神經元不是唯一與思考有關的腦細胞

比如，星形膠質細胞可能在抑郁和焦慮中發揮作用。

許多人假如思索過這件事的話，大概認為思考是由龐大的神經元網絡完成的一些事。神經元是一種專化的電傳導細胞，占據人類頭顱的上半部分。就現狀而言，這種想法是正確的。人類大腦中的860億個神經元確實承擔大部分的認知工作，但并不是全部認知工作。

支援它們的是另外三種腦細胞：小膠質細胞、寡突膠質細胞和星形膠質細胞。它們被合稱為膠質細胞，是神經膠質細胞的簡稱。直到最近之前，這些膠質細胞還被神經病學忽視。這種情況已經改變。膠質細胞現在是流行的研究主題。而研究結果已經打破膠質細胞僅僅是些膠質的認知。

小膠質細胞猶如園丁。它們修剪神經元之間的鏈接，保持網絡的井然有序。寡突膠質細胞長期以來被認為僅僅是保護名叫軸突的電傳導纖維（神經元通過軸突進行聯絡）的絕緣體，然而它們在調整軸突信號中發揮關鍵作用。而星形膠質細胞是最有意思的神經膠質細胞，通過管控經由它們傳輸的信息流，將突觸（軸突會合、傳遞信號的連結點）轉變為生物學上相當于晶體管的東西。

這些研究結果不僅僅引起學術上的興趣。行為異常的膠質細胞涉及從自閉癥、多發性硬化癥到強迫癥的一系列病癥。因此，這些研究有著重要的醫學應用。對于那些設計名叫人工神經網絡（機器在依靠人工神經網絡來學習，而人工智能也依賴于此）的大腦擬像的人士來說，研究也是值得關切的。所以，盡管神經元依然是腦研究舞臺上的明星，其他演員的角色正在迅速地明朗化。隨之，整部戲的情節也逐漸厚實。

就小膠質細胞來說，最關鍵的論文發表于2012年。哈佛大學醫學院的多蘿西 · 謝弗（Dorothy Schafer）與同事在論文中表明，小膠質細胞在大腦發育過程中修剪突觸，這個過程延續到人類的二十五六歲年紀。此前，小膠質細胞僅僅被視為免疫系統的一部分，對于消滅病原體和細胞殘骸很重要，但基本上像灰姑娘一樣沒有受到多少關注。謝弗博士將小膠質細胞變成舞會上大家矚目的美女。她發現，小膠質細胞通過獵捕和吞咽極少被用到的突觸，保持大腦的干凈利落，讓神經元執行的計算流線化，確保器官依然盡可能高效。

兩年之后，也就是2014年，揭示寡突膠質細胞真實一面的時刻到來了。在那之前，盡管寡突膠質細胞發揮的作用已經被了解得很透，但也似乎有點單調乏味。寡突膠質細胞在名叫髓鞘的生長物中生成髓磷脂，從而改善神經纖維的電傳導性。髓磷脂是一種蛋白質與脂質的混合物，包裹在軸突外部。然而在2014年，華盛頓大學的阿明 · 塞德爾（Armin Seidl）帶領的研究團隊發現，寡突膠質細胞使用髓磷脂來微調軸突中電信號的速度。

譬如說，傳送來自左耳和右耳的信號到聽覺皮層某個部位的軸突在長度上會有些差異，因此那些信號也許被預計會花費不同長短的時間來抵達目標。寡突膠質細胞的微調（通過調整軸突的直徑和髓鞘蘭氏結之間的距離來實現）補償上述的時間差異，意味著任何剩下的差異反映出聲音到達左右側耳朵的實際時間差。大腦利用這個真正的時間差來確定聲音來自哪兒。

然而，真正讓研究者感到激動的是最近才發現的星形膠質細胞的能力。這些雪花形狀的細胞具有卷須，每根卷須的末端是一個叫作“終足”的附器。每個星形膠質細胞管理一定范圍，這些星形膠質細胞一起形成大腦中的三維馬賽克結構。

星形膠質細胞的作用

“終足”獵捕和包裹突觸，使得星形膠質細胞能竊聽神經元之間的聯絡，然后通過強化或削弱特定的突觸，對神經元網絡內部完成的計算施加控制。因此，現在有強有力的證據表明，星形膠質細胞在記憶形成中扮演關鍵角色，尤其是在將相關短期記憶鞏固為長期記憶的海馬體中。

活組織檢查表明，星形膠質細胞以這種方式管控50%到90%不等的人類大腦突觸（具體比例依大腦區域而定）。因而，星形膠質細胞的干預是規矩，而不是特例。許多研究人員如今說到“三聯”突觸在大腦中是標準形態。三聯突觸有著類似晶體管的三元組成，一部分（星形膠質細胞）充當晶體管的“基極”連接，管控信號在另外兩部分之間的傳輸，作為另外兩部分的神經元相當于晶體管的“射極”和“集極”。因為晶體管形成計算機的邏輯門，所以這點引起研究者的極大興趣。

另外，星形膠質細胞不僅僅干預神經元的事。它們似乎本身也能進行計算。當兩個星形膠質細胞的管理范圍相會時，它們的卷須能夠連接，讓它們形成網絡，就像神經元網絡一樣。這使得星形膠質細胞能用鈣離子脈沖來互相聯絡（鈣離子從一個細胞的卷須移動到另一個細胞的卷須）。

2021年初，來自芬蘭坦佩雷大學的一隊由米凱爾 · 巴羅斯（Michael Barros）領導的研究人員使用基因編輯過的星形膠質細胞顯示，這些鈣離子信號能完成布爾代數，也就是數字計算的語言。特別的是，研究團隊能運行叫作“與”和“或”的布爾代數運算，準確率最高能達到90%。2022年，卡內基 · 梅隆大學的埃里克 · 彼得森（Erik Peterson）發表一篇數學證明，表明在原理上，一個星形膠質細胞網絡能運行任何想象得到的計算機算法。這暗示星形膠質細胞可以形成第二計算網絡，平行于神經元網絡，而且星形膠質細胞能通過三聯突觸來管控首要網絡。

所以，逐漸浮現的大腦途徑不再是像貴族統治一般（神經元高高在上，俯視不如它們的膠質細胞），而是更像一個細胞的民主社會，不同細胞齊心協力，產生思想。2022年，俄羅斯科學院的阿列克謝 · 謝米亞諾夫（Alexey Semyanov）與阿列克謝 · 韋爾赫拉茨基（Alexei Verkhratsky）把這個想法稱為大腦內的“積極環境”。

積極環境詮釋的一個結果是，我們意識到當膠質細胞行為異常時，就會有麻煩。現在有大量證據表明，功能異常的膠質細胞在許多神經疾病和精神疾病中起到重要作用。

自閉癥是其中的一例。2017年，日本名古屋工業大學的石塚佳奈子（Ishizuka Kanako）發現，自閉癥患病風險的增加與小膠質細胞中一對遺傳變異的存在有關聯，已知那一對遺傳變異會擾亂一個叫作CX3CR1的蛋白質的表達。2020年，當時在斯克里普斯研究所工作的許智祥指出，多種小膠質細胞蛋白質合成問題會在小鼠中引起類似自閉癥的癥狀。

目前的見解是自閉癥患者的異常小膠質細胞在腦發育過程中修剪突觸不夠徹底，導致大腦過度聯結，對于刺激（包括感覺刺激和情緒刺激）的敏感度增強。另外，許博士發現的作用對于雄性小鼠的影響不成比例——這個偏差或許不是巧合，也是人類自閉癥的一項特征。

與此同時，在過去十年里，多種證據——包括大腦成像、尸檢研究和遺傳研究——已經指向功能異常的寡突膠質細胞是多發硬化癥、雙相情緒障礙癥和精神分裂癥之類疾病中精神病癥狀的原因。這樣的功能失常擾亂軸突上的髓磷脂，干擾信號的定時。研究的假設是，這會導致幻覺，也就是幻想出的景象和聲音，而它們是精神疾病的定義性特征。

也有極有說服力的證據表明，功能異常的星形膠質細胞在抑郁和焦慮之類的情緒失調、阿爾茨海默癥之類的神經退化性疾病中發揮影響。最引人注目的是，在2021年，麥吉爾大學的利亞姆 · 奧利里（Liam O’Leary）報告說，與健康人的大腦相比，抑郁自殺受害者的大腦前額葉皮質（大腦的執行中樞）、尾狀核（幫助控制目標導向行為）、丘腦（負責傳遞感覺信息給大腦皮質）的星形膠質細胞密度有明顯減少。

不僅僅是精神病學家從新近發現的神經膠質細胞的作用得到靈感。計算機科學家也在加入進來。人工神經網絡基于神經元如何工作的早期模型——盡管后來的研究已經表明，那是過分簡單化的模型，但這些網絡組織成互相連接的多層模擬神經元，這點確實反映出大腦皮層的特點。因此可以理解的是，一些計算機科學家已經嘗試添加人工神經膠質細胞到人工神經網絡里，以便看看網絡的表現是否有改善。

確實有改善。一些研究團隊已經獨立地發現，小膠質細胞的任務——也就是修剪掉極少使用的突觸——幫助人工神經網絡將新信息編碼和儲存記憶。如今，構思出新方法來讓神經網絡更加稀疏是一個重要的研究領域。

人工星形膠質細胞和人工神經元-膠質細胞網絡（ANGNs）的構思也在得到研究。ANGNs使用模擬星形膠質細胞來模擬三聯突觸，根據突觸發射信號的速度隨著時間推移而變化，再相應地加強或削弱突觸。當ANGNs和常規神經網絡一起接受測試時，ANGNs的表現始終優于常規神經網絡。和人類工程學上的許多例子一樣，看來這次大自然又是頭一個到達了目的地。

資料來源 The Economist