新研究为认知加工的创新理论铺平了道路

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一组科学家开发了第一个预测皮质神经胶质细胞在认知中的作用的计算机模型。

加拿大大学健康网络

10月19日消息

来自加拿大大学健康网络（University Health Network，UHN）的克雷姆比尔大脑研究所（Krembil Brain Institute）和北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）的一组科学家开发了第一个预测皮质神经胶质细胞在认知中的作用的计算机模型。这篇论文近日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences ，PNAS）上。

研究于2022年10月19日发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（最新影响因子：12.779）杂志上

克里姆比尔大脑研究所的科学家、该研究的第一作者 Maurizio De Pittà 博士说：“神经元的作用已有详细的记载，但神经元周围还散布着很多神经胶质细胞，大脑中的许多突触附近都有神经胶质细胞。我们目前还不了解神经元和神经胶质是如何协同工作的，也不知道神经胶质细胞功能障碍是如何导致认知缺陷的。”

神经胶质细胞在大脑中大量存在，并发挥着多种重要作用。长期以来，这些细胞一直被认为是被动的旁观者，为神经元和突触提供物质支持，为神经元提供营养，并清除毒素和废物。然而，科学家最近发现神经胶质与神经元的相互作用方式与神经元通过化学信号相互交流的方式类似。

这篇论文提出了神经胶质细胞在大脑认知加工中扮演的角色的第一个理论。“我们研究的神经胶质细胞类型（称为星形胶质细胞）可以改变我们大脑回路的活动，并影响我们的行为方式，” De Pittà 博士说。

星形胶质细胞

该研究观察了星形胶质细胞在工作记忆（Working Memory，WM）中的作用，这是一种为正在进行的任务存储信息的能力，如跟随电影的故事情节或数到十。

“我们知道星形胶质细胞释放特殊的化学信号，我们已经证明这种信号可以调节工作记忆的不同读取器，” De Pittà 博士说，“揭示神经元和星形胶质细胞之间的化学相互作用可能是工作记忆的核心，也告诉我们，当我们有工作记忆缺陷时，可能会出现什么问题，这通常是主要大脑障碍的警告信号。”

他补充说：“如果我们想真正理解工作记忆的功能障碍，我们需要考虑神经胶质细胞和神经元之间的相互作用。”

文中还指出：

•像无线电系统一样，传统上人们认为突触是在单一频段上传输的。考虑到星形胶质细胞，我们现在知道可以有多个频带。

•人们普遍认为，不同形式的工作记忆依赖于不同的回路，然而，这项研究表明，同样的神经胶质细胞回路可以编码各种形式的工作记忆。

•星形胶质细胞相对于神经元的排列方式可以控制我们的工作记忆容量，或者我们可以同时记住多少件事。

目前，还没有有效的技术来记录人脑中的神经胶质细胞活动。研究人员希望最终创造出一个高保真的模型（一个“数字双胞胎”），大脑的神经元-神经胶质细胞回路，从基因到细胞。这样的模型可以帮助发现神经元-神经胶质细胞相互作用的标志物，并改善各种脑部疾病的诊断和治疗，如阿尔茨海默病、帕金森病和癫痫。

“有了我们的新理论，我们不只是在黑和白的情况下观察大脑，也就是说，特定的神经元群体是活跃的还是不活跃的。相反，我们正在用彩色技术观察大脑，通过包括神经胶质细胞及其信号，对细胞通信有更深入的了解，” De Pittà 博士说，“这让我们对大脑的复杂性有了更全面、更现实的认识。”

随着技术的进步，De Pittà 和他在克里姆比尔的团队将使用他们的模型开发技术，以修改神经胶质细胞回路的活性来治疗疾病。“我们的最终目标是研究神经元-神经胶质细胞的相互作用，以发现大脑疾病的新的治疗靶点。”

成立于1986年的加拿大大学健康网络（包括多伦多总医院、多伦多西部医院、玛格丽特公主癌症中心、多伦多康复研究所以及麦切纳教育研究所）隶属于多伦多大学

参考文献

Source：University Health Network

New research paves way for innovative theory of cognitive processing

Reference：

Maurizio De Pittà, Nicolas Brunel. Multiple forms of working memory emerge from synapse–astrocyte interactions in a neuron–glia network model. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (43) DOI: 10.1073/pnas.2207912119

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