研究發現大腦工作時如群星閃耀
原先被認為無用的細胞，居然也能如神經元一樣，在刺激下做出反應，讓大腦閃耀，如同星河。
“膠質細胞”就是大腦裏的海綿。科學家認為它們作為填充物支撐著我們大腦。一項新的研究發現，膠質細胞同樣參與了大腦的工作。這一結果可能讓我們得以重新認識生物體最神秘的器官。
該研究由麻省理工學院的舒默爾斯和中國留美學者俞洪波等人組成的研究小組完成，成果發表在近日的《科學》雜志上。本報記者專訪了俞洪波。他詳細講解了此項研究的全過程。
研究途徑 進入“腦的叢林”
如果你是美劇《豪斯醫生》的粉絲，那你一定不會對“fMRI”感到陌生。它就是“腦功能核磁共振”。它一直是科學家探索大腦功能的工具。它讓研究者直接進入“腦的叢林”。
一個腦包含數千億個神經元，還有更多的膠質細胞填充其間。“可以想象，如果我們能身臨其境，處身于興奮的腦中，那將會是電光閃爍，此起彼伏，密如織網。”俞洪波解釋說現代腦成像技術讓我們實現了這一夢想。研究人員如孫悟空一樣縮小身形，進入鐵扇公主的顱腔，置身于腦細胞的叢林中，觀察這些細胞。“了解了每個神經元的電活動就能破解腦的秘密。”
可是fMRI也有缺點。它的信號來源是模糊的，多年來科研人員不知道腦的活動是如何引起fMRI信號的，因此對fMRI結果的解釋也是格外小心；同時fMRI檢測非常粗放，它的空間分辨率在毫米級別，而在1毫米見方的腦皮層內，有幾十萬神經元，人們無從得知具體的單個神經元的信息。記錄單個神經元的電活動，傳統辦法是在腦中插入及其細小的電極，可是一根電極最多只能記錄幾個細胞，工作起來如同大海撈針。
2001年，俞洪波所在的麻省理工學院建立的新係統解決了這個問題。“開始是用于形態學研究的，2003年我和同事將它應用于活體動物雪貂的長期形態學研究並取得成功。”
這一係統的核心是雙光子激光成像。“分辨率可以小于一微米，比頭發直徑小百倍。”研究人員用多種熒光染料標記大腦，如果熒光分子遍布細胞全體，研究人員就可以看到動物腦內細胞的全態。如果染料是與腦活動相關的，比如說神經元產生動作電位後，細胞內的鈣離子濃度會大幅升高，採用特殊的鈣離子染料，鈣濃度增加，熒光就增強；鈣濃度降低，熒光就減弱，這樣就可以檢測細胞的反應強度。
結論延伸 解開腦功能成像之謎
星型膠質細胞的功能區和神經元的完全匹配，這樣的精確有何意義？MIT教授聊起了以前的一個猜想，膠質細胞可能與血流相關。
研究人員立即聯想到在實驗中所觀察到的一個有趣現象：星型膠質細胞只在一個非常特定的麻醉水平以下才反應，而這個水平與我們多年來在進行血流相關的腦功能成像中總結出的“魔術閾值”完全一致。“星型膠質細胞反應時，腦功能成像的血流信號也強烈，反之亦然。”
此後，研究人員又通過實驗證實了這一猜想：神經元精準的功能區與星型膠質細胞的功能區匹配，由星型膠質細胞來控制局部血管的擴張，以精準控制局部血流的變化，從而為包括fMRI在內的腦功能成像提供信號來源。即使神經元反應正常，只要星型膠質細胞不反應，腦功能成像信號幾乎完全消失。
俞洪波解釋說，腦功能成像研究開始之初就有很多未解決的問題，人們知道腦血流和功能相關，可不知道具體是如何實現的。比如腦的功能反應增強一倍，腦血流是否也線性增強，這涉及到對成像研究的基本解釋。過去多年來有很多解釋，可矛盾重重。而星型膠質細胞的發現，則解開了腦功能成像的秘密，此時距離在腦功能成像被廣泛應用已經十多年。
對此，德國馬普研究所的兩位科學家在同期《科學》上發表的專題評論文章說：“單個星型膠質細胞獨特的反應模式完全挑戰了過去的學術觀點。”
《科技評論》對這一結果則評價說：它可能解決了一個長期以來沒有解決的科學奧秘：為什麼當代腦功能成像方法的基礎———腦血流，與腦功能密切相關？
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