星形膠質(zhì)細胞在三方突觸中對突觸信息的加工處理和調(diào)控作用

郭航 馬亞群 李海紅 馬麗 盧彥 王筱君 馬玉龍

“三方突觸” 在突觸生理學(xué)中是指星形膠質(zhì)細胞與神經(jīng)元之間雙向通信的單元。自20 世紀90年代“三方突觸”這個詞語被提出以來，神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞之間存在雙向作用的證據(jù)多次得到證實。這代表著突觸生理學(xué)中一個全新的概念，除外神經(jīng)元突觸前后之間的信息流，星形膠質(zhì)細胞可以與突觸的神經(jīng)元之間進行信息交換、對突觸活性做出反應(yīng)以及調(diào)節(jié)突觸傳遞。越來越多的證據(jù)顯示腦功能可能形成于神經(jīng)元-膠質(zhì)細胞網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)活動，這與傳統(tǒng)觀點的腦組織功能源于神經(jīng)元活動不同，星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元相互作用的生物學(xué)成為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中一個熱門話題，改變對神經(jīng)系統(tǒng)生理機能的認識[1]。本文將對星形膠質(zhì)細胞鈣離子信號特性及其生理影響，鈣離子信號對神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細胞相互作用的影響以及星形膠質(zhì)細胞對突出傳遞和可塑性的影響綜述如下。

一、星形膠質(zhì)細胞鈣離子信號及其生理意義

（一）鈣離子介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞興奮性

20 世紀90年代之前，星形膠質(zhì)細胞一直被認為是不可興奮性細胞，其與神經(jīng)元不同，不表現(xiàn)出電興奮特性[2,3]。而此后開拓性研究利用熒光成像技術(shù)檢測到體外培養(yǎng)的活的星形膠質(zhì)細胞可以表現(xiàn)出基于胞內(nèi)鈣離子濃度變化的一種興奮性形式[4]。隨后在培養(yǎng)的細胞、腦組織切片以及體內(nèi)實驗中均證實了星形膠質(zhì)細胞的可興奮特性，并且實驗證實了胞內(nèi)鈣離子濃度升高是由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中儲存鈣庫被激活進而引起鈣釋放，繼而升高的鈣離子成為細胞信號[5]。與神經(jīng)元主要依賴跨膜電信號產(chǎn)生細胞興奮性不同，星形膠質(zhì)細胞是依賴胞漿內(nèi)鈣離子濃度變化產(chǎn)生興奮性。

（二）星形膠質(zhì)細胞的鈣離子信號由突觸活性控制

星形膠質(zhì)細胞內(nèi)的鈣離子濃度升高，表明細胞可能存在興奮性表現(xiàn)，該變化可在有神經(jīng)活動的存在下以固有幅度自發(fā)發(fā)生，也可由突觸活動過程中釋放的神經(jīng)遞質(zhì)觸發(fā)，后一種觸發(fā)方式至關(guān)重要，表明神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞間存在著相互作用[6,7]。星形膠質(zhì)細胞鈣離子信號的突觸控制基于星形膠質(zhì)細胞表達大量功能性神經(jīng)遞質(zhì)受體。其中很多是與G 蛋白相結(jié)合的代謝型受體，其一經(jīng)激活，便可刺激磷脂酶C（phospholipase C，PLC）產(chǎn)生1,4,5-三磷酸肌醇（inositol (1,4,5)-triphosphate，Ins(1,4,5) P3），進而引起Ins(1,4,5) P3這一敏感型鈣庫釋放鈣離子，從而使胞內(nèi)鈣離子濃度升高[8]。突觸誘發(fā)電位和自發(fā)性鈣信號起源于星形膠質(zhì)細胞突起的膜質(zhì)微區(qū)，在此區(qū)域，星形膠質(zhì)細胞能夠?qū)麅?nèi)信號傳遞給細胞的其他部位[9]。由于單個星形膠質(zhì)細胞與約105個突觸相聯(lián)系，鈣離子信號空間擴展的控制對神經(jīng)系統(tǒng)生理功能方面具有重要意義，并非所有與單個星形膠質(zhì)細胞連接的突觸都必須保持功能上的一致性以接收相同和同時的調(diào)節(jié)。因此，對特定突觸不同的神經(jīng)調(diào)節(jié)將會增加神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控的自由度[10]。

（三）活體星形膠質(zhì)細胞的鈣離子信號

大鼠、小鼠和白鼬的研究報道顯示了在活體星形膠質(zhì)細胞內(nèi)鈣離子濃度的改變，表明星形膠質(zhì)細胞鈣離子興奮性不是腦切片培養(yǎng)液導(dǎo)致的特性[11]。其次，在腦切片中，星形膠質(zhì)細胞鈣離子濃度的改變是自發(fā)的，可由突觸活動過程中釋放的神經(jīng)遞質(zhì)誘導(dǎo)發(fā)生，這表明在體內(nèi)存在神經(jīng)元-突觸相互作用[12-15]。星形膠質(zhì)細胞鈣離子升高也可能由生理感官刺激誘發(fā)，例如胡須刺激可以增加皮質(zhì)區(qū)星形膠質(zhì)細胞內(nèi)鈣離子濃度[16]。強的外周神經(jīng)刺激激活藍斑核或者對其進行直接電刺激后，感覺皮層的星形膠質(zhì)細胞鈣離子濃度同樣升高，此現(xiàn)象在警覺的小鼠逃跑過程中也可以觀察到[17]。其他腦組織區(qū)域的星形膠質(zhì)細胞也可以對相應(yīng)感覺形態(tài)的刺激做出反應(yīng)，如視覺皮層的星形膠質(zhì)細胞在視覺刺激時胞內(nèi)鈣離子濃度升高，反映出不同空間接受域的存在，與神經(jīng)元對視覺刺激的反應(yīng)相比，星形膠質(zhì)細胞的反應(yīng)更為協(xié)調(diào)[14]?？傊铙w星形膠質(zhì)細胞表現(xiàn)出鈣興奮性并響應(yīng)神經(jīng)元活動。而且，在特定感覺區(qū)的星形膠質(zhì)細胞對某些感覺刺激的響應(yīng)，表明星形膠質(zhì)細胞有可能參與外部世界在腦組織中的投射。

二、星形膠質(zhì)細胞對突出傳遞和可塑性的影響

（一）星形膠質(zhì)細胞對突觸信息的加工處理

星形膠質(zhì)細胞是突觸信息在細胞水平的加工處理者，其對突觸信息的整合和加工處理表明其可以對鄰近突觸快速傳遞來的信息作出復(fù)雜非線性反應(yīng)。

星形膠質(zhì)細胞辨別不同突觸通路的活性：星形膠質(zhì)細胞鈣信號不是由于神經(jīng)遞質(zhì)的非特異性溢出造成的，相反，是受到特異性突觸末梢活動的選擇性介導(dǎo)而產(chǎn)生的。海馬CA1區(qū)始層中的星形膠質(zhì)細胞在海馬神經(jīng)纖維（含有谷氨酸能和膽堿能軸突） 受到刺激時以鈣濃度升高的形式做出反應(yīng)，此過程由乙酰膽堿（acetylcholine，Ach）而非谷氨酸特異性介導(dǎo)[18]。不同的谷氨酸能突觸末梢（schaffer collateral，SC）釋放谷氨酸，這些星形膠質(zhì)細胞也可以對谷氨酸做出反應(yīng)[19]。因此，星形膠質(zhì)細胞對含有不同神經(jīng)遞質(zhì)（Ach、谷氨酸）的不同突觸選擇性做出反應(yīng)，并能夠辨別出應(yīng)用同一神經(jīng)遞質(zhì)（如SC 谷氨酸能軸突和海馬神經(jīng)纖維） 的不同神經(jīng)通路間的活性。同樣的，下丘腦腹側(cè)基底中的星形膠質(zhì)細胞只在感覺通路或者皮質(zhì)丘腦通路受到刺激時可做出反應(yīng)，很少有星形膠質(zhì)細胞可以對這2 種通路均作出反應(yīng)[20]。因此，星形膠質(zhì)細胞可以選擇性做出反應(yīng)以辨別特定突觸的活動。

星形膠質(zhì)細胞鈣信號與突觸活性的非線性關(guān)系：各種釋放Ach 和谷氨酸突觸末梢的活動誘發(fā)星形膠質(zhì)細胞鈣信號波動的現(xiàn)象表明星形膠質(zhì)細胞可以整合突觸信息[21]。在海馬組織切片，海馬神經(jīng)纖維與SC（二者引起鈣升高分別由Ach和谷氨酸介導(dǎo)） 受到同步化刺激后引起星形膠質(zhì)細胞反應(yīng)，此反應(yīng)不同于突觸活性的線性指示器，同時刺激上述2 條神經(jīng)通路所引起的鈣增加幅度并非是其分別受到刺激后引起鈣增加幅度的線性疊加[21]。因此，Ach 和谷氨酸突觸的活性對星形膠質(zhì)細胞鈣信號的調(diào)節(jié)是非線性的。此外，與單獨刺激相比，以高頻率（30、50 Hz）同時刺激以上2 條神經(jīng)通路時，其引起的鈣信號表現(xiàn)為亞線性疊加；以低頻（1、10 Hz）刺激時，表現(xiàn)為超線性疊加。由此表明，當(dāng)神經(jīng)元活動處于高、低頻率時，鈣信號分別是相對抑制或增強的。因此，星形膠質(zhì)細胞鈣信號受到不同的突觸輸入信息同步化激活的非線性調(diào)控，并且這種調(diào)控依賴于突觸活性水平[21]。

（二）星形膠質(zhì)細胞具有細胞固有特性

外源性神經(jīng)遞質(zhì)誘發(fā)的星形膠質(zhì)細胞鈣信號具有協(xié)同效應(yīng)[22]。此外，海馬星形膠質(zhì)細胞鈣信號變化如前所述發(fā)生于提供谷氨酸和Ach 而突觸無活性時[21]。有趣的是，同時應(yīng)用谷氨酸和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）所誘發(fā)的鈣信號等于其各自引起的鈣增加的線性疊加，這表明星形膠質(zhì)細胞鈣信號改變依賴于所涉及的神經(jīng)遞質(zhì)種類，有可能歸因于不同的胞內(nèi)信號級聯(lián)反應(yīng)的激活。事實上，Ach 和谷氨酸受體的胞內(nèi)信號通路匯集于一點，即PLC 的激活，而GABA 受體作用于涉及腺苷酸環(huán)化酶調(diào)節(jié)的胞內(nèi)信號通路[23]。因此，星形膠質(zhì)細胞鈣信號變化是一特殊現(xiàn)象，依賴于所涉及的神經(jīng)遞質(zhì)，可能是被特定神經(jīng)通路選擇性誘發(fā)的。因此，星形膠質(zhì)細胞具有細胞固有特性，對突觸活動可做出非線性應(yīng)答，這可能是由于胞內(nèi)信號事件決定的，比如，神經(jīng)元的細胞固有特性就是基于其膜電性質(zhì)?？傊?，星形膠質(zhì)細胞是神經(jīng)系統(tǒng)信息加工處理過程中重要的細胞組分。

（三）星形膠質(zhì)細胞對膠質(zhì)傳遞以及突觸傳遞對調(diào)控

星形膠質(zhì)細胞分泌多種神經(jīng)活性分子，比如谷氨酸、D-絲氨酸、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、腺苷、GABA、腫瘤壞死因子α、前列素、蛋白和多肽類，這些分子可以影響神經(jīng)元和突觸生理機能[24]。此過程發(fā)生的機制和其產(chǎn)生的結(jié)果稱為膠質(zhì)傳遞。有證據(jù)顯示許多遞質(zhì)從囊泡和溶酶體以鈣依賴方式胞吐釋放[25,26]。此外，星形膠質(zhì)細胞突起有小的突觸樣小泡，分布于與突觸極為貼近的部位，既貼近于神經(jīng)元突觸前成分又貼近于突觸后成分[27]。也有學(xué)者提出其他例如谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體、連接蛋白/泛連接蛋白半通道、成孔P2X7 受體以及水腫依賴的體積調(diào)節(jié)陰離子通道的激活等傳遞機制[28]。但關(guān)于鈣依賴和非鈣依賴釋放方式是否共存，以及在何種生理病理條件下會出現(xiàn)問題尚未研究清楚。

星形膠質(zhì)細胞對神經(jīng)元的調(diào)節(jié)作用最初是在體外培養(yǎng)的細胞上證實的，后來在腦切片的研究中有所擴展，最近在一種新型腦芯片上也有證實[29-31]。谷氨酸是第一個被證實的從星形膠質(zhì)細胞釋放的膠質(zhì)遞質(zhì)，并對神經(jīng)元興奮性有很大影響。星形膠質(zhì)細胞釋放的谷氨酸通過激活突觸后天門冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體可以引起緩慢的內(nèi)向電流，同時可以興奮海馬椎體神經(jīng)元集群，表明谷氨酸介導(dǎo)的膠質(zhì)傳遞可以增加神經(jīng)元興奮性并可作為非突觸機制引起神經(jīng)元活動同步化[32,33]。此外，星形膠質(zhì)細胞釋放的谷氨酸可能也可以激活分布于突觸前末梢上的受體。通過激活Ⅰ型代謝型谷氨酸受體（metabotropic glutamate receptors, mGluRs）或者NMDA 受體，星形膠質(zhì)細胞增加了自發(fā)性和誘發(fā)性的興奮性突觸電流的頻率。同時，星形膠質(zhì)細胞可以通過激活突觸前紅藻氨酸或Ⅱ/Ⅲ型mGluR 增強或減弱抑制性突觸傳遞[34-37]。因此，單個的神經(jīng)遞質(zhì)可以根據(jù)作用部位和所激活的受體亞型的不同而發(fā)揮多重效應(yīng)，這使得星形膠質(zhì)細胞—神經(jīng)元之間相互作用的復(fù)雜程度有所增加。當(dāng)考慮到其他的膠質(zhì)遞質(zhì)，例如GABA、ATP、腺苷、D-絲氨酸等都可以作用于同一神經(jīng)元或不同的細胞亞型而引起不同反應(yīng)時，復(fù)雜性更加顯著[19]。另外，在海馬星形膠質(zhì)細胞，由蛋白激酶激活受體1受體被激活的非P2Y1受體引起的鈣升高可以誘發(fā)椎體神經(jīng)元中NMDAR 介導(dǎo)的緩慢性內(nèi)向電流，表明星形膠質(zhì)細胞受到神經(jīng)元活動過程中釋放的內(nèi)源性大麻素刺激后，可以向相鄰的不連接的神經(jīng)元傳遞信號，進一步表明星形膠質(zhì)細胞為神經(jīng)元間非突觸連接作用架起一座橋梁[38]?？傊?，星形膠質(zhì)細胞不僅通過短程信號影響有活性的突觸，還可能對遠距離突觸具有長程影響。

（四）星形膠質(zhì)細胞與突觸可塑性

星形膠質(zhì)細胞對突觸傳遞的調(diào)節(jié)持續(xù)時間不同，既能夠短暫地調(diào)控突觸強度（幾秒內(nèi)），又有助于形成長時程的突觸可塑性。星形膠質(zhì)細胞對形成長時程增強（long-term potentiation，LTP）作用的機制已有報道。一些研究顯示星形膠質(zhì)細胞起到被動或補充的作用，其可輔助性地抑制或增強突觸傳遞[39]。星形膠質(zhì)細胞釋放的ATP/腺苷通過抑制神經(jīng)傳遞來調(diào)控海馬基底部突觸活動強度，進而引起LTP 動態(tài)變化范圍增加[38]。星形膠質(zhì)細胞參與LTP 的形成，星形膠質(zhì)細胞鈣信號和突觸后神經(jīng)元活動同時發(fā)生并導(dǎo)致谷氨酸從星形膠質(zhì)細胞中以鈣依賴方式釋放，谷氨酸進而激活突觸前末梢Ⅰ型mGluRs 而引起LTP 形成。

（五）星形膠質(zhì)細胞與動物行為

星形膠質(zhì)細胞鈣信號和膠質(zhì)傳遞對動物行為影響的闡明是三方突觸這一概念的根本性挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)基因動物模型的構(gòu)建有助于解決上述挑戰(zhàn)。然而應(yīng)用不同的轉(zhuǎn)基因小鼠所得的研究結(jié)果不盡相同。Mas 相關(guān)的G-蛋白偶聯(lián)受體家族A1（Mas-related G-protein-coupled receptor member A1，MrgA1）受體是不能在腦組織中內(nèi)源性表達但能在轉(zhuǎn)基因小鼠的星形膠質(zhì)細胞中特異性表達的一種與胞內(nèi)鈣庫釋放的鈣離子相結(jié)合的受體，當(dāng)此受體被選擇性激活引起星形膠質(zhì)細胞鈣離子升高時，卻未能檢測到海馬神經(jīng)元興奮性和突觸傳遞的改變，轉(zhuǎn)基因小鼠本質(zhì)問題是外源性受體在時間和空間上的正確表達以及與胞內(nèi)信號級聯(lián)反應(yīng)分子的正確結(jié)合，這些可能是導(dǎo)致上述陰性結(jié)果的原因[24]。另一項研究應(yīng)用星形膠質(zhì)細胞中SNARE 依賴性膠質(zhì)遞質(zhì)釋放被徹底廢除的轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞有助于睡眠平衡/穩(wěn)態(tài)的調(diào)控，星形膠質(zhì)細胞中釋放的ATP 的代謝產(chǎn)物即腺苷參與了睡眠壓力的積累并促進了與睡眠缺乏相關(guān)的認知障礙的形成。盡管轉(zhuǎn)基因小鼠不是完美的實驗?zāi)Ｐ?，但有助于揭示星形膠質(zhì)細胞在不同腦功能中發(fā)揮潛在的作用。

（六）三方突觸的比例

一項旨在研究星形膠質(zhì)細胞鈣信號對單個海馬突觸作用的實驗結(jié)果顯示，刺激星形膠質(zhì)細胞后，只有大約40%的突觸表現(xiàn)出星形膠質(zhì)細胞誘導(dǎo)的突觸傳遞效能增強的現(xiàn)象。實驗條件可能是導(dǎo)致無效能現(xiàn)象的原因之一，另一個可能原因在于接受刺激的星形膠質(zhì)細胞與所記錄的突觸無功能上的聯(lián)系。這種功能性聯(lián)系的缺失是否是由于功能性或結(jié)構(gòu)性因素造成的仍不清楚，但是超微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表明：有大約40%的海馬興奮性突觸是被星形膠質(zhì)細胞突起所包繞的，此結(jié)果證明并非所有的突觸在功能上都是“三方的”。在記錄的突觸中，大約只有40%的突觸中ATP 誘發(fā)的星形膠質(zhì)細胞胞內(nèi)鈣升高可以增強突觸傳遞，更進一步支持并非所有突觸都為“三方的”假說。如果事實如此，那么“三方突觸”是穩(wěn)定的功能單位還是動態(tài)的功能單位還有待證實。在海馬突觸和體覺皮質(zhì)層能夠觀察到星形膠質(zhì)細胞突起和突觸的棘突發(fā)生協(xié)調(diào)性改變，同時胡須刺激也能夠引起這些部位包繞在突觸周圍的星形膠質(zhì)細胞突起發(fā)生形態(tài)改變，這些結(jié)果使得上述后一觀點更具說服力?？傊?，只有一部分突觸能夠受到單個星形膠質(zhì)細胞的有效調(diào)節(jié)這一現(xiàn)象表明神經(jīng)調(diào)節(jié)不是由于膠質(zhì)遞質(zhì)的大量溢出造成的，而是星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元之間可能存在點對點作用的特殊信號通路。

綜上所述，傳統(tǒng)觀點認為腦功能專屬于神經(jīng)元活動，星形膠質(zhì)細胞是不可興奮性細胞，與傳統(tǒng)觀點不同，新的研究證據(jù)表明星形膠質(zhì)細胞鈣離子濃度的升高可引起星形膠質(zhì)細胞的興奮，并且鈣離子信號在星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元形成的突觸中發(fā)揮著膠質(zhì)傳遞、突出信息整合、加工和調(diào)控的作用，最終影響突觸可塑性、細胞與動物行為。但星形膠質(zhì)細胞在腦功能和動物行為中真正發(fā)揮的作用還尚未明確，轉(zhuǎn)基因動物模型的進一步成熟將有助于更好地揭示星形膠質(zhì)細胞在不同腦功能和動物行為中的重要作用，仍需大量研究全面描述星形膠質(zhì)細胞對神經(jīng)元-膠質(zhì)細胞網(wǎng)活動的真正影響。