小脑浦肯野细胞突触周围星形胶质细胞过程的超微结构特征：静息与刺激状态下的动态重塑

本期推荐：神经科学领域突破性发现

　　

在神经科学领域，突触周围星形胶质细胞的动态行为一直是理解脑功能调控的关键谜题。传统观点将突触视为仅由突触前膜和突触后膜组成的"二元结构"，但近年研究发现星形胶质细胞过程(PAP)与突触的密切接触形成了"三方突触(tripartite synapse)"。这种特殊结构在小脑浦肯野细胞中表现得尤为典型——其树突棘几乎被Bergmann胶质细胞（小脑特有的星形胶质细胞）完全包裹。然而，这种独特结构在神经活动中的动态变化规律及其功能意义尚不明确。

美国国立卫生研究院神经疾病与卒中研究所电子显微镜中心的Jung-Hwa Tao-Cheng团队在《Molecular Brain》发表的重要研究，通过精巧的灌注固定时间控制（快速固定保持静息状态 vs 延迟5-8分钟固定诱导刺激状态），结合高分辨率透射电镜技术，首次系统揭示了小脑浦肯野细胞突触周围星形胶质细胞过程的三类超微结构特征及其活动依赖性变化。研究发现，在神经刺激条件下，星形胶质细胞会主动延伸覆盖突触后致密区(PSD)，同时突触前终末显著延伸包裹树突棘，这些结构变化可能协同增强谷氨酸转运体(EAAT)的摄取效率，为理解小脑特异性神经保护机制提供了新的形态学基础。

研究采用了两项关键技术方法：一是通过精确控制心脏灌注固定时间（<100秒定义为静息状态，延迟5-8分钟灌注模拟刺激状态），在六只成年雄性小鼠小脑分子层中获取不同神经活动状态的样本；二是运用JEOL 1200 EX透射电镜在40,000倍放大下系统分析浦肯野细胞树突棘突触的超微结构，重点测量三类PAP的分布频率及接触长度等参数，并与海马CA1区进行对比研究。

研究结果部分首先通过"静息状态下浦肯野细胞突触周围星形胶质细胞过程的超微结构特征"揭示了小脑突触的独特性：与海马区不同，浦肯野细胞树突棘呈葡萄状且完全被Bergmann胶质细胞包裹，每个薄切片都能清晰显示"三方突触"结构。电镜图像定量分析将PAP分为三型：Type 1（胶质过程紧贴突触间隙边缘，占静息状态的58%）、Type 2（胶质覆盖含PSD的突触后膜，占14%）和Type 3（胶质远离活动区而突触前终末延伸包裹，占28%）。

在"刺激条件下PAP的结构变化"部分，延迟固定导致三类PAP发生显著重组：Type 1频率骤降至25%，Type 2增至31%且覆盖PSD的长度从41nm增至57nm，Type 3频率升至43%且突触前终末包裹长度从98nm激增至209nm。特别值得注意的是，约11.6%的浦肯野细胞突触在单切片中显示突触前终末完全包裹树突棘的现象，这在海马区仅见1.1%。

"突触前终末包裹浦肯野细胞的现象"部分展示的系列电镜图像证实，刺激状态下突触前终末会显著延伸形成鞘状结构包裹树突棘。这种独特的"轴突包裹"现象可能通过突触前膜上的谷氨酸转运体(EAAT2)实现局部谷氨酸回收，与星形胶质细胞的EAAT1/2及突触后膜的EAAT4形成三重清除系统。

讨论部分指出，小脑浦肯野细胞突触通过两种互补机制应对神经刺激：一是Type 2 PAP插入"开放裂隙(open cleft)"直接覆盖暴露的PSD，物理阻隔谷氨酸与受体结合；二是Type 3伴随突触前终末延伸包裹，可能通过轴突膜上的EAAT2增强谷氨酸摄取。这种独特的"完全包裹"架构与小脑富含的EAAT4共同构成高效的谷氨酸清除网络，解释了为何小脑比海马等脑区更耐受兴奋毒性损伤。

该研究的创新价值在于：首次建立了小脑"三方突触"的动态结构分类体系；揭示了神经活动可同时触发胶质和轴突两种结构的协同重塑；为理解不同脑区突触微环境的特异性提供了超微结构基础。未来研究可进一步通过三维重构技术明确这些结构变化的时空关系，并探索Bergmann胶质细胞与平行纤维终末的交互作用机制。这些发现不仅深化了对突触可塑性的认识，也为小脑相关神经系统疾病的治疗策略开发提供了新思路。