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魅影腦細胞 |
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最近有一本《送愛因斯坦回家》的書，內容是有關於病理學者哈維（Thomas Harvey）的真實故事。哈維在1955年為愛因斯坦做遺體解剖，沒想到他在解剖完後，竟將愛因斯坦的腦子帶回家，泡在福馬林中保存了40年。哈維有時會施捨一小塊愛因斯坦的腦組織給世界各地的科學家與偽科學家，讓他們可以探究天才的線索。但在哈維80歲的時候，他把剩下的腦組織放在別克雲雀汽車的後車箱，然後橫越整個美國，將腦子送還給愛因斯坦的孫女。
美國加州大學柏克萊分校的戴蒙（Marian C. Diamond）是位備受尊敬的科學家，她也曾有幸檢視這些寶貴腦切片。她並沒有發現腦中神經元數目或者是大小有任何不尋常的地方，但在負責高層次認知功能的聯合皮質中，她的確發現到愛因斯坦腦中有意外大量的非神經元細胞—─「神經膠細胞」（glia），其比例遠高於一般人。
這只是巧合嗎？也許不是。越來越多的證據顯示，神經膠細胞扮演的角色，要比長久以來認為的重要得多。數十年來，生理學者把焦點放在神經元，認為它才是腦中訊息傳遞的主要角色。雖然神經膠細胞的數目是神經元數目的九倍，但被認為只扮演維護的角色：將血管裡的養份輸送給神經元、維持腦中適當的離子平衡，以及抵抗侵入免疫系統的病原。靠著神經膠細胞的支持，神經元可以透過稱為突觸的微小接觸點，自由溝通並建立連結網路，讓我們能夠思考、記憶及在高興時手舞足蹈。
如果有關神經膠細胞的新發現獲得確立，將會大大改變長久以來所建立的腦功能模型。過去數年來，靈敏的造影實驗已經指出，從胚胎發育到老年，神經元與神經膠細胞一直都保持雙向溝通。神經膠細胞會影響突觸的形成，也會幫助決定神經連結隨時間而增強或減弱，這種變化是學習與儲存長期記憶所必需的。最近的研究也指出，神經膠細胞可以在平行但不同於神經網路的另一個網路中互相溝通，影響腦功能的表現。神經科學家雖然小心翼翼地不願太快賦予神經膠細胞新的地位，但他們還是為其前景感到興奮，因為腦有一半以上的區域一直都未經探索，而其中可能含有解開心智運作的寶貴資訊。
看看我、聽聽我
大部份的人會把我們的神經系統想成是一堆連結著神經元的糾纏線路。每一個神經元有一條往外延伸、長長的分支，稱為「軸突」，神經訊息會沿著軸突傳遞到軸突末端的突起處。每個突起會釋出神經傳遞物，這些化學訊息分子會穿越一段短距離的突觸間隙，到達鄰近細胞上的枝枒狀受體，也就是「樹突」。但緊密圍繞在神經元與軸突周圍的是各種不同的神經膠細胞。愛因斯坦去世時，神經科學家懷疑神經膠細胞也許會協助處理訊息，但卻一直無法找到令人信服的證據。最後他們放棄了神經膠細胞，而這些腦組織切片也深陷科學冷宮好長的一段時間。 |
神經科學家當時無法測到神經膠細胞之間的訊息溝通，部份是因為他們的分析技術不夠好，但主要還是因為他們看錯了地方。他們預設錯誤，以為神經膠細胞如果可以對話，也會像神經元一樣以電位變化的方式溝通。也就是說，神經元會產生稱為「動作電位」的電脈衝，最後導致細胞釋放神經傳遞物穿越突觸間隙，去激發其他神經元產生更多的脈衝。研究人員的確發現到，神經膠細胞有許多對電壓敏感的離子通道，這和傳遞電脈衝的軸突一樣；但他們推測，這些通道可能只是讓神經膠細胞間接察覺鄰近神經元的活性程度而已，因為神經膠細胞的細胞膜上，缺乏用來傳導動作電位的特性。他們當時沒看到、而現代先進造影技術已經顯示的是，神經膠細胞是透過化學信號，而非電位信號來傳遞訊息。
神經膠細胞偵測神經元活性的機制，其相關的重要見解到了1990年代中期逐漸出現。在這之前，神經科學家已經確定，神經膠細胞膜上有各種受體，能對各種不同化學物質（有時還包括神經傳遞物）做出反應。這個發現顯示，神經膠細胞或許是利用神經元所無法辨識的化學訊息溝通，或許偶爾還可以直接對神經元釋放的神經傳遞物做出反應。
神經膠細胞與神經元在腦部與脊髓中共同合作。神經元送出的訊息會沿著長長的軸突前進並穿越突觸間隙，到達另一個神經元的樹突。星狀細胞會攜帶養份給神經元，並且圍繞突觸及調節突觸。寡突神經膠細胞則會形成包圍著軸突且有絕緣能力的髓鞘。當神經元的電訊（動作電位）到達軸突末梢時（右上方插圖），這個信號會促使突觸小泡往細胞膜移動然後打開，所釋出的神經傳遞物（訊息分子）就會擴散穿過狹窄的突觸間隙，到達樹突的受體。同樣的情形也發生在身體的周圍神經系統，該處是由許旺氏細胞來執行髓鞘的功能。
要證明這些說法，科學家首先必須要證明神經膠細胞的確會「監聽」神經元的溝通，並根據它們所「聽」到的採取行動。早期的研究顯示，鈣離子流入神經膠細胞可能是這些細胞受到刺激的徵兆。基於這個想法，研究人員設計了一種叫「鈣離子造影」的實驗方法，來觀察「末梢許旺氏細胞」（terminal Schwann cell）這種神經膠細胞，是否會對這些從突觸交接處釋出的神經信號產生反應（末梢許旺氏細胞圍繞在神經元與肌細胞交接的突觸外面）。這個方法證實，末梢許旺氏細胞至少會對突觸的激發產生反應，而且這個反應與流入細胞的鈣離子有關。
但神經膠細胞只能藉由清除從突觸滲漏出的少許神經傳遞物，而偷聽到神經元的活性嗎？功能比較廣泛的許旺氏細胞，會圍繞著體內神經的軸突；而另一種神經膠細胞寡突細胞（oligodendrocyte），則圍繞著中樞神經系統（腦與脊髓）裡的軸突。我在美國國家衛生院（NIH）的實驗室中，我們想要知道當神經活性沿著神經迴路中的軸突傳遞時，神經膠細胞是否能夠監控得到？如果可以，這種溝通是如何傳達的？更重要的是，神經膠細胞如何受到它聽到的神經活性所影響？
為尋求答案，我們將小鼠的感覺神經元「背根神經節」（dorsal root ganglion）細胞培養在特製的培養皿中，培養皿上有電極可以讓我們引發軸突產生動作電位。我們在某些培養皿裡加入許旺氏細胞，其他的則加入寡突細胞。
我們必須要能各別監聽軸突與神經膠細胞的活動，才能確定神經膠細胞是否在偵測軸突的訊息。我們利用鈣離子造影技術，以影像方式記錄這些細胞的活性。我們將染劑置入細胞，這些染劑與鈣離子結合後就會發出螢光。當軸突激發時，神經元細胞膜上對電壓敏感的離子通道就會打開，讓鈣離子流入細胞。因此激發產生時，我們預期會看到神經元內部發出綠色的螢光，照亮整個細胞。如果細胞內的鈣離子濃度增加，螢光就會更明亮。螢光強度可以由光電倍增管測量，而發光細胞的影像則可以在數位化後，即時以假色呈現在電腦螢幕上，看起來有點像是氣象預報裡的暴風雨雷達影像。如果神經膠細胞聽得到神經信號，而且聽得到的部份原因是從周遭接收鈣離子到細胞內的話，那麼神經膠細胞也一樣會發出螢光，只不過會比神經元遲些。
經過幾個月的準備後，我與我在NIH的同事史蒂文斯（Beth Stevens），開始盯著暗室裡的電腦螢幕，只等按鈕一按就可以測試我們的假說了。當我們打開刺激器後，背根神經節神經元立即產生反應，鈣離子湧入軸突，背根神經節神經元的顏色就從藍色變成綠色，再變成紅色，最後變成了白色（這些顏色的變化是根據鈣離子濃度而設計的假色刻度，藍色濃度較低、白色濃度最高）。剛開始時，許旺氏細胞或寡突細胞的顏色並沒有改變，但大約過了漫長的15秒鐘後，這些神經膠細胞突然開始發光，就像是聖誕樹上整串發亮的燈泡。這些神經膠細胞不知如何偵測到軸突的脈衝活性，並以增加細胞質鈣離子濃度的方式反應。
神經膠細胞之間互通款曲
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神經膠細胞可以引導突觸的形成。神經科學家田樂利用改造而能發出螢光的小鼠細胞，將小鼠肌肉的神經突觸割斷。兩天之後（上圖）許旺氏神經膠細胞（暗紅）已經在割裂處（箭頭）形成橋樑；再過了兩天（下圖），軸突（綠色）已經沿著橋樑重新長回去形成突觸。 |
至此我們確認了神經膠細胞是以鈣離子流入細胞的方式感知軸突的活動。而在神經元，鈣離子會活化產生神經傳遞物的酵素。鈣離子流入神經膠細胞大概也會活化能引起反應的酵素。但神經元想要造成什麼樣的反應呢？更重要的，究竟是什麼東西引發鈣離子的流入？
先前針對腦中一種叫「星狀細胞」的神經膠細胞所做的研究，提供了一些線索。星狀細胞的數個功能之一，是將養份從微血管傳給神經元。另一個功能是維持神經元周遭最理想的離子環境，如此才適合電脈衝的激發；為發揮這項功能，其中星狀細胞部份的工作，是要清除神經元激發時釋出但殘留的神經傳遞物與離子。1990年時，美國耶魯大學的史密斯（Stephen J. Smith，目前在史丹佛大學）所領軍的研究團隊，利用鈣離子造影技術進行了一個經典實驗。結果顯示，如果把神經傳遞物麩胺酸加入組織培養中的星狀細胞，細胞中鈣離子的濃度就會突然上升。鈣離子波（calcium wave）不久就擴散到培養皿裡所有的星狀細胞。星狀細胞的反應就像是神經傳遞物剛從神經元釋出的情形一樣，而且，它們基本上該是在互相討論著有關神經衝動的消息。
有些神經科學家想知道，這種溝通方式是否只是單純鈣離子或相關信號分子穿越了毗連星狀細胞的開通管道。1996年，美國猶他大學的凱特（Ben Kater）和他的同事終於解開了謎團。他們利用一根尖銳的微電極，將培養皿裡的單層星狀細胞從中切開，在中間形成一道沒有細胞的中空地段，就像高速公路一樣隔開了兩側燃燒的森林。但當他們刺激其中一邊的細胞產生鈣離子波時，鈣離子波卻可以輕易穿越中間空隙到另一邊。由此可知，星狀細胞傳送的信號必是經由細胞外的液體，而非細胞的直接接觸。
往後數年，許多實驗室積極研究，也得到類似結果。星狀細胞的鈣離子反應，可以藉由添加神經傳遞物或利用電極刺激突觸釋出神經傳遞物所引發。同時，生理學家與生化學家也發現，神經膠細胞有受體，可以接受神經元用以做突觸溝通的許多神經傳遞物，它們也同樣有大多數神經元用來產生動作電位的離子通道。
三磷酸腺?大放異彩
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星狀細胞以多種方式調節突觸的訊息傳遞。軸突釋出神經傳遞物（綠色）將訊息傳到樹突，這裡的神經傳遞物是麩胺酸。軸突也會釋放三磷酸腺?（ATP，金色）。這些化合物接著會引發鈣離子（紫色）流入星狀細胞，促使星狀細胞也釋放ATP與其他星狀細胞溝通。星狀細胞或許也能釋放同樣的神經傳遞物，以強化訊息的傳遞，或許它們也可以吸收神經傳遞物、或是釋放能與神經傳遞物結合的蛋白質，以防止神經傳遞物到目標，來減弱訊息。星狀細胞也可以釋放訊息分子（紅色），改變軸突再次激發時釋出的神經傳遞物的量。腦在累積經驗的過程中，修改對刺激的反應方法之一，就是修改神經元之間的連結，腦也因此而「學習」。在周圍神經系統中，圍繞突觸的是許旺氏細胞。 |
這些以及其他結果讓人困惑。神經膠細胞之間的溝通是由鈣離子的流入來控制，就像神經元之間的溝通一樣。但引發神經元鈣離子變化的是電脈衝，而神經膠細胞並不會產生這種脈衝，而且也沒有電脈衝到達神經膠細胞。所以引發鈣離子流入神經膠細胞的是不一樣的電現象？還是另外有其他的機制？
在做神經膠細胞的實驗時，研究人員注意到有種熟悉的分子一直出現，那就是三磷酸腺?（ATP）。所有學生物的人都會知道ATP是細胞活動能量的來源。ATP雖含有高能量，但它的許多特色也足以讓它成為細胞溝通時極佳的訊息分子：細胞內ATP的含量很高，而細胞外則很少；ATP的分子很小，因此可以快速擴散；而且ATP水解得很快。所有這些特質都確保ATP分子所傳達的新訊息不會與舊訊息混淆。此外，ATP平常封裝在儲存神經傳遞物的軸突末梢，神經傳遞物釋出到突觸時，ATP也會一起釋出，而且也可以散播到突觸外。
1999年時，猶他大學的賈史瑞（Peter B. Guthrie）及其同事明確地指出，星狀細胞受到刺激時，會釋出ATP到細胞周圍。ATP與鄰近星狀細胞的受體結合，刺激離子通道打開，讓鈣離子流入細胞。鈣離子濃度的增加促使這些細胞釋出ATP，因而引發鏈反應，導致以ATP為媒介的鈣離子反應傳遍所有星狀細胞。
有關圍繞軸突的神經膠細胞如何知道神經活性、然後告訴其他軸突突觸神經膠細胞的理論，在逐漸成形。神經元的激發多少會促使圍繞軸突的神經膠細胞釋放出ATP，ATP再造成鈣離子流入鄰近的神經膠細胞，促使更多ATP的釋放，因而建立起一長串的神經膠細胞溝通管道，到達距最先發出訊息的神經元很遠之處。不過軸突並沒有突觸與神經膠細胞接觸，而且軸突上的神經膠細胞又離突觸那麼遠，我們實驗中的神經膠細胞如何才能夠偵測神經元的活性呢？神經傳遞物不會是答案，因為它無法從軸突擴散出去（否則就會作用到腦中其他非目標區，造成大災難）。也許ATP會在軸突激發時，與神經傳遞物一起釋出，然後不知如何地沿著軸突逃脫，接觸到其他細胞。
為了測試這個想法，我們用電刺激了全部都是背根神經節軸突的組織培養，然後分析培養液的成份。我們利用一種可以讓螢火蟲發光、需要ATP才能反應的酵素，結果偵測到ATP自軸突釋出，這是因為軸突激發時培養液會跟著發出螢光。然後我們將許旺氏細胞加入組織培養中，並測量鈣離子反應。我們發現，軸突產生動作電位時，許旺氏細胞也會發出螢光。但當我們加入腺酸水解?（apyrase）將ATP迅速摧毀、使得ATP擴散到許旺氏細胞前就被分解時，即使軸突產生了動作電位，這些神經膠還是不會發出螢光。也就是說，許旺氏細胞的鈣離子反應已經遭到阻斷，因為這些細胞根本沒有接收到ATP的訊息。
從軸突釋出的ATP的確引發了鈣離子流入許旺氏細胞。藉著生化分析以及數位顯微鏡，我們還發現鈣離子的流入使得訊號從細胞膜傳遞到細胞核中，造成各種基因的活化。令人驚奇的是，軸突藉著動作電位來與其他神經元溝通，而能夠指揮神經膠細胞的基因表現，進而影響其行為。
【意猶未盡嗎？欲閱讀完整全文，請參閱2004年5月號「魅影腦細胞」一文。】
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