長期以來，神經(jīng)科學研究多聚焦于大腦中電活動顯著的神經(jīng)元，但事實上，數(shù)量幾乎與神經(jīng)元相當?shù)摹靶切文z質細胞（astrocytes）”在腦功能中也扮演著不可或缺的角色。美國麻省理工學院（MIT）皮考爾學習與記憶研究所的一項新研究首次明確指出，星形膠質細胞對于維持神經(jīng)網(wǎng)絡信息編碼所需的化學環(huán)境具有關鍵作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當小鼠大腦視覺皮層中的星形膠質細胞失去合成一種名為GABA轉運蛋白3（Gat3）的能力后，盡管單個神經(jīng)元的活動影響不大，但整個神經(jīng)元群體對視覺信息的編碼能力卻明顯下降。這項研究于近日發(fā)表在《eLife》期刊上。

GABA失衡擾亂神經(jīng)元“團隊協(xié)作”

GABA是一種常見的抑制性神經(jīng)遞質，在調控神經(jīng)元放電和信息精確傳遞中起著重要作用。星形膠質細胞通過Gat3調控周圍環(huán)境中GABA的水平，以維持神經(jīng)系統(tǒng)的平衡。當研究人員用新開發(fā)的CRISPR/Cas9工具“MRCUTS”敲除小鼠視覺皮層中的Gat3后，神經(jīng)元被“泡”在了GABA過量的環(huán)境中。

盡管單個神經(jīng)元仍能響應圖像中的特定視覺特征（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，反應變得不穩(wěn)定，甚至在小鼠只看灰色屏幕時也更難自發(fā)活動。

“即使單個神經(jīng)元的變化不顯著，但當一百個神經(jīng)元都發(fā)生微小改變時，在整體層面就可能形成顯著影響?！痹撗芯抠Y深作者、MIT大腦與認知科學系Mriganka Sur教授表示。

深層分析揭示神經(jīng)元集體失調

為了進一步了解這些微妙影響，研究生樸智鎬（Jiho Park）運用統(tǒng)計建模和機器學習方法，對數(shù)百個神經(jīng)元的群體活動進行了深入分析。

使用廣義線性模型（GLM）分析神經(jīng)元間的協(xié)同活動后，研究團隊發(fā)現(xiàn)，缺失Gat3會削弱神經(jīng)元之間的“預測性”，也就是說，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（SVM）的“解碼器”來判斷神經(jīng)元群體所代表的信息時發(fā)現(xiàn)，正常情況下，隨著納入更多神經(jīng)元，解碼器對圖像內容的識別能力會提升；但在缺失Gat3的情況下，即便加入更多神經(jīng)元，解碼效果也無法改善，說明信息編碼能力遭受破壞。

研究團隊寫道：“這些解碼能力的下降表明，星形膠質細胞通過調節(jié)GABA水平，對組織神經(jīng)元群體的協(xié)調活動至關重要，而這種協(xié)調正是大腦有效編碼信息的基礎?！?/p>

有望解釋多種神經(jīng)疾病機制

這項研究不僅推動了我們對星形膠質細胞功能的認識，也可能幫助解釋一些臨床現(xiàn)象。例如，在丘腦中Gat3表達下降會提高癲癇風險；在紋狀體中表達升高與重復性行為相關；在蒼白球中表達減少則會影響運動協(xié)調。

“這是首次在活體小鼠中，從單個細胞到神經(jīng)群體多個層面研究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Sur教授也指出，由于大腦中還有其他類似的GABA轉運蛋白（如Gat1），未來仍需進一步研究其互補機制。

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：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