星形胶质细胞在三方突触中对突触信息的加工处理和调控作用

郭航 马亚群 李海红 马丽 卢彦 王筱君 马玉龙

“三方突触” 在突触生理学中是指星形胶质细胞与神经元之间双向通信的单元。自20 世纪90年代“三方突触”这个词语被提出以来，神经元与星形胶质细胞之间存在双向作用的证据多次得到证实。这代表着突触生理学中一个全新的概念，除外神经元突触前后之间的信息流，星形胶质细胞可以与突触的神经元之间进行信息交换、对突触活性做出反应以及调节突触传递。越来越多的证据显示脑功能可能形成于神经元-胶质细胞网络的协调活动，这与传统观点的脑组织功能源于神经元活动不同，星形胶质细胞-神经元相互作用的生物学成为现代神经科学领域中一个热门话题，改变对神经系统生理机能的认识[1]。本文将对星形胶质细胞钙离子信号特性及其生理影响，钙离子信号对神经元-星形胶质细胞相互作用的影响以及星形胶质细胞对突出传递和可塑性的影响综述如下。

一、星形胶质细胞钙离子信号及其生理意义

（一）钙离子介导的星形胶质细胞兴奋性

20 世纪90年代之前，星形胶质细胞一直被认为是不可兴奋性细胞，其与神经元不同，不表现出电兴奋特性[2,3]。而此后开拓性研究利用荧光成像技术检测到体外培养的活的星形胶质细胞可以表现出基于胞内钙离子浓度变化的一种兴奋性形式[4]。随后在培养的细胞、脑组织切片以及体内实验中均证实了星形胶质细胞的可兴奋特性，并且实验证实了胞内钙离子浓度升高是由于内质网中储存钙库被激活进而引起钙释放，继而升高的钙离子成为细胞信号[5]。与神经元主要依赖跨膜电信号产生细胞兴奋性不同，星形胶质细胞是依赖胞浆内钙离子浓度变化产生兴奋性。

（二）星形胶质细胞的钙离子信号由突触活性控制

星形胶质细胞内的钙离子浓度升高，表明细胞可能存在兴奋性表现，该变化可在有神经活动的存在下以固有幅度自发发生，也可由突触活动过程中释放的神经递质触发，后一种触发方式至关重要，表明神经元与星形胶质细胞间存在着相互作用[6,7]。星形胶质细胞钙离子信号的突触控制基于星形胶质细胞表达大量功能性神经递质受体。其中很多是与G 蛋白相结合的代谢型受体，其一经激活，便可刺激磷脂酶C（phospholipase C，PLC）产生1,4,5-三磷酸肌醇（inositol (1,4,5)-triphosphate，Ins(1,4,5) P3），进而引起Ins(1,4,5) P3这一敏感型钙库释放钙离子，从而使胞内钙离子浓度升高[8]。突触诱发电位和自发性钙信号起源于星形胶质细胞突起的膜质微区，在此区域，星形胶质细胞能够将胞内信号传递给细胞的其他部位[9]。由于单个星形胶质细胞与约105个突触相联系，钙离子信号空间扩展的控制对神经系统生理功能方面具有重要意义，并非所有与单个星形胶质细胞连接的突触都必须保持功能上的一致性以接收相同和同时的调节。因此，对特定突触不同的神经调节将会增加神经系统调控的自由度[10]。

（三）活体星形胶质细胞的钙离子信号

大鼠、小鼠和白鼬的研究报道显示了在活体星形胶质细胞内钙离子浓度的改变，表明星形胶质细胞钙离子兴奋性不是脑切片培养液导致的特性[11]。其次，在脑切片中，星形胶质细胞钙离子浓度的改变是自发的，可由突触活动过程中释放的神经递质诱导发生，这表明在体内存在神经元-突触相互作用[12-15]。星形胶质细胞钙离子升高也可能由生理感官刺激诱发，例如胡须刺激可以增加皮质区星形胶质细胞内钙离子浓度[16]。强的外周神经刺激激活蓝斑核或者对其进行直接电刺激后，感觉皮层的星形胶质细胞钙离子浓度同样升高，此现象在警觉的小鼠逃跑过程中也可以观察到[17]。其他脑组织区域的星形胶质细胞也可以对相应感觉形态的刺激做出反应，如视觉皮层的星形胶质细胞在视觉刺激时胞内钙离子浓度升高，反映出不同空间接受域的存在，与神经元对视觉刺激的反应相比，星形胶质细胞的反应更为协调[14]。总之，活体星形胶质细胞表现出钙兴奋性并响应神经元活动。而且，在特定感觉区的星形胶质细胞对某些感觉刺激的响应，表明星形胶质细胞有可能参与外部世界在脑组织中的投射。

二、星形胶质细胞对突出传递和可塑性的影响

（一）星形胶质细胞对突触信息的加工处理

星形胶质细胞是突触信息在细胞水平的加工处理者，其对突触信息的整合和加工处理表明其可以对邻近突触快速传递来的信息作出复杂非线性反应。

星形胶质细胞辨别不同突触通路的活性：星形胶质细胞钙信号不是由于神经递质的非特异性溢出造成的，相反，是受到特异性突触末梢活动的选择性介导而产生的。海马CA1区始层中的星形胶质细胞在海马神经纤维（含有谷氨酸能和胆碱能轴突） 受到刺激时以钙浓度升高的形式做出反应，此过程由乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）而非谷氨酸特异性介导[18]。不同的谷氨酸能突触末梢（schaffer collateral，SC）释放谷氨酸，这些星形胶质细胞也可以对谷氨酸做出反应[19]。因此，星形胶质细胞对含有不同神经递质（Ach、谷氨酸）的不同突触选择性做出反应，并能够辨别出应用同一神经递质（如SC 谷氨酸能轴突和海马神经纤维） 的不同神经通路间的活性。同样的，下丘脑腹侧基底中的星形胶质细胞只在感觉通路或者皮质丘脑通路受到刺激时可做出反应，很少有星形胶质细胞可以对这2 种通路均作出反应[20]。因此，星形胶质细胞可以选择性做出反应以辨别特定突触的活动。

星形胶质细胞钙信号与突触活性的非线性关系：各种释放Ach 和谷氨酸突触末梢的活动诱发星形胶质细胞钙信号波动的现象表明星形胶质细胞可以整合突触信息[21]。在海马组织切片，海马神经纤维与SC（二者引起钙升高分别由Ach和谷氨酸介导） 受到同步化刺激后引起星形胶质细胞反应，此反应不同于突触活性的线性指示器，同时刺激上述2 条神经通路所引起的钙增加幅度并非是其分别受到刺激后引起钙增加幅度的线性叠加[21]。因此，Ach 和谷氨酸突触的活性对星形胶质细胞钙信号的调节是非线性的。此外，与单独刺激相比，以高频率（30、50 Hz）同时刺激以上2 条神经通路时，其引起的钙信号表现为亚线性叠加；以低频（1、10 Hz）刺激时，表现为超线性叠加。由此表明，当神经元活动处于高、低频率时，钙信号分别是相对抑制或增强的。因此，星形胶质细胞钙信号受到不同的突触输入信息同步化激活的非线性调控，并且这种调控依赖于突触活性水平[21]。

（二）星形胶质细胞具有细胞固有特性

外源性神经递质诱发的星形胶质细胞钙信号具有协同效应[22]。此外，海马星形胶质细胞钙信号变化如前所述发生于提供谷氨酸和Ach 而突触无活性时[21]。有趣的是，同时应用谷氨酸和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）所诱发的钙信号等于其各自引起的钙增加的线性叠加，这表明星形胶质细胞钙信号改变依赖于所涉及的神经递质种类，有可能归因于不同的胞内信号级联反应的激活。事实上，Ach 和谷氨酸受体的胞内信号通路汇集于一点，即PLC 的激活，而GABA 受体作用于涉及腺苷酸环化酶调节的胞内信号通路[23]。因此，星形胶质细胞钙信号变化是一特殊现象，依赖于所涉及的神经递质，可能是被特定神经通路选择性诱发的。因此，星形胶质细胞具有细胞固有特性，对突触活动可做出非线性应答，这可能是由于胞内信号事件决定的，比如，神经元的细胞固有特性就是基于其膜电性质。总之，星形胶质细胞是神经系统信息加工处理过程中重要的细胞组分。

（三）星形胶质细胞对胶质传递以及突触传递对调控

星形胶质细胞分泌多种神经活性分子，比如谷氨酸、D-丝氨酸、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、腺苷、GABA、肿瘤坏死因子α、前列素、蛋白和多肽类，这些分子可以影响神经元和突触生理机能[24]。此过程发生的机制和其产生的结果称为胶质传递。有证据显示许多递质从囊泡和溶酶体以钙依赖方式胞吐释放[25,26]。此外，星形胶质细胞突起有小的突触样小泡，分布于与突触极为贴近的部位，既贴近于神经元突触前成分又贴近于突触后成分[27]。也有学者提出其他例如谷氨酸反向转运体、连接蛋白/泛连接蛋白半通道、成孔P2X7 受体以及水肿依赖的体积调节阴离子通道的激活等传递机制[28]。但关于钙依赖和非钙依赖释放方式是否共存，以及在何种生理病理条件下会出现问题尚未研究清楚。

星形胶质细胞对神经元的调节作用最初是在体外培养的细胞上证实的，后来在脑切片的研究中有所扩展，最近在一种新型脑芯片上也有证实[29-31]。谷氨酸是第一个被证实的从星形胶质细胞释放的胶质递质，并对神经元兴奋性有很大影响。星形胶质细胞释放的谷氨酸通过激活突触后天门冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受体可以引起缓慢的内向电流，同时可以兴奋海马椎体神经元集群，表明谷氨酸介导的胶质传递可以增加神经元兴奋性并可作为非突触机制引起神经元活动同步化[32,33]。此外，星形胶质细胞释放的谷氨酸可能也可以激活分布于突触前末梢上的受体。通过激活Ⅰ型代谢型谷氨酸受体（metabotropic glutamate receptors, mGluRs）或者NMDA 受体，星形胶质细胞增加了自发性和诱发性的兴奋性突触电流的频率。同时，星形胶质细胞可以通过激活突触前红藻氨酸或Ⅱ/Ⅲ型mGluR 增强或减弱抑制性突触传递[34-37]。因此，单个的神经递质可以根据作用部位和所激活的受体亚型的不同而发挥多重效应，这使得星形胶质细胞—神经元之间相互作用的复杂程度有所增加。当考虑到其他的胶质递质，例如GABA、ATP、腺苷、D-丝氨酸等都可以作用于同一神经元或不同的细胞亚型而引起不同反应时，复杂性更加显著[19]。另外，在海马星形胶质细胞，由蛋白激酶激活受体1受体被激活的非P2Y1受体引起的钙升高可以诱发椎体神经元中NMDAR 介导的缓慢性内向电流，表明星形胶质细胞受到神经元活动过程中释放的内源性大麻素刺激后，可以向相邻的不连接的神经元传递信号，进一步表明星形胶质细胞为神经元间非突触连接作用架起一座桥梁[38]。总之，星形胶质细胞不仅通过短程信号影响有活性的突触，还可能对远距离突触具有长程影响。

（四）星形胶质细胞与突触可塑性

星形胶质细胞对突触传递的调节持续时间不同，既能够短暂地调控突触强度（几秒内），又有助于形成长时程的突触可塑性。星形胶质细胞对形成长时程增强（long-term potentiation，LTP）作用的机制已有报道。一些研究显示星形胶质细胞起到被动或补充的作用，其可辅助性地抑制或增强突触传递[39]。星形胶质细胞释放的ATP/腺苷通过抑制神经传递来调控海马基底部突触活动强度，进而引起LTP 动态变化范围增加[38]。星形胶质细胞参与LTP 的形成，星形胶质细胞钙信号和突触后神经元活动同时发生并导致谷氨酸从星形胶质细胞中以钙依赖方式释放，谷氨酸进而激活突触前末梢Ⅰ型mGluRs 而引起LTP 形成。

（五）星形胶质细胞与动物行为

星形胶质细胞钙信号和胶质传递对动物行为影响的阐明是三方突触这一概念的根本性挑战。转基因动物模型的构建有助于解决上述挑战。然而应用不同的转基因小鼠所得的研究结果不尽相同。Mas 相关的G-蛋白偶联受体家族A1（Mas-related G-protein-coupled receptor member A1，MrgA1）受体是不能在脑组织中内源性表达但能在转基因小鼠的星形胶质细胞中特异性表达的一种与胞内钙库释放的钙离子相结合的受体，当此受体被选择性激活引起星形胶质细胞钙离子升高时，却未能检测到海马神经元兴奋性和突触传递的改变，转基因小鼠本质问题是外源性受体在时间和空间上的正确表达以及与胞内信号级联反应分子的正确结合，这些可能是导致上述阴性结果的原因[24]。另一项研究应用星形胶质细胞中SNARE 依赖性胶质递质释放被彻底废除的转基因小鼠，发现星形胶质细胞有助于睡眠平衡/稳态的调控，星形胶质细胞中释放的ATP 的代谢产物即腺苷参与了睡眠压力的积累并促进了与睡眠缺乏相关的认知障碍的形成。尽管转基因小鼠不是完美的实验模型，但有助于揭示星形胶质细胞在不同脑功能中发挥潜在的作用。

（六）三方突触的比例

一项旨在研究星形胶质细胞钙信号对单个海马突触作用的实验结果显示，刺激星形胶质细胞后，只有大约40%的突触表现出星形胶质细胞诱导的突触传递效能增强的现象。实验条件可能是导致无效能现象的原因之一，另一个可能原因在于接受刺激的星形胶质细胞与所记录的突触无功能上的联系。这种功能性联系的缺失是否是由于功能性或结构性因素造成的仍不清楚，但是超微结构数据表明：有大约40%的海马兴奋性突触是被星形胶质细胞突起所包绕的，此结果证明并非所有的突触在功能上都是“三方的”。在记录的突触中，大约只有40%的突触中ATP 诱发的星形胶质细胞胞内钙升高可以增强突触传递，更进一步支持并非所有突触都为“三方的”假说。如果事实如此，那么“三方突触”是稳定的功能单位还是动态的功能单位还有待证实。在海马突触和体觉皮质层能够观察到星形胶质细胞突起和突触的棘突发生协调性改变，同时胡须刺激也能够引起这些部位包绕在突触周围的星形胶质细胞突起发生形态改变，这些结果使得上述后一观点更具说服力。总之，只有一部分突触能够受到单个星形胶质细胞的有效调节这一现象表明神经调节不是由于胶质递质的大量溢出造成的，而是星形胶质细胞-神经元之间可能存在点对点作用的特殊信号通路。

综上所述，传统观点认为脑功能专属于神经元活动，星形胶质细胞是不可兴奋性细胞，与传统观点不同，新的研究证据表明星形胶质细胞钙离子浓度的升高可引起星形胶质细胞的兴奋，并且钙离子信号在星形胶质细胞-神经元形成的突触中发挥着胶质传递、突出信息整合、加工和调控的作用，最终影响突触可塑性、细胞与动物行为。但星形胶质细胞在脑功能和动物行为中真正发挥的作用还尚未明确，转基因动物模型的进一步成熟将有助于更好地揭示星形胶质细胞在不同脑功能和动物行为中的重要作用，仍需大量研究全面描述星形胶质细胞对神经元-胶质细胞网活动的真正影响。