Only Perception: MIT 解開腦部造影背後的祕密

2008-06-24

MIT 解開腦部造影背後的祕密

MIT unlocks mystery behind brain imaging
http://www.physorg.com/news133107802.html

June 19, 2008

證明星形腦細胞扮演關鍵角色

在一項解決神經科學存在已久之謎的研究中，MIT Picower Institute for Learning and Memory 的研究者首度證明，稱為星狀細胞（astrocytes，星形膠質細胞）的星形腦細胞 -- 先前被絕大多數神經科學家認為是 "小咖" 角色 -- 使得非侵入性腦部掃描成為可能。

成像技術例如功能性磁振造影（fMRI）正子放射斷層造影（PET）已經改變了神經科學，提供充滿色彩的活體實驗對象腦部活動圖。這些掃描的紅、橙、黃與藍代表著由神經活動所觸發的血流量改變。不過在 MIT 的研究之前，那發表於 6/20 該期的 Science 上，沒有人確實知道為何這能運作。

"為何血液流動連接到神經活動一直都是個謎，" 研究共同作者 Mriganka Sur 說，Sherman Fairchild 神經科學教授，同時也是 MIT 腦與認知科學系的大頭。"以前，人們認為 fMRI 訊號報告局部場電位（local field potentials），或進入電流活動的波，不過神經元並沒有直接與血管相連。在神經活動與血流之間的因果連接從未被證明。"

屬於腦中二種主要細胞類型，神經膠質（glia）在數量上以九比一超越神經元。星狀細胞 -- 最常見的一種神經膠質 -- 環繞著突觸 -- 透過它神經元得以溝通 -- 並沿著血管延伸它們分歧的捲鬚。

使用一種尖端技術，Sur 等人發現星狀細胞直接從神經元那裡接收訊號，並提供它們自己的 "類神經元" 回應以直接管控血流。它們正是神經元與血管間遺失的一環，他說。當星狀細胞被關閉，fMRI 不再作用。

"星狀細胞涉及到許多腦部失調而且表現出腦中非常大量的基因，" Sur 說。"它們的角色對於了解腦官能障礙以及發展潛在療法來說相當重要。"

MIT 研究證明，與先前的信念相反，星狀細胞影響複雜的神經元運算，諸如腦細胞回應刺激的持續時間與選擇性。不過它們的化學訊號使得它們無法透過傳統、偵測電氣活動的腦研究方法瞧見。

"就電氣來說，星狀細胞相當沈默，" 研究共同作者 James Schummers 說，Picower Institute 的博士後研究。"我們對神經元的大部分認識是來自於戳入它們之中的電極。因為我們不能記錄星狀細胞，所以我們忽略了它。"

當星狀細胞以雙光子顯微術（two-photon microscopy）成像時，"我們所注意的第一件事是，星狀細胞對於光學刺激有回應。這讓我們下巴都快掉下來，" Schummers 說。"我們沒預期到它們會做任何事。然而，它們就在那裡，如同神經元那樣地一閃一滅。我們不知道世上其餘的人會不會認為我們瘋了。"

"這項研究證明，星狀細胞 -- 那佔了腦皮層 50% 的細胞，但其功能仍是未知 -- 很精緻地對知覺驅動（sensory drive）做出回應、控管血液在皮質的局部流動甚至還影響神經元的回應，" Sur 說。"此外，星狀細胞排列在有條理的特徵圖（feature maps）中，精緻地繪製在整個皮質表面，與神經元圖（neuronal maps）同步。"

雙光子顯微術使用二個紅外線光子來發射螢光，那能為 1 mm 內的活組織造影。先前，研究者只能夠在染色中看見星狀細胞，薄薄的一層死亡腦組織。

下一步，Schummers 說，要確切探索星狀細胞如何作用在神經元上。

※ 相關報導：

＊ Tuned Responses of Astrocytes and Their Influence on Hemodynamic Signals in the Visual Cortex
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/320/5883/1638