人体细胞增强突触可塑性和成人小鼠的学习

人类脑细胞使老鼠更聪明

在这张移植小鼠大脑的图像中,人类星形胶质细胞呈绿色。

在一项新的研究中,研究人员将人类神经胶质祖细胞(GPC)移植到小鼠体内,发现移植的小鼠比没有人类神经胶质细胞的小鼠学习速度更快,获得了新的联系,执行各种任务的速度也显著快于没有人类神经胶质细胞的小鼠。

神经胶质细胞——一个在人类中枢神经系统中发现的细胞家族,直到最近还被认为仅仅是“管家”——现在似乎对人类大脑的独特复杂性至关重要。科学家在证明将这些人类细胞移植到小鼠体内后得出了这一结论,这些细胞可以影响大脑内的交流,使动物能够更快地学习。

研究,在Cell干细胞杂交中发表,表明一种名为星形胶质细胞的胶质细胞亚群的进化——在人类中,星形胶质细胞比其他物种更大、更复杂——可能是导致我们有别于其他物种的更高认知功能的关键事件之一。

“这项研究表明,峡谷不仅对神经传输至关重要,而且还表明人类认知的发展可能反映了人类特定的神经胶质形式和功能的演变,”罗切斯特医疗中心大学(URMC)神经学家史蒂文高级史蒂文M.D., Ph.D., co-senior author of the study. “We believe that this is the first demonstration that human glia have unique functional advantages. This finding also provides us with a fundamentally new model to investigate a range of diseases in which these cells may play a role.”

近年来,科学家们已经开始理解和欣赏胶质细胞——更具体地说是星形胶质细胞——在大脑功能中的作用。URMC的研究人员是解开星形胶质细胞秘密的先驱,他们证明星形胶质细胞不仅可以支持大脑中的神经元,还可以与神经元以及彼此通信。

“星形胶质细胞的作用是为神经传递提供完美的环境,”该研究的共同高级作者、URMC转化神经医学中心主任、医学博士Maiken Nedergaard说与此同时,我们观察到,随着这些细胞在复杂性、大小和多样性方面的进化——就像它们在人类身上一样——大脑功能变得越来越复杂。”

星形胶质细胞是更加丰富,较大和不同的人脑相对于其他品种。在人类中,个别项目的星形胶质细胞纤维的分数可以与大量的神经元同时连接,尤其是它们的突触,通信点,其中两个相邻的神经元见面。其结果是,个别人星形胶质细胞可以潜在地协调十万突触的活动,远远超过老鼠。

正是这种观察结果表明,人星形胶质细胞可能在整合和协调更加复杂的信号活动的人的大脑中发挥作用显著,从而帮助调节我们的高级认知功能。这又表明,当移植到小鼠中,人神经胶质细胞可能会影响神经活动的基本模式。

“在根本意义上是我们与较低的物种不同,”高盛说。“我们的先进认知处理能力不仅存在,而且由于我们神经网络的大小和复杂性,而且由于人类峡谷提供了功能性能力和协调的增加。”

“我一直觉得这个概念,人的大脑是更强大的,因为我们有更复杂的神经网络是有点太简单了,因为如果你把整个神经网络及其所有活动的共同所有你刚刚结​​束了一个超级计算机,” Nedergaard说。“但是,人类的认知远远不止处理数据时,它也与记忆,通知我们的高能力,抽象和学习包括情感的协调。”

该研究团队决定通过观察允许使用正常神经细胞的小鼠的常规神经细胞来确定人类的胶质细胞是否可以以独特的能力提供独特的能力。科学家们首先分离出人胶质祖细胞 - 中枢神经系统中的细胞,其引起星形胶质细胞 - 来自脑组织。然后将这些细胞移植到新生小鼠的大脑中。作为成熟的小鼠,人胶质细胞脱颖而出,占据了宿主的本地胶质细胞,同时留下现有的神经网络完整。

戈德曼说:“人类神经胶质细胞基本上接管了老鼠体内几乎所有的神经胶质祖细胞和大部分星形胶质细胞都是人类起源的,它们的发育和行为基本上与人脑中的一样。”。

然后,研究小组开始研究这些细胞对动物大脑的功能影响,特别是大脑细胞间信号的速度和保留以及可塑性——大脑形成新记忆和学习新任务的能力。

他们发现有人类胶质细胞的小鼠大脑功能的两个重要指标显著改善。首先,在测量一种称为钙波的现象时——即信号在大脑中相邻星形胶质细胞内部和之间传播的速度和距离——研究人员注意到,移植小鼠体内的波传播速度比正常情况下在小鼠体内观察到的快,并且与人类脑组织的传播速度更为相似。

其次,研究人员还考察了长时程增强(LTP),这个过程的措施有多长在大脑中的神经元通过一个简短的电刺激的影响。LTP被认为是中央分子机制学习和记忆中的一个。在这个测试中,同样,研究人员发现,移植的小鼠开发了快速持续LTP,表明他们提高学习能力。

在这些发现的基础上,该团队在旨在测试记忆和学习能力的一系列行为任务中,该团队评估了小鼠。他们发现移植的小鼠更快速的学习者,并且都获得了新的关联,并且在没有人类神经胶质细胞的情况下比小鼠更快地进行多种任务。

“底线是,这些小鼠显示在可塑性和其现有神经网络内的学习,实质上改变其功能能力的增加,”戈德曼说。“这告诉我们,人类的神经胶质细胞在智力能力和认知处理的物种特异性的作用。虽然我们已经怀疑了一段时间,这可能是这种情况,这实在是这一点的第一个证据。”

研究人员认为,这种动物模型,他们称之为人类的神经胶质嵌合体小鼠,现在提供了医学界提供了新的工具来认识和对待神经系统疾病,其胶质异常贡献。这可能是在人类比其他物种更出现这些神经学和神经性疾病特别相关。在这些疾病中,星形胶质细胞的人类特有的功能可能是疾病过程特别重要。高盛,Nedergaard,和他们的同事已经在使用这些小鼠来研究的人类神经和神经退行性疾病,其病理胶质可能导致的。

其他作者包括晓宁汉,米歇尔·陈,抚顺望,玛莎Windrem,王苏,史蒂芬Shanz,漆雾许,南希安Oberheim弄Bekar,萨拉Betstadt和孝弘高野与URMC和阿尔西诺席尔瓦与美国加州洛杉矶大学。这项研究是由G.哈罗德和莱拉Y.马瑟慈善基金会,仪博士和谢尔登阿德尔森G.医学研究基金会,美国国家多发性硬化症协会,以及美国国立卫生研究院的支持。

出版物:小柠韩等人,“前脑移入由人力胶质祖细胞增强突触可塑性和学习在成年小鼠,”细胞干细胞,第12卷,第3期,342-353,2013 3月7日;DOI:10.1016 / j.stem.2012.12.015

图片:罗切斯特大学医学中心

1条评论“人体细胞增强突触塑性和成人小鼠学习”

  1. Daaamn!难道其他动物成为人类的神经胶质细胞增加?我们可以让他们自我意识?

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