神经元并非独行侠，大脑另有思考者

对于思考过这个问题的人来说，大部分人可能会认为思考是由占据在他们头骨上半部分的大量专门的、导电的神经元组成的庞大网络完成的。在某种程度上，这个看法是正确的。人脑中的860亿神经元确实承受了大部分的认知重担，但并非全部。

负责支持神经元的是其他三种脑细胞——小胶质细胞（microglia）、少突胶质细胞（oligodendrocytes）和星型胶质细胞（astrocytes），它们被统称为胶质细胞（glial cells）。这些细胞在神经科学界曾一直被忽视。直到最近，它们才变成了研究的热门话题（在下图中的大鼠海马体切片中，胶质细胞纤维被染成绿色，神经元的纤维被染成蓝色，而二者的细胞核都被染成红色）。研究结果表明，他们不仅仅是脑中的“胶水”，还具有重要的生物学功能。

– Science Photo Library –

小胶质细胞的功能类似于园丁，他们修剪神经元之间的连接，以维持神经网络的秩序。少突胶质细胞曾经被认为只是用于包裹神经元的轴突，起到绝缘作用，但现在科学家发现，它们对调整轴突信号也起到了重要作用。而最有趣的是星型胶质细胞，它们通过调节经过突触（多个轴突聚集到一起、传输信号的地方）的信息流，将突触变成了生物机体中的“晶体管”（transistor）。

没有细胞，就没有意识

这些结果的发现并不单单是出于学术研究目的。如今，失常的胶质细胞被认为与多种疾病相关，包括自闭症、多发性硬化以及强迫症。因此，研究这些胶质细胞有着重要的医学价值。此外，设计模拟大脑的人工神经网络的科学家们，也对此非常关注，因为这些网络对于机器学习和人工智能至关重要。所以，尽管神经元在大脑中扮演着重要的角色，其他细胞的作用也开始得到阐释。于是，大脑运作的图景也逐渐丰富起来。

对于小胶质细胞来说，2012是⼀个关键转折点。哈佛医学院的多萝西·谢弗尔（Dorothy Schafer）博士及其同事发现，在大脑发育的过程中，小胶质细胞会修剪突触，并且这个过程会持续到人的20岁中期。此前，小胶质细胞仅被视为免疫系统的⼀部分，主要负责清除病原体和细胞碎片。谢弗尔博士的研究使它们从灰姑娘变成了舞会上的佳丽。她发现小胶质细胞通过寻找和吞噬不常用的突触，简化了神经元的计算过程，从而使大脑变得更为高效精简。

– The Economist –

而少突胶质细胞的高光时刻则发生在2014年。它们的作用尽管众所周知，却似乎同样单调——产生髓鞘。髓鞘是一种蛋白质和脂质的混合物，作为一种少突胶质细胞的副产物包裹在轴突周围，以提高轴突的导电性。然而在2014年，由西雅图华盛顿大学的阿明·赛德尔（Armin Seidl）领导的研究团队发现，少突胶质细胞可以利用髓鞘微调轴突中电信号的传导速度。

例如，分别从左右耳传输信号到特定的听觉皮层的轴突长度可能不同，导致信号到达的时间略有差异。少突胶质细胞通过调节轴突的直径以及髓鞘上郎飞节之间的距离，可以补偿轴突长度不同造成的信号传递时间差。这意味着剩余的时间差就反映了声音到达两耳之间的实际时间间隔。这个真实的时间差是大脑用来确定声音来源的关键。

然而，最近发现的星形胶质细胞的新功能才是真正令研究人员兴奋的。这些雪花状的细胞带有伸展出去的“卷须”，每个卷须末端都有⼀个被称为“终足”（endfoot）的附属物。每个星形胶质细胞守卫着自己的领地，这些细胞交织嵌合在⼀起，形成了覆盖整个大脑的三维马赛克图案。

以脚碰脚

终足可以追捕并包裹突触，使星形胶质细胞能够监听神经元之间的交流，然后通过增强或削弱特定突触来控制神经元网络的计算。现在有充分的证据表明，星形胶质细胞也因此在记忆形成中发挥着关键作用，特别是在海马体中（该结构可以将相关的短期记忆转化为长期记忆。）

组织活检显示，（根据脑区的不同），星型胶质细胞以这种形式调节着50%到90%的人脑突触。因此，星型胶质细胞的干预是一种规则，而不是特例。当前很多研究人员认为三元突触是大脑中的标准突触结构。它们类似晶体管的三元素组成，其中星型胶质细胞组成的部分就像是晶体管的“基极”（base），调节其他两个（相当于晶体管的“发射极”[emitter]和“集电极”[collector]的）部分之间的信号传递。由于晶体管是计算机逻辑门（logic gates）的构成要素，这个发现非常耐人寻味。

– Portfolio –

此外，星型胶质细胞不仅与神经元相互作用，似乎还能够进行自己的计算。当两个星型胶质细胞的管区重叠时，它们的卷须可以连接，形成的网络类似神经元网络。这使它们可以利用从⼀个细胞的卷须传递到另⼀个细胞的钙离子脉冲进行通信。

2021年初，由迈克尔·巴罗斯（Michael Barros）带领的芬兰坦佩雷大学研究团队利用基因编辑的星型胶质细胞，发现这些钙离子信号可以执行布尔代数运算，也就是数字计算的语言。特别的是，该团队能够以高达90％的准确率运行AND和OR的布尔运算。在2022年，位于匹兹堡卡内基梅隆大学的埃里克·彼得森（Erik Peterson）发表了一份数学证明，表明星型胶质细胞网络在原理上可以运行任何可想象的计算机算法。这表明星型胶质细胞可能形成了一个次级计算网络，与神经元的计算网络平行，并能够通过三元突触调节主要网络。

因此，大脑的形象不再是神经元俯视其胶质细胞下属的贵族社会，而是由各种细胞共同努力产生认知的民主社会。2022年俄罗斯科学院的阿列克谢·谢米亚诺夫（Alexey Semyanov）和阿列克谢·维尔克拉茨基（Alexei Verkhratsky）将这个想法称为脑内的“活跃环境”（active milieu）。

“活跃环境”这一概念意味着我们必然会认识到，当胶质细胞的功能出错时就有麻烦了。大量的证据表明，功能紊乱的胶质细胞在很多神经和精神疾病中起到重要作用。

其中之一是自闭症。2017年，日本名古屋工业大学的石冢加奈子（Ishizuka Kanako）发现，在小胶质细胞中存在的一对已知会干扰cx3cr1蛋白质表达的遗传变异，与自闭症风险增加有关。而2020年，圣迭戈斯克里普斯研究所的许智祥发现，小胶质细胞一系列蛋白质合成问题会导致小鼠出现类似自闭症的症状。

目前的理论认为，自闭症患者脑内失调的小胶质细胞，未能在大脑发育过程中充分修剪突触，导致过度连接的大脑对感官和情绪刺激都高度敏感。另外，许博士发现的这种效应更多影响雄性小鼠，对应了人类自闭症患者的性别分布，而这或许并不是巧合。

– Vectorarte –

同时，在过去的十年中，包括脑成像、尸检以及遗传学研究在内的多种证据表明，功能紊乱的少突胶质细胞可导致多发性硬化症、躁郁症以及精神分裂症等精神疾病。这种失调会破坏轴突的髓鞘，扰乱信号传递的时序。有假说指出，髓鞘的破坏会导致幻觉（想象的场景和声音），即精神病的特征。

很多令人信服的证据也表明，星型胶质细胞的功能紊乱，在例如抑郁症和焦虑症的情绪障碍中以及阿尔茨海默病等神经退行性疾病中，起到重要作用。最引人注目的是，2021年，加拿大蒙特利尔市麦吉尔大学的利亚姆·奥利里（Liam O’Leary）报告称，与健康大脑相比，因抑郁症自杀的患者大脑中前额叶皮层（大脑的执行系统）、尾状核（参与目标导向的行为）以及丘脑（将感官信息传递给皮层）等区域中，星型胶质细胞的密度显著降低。

不仅精神病学家受到新发现的胶质细胞功能的启发，计算机科学家也加入了研究行列。人工神经网络是建立在神经元工作原理的早期模型上的。尽管随后的研究表明这个模型过于简单，但这种网络结构组织成相互连接的类神经层确实反映了大脑皮层的神经元连接。因此，如今有些计算机学家尝试在神经网络中加入人工胶质细胞，测试其性能是否有所改善。

– Shereen Stone –

晶体管化，事半功倍

证据表明，他们的猜想是正确的。⼀些相互独立的研究团队分别发现，经过小胶质细胞修剪不常用的突触后，人工神经网路可以更好地编码信息和储存记忆。目前，如何使神经网络更稀疏，成为了⼀个重要的研究领域。

同时，也有团队在研究人工星型胶质细胞以及人工神经-胶质网络（artificial neuron-glia networks，ANGNs）的概念。它们使用星型胶质细胞类似物增强或削弱突触，来响应这些突触不断变化的放电频率，以此实现三元突触的模拟。当ANGNs与传统网络模型相比时，⼀贯地表现更加优异。这说明，正如人类工程学中的许多事情一样，似乎总是自然快“人”一步。

后记

旺崽：光影让我写后记的时候正准备旁听实验室师姐的博士答辩，恰巧是关于少突胶质细胞的。

我个人觉得少突最吸引我的点在于，大脑中一定有特定的程序，编码它是否产生髓鞘，以此响应不同程度的神经信号。例如左右耳对声源的接收距离明明不同，为什么你听到声音时只有一次，而不是有间隔的两次。正是因为听觉回路中的轴突被不同程度髓鞘包裹，让神经信号可以同时抵达“目的地”。

少突在轴突上产生的髓鞘可以影响神经信号的传导速度，但是大脑是如何快速计算得出对应的髓鞘分布图的呢？希望有一天我们会有答案。

译者：旺崽

审校：M.W. | 编辑：M.W.

封面：Portfolio | 排版：盐

原文：https://www.economist.com/science-and-technology/2023/01/23/neurons-are-not-the-only-brain-cells-that-think