长期以来，神经科学研究多聚焦于大脑中电活动显著的神经元，但事实上，数量几乎与神经元相当的“星形胶质细胞（astrocytes）”在脑功能中也扮演着不可或缺的角色。美国麻省理工学院（MIT）皮考尔学习与记忆研究所的一项新研究首次明确指出，星形胶质细胞对于维持神经网络信息编码所需的化学环境具有关键作用。
研究人员发现，当小鼠大脑视觉皮层中的星形胶质细胞失去合成一种名为GABA转运蛋白3（Gat3）的能力后，尽管单个神经元的活动影响不大，但整个神经元群体对视觉信息的编码能力却明显下降。这项研究于近日发表在《eLife》期刊上。
GABA失衡扰乱神经元“团队协作”
GABA是一种常见的抑制性神经递质，在调控神经元放电和信息精确传递中起着重要作用。星形胶质细胞通过Gat3调控周围环境中GABA的水平，以维持神经系统的平衡。当研究人员用新开发的CRISPR/Cas9工具“MRCUTS”敲除小鼠视觉皮层中的Gat3后，神经元被“泡”在了GABA过量的环境中。
尽管单个神经元仍能响应图像中的特定视觉特征（如线条方向），但研究人员发现，这种高GABA环境下，神经元整体的激活频率降低，反应变得不稳定，甚至在小鼠只看灰色屏幕时也更难自发活动。
“即使单个神经元的变化不显著，但当一百个神经元都发生微小改变时，在整体层面就可能形成显著影响。”该研究资深作者、MIT大脑与认知科学系Mriganka Sur教授表示。
深层分析揭示神经元集体失调
为了进一步了解这些微妙影响，研究生朴智镐（Jiho Park）运用统计建模和机器学习方法，对数百个神经元的群体活动进行了深入分析。
使用广义线性模型（GLM）分析神经元间的协同活动后，研究团队发现，缺失Gat3会削弱神经元之间的“预测性”，也就是说，它们之间的协同配合受到了干扰。
此外，利用基于支持向量机（SVM）的“解码器”来判断神经元群体所代表的信息时发现，正常情况下，随着纳入更多神经元，解码器对图像内容的识别能力会提升；但在缺失Gat3的情况下，即便加入更多神经元，解码效果也无法改善，说明信息编码能力遭受破坏。
研究团队写道：“这些解码能力的下降表明，星形胶质细胞通过调节GABA水平，对组织神经元群体的协调活动至关重要，而这种协调正是大脑有效编码信息的基础。”
有望解释多种神经疾病机制
这项研究不仅推动了我们对星形胶质细胞功能的认识，也可能帮助解释一些临床现象。例如，在丘脑中Gat3表达下降会提高癫痫风险；在纹状体中表达升高与重复性行为相关；在苍白球中表达减少则会影响运动协调。
“这是首次在活体小鼠中，从单个细胞到神经群体多个层面研究Gat3的功能，有望为解释上述临床表型提供新线索。”朴智镐表示。不过Sur教授也指出，由于大脑中还有其他类似的GABA转运蛋白（如Gat1），未来仍需进一步研究其互补机制。
本研究由MIT皮考尔研究所牵头完成，作者还包括Grayson Sipe、Xin Tang、Prachi Ojha、Giselle Fernandes、Yi Ning Leow、Caroline Zhang、Yuma Osako、Arundhati Natesan、Gabrielle Drummond 和 Rudolf Jaenisch。
参考文献：Jiho Park et al, Astrocytic modulation of population encoding in mouse visual cortex via GABA transporter 3 revealed by multiplexed CRISPR/Cas9 gene editing, eLife (2025). DOI: 10.7554/eLife.107298.1
编辑：王洪
排版：李丽
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