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索尔克研究所的新研究表明，小有名气的被称为星形胶质细胞的大脑支持细胞，实际上可能是控制伽马振荡和记忆的主要参与者。 |
当你期待的东西——比如你在餐厅点餐——或者引发你兴趣的东西，这时独特的电节律就会席卷你的大脑。这些电波被称为伽马振荡，它们反映了细胞的交响曲，即兴奋性和抑制性相互协调。尽管γ波的作用一直有争论，但其已与更高级别的脑功能相关联，以及它的干扰模式已与精神分裂症，阿尔茨海默氏病，自闭症，癫痫症和其它疾病有关。
现在，索尔克研究所的新研究表明，小有名气的被称为星形胶质细胞的大脑支持细胞，实际上可能是控制这些电波的主要参与者。相关文章发表于2014年7月28日的《PNAS》杂志上。
索尔克研究人员报告了新的，意想不到的策略(通过禁用星形胶质细胞而不是神经元)减小伽马振荡。在这个过程中，研究组表明，星形胶质细胞有助于伽马振荡形成，这对于某些形式的记忆是至关重要的。
“这可以被称为一个确凿的证据，”合作者Terrence Sejnowski说。他是索尔克生物科学研究所计算神经生物学实验室的负责人和霍华德休斯医学研究所的研究员。“有数百篇论文认为伽马振荡和记忆力以及注意力有关。这是首次，我们已经能够做一个因果的实验。通过选择性地阻断伽马振荡，研究表明，它对大脑与世界如何相互作用有一个非常具体的影响。”
索尔克研究所的Sejnowski教授，Inder Verma和斯蒂芬·海涅曼实验室合作， 在小鼠的大脑中，星形胶质细胞钙信号的活动形式紧跟在伽马振荡之前。这表明，星形胶质细胞，和神经元一样，使用许多相同的化学信号影响这些振荡。
为了验证他们的理论，该研究组使用携带破伤风毒素的病毒禁止星形胶质细胞选择性释放化学物质的能力，有效地消除了细胞与邻近细胞的沟通能力。神经细胞不受毒素的影响。
添加化学物质引发动物大脑的伽马波后，研究人员发现，携带有缺陷的星形胶质细胞的脑组织比含有健康细胞的组织产生更短的伽马波。而且，添加三个允许研究人员有选择地打开和关闭星形胶质细胞的破伤风毒素的基因后，他们发现，星形胶质细胞的信号传导被阻断的小鼠的伽玛波被削弱了。关闭毒素则推翻了这一效果。
星形胶质细胞经过修改后的小鼠看似完全健康的。但经过几个认知测试后，研究人员发现，它们缺乏一个主要领域：新物体识别。正如预期的那样，健康小鼠比熟悉的物品花更多的时间在置放于其环境中的新物品。与此相反，该研究组的新突变小鼠处理所有的物品的时间都是相同的。
“在某种意义上说，这原来是个惊人的结果，新物体识别记忆不只是受损，而是已经没了，就好像我们删除这一种形式的记忆，而其它完好无损，” Sejnowski说。
这个结果令人大吃一惊，部分原因是星形胶质细胞在数秒钟或更长的时间内运行，而神经元的信号却远远比这个快多了，它们是毫秒级别的。正因为如此慢的速度，因此没有人怀疑星形胶质细胞参与了需要迅速做出决定的高速大脑活动。
“传统上认为星形胶质细胞只是神经元和其他细胞的保护者和支持者，而现在发现它们也都参与了信息的处理和其他认知行为，我觉得这个观点很独特，” 遗传学实验室和美国癌症协会的维尔马教授说。
这并不是说星形胶质细胞变快了——它们仍然比神经元慢多了。但新的证据表明，星形胶质细胞都在积极地为伽马波发生提供合适的环境，这反过来又使大脑更容易学习和改变神经元连接的强度。
Sejnowski说，这个行为结果只是冰山的一角。“该识别系统是非常重要的，”他补充说，它包括认识到其他人，地点，事实，以及发生在过去的事情。有了这个新的发现，科学家们就可以开始更好地理解伽马射线波的识别记忆的作用，他补充道。
原文摘要：
Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory
Hosuk Sean Lee, Andrea Ghetti, António Pinto-Duarte, Xin Wang, Gustavo Dziewczapolski,Francesco Galimi, Salvador Huitron-Resendiz, Juan C. Pi?a-Crespo, Amanda J. Roberts,Inder M. Verma, Terrence J. Sejnowski and Stephen F. Heinemann
Glial cells are an integral part of functional communication in the brain. Here we show that astrocytes contribute to the fast dynamics of neural circuits that underlie normal cognitive behaviors. In particular, we found that the selective expression of tetanus neurotoxin (TeNT) in astrocytes significantly reduced the duration of carbachol-induced gamma oscillations in hippocampal slices. These data prompted us to develop a novel transgenic mouse model, specifically with inducible tetanus toxin expression in astrocytes. In this in vivo model, we found evidence of a marked decrease in electroencephalographic (EEG) power in the gamma frequency range in awake-behaving mice, whereas neuronal synaptic activity remained intact. The reduction in cortical gamma oscillations was accompanied by impaired behavioral performance in the novel object recognition test, whereas other forms of memory, including working memory and fear conditioning, remained unchanged. These results support a key role for gamma oscillations in recognition memory. Both EEG alterations and behavioral deficits in novel object recognition were reversed by suppression of tetanus toxin expression. These data reveal an unexpected role for astrocytes as essential contributors to information processing and cognitive behavior.
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