美國大腦研究計劃忽略神經膠質引發爭議

　　近日，Nature刊登了NIH神經系統發育和可塑性部主任R. Douglas Fields的評論文章Neuroscience: Map the other brain。該文章重點指出，美國的大腦圖譜計劃可能過分強調神經元的描述，忽視大腦內膠質細胞重要作用，這或許導致該計劃最終難以產生預期的效益。

　　大腦研究計劃是美國總統奧巴馬在今年4月宣布啟動的，其目的是進行人類和實驗動物大腦精細圖譜和神經連接功能的分析。但是自該計劃被提出后，許多學者提出了自己的疑慮，因為繪制腦圖要比人類基因組計劃的復雜程度高得多，而且該計劃所具有實用性也不夠確定。

　　Douglas認為探索神經網絡并開發相應的研究技術具有重要的意義，應當大力支持。但簡單對神經連接并不能從實質上解決該計劃承諾解決的問題，例如理解感知、意識、記憶的機理，以及開發出治療癲癇、抑郁癥和精神分裂癥的方法。

　　可能導致該計劃失敗的一個巨大的絆腳石就是研究計劃設定時沒有考慮到除1000億神經細胞外的更多不直接參與電活動的神經膠質。這些神經膠質分布在神經連接體周圍，一般記錄神經細胞電活動的手段很難對這些細胞活動進行有效記錄。這類細胞自從19世紀中葉被視為結締組織而發現后，在人類嘗試理解神經信號傳遞的過程中，它們的功能一直被忽視。

　　許多研究發現膠質細胞可以感受到神經電活動并對神經電活動產生影響，并參與調節學習記憶等各種重要的神經系統功能。在腦損傷和疾病中，膠質細胞甚至起到核心作用，例如精神分裂癥和老年性癡呆，而在過去，傳統認為這些疾病源于神經細胞的功能衰退。而“膠質細胞(Glia)”這個詞在奧巴馬的腦研究計劃公告中根本沒有出現，在2012年和2013年重要期刊上發表的白皮書中也沒有蹤影。這意味著神經科學家需要拓展研究思路，加深對研究舉措的思考。

　　神經膠質的巨大作用

　　大腦內主要含有三種類型的膠質細胞，包括少突膠質細胞、小膠質細胞和星形膠質細胞。這些細胞的作用是通過化學遞質、縫隙連接、離子通道與神經細胞進行離子和小分子的相互傳遞。

　　少突膠質細胞構成包圍在神經軸突周圍的神經髓鞘，髓鞘的絕緣作用可以極大地加快神經電活動傳遞速度，是神經正常發揮其功能的重要保障。

　　早在幾十年前，生物學家們就已經認識了小膠質細胞。它是大腦的免疫細胞，對大腦的感染創傷產生反應，可清除因疾病導致的受傷組織，也可釋放一些可促進神經修復的物質。但是，去年的一項動物實驗研究發現，小膠質細胞對正常視覺神經突觸的發育和功能重建也發揮著重要的作用，但取決于動物出生不久時的視覺經歷。

　　此外，多項研究已表明，星形膠質細胞通過影響細胞外鉀離子濃度調節神經電活動傳遞，也可以對局部血流量、神經遞質和神經調質、營養物質傳遞和細胞間的體積產生調節作用。這些功能都可以影響神經系統的通訊和可塑性。

　　在今年2月在弗吉尼亞州阿靈頓舉行的關于膠質細胞生物學研討會上，神經元可塑性和計算神經科學領域的專家聚集在一起，經過討論，大部分學者一致認為和神經電活動的快速反應不同，膠質細胞由于其復雜的分支結構及化學信號(相對于電信號)的變化相對緩慢，而這種相對緩慢的變化可能恰恰是許多重要神經系統功能如學習記憶等所必須的，而這一過程通常需要幾小時、幾天甚至幾周，而不是幾毫秒或幾秒。

　　一些開創性的研究甚至能夠瞥見膠質細胞可塑性和信息處理機制。舉例來說，已有研究小組在致力于體外環境條件下，軸突的脈沖流量通過神經膠質控制其髓鞘形成的相關研究。因為髓鞘能夠決定電氣信號通過軸突時的速度，因此這就決定了在同一時間一個神經元可以輸入的信息量，這一過程就是學習和神經元可塑性的基礎。當人們在電腦游戲中學習到新的技能時，他們的大腦會發生相應的變化。

　　科學家表示他們才剛剛開始了解星形膠質細胞的多樣性、連通性和功能性。一些研究表明，星形膠質細胞具有加強大腦信息處理高階組織的解剖和生理特性。在灰質的大腦皮質和海馬，星形膠質的組織沒有重疊。這樣的組織形式的生理學意義目前仍然是未知的，但一個人的星形膠質可以涵蓋并影響兩萬個突觸。其實，人的星形膠質細胞明顯不同于其他動物。在一系列的測試中，用人類星形膠質細胞取代老鼠的星形膠質細胞，老鼠具有了更強的學習能力。

　　神經科學家們已經知道神經膠質會導致某些疾病。大腦內幾乎所有的癌變都起源于神經膠質;多發性硬化的關鍵問題就是少突膠質細胞受損;HIV相關的神經系統疾病中，愛滋病病毒可感染星形膠質細胞和小膠質細胞，而不感染神經細胞;許多神經性疾病，現在也涉及神經膠質細胞，如自閉癥、運動神經元側索硬化癥、早老性癡呆、慢性疼都和膠質細胞關系十分密切;另外這同樣適用于其它各種發育和精神疾病如精神分裂癥、抑郁癥和強迫癥。

　　神經膠質不可忽略

　　測繪和監測整個人類大腦皮層所需要的資金支持可以與人類基因組計劃相媲美：38億美元。如果公眾不能理解這項研究的好處或者成本不現實，他們是不會支持這樣一個需要重大資金支出的科研項目。通過1993年美國國會取消了數十億美元的建立超導對撞機項目就可以看得出來。

　　很少有人認為我們有必要了解人類大腦。大腦是人體最大的不解之謎，智障、腦腫瘤、脊髓損傷、老年癡呆癥和精神疾病幾乎存在于每個人的周圍。但目前看來，大腦研究計劃有失敗的風險——無論是科學還是公眾支持方面。

　　今年6月在紐約舉行的世界科學節，一位與會者堅持認為，神經膠質的相關信息將是神經元映射和跟蹤記錄神經元連接技術開發的副產品。利用新的方法如電壓敏感染料或納米顆粒來監測神經元的電信號，對于了解不使用電脈沖的神經元不會有多大的用處。正是這種觀點使得人們一直以來對于神經膠質都不甚了解。

　　此外，研究項目將神經膠質細胞排除在外更凸顯了一個常規性的問題：多次測量足夠數量的神經元才能揭開神經元產生的“意外”的神秘面紗并治愈疾病，而不是簡單地“每次測量一個神經元”。更好的理解和新的治療方法需要正確假說的導向。

　　在腦映射過程中，第一要務是調查未知的領域。我們所了解的只是大腦奧秘的一半，大腦研究計劃很可能擴展到這一陌生領域。“大腦”探索必須與神經膠質一起研究，而不能把神經膠質研究當做是一種副產品。