人类细胞增强成年小鼠突触可塑性和学习能力

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。

这项研究发表在《细胞干细胞》杂志上,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。

罗彻斯特大学医学中心(URMC)的神经学家Steven Goldman博士说:“这项研究表明,神经胶质不仅对神经传递至关重要,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进化。”Steven Goldman博士是这项研究的共同资深作者。“我们相信这是第一次证明人类神经胶质具有独特的功能优势。这一发现也为我们研究这些细胞可能在其中发挥作用的一系列疾病提供了一个全新的模型。”

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——就像人类一样——大脑功能变得越来越复杂。”

与其他物种相比,星形胶质细胞在人类脑中更加丰富,更大,多样化。在人类中,个体星形胶质细胞项目评分可以同时与大量神经元联系,特别是它们的突触,其两个相邻神经元相遇的沟通点。结果,个体人的星形胶质细胞可能会涉及成千上万突触的活动,远远超过小鼠。

这种观察结果表明,人们的星形胶质细胞可能在整合和协调人类大脑中发现更复杂的信号活动方面发挥重要作用,因此有助于调节我们更高的认知功能。这反过来表明,当移植到小鼠中时,人的胶状可能会影响神经活动的潜在模式。

“从根本上说,我们与低等物种是不同的,”戈德曼说。“我们先进的认知处理能力的存在,不仅是因为我们神经网络的规模和复杂性,还因为人类神经胶质细胞的功能能力和协调能力的提高。”

“我一直发现人类大脑更有能力的概念,因为我们有更复杂的神经网络是有点太简单的,因为如果你把整个神经网络和所有活动都放在一起,你就可以获得超级电脑,“奈良加德说。“但人类认知远远不仅仅是处理数据,它也包括与内存的情感协调,以告知我们更高的抽象和学习的能力。”

研究小组决定,如果让人类神经胶质细胞与小鼠的正常神经细胞共存,将会发生什么,从而确定人类大脑是否具有独特的能力。科学家们首次从脑组织中分离出人类神经胶质祖细胞——产生星形胶质细胞的中枢神经系统细胞。然后他们将这些细胞移植到新生小鼠的大脑中。当小鼠成熟时,人类胶质细胞胜过宿主的天然胶质细胞,同时保持现有神经网络的完整。

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,研究人员还研究了长期的倾向(LTP),这是一种测量大脑中神经元的长期受到短暂电刺激的影响的过程。LTP被认为是学习和记忆的中央分子机制之一。在该测试中,研究人员发现移植的小鼠产生更快速和持续的LTP,表明他们改善了学习能力。

在这些发现的基础上,研究小组在一系列旨在测试记忆和学习能力的行为任务中评估了这些老鼠。他们发现,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,获得新的联想和执行各种任务的速度都明显更快。

“底线是这些小鼠在其现有的神经网络中展示了可塑性和学习的增加,基本上改变了它们的功能能力,”高盛说。“这告诉我们人类峡谷在智力能力和认知处理中具有特定于特定的作用。虽然我们暂停了一段时间,但这可能是这一点的第一个证明。“

研究人员认为,这种动物模型,他们称之为人胶嵌粒小鼠,现在为医学界提供了一种新的工具来理解和治疗神经疾病的神经系统疾病贡献。这可能特别是对人类高于其他物种的神经和神经精神疾病特别相关。在这些疾病中,星形胶质细胞的人特异性特征可能是对疾病过程的重要性。高盛,尼伯德及其同事已经使用这些小鼠研究了一系列胶质病理可能有贡献的人类神经精神和神经变性障碍。

其他作者包括小宁汉,Michel Chen,傅舜望,Martha Windrem,Su Wang,Steven Shanz,Qiwu Xu,Nancy Ann Oberheim,Nancy Ann Oberheim,和,和UURMC,和洛杉矶加利福尼亚大学。这项研究得到了G. Harold和莱拉·Y·马瑟慈善基金会、米里亚姆博士和Sheldon G. Adelson医学研究基金会、全国多发性硬化症学会以及美国国立卫生研究院的支持。

出版物:Xiaoning Han等,“人类胶质祖细胞的前脑植入增强了成人小鼠的突触可塑性和学习,”细胞干细胞,第12卷,2013年3月7日,342-353号“;DOI:10.1016 / J.Stem.2012.12.015

图片:罗切斯特大学医学中心

1条评论“人类细胞增强成年小鼠突触可塑性和学习能力”

  1. 戴安恩!其他动物是否会因人类神经胶质细胞而增强?我们可以让他们自我意识到吗?

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