本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
本期《科學》（11月5日）雜誌標誌著大腦研究的一個轉折點。這一事件令人著迷，不僅在於關於大腦如何運作以及精神和神經疾病如何導致大腦功能失常的大量新資訊，而且同樣作為科學領域改變方向的罕見展示。這種轉變是科學史的傳統，但我們很少有機會即時見證如此關鍵的時刻。
《科學》雜誌是一本涵蓋所有科學領域的頂尖國際期刊，本期包含關於神經膠質細胞的特別部分。與神經元相反，神經膠質細胞是不產生電脈衝的腦細胞，而且它們有很多——佔大腦細胞的 85%。然而，這些細胞在 100 年來一直被嚴重忽視。我稱神經科學的這個新領域為“另一個大腦”，因為我們現在才開始探索它。新的發現正在擴大我們對大腦資訊處理的概念。它們正在迅速導致治療從脊髓損傷到腦癌再到慢性疼痛和阿爾茨海默病等疾病的新方法。而且它們正在顛覆一個世紀以來關於大腦如何在最基本層面運作的傳統思維。
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過去，人們認為神經膠質細胞是支援神經元的；餵養它們，清理它們，並應對腦損傷。但這些功能被認為是次要的，與神經元在處理資訊和儲存記憶方面所執行的令人興奮的功能相比。因此，在競爭激烈的有限大腦研究資助中，對神經膠質細胞的研究進展不佳。神經科學家沒有接受過神經膠質細胞科學的培訓，而且標準教科書對神經膠質細胞的介紹即使有也只是膚淺的。主要期刊的編輯並不十分了解這些奇怪且非常複雜的大腦細胞。結果，關於神經膠質細胞的研究很少在高影響力的科學期刊上發表。這些因素拖累了神經膠質細胞研究人員數十年。現在，這一切都在發生變化。
神經膠質細胞的功能可以大致分為三個主要類別，四種非常不同的神經膠質細胞服務於這些不同的功能。星形膠質細胞之所以得名，是因為它們的形狀讓早期的解剖學家想起了星星，它們填充了神經元之間的空間。星形膠質細胞為神經元提供能量來源；它們將神經元周圍的化學環境維持在神經元生存、發射電脈衝以及在突觸處進行交流所需的狹窄範圍內。
小膠質細胞是大腦的免疫細胞。大腦與身體其他部位的液體隔離，因為必須維持大腦組織內的獨特環境。大腦和血液之間的屏障由大腦血管壁上的細胞形成，這阻止了血液和大腦之間物質和細胞的自由擴散。然而，這種屏障也阻止了保護全身的血液中的免疫細胞進入大腦。小膠質細胞是大腦的私人細胞守衛細胞，尋找並殺死細菌，並在損傷後修復大腦。因此，小膠質細胞參與神經系統疾病和修復的各個方面。
神經膠質細胞的第三個重要功能是在神經纖維（軸突）上形成電絕緣，這對於高速傳輸電脈衝至關重要。這種稱為髓鞘的絕緣的重要性在患有多發性硬化症的人身上可以清楚地看到，多發性硬化症是一種攻擊軸突髓鞘的自身免疫性疾病，這使得這些人在感覺和運動功能方面存在嚴重的障礙。在大腦和脊髓內部，類似於細胞章魚的神經膠質細胞將多達 150 層壓實膜包裹在軸突周圍，很像電工膠帶。大腦的核心——一半的體積——由數百萬個用髓鞘絕緣的緊密捆綁的軸突組成。這個大腦區域被稱為“白質”，因為髓鞘的顏色使這個大腦組織呈現白色。儘管過去人們對其不感興趣，但白質是學習研究的最新領域。在身體的其他部位，稱為施萬細胞的神經膠質細胞，類似於串在軸突上的扁平珍珠，形成這種至關重要的絕緣層。
我在本期雜誌上的文章解釋了關於大腦中白質的思維方式的巨大變化。傳統上，髓鞘主要引起那些關注脫髓鞘疾病的人的興趣，但新的腦成像研究和細胞研究表明，髓鞘化的神經膠質細胞可以感知軸突中的電活動，這表明白質在學習過程中會發生變化。髓鞘的形成可以受到電脈衝活動的影響，從而受到經驗的影響。當裸軸突被髓鞘化時，透過纖維的脈衝傳輸速度大約會增加 50 倍。傳輸速度的增加將對該神經迴路中的資訊處理產生深遠的影響。關於人類大腦的一個顯著之處是，它會繼續在兒童期、青春期形成髓鞘，並在成年早期以較慢的速度形成。50 歲以後，髓鞘開始流失，這與隨著年齡增長而導致的認知功能逐漸下降平行。這項新研究正在擴大關於學習機制的思考，超越突觸，包括透過參與執行復雜認知功能的整個網路傳輸資訊。大腦成像顯示，在學習新技能後，白質會發生變化，從玩電腦遊戲、高爾夫到閱讀、雜耍、彈鋼琴，並且正在確定來自軸突的分子訊號，這些訊號控制髓鞘的生長和形成以響應電脈衝活動。
澳大利亞墨爾本弗洛裡神經科學研究所的本·埃默裡（Ben Emery）的文章總結了關於控制少突膠質細胞和髓鞘發育機制的已知資訊。來自環境的化學訊號和內部控制都調節著少突膠質細胞從不成熟的“祖細胞”的發育。這些少突膠質細胞祖細胞（OPC）引起了人們的強烈興趣，因為新的研究表明，在適當的條件下，它們不僅可以轉化為成熟的少突膠質細胞，還可以轉化為星形膠質細胞和神經元。這些細胞現在正在實驗研究中移植到脊髓損傷患者體內以治癒癱瘓。最令人感興趣的是，神經元在這些細胞上形成突觸，原因尚不清楚。一個正在積極探索的可能性是突觸交流可以指導這些細胞形成髓鞘，儘管目前還沒有證據表明這一點。（此外，我實驗室剛剛在 10 月 5 日出版的《科學訊號》雜誌上發表的研究揭示了軸突在沒有突觸的情況下釋放神經遞質的新機制。這對於與遠離突觸的髓鞘化神經膠質細胞進行交流尤為重要。）埃默裡認為，未來的主要挑戰是將我們的新知識轉化為治療多發性硬化症等疾病的新療法。
澳大利亞悉尼大學的曼努埃爾·格雷伯（Manuel Graeber）回顧了小膠質細胞如何感知和應對大腦中的威脅，以及它們如何參與慢性疼痛。回顧了小膠質細胞在阿爾茨海默病中的作用以及它們對突觸活動的積極監測。神經膠質細胞在疾病期間重塑大腦的這些功能表明，它們可能在健康的大腦中對神經迴路進行類似的重塑。研究開始表明，小膠質細胞可以拔掉突觸，並且它們參與心理障礙，例如慢性抑鬱症。
第三篇文章是馬薩諸塞大學的馬克·弗里曼（Marc Freeman）關於星形膠質細胞的文章。這篇文章回顧了星形膠質細胞在形成突觸和改變其強度方面的作用，以及星形膠質細胞如何相互之間以及與神經元進行交流。他認為，我們才剛剛開始瞭解星形膠質細胞如何發育、生長、改變形態以及對神經元作出反應。然而，星形膠質細胞確實可以透過化學訊號相互交流。可以使用感應細胞內鈣水平的熒光染料來觀察這種訊號傳導。星形膠質細胞具有神經遞質的受體，使它們能夠對神經元在突觸處釋放的神經遞質作出反應。星形膠質細胞可以與其他星形膠質細胞進行交流，並且它們會釋放或吸收來自遠端突觸的神經遞質，以控制神經元之間的資訊傳輸。星形膠質細胞在控制突觸神經遞質水平方面的活動表明它們與精神疾病有關。所有治療精神疾病的藥物都是透過控制不同神經遞質的水平起作用的，但這正是星形膠質細胞的正常工作。
腦科學的新維度正在展開，隨著神經科學家開始探索它，他們正在獲得對大腦的新理解。與此同時，神經科學家正在重新學習關於科學如何透過適合和時尚而進步的古老教訓，並且我們的無意識偏見可能會誤導“專家”，直到最終新的實驗資料指明方向。
圖片：星形膠質細胞顯示為紅色，OPC 顯示為綠色，神經元顯示為藍色。這些細胞取自大鼠海馬體並在培養中生長。圖片來源：喬納森·科恩博士，NICHD
參考文獻:
Emery, B. (2010) 少突膠質細胞分化和髓鞘形成的調節。科學 330: 779-782。
Fields, R.D. (2010) 大腦白質的變化。科學 330: 768-769。
Fields, R.D. 和 Ni, Y. (2010) 透過軸突中體積啟用的陰離子通道釋放 ATP 實現的非突觸交流。科學訊號 3: ra73。
Freeman, M.R. (2010) 星形膠質細胞的規格和形態發生。科學 330:774-778。
Graeber, M.B. (2010) 小膠質細胞的變臉。科學 330:783-788。
其他資源
Fields, R.D. 另一個大腦，由西蒙和舒斯特出版社出版，2010 年。第一本關於神經膠質細胞的面向大眾的書籍。 http://theotherbrainbook.com
Fields RD (2004) 大腦的另一半。大眾科學 290: 54-61。
Fields RD (2008) 白質很重要。大眾科學 298: 42-49。
Fields RD (2009) 慢性疼痛的新罪魁禍首。大眾科學 301: 50-57。
Fields, R.D. 觀看大腦學習，大眾科學部落格：https://sciam.tw/article.cfm?id=watching-the-brain-learn
神經膠質細胞，另一種腦細胞。大腦簡報，2010 年 9 月。神經科學學會：http://www.sfn.org/index.aspx?pagename=brainBriefings_10_glia
關於作者
R.道格拉斯·菲爾茲博士是美國國家兒童健康和人類發育研究所神經系統發育和可塑性部門的主任，以及馬里蘭大學帕克分校的兼職教授。菲爾茲曾在斯坦福大學、耶魯大學和美國國立衛生研究院進行博士後研究，是《神經元神經膠質生物學》雜誌的主編，也是神經科學領域其他幾家期刊的編輯委員會成員。他是新書 另一個大腦（西蒙和舒斯特出版社）的作者，該書是關於大腦中不使用電力進行交流的細胞（神經膠質細胞）的。他的愛好包括製作吉他、登山和潛水。他住在馬里蘭州銀泉市。
所表達的觀點是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。