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腦子受傷後反倒變聰明,原來是長了神經元!

圖說:模式動物斑馬魚 郜陽 攝

新民晚報訊(記者 郜陽)不少電視劇和小說都有這樣的情節:主人公腦部受創後,變得聰明了,這有科學依據嗎?中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心何傑研究組開展了“腦損傷激活斑馬魚視頂蓋放射狀膠質細胞的細胞周期進入隨機性及命運決定機制”的研究。拗口的研究課題實際上回答了兩個關於膠質細胞如何響應腦損傷的關鍵性問題:損傷激活的膠質細胞如何進入細胞周期?損傷激活的膠質細胞如何選擇產生膠質細胞或神經元?

要知道,創傷性腦損傷是臨床面臨的最主要的中樞神經系統損傷形式之一。哺乳動物中樞神經系統損傷誘發膠質細胞異常增生,進而阻滯神經再生與修複。膠質細胞增生經歷三個關鍵步驟:膠質細胞進入損傷激活狀態;部分激活態膠質細胞進入細胞周期,轉變為增殖態;增殖態膠質縱橫諜海產生大量新生膠質細胞,形成膠質疤痕。

圖說:斑馬魚 來源/中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(下同)

與哺乳類不同,斑馬魚中樞神經系統在損傷後具有強大的神經再生能力,因此斑馬魚近年來被用作研究中樞神經系統神經再生機制的重要動物模型。研究團隊採用隨機模型分析、單細胞測序以及原位細胞譜系追蹤等手段,發現成年斑馬魚中腦視頂蓋放射狀膠質細胞處於靜息狀態,物理損傷視頂蓋導致損傷區域下方發生膠質細胞異常增殖和膠質增生。

研究團隊進而發現,物理損傷只能誘導部分膠質細胞進入細胞周期;連續兩次在同一腦區位置的物理損傷會激活兩群部分重疊的膠質細胞群。隨機激活模型能夠很好地解釋重疊率。這些分析表明激活態的膠質細胞是以一個固定概率進入細胞周期轉變為增殖態。

團隊還發現損傷過程中膠質細胞存在不同細胞狀態:靜息態、激活態、增殖態。損傷引起損傷位點下方所有靜息態放射狀膠質細胞轉變為激活態,但只有25%激活態細胞轉變為增殖態。

圖說:稀疏標記單個視頂蓋放射狀膠質細胞

視頂蓋損傷增殖態膠質細胞主要產生膠質細胞,隻產生極少數的新生神經元(3-5%),這些神經元至少可以存活300天。更有趣的是,研究團隊發現在損傷之後特定時間窗口(損傷後4-5天),抑製Notch信號通路(Notch是一個高度保守的信號通路,廣泛表達於無脊椎動物和哺乳動物等多個物種,在多種器官及細胞的發育過程中作為主要的仲裁信號通路決定細胞的命運,並通過細胞間相互作用的方式精確地調節著細胞的生長、分化及凋亡)會大量提高神經元的產生(從約5%提高到約20%)。

深入研究發現,這些大量增多的新生神經元很可能主要來源於損傷引起的激活態膠質細胞。也就是說,損傷誘導產生的激活且非增殖的細胞一旦被誘導進入增殖態,會大量產生神經元。而這群過度生成的神經元只能存活少於25天,其背後的機制值得進一步探索。

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