長(zhǎng)期以來(lái)，神經(jīng)科學(xué)研究多聚焦于大腦中電活動(dòng)顯著的神經(jīng)元，但事實(shí)上，數(shù)量幾乎與神經(jīng)元相當(dāng)?shù)摹靶切文z質(zhì)細(xì)胞（astrocytes）”在腦功能中也扮演著不可或缺的角色。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所的一項(xiàng)新研究首次明確指出，星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)于維持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息編碼所需的化學(xué)環(huán)境具有關(guān)鍵作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠大腦視覺(jué)皮層中的星形膠質(zhì)細(xì)胞失去合成一種名為GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白3（Gat3）的能力后，盡管單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)影響不大，但整個(gè)神經(jīng)元群體對(duì)視覺(jué)信息的編碼能力卻明顯下降。這項(xiàng)研究于近日發(fā)表在《eLife》期刊上。

GABA失衡擾亂神經(jīng)元“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”

GABA是一種常見(jiàn)的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，在調(diào)控神經(jīng)元放電和信息精確傳遞中起著重要作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)Gat3調(diào)控周圍環(huán)境中GABA的水平，以維持神經(jīng)系統(tǒng)的平衡。當(dāng)研究人員用新開(kāi)發(fā)的CRISPR/Cas9工具“MRCUTS”敲除小鼠視覺(jué)皮層中的Gat3后，神經(jīng)元被“泡”在了GABA過(guò)量的環(huán)境中。

盡管單個(gè)神經(jīng)元仍能響應(yīng)圖像中的特定視覺(jué)特征（如線條方向），但研究人員發(fā)現(xiàn)，這種高GABA環(huán)境下，神經(jīng)元整體的激活頻率降低，反應(yīng)變得不穩(wěn)定，甚至在小鼠只看灰色屏幕時(shí)也更難自發(fā)活動(dòng)。

“即使單個(gè)神經(jīng)元的變化不顯著，但當(dāng)一百個(gè)神經(jīng)元都發(fā)生微小改變時(shí)，在整體層面就可能形成顯著影響?！痹撗芯抠Y深作者、MIT大腦與認(rèn)知科學(xué)系Mriganka Sur教授表示。

深層分析揭示神經(jīng)元集體失調(diào)

為了進(jìn)一步了解這些微妙影響，研究生樸智鎬（Jiho Park）運(yùn)用統(tǒng)計(jì)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的群體活動(dòng)進(jìn)行了深入分析。

使用廣義線性模型（GLM）分析神經(jīng)元間的協(xié)同活動(dòng)后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，缺失Gat3會(huì)削弱神經(jīng)元之間的“預(yù)測(cè)性”，也就是說(shuō)，它們之間的協(xié)同配合受到了干擾。

此外，利用基于支持向量機(jī)（SVM）的“解碼器”來(lái)判斷神經(jīng)元群體所代表的信息時(shí)發(fā)現(xiàn)，正常情況下，隨著納入更多神經(jīng)元，解碼器對(duì)圖像內(nèi)容的識(shí)別能力會(huì)提升；但在缺失Gat3的情況下，即便加入更多神經(jīng)元，解碼效果也無(wú)法改善，說(shuō)明信息編碼能力遭受破壞。

研究團(tuán)隊(duì)寫(xiě)道：“這些解碼能力的下降表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)GABA水平，對(duì)組織神經(jīng)元群體的協(xié)調(diào)活動(dòng)至關(guān)重要，而這種協(xié)調(diào)正是大腦有效編碼信息的基礎(chǔ)?！?/p>

有望解釋多種神經(jīng)疾病機(jī)制

這項(xiàng)研究不僅推動(dòng)了我們對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的認(rèn)識(shí)，也可能幫助解釋一些臨床現(xiàn)象。例如，在丘腦中Gat3表達(dá)下降會(huì)提高癲癇風(fēng)險(xiǎn)；在紋狀體中表達(dá)升高與重復(fù)性行為相關(guān)；在蒼白球中表達(dá)減少則會(huì)影響運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。

“這是首次在活體小鼠中，從單個(gè)細(xì)胞到神經(jīng)群體多個(gè)層面研究Gat3的功能，有望為解釋上述臨床表型提供新線索?！睒阒擎€表示。不過(guò)Sur教授也指出，由于大腦中還有其他類似的GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如Gat1），未來(lái)仍需進(jìn)一步研究其互補(bǔ)機(jī)制。

本研究由MIT皮考爾研究所牽頭完成，作者還包括Grayson Sipe、Xin Tang、Prachi Ojha、Giselle Fernandes、Yi Ning Leow、Caroline Zhang、Yuma Osako、Arundhati Natesan、Gabrielle Drummond 和 Rudolf Jaenisch。

參考文獻(xiàn)：Jiho Park et al, Astrocytic modulation of population encoding in mouse visual cortex via GABA transporter 3 revealed by multiplexed CRISPR/Cas9 gene editing,?eLife?(2025).?DOI: 10.7554/eLife.107298.1

編輯：王洪

排版：李麗