Trends in Neurosci星形胶质细胞—大脑认知功能不可或缺的参与者
外部信息与身体内部状态的整合是几乎每一种多细胞生物生存的核心。目前这种整合过程的模型表明，感觉信息是由快速和空间限制的神经元突触传递编码的，而内部状态信息是由缓慢作用的神经调节剂在全脑范围内传递的。然而，对控制这一进程的机制缺乏全面的了解。
近日，丹麦哥本哈根大学转化神经医学中心Rune Nguyen Rasmussen等人在Trends in Neurosciences发表观点文章，作者认为星形胶质细胞，一种在系统神经科学中经常被忽视的脑细胞类型，有助于这两种信息源的整合，为我们理解大脑中外部和内部信息是如何融合的增加了一个新的维度。假设认为，星形胶质细胞将感觉信号与内部状态整合在一起，这一过程对于确保最优行为是必要的。以及功能失调的星形胶质细胞Ca2+信号传导可能是以感觉处理中断为特征的疾病的潜在因素。
星形胶质细胞Ca2+信号的性质和特征
细胞内Ca2+浓度的激增主要是由内部储存的Ca2+释放引起的，由G蛋白偶联受体介导的肌醇三磷酸（IP3）途径的激活触发。然而，其他与IP3无关的机制，如Ca2+可渗透的离子通道、交换剂和转运蛋白，也可能参与其中。
在空间上，Ca2+信号从精细星形胶质细胞过程中的局部反应到延伸到整个细胞的反应，后者通常平行发生在许多星胶细胞中或从一个星胶细胞扩散到另一个。同样，在时间过程上也有显著的变化，从数百毫秒到几分钟不等。不幸的是，对这种多样性的基本机制和功能作用的理解仍然有限。
星形胶质细胞对觉醒和感觉输入均有反应
在哺乳动物中，觉醒增强的时期与去甲肾上腺素（NA）和乙酰胆碱（ACh）信号增加相关。现如今有充分的证据支持星形胶质细胞通过NA驱动的整体Ca2+信号传递反映唤醒变化的观点，证实了早期离体数据，并通过去甲肾上腺素受体的细胞表达模式进一步证明了这一点。具体而言，显著的感觉刺激和自我启动的运动发作通过激活α1去甲肾上腺素能受体，在大皮层星胶细胞网络中引发NA介导的Ca2+信号传导。
实验证实了觉醒和星形胶质细胞信号传导之间的密切联系，实验表明，与清醒相比，在自然睡眠和麻醉期间，星形细胞Ca2+信号传导显著减少。总之，文献强烈支持星形胶质细胞对状态相关神经调节剂有反应，且星形胶质细胞Ca2+信号传导与觉醒普遍相关。
越来越多的证据表明，星形胶质细胞可以在体内对感觉输入和在体外对局部突触传递做出反应。奇怪的是，星胶细胞对体内感觉刺激的反应似乎取决于动物的觉醒状态。总之，星形胶质细胞信号既反映了感觉信号，也反映了唤醒水平。
星形胶质细胞中觉醒和感觉信息整合的一般假设
作者假设星形胶质细胞通过不同的Ca2+信号传导整合外部感觉信号（在神经元回路中作为突触活动携带）和内部唤醒状态信息（由神经调节剂如NA和ACh传递）[Fig.1]。觉醒相关的信号使星形胶质细胞进入一种独特的活动模式，这增加了它们对感觉输入表现出Ca2+信号的概率。因此，如果感觉输入驱动的突触活动不足以单独引发可测量的Ca2+信号，则神经调节剂如NA和ACh可以将星形胶质细胞推到理论激活阈值以上。相反，如果感觉输入足够强，它可以在没有显著唤醒的情况下触发星形细胞Ca2+信号。
作者还提出，在整合Ca2+信号的下游，星形胶质细胞可以反馈到神经回路，以调节感觉处理，最终调节行为。星形胶质细胞到神经元的信号传导在很大程度上仍然是谜，但它可能是直接由胶质递质释放（如ATP）和/或通过间接调节谷氨酸和GABA摄取或细胞外钾离子水平所介导的。通过这些机制，星形胶质细胞可以增强和抑制突触活动，未来需要进行实验来确定这种情况是否发生以及何时发生。
Figure 1 星形胶质细胞钙（Ca2+）信号作为外部和内部信息的整合
星形胶质细胞Ca2+信号与病理生理条件
星形胶质细胞Ca2+信号异常似乎是各种疾病的病理生理组成部分，包括与感觉处理和觉醒中断相关的疾病。感觉超敏反应和过度兴奋是自闭症谱系障碍和脆性X和Rett综合征的特征。相反，感觉敏感性低和警惕性低与严重抑郁症和痴呆症有关。有趣的是，来自自闭症谱系障碍或Rett或脆性X综合征患者的星形胶质细胞在体外表现出加重的Ca2+信号，星形胶质细胞Ca2+信号缺乏的小鼠在体内表现出与重度抑郁症患者一致的长程功能连接变化。
此外，最近的报告表明，在两种不同的阿尔茨海默病模型中，星形细胞Ca2+信号对NA和感觉输入的反应较弱。有趣的是，一些抗抑郁药物，如氯胺酮，可以通过星形胶质细胞发挥作用。因此，异常的星形胶质细胞Ca2+信号是各种大脑疾病中与感觉和唤醒相关缺陷的关键组成部分，星形胶质细胞可能是一个有效的治疗靶点。
总结与展望
将星形胶质细胞视为认知功能中不可或缺的参与者，为大脑信息处理的机制理解增加了一层新的内容。虽然神经元可以传递快速准确的信息，而神经调节剂可以提供长时间、长距离的信号来调节大脑活动，但星形胶质细胞的Ca2+信号介于两者之间。正是这些性质使星形胶质细胞能够参与整合感觉神经元回路中突触活动所携带的外部感觉信息，并通过神经调节剂传递瞬时的内部觉醒状态。
根据本文中作者所提出的假设，星形胶质细胞Ca2+信号是精细调控感觉处理动态范围的核心，允许在被唤醒状态下整合细微的感觉输入，同时在没有显著唤醒的情况下对强烈的感觉输入做出反应。这种最佳的感觉动态范围有助于适当的行为反应并驱动记忆的形成。
关于星形胶质细胞Ca2+信号是如何被神经元活动调节并进而影响神经元活动的，还有很多需要了解。然而，有两件事是肯定的：（i）神经元和星形胶质细胞之间的交流比以前想象的要复杂得多；以及（ii）持续的技术进步允许对这种通信进行详细的剖析。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tins.2023.03.003
参考文献
Rasmussen, Rune Nguyen et al. “Astrocytes: integrators of arousal state and sensory context.” Trends in neurosciences, S0166-2236(23)00050-4. 30 Mar. 2023, doi:10.1016/j.tins.2023.03.003
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
