Science | 突破！星形胶质细胞Ca2+诱发ATP释放调节髓鞘轴突兴奋性和传导速度

撰文︱郑媛嘉

责编︱王思珍

在中枢神经系统中，星形胶质细胞（astrocyte）支持神经元功能。在灰质中，它们可以：1）调节发育过程中的突触数量；2）清除突触释放的神经递质以减少其过度活动、防止兴奋毒性；3）控制细胞外钾离子浓度以防止过度兴奋；4）调节血液流动以确保足够的能量供应，并为神经元提供乳酸以提供能量；5）对细胞内钙离子（Ca²⁺）浓度的升高做出反应，释放三磷酸腺苷（ATP）和其他胶质递质并作用于神经元受体，调节信息处理等[1]。然而，不同于灰质，在白质中，信息传递主要是通过由被髓鞘包裹着的轴突，髓鞘包裹轴突降低了轴突电容，因此可使动作电位的传导速度更高，动作电位一旦产生于轴突起始段（AIS），就会通过髓鞘包裹的轴突的郎飞结（nodes of Ranvier）进行钠离子内流，从而实现动作电位的快速传[2]。然而，星胶在白质中的作用尚不清楚。

2021年10月15日，英国伦敦大学神经生理药理系的Jonathan Lezmy和David Attwell团队在Science上发表了题为“Astrocyte Ca²⁺-evoked ATP release regulates myelinated axon excitability and conduction speed”的文章，阐述了在白质中星形胶质细胞如何与神经元髓鞘化的轴突联系起来，证明了星形胶质细胞来源的腺苷（ATP）水平变化可以控制白质信息流和神经回路功能。

具体地，首先，作者观察到，星形胶质细胞（以下简称星胶）遍布灰质和白质（图1A）；在皮质V层锥体神经元或少突胶质细胞上，星胶与有髓鞘的轴突（myelinated axon）、轴突节间鞘（axonal internodal sheaths）位置排列紧密（图1 B, C）。

图1 A-C灰质和白质中的星形胶质细胞

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

使用全细胞膜片钳（技术）作用（加载）于星胶，让V层锥体神经元去极化，从而激发记动作电位。观察到，短暂激发（1s）时，星胶胞内Ca²⁺浓度在神经元树突附近比在轴突附近升高更多，但长时激发（10s）时，树突和轴突两处的星胶胞内Ca²⁺浓度均升高（图1 D, E）。释放自星胶胞体（soma）的Ca²⁺也提高了整个星胶的Ca²⁺浓度, 而且神经元活动引发了进一步的Ca²⁺浓度叠加（图1 F）。

图1D-F 星形胶质细胞内Ca²⁺浓度

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

在灰质中，星胶通过释放ATP以调节神经元的功能[2]。利用奎纳克林（quinacrine）标记方法，作者观察到，星胶内含有ATP的囊泡分布在V层锥体神经元有髓鞘轴突的周围，星胶胞体中Ca²⁺的释放会引起囊泡数量的减少（43%）（图1 G-I），当星胶胞内Ca²⁺浓度不足于高时，则观察不到这种囊泡减少现象，距离星胶外区域（> 5 µm）也无ATP囊泡数量的减少（图1 J, K）。这些结果（图1）提示：为了响应星胶内Ca²⁺浓度上升，星胶会“驻留”有髓鞘轴突的附近，并释放ATP，从而执行某些功能。

图1G-K 释放Ca²⁺引起ATP囊泡的减少

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

图2A-C 释放Ca²⁺引起胞外ATP释放

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

因此，接下来，作者利用荧光素-荧光素酶检测了释放到星胶外的三磷酸腺苷（ATP）的含量。1 mM ATP可引起荧光素发光的大量增强（图 2A），星胶胞体内释放的Ca²⁺也引起了类似的反应（图 2 B, C）。紧接着，作者观察到V层神经元髓鞘轴突上的腺苷受体——A_2a受体（A_2aRs）——存在于92%的AISs（图2 D-H）和85%的郎飞结（图2 F-H），提示A2aRs表达于特定神经元类型的有髓鞘的轴突中。

A_2aRs可提高环磷酸腺苷（cAMP）水平，以促进轴突中的超极化活化激活环状核苷酸门控型通道（hyperpolarization-activated cyclic nucleotide–gated（HCN）type channels）的开放[3, 4]，从而影响细胞的兴奋性[4-6]。作者在51%的AISs和64%的郎飞氏结处都检测到了HCN2亚基（图2 I-M）。值得关注的是，A_2aRs和HCN通道在之前均没有被报道过在郎飞结位置处存在。因此，来源于星胶的ATP可能靶向V层椎体神经元有髓鞘的轴突（图2）。

图2D-M V层神经元有髓鞘的轴突上的A2aRs和HCN通道

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

进一步地，为了探究这些A_2aRs激活的效果，作者继续利用膜片钳技术，针对大鼠V层锥体神经元，将腺苷或另一种A_2aRs激动剂（CGS 21680，0.5 μM）作用于AIS。发现A_2aRs激活可以使这些细胞去极化（图3 A, B, E）。也发现，动作电位对小注入电流（100-300 pA）的响应频率增加（图3 C, F, G），但在高注入电流（700-900 pA）时降低，作者推测这可能是由于Na⁺通道失活增强所导致（图3 D, F, H）。

图3A-H A2aRs的激活效果

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

当阻断HCN通道后，超极化细胞出现内向电流随时间而增加（图3 I），应用A_2aRs激动剂（CGS 21680）内向电流末尾振幅增加，提示细胞的电导率增加了（51%），在去极化方向的电流激活曲线中50%的点上移，使HCN通道更多地在生理范围内激活（图3 I-K）。一定浓度的cAMP（50 μM）也能模拟出这种情况。但CGS 21680没有引起这些细胞进一步的去极化位移（图3 J-L）。这些结果（图3）表明：腺苷受体——A_2a受体——通过环磷酸腺苷（cAMP）和环状核苷酸（HCN）门控型通道调控轴突起始段（AIS）的兴奋性。

图3I-L A_2aRs通过cAMP和HCN通道调节AIS的兴奋性

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

为了再进一步探究A_2aRs在郎飞结位置处的功能，作者又应用膜片钳技术记录小鼠V层锥体神经元胞体和轴突末端泡（bleb at the end of the axon）之间的被髓鞘包裹的轴突部分（重点关注之间的三个郎飞结），并结合免疫组化的方法，发现在AIS和郎飞结处均有A_2aRs分布（图4A）。注入一定电流（500 pA，5 ms）到V层锥体神经元胞体，可诱发胞体的动作电位，但在轴突末端（泡）处这种动作电位诱发有延迟，在郎飞结处给予一定浓度的A_2aRs激动剂（CGS 21680），轴突末端动作电位延迟更久（图4B）。但动作电位的加速阶段（即开始出现加速的时间）提前（图4B虚线），轴突末端泡（位置处）的反应潜伏期和峰宽也显著增加（图4D）。正常情况下，动作电位的正向（AIS中间或末端到轴突末端泡）传导速度是反向（AIS中间或末端到胞体）传导速度的两倍或三倍[7]，A_2aRs激动剂（CGS 21680）处理后正向导速度降低64%或54%（图4E）。这一系列结果（图4）表明：轴突郎飞结的A_2aRs调节传导速度：该处A_2aRs激活会显著降低传导速度。

图4A-E 郎飞结内的A_2aRs调节传导速度

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

为了再具体探究A2aRs和HCN通道对神经元兴奋性和传导速度的影响，作者使用MATLA[8]建立了胼胝体中神经元髓鞘轴突模型（图5 A）。将激活腺苷（即激活HCN通道）的电导加到模型AIS的远端，可使胞体明显去极化（图5 B），增加了由小注入电流（20 pA）引起的放电，而减小了由大电流（180 pA）引起的放电（图5 C, D）。然而，模型模拟的动作电位幅度值在大电流下的下降幅度比实验观测的要大，这些变化很大程度上是由于HCN通道对AIS的影响，因为在郎飞结处添加HCN通道时对胞体的静息电位只有很小的影响（图5B）。在模型的郎飞结处直接加入HCN通道会降低正向传导速度（图5 E），这与CGS 21680作用于郎飞结所观察到的实验结果一致（图4 E）。在模型轴突部位加入腺苷激活HCN通道可以使郎飞结去极化，传导速度降低48%（图5F）。这些结果（图5）表明：此计算模型可以有效模拟（预测）与实际实验类似的现象和结果，即可以有效预测由腺苷诱发的轴突传导速度的降低（图4）。

图5A-F 计算模型预测腺苷引起的轴突传导速度的降低

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

作者前面的研究已表明星胶胞内Ca²⁺浓度上升可以诱发ATP的释放（图1G-K，图2A-C），而ATP又能转化为胞外腺苷，并作用于AIS和郎飞结的A_2aRs。基于此，作者又测试了星胶胞内Ca²⁺释放是否调节皮质层V锥体神经元有髓鞘轴突的兴奋性和传导速度。膜片钳记录显示释放自星胶Ca²⁺分布于V锥体神经元的AIS附近（图6 A），Ca²⁺释放后的70秒内，V锥体神经元的静息电位去极化并发生动作电位改变（图6 B, C）。在注入低电流条件下表现出较高的动作电位激发率，而注入高电流下表现出较低的激发率。同时，作者也注意到，这些改变与前面实验所观察到的激活AIS A_2aRs的现象类似，这些变化并不受到来自星胶谷氨酸的调节，当抑制A_2aR（阻滞剂ZM 241385）或阻断HCN通道（阻断剂ZD7288）后这不会有这些改变，而且如果（释放自星胶胞内的）Ca²⁺浓度不足以高时也不看到这些变化（图6 B-F）。作者还观察到，星胶内释放的Ca²⁺可引起轴突传导速度的降低（图6 G-I），这一现象也类似于前面实验中在郎飞结处给予A_2aR激动剂（CGS 21680）时的情况（图4）。同时，作者经过计算模拟可知传导速度的下降取决于AIS内动作电位起始的确切位置及其前后（正向反向）传播速度（图6 I）。这些结果（图6）整体表明：星胶内Ca²⁺浓度升高可以调节V锥体神经元的兴奋性和传导速度。

图6A-I 星形胶质细胞Ca²⁺浓度升高调节锥体细胞兴奋性和轴突传导速度

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

图7 星形胶质细胞调节有髓鞘轴突的兴奋性和传导速度

（图源：J. Lezmy, et al., Science, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望总体来说，以上所有结果（图1-6）表明，星形胶质细胞内Ca²⁺浓度升高可调节锥体细胞兴奋性和轴突传导速度。

AIS兴奋性的改变导致细胞突触输入和动作电位输出关系的改变，髓鞘轴突传导速度的改变可能通过改变动作电位到达细胞内的时间而改变神经回路功能，从而改变突触后神经元信号的整合。在灰质中，星形胶质细胞Ca²⁺调节ATP释放到白质的细胞外空间，在转化为腺苷后，它调节有髓鞘轴突的兴奋性和传导速度。具体来说，当腺苷水平上升时，有髓鞘轴突的传导速度会下降，导致动作电位到达下游突触的时间延迟，从而可能影响振荡放电的产生（图7）。

本研究揭示了星形胶质细胞对神经元回路功能的一种新的调节，使我们更加深入地了解星型胶质细胞与神经元之间的相互作用，促进神经回路功能研究的进一步深入。 

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.abh2858

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制版︱王思珍

本文完