化以及这些群体随时间的变化。但是，当研究人员观察特定的基因时，这些基因的活性决定了不同的星形胶质细胞群，来自这两个物种的数据出现了分歧。施罗德称这是对在动物模型中研究星形胶质细胞的科学家的一个警告，并补充说，新的图谱将帮助研究人员评估跨物种发现的潜在相关性。

除了星形胶质细胞

Feng说，随着对星形胶质细胞多样性的新认识，他的团队将密切关注这些细胞如何受到他们所研究的疾病相关基因的影响，以及这些影响在发育过程中如何变化。他还指出，图谱中的基因表达数据可用于预测星形胶质细胞和神经元之间的相互作用。他说：“这将真正指导未来的实验：这些细胞的相互作用如何随着神经元或星形胶质细胞的变化而改变。”

Feng实验室渴望其他研究人员利用他们在制作地图集时产生的大量数据。Schroeder指出，研究小组分析了他们所研究的大脑区域中各种细胞的转录组，而不仅仅是星形胶质细胞。他们正在分享他们的发现，以便研究人员可以利用它们来了解特定基因在大脑中的使用时间和位置，或者更深入地挖掘以进一步探索大脑的细胞多样性。