原創(chuàng) 程前 梅峰 細(xì)胞世界 收錄于合集 #神經(jīng)細(xì)胞生物學(xué) 45個(gè)

學(xué)鋼琴的人反復(fù)練習(xí)一首陌生曲目，從凝滯頓挫到行云流水；雜技演員摸索一套復(fù)雜的新動(dòng)作，從笨拙出錯(cuò)到精彩絕倫……這些現(xiàn)象背后的功臣之一，是大腦可塑性。

大腦可塑性是機(jī)體應(yīng)對(duì)環(huán)境變化和學(xué)習(xí)新技能的重要機(jī)制，而大腦可塑性的發(fā)生則有賴于神經(jīng)元之間突觸聯(lián)系的建立。近十年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)其實(shí)大腦的髓鞘（myelin）也具有可塑性，也參與調(diào)節(jié)腦功能。什么是髓鞘？它們?nèi)绾握{(diào)節(jié)腦功能？如果大腦的髓鞘出了亂子，又會(huì)怎樣？

且看下文分解。

圖1:神經(jīng)元與髓鞘

01 以神經(jīng)元軸突為支架

髓鞘是由髓鞘形成細(xì)胞在神經(jīng)元軸突上形成的結(jié)構(gòu)，你可以在上圖中找到那些小家伙們。

神經(jīng)元細(xì)胞的突起分為軸突（Axon）和樹(shù)突（Dendrite）。樹(shù)突膜突起會(huì)形成大量的樹(shù)突棘（Spine），與其他神經(jīng)元軸突的終末形成突觸結(jié)構(gòu)（Synapse），接收來(lái)自其他神經(jīng)元軸突的信息（圖1）。軸突是神經(jīng)元唯一的傳出結(jié)構(gòu)，短的僅幾十微米，最長(zhǎng)可達(dá)幾十厘米，大量軸突匯合成神經(jīng)纖維束和白質(zhì)。神經(jīng)纖維作為動(dòng)物體內(nèi)信息傳遞的橋梁，就像復(fù)雜的電信網(wǎng)絡(luò)，時(shí)刻傳遞海量信息。每一根神經(jīng)纖維就像一段電線，大腦中上億的神經(jīng)元就是由這些神經(jīng)纖維相互連接成一個(gè)整體發(fā)揮功能。髓鞘則是包裹在軸突上的多層細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，富含脂類，使軸突絕緣。在透射電子顯微鏡下可以看到包裹軸突的高電子密度結(jié)構(gòu)（圖1右上圖）。髓鞘和軸突的關(guān)系就像是一張煎餅（髓鞘）包了一根大蔥（軸突）（圖1 右下圖，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）。

圖2:髓鞘與神經(jīng)傳遞

02 為快而生

髓鞘是為了提高神經(jīng)沖動(dòng)傳遞速度而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，是生物進(jìn)化的產(chǎn)物，像未出現(xiàn)下頜的低等動(dòng)物就沒(méi)有髓鞘。動(dòng)物神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)速度提高了，反應(yīng)速度變快了，生存幾率自然更大了。

圖3:中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘

也許你會(huì)問(wèn)：為了提高傳導(dǎo)速度，只有形成髓鞘這一個(gè)辦法嗎？那倒不是。我們知道，電線的電流強(qiáng)度是由電壓和電阻素決定，電阻越小電流就越大。同理，軸突的電阻越小，傳遞速度就越快。一些生物通過(guò)增加軸突直徑來(lái)提高傳導(dǎo)速度，例如巨型章魚(yú)的軸突直徑可以達(dá)到0.5-1毫米，而人腦軸突的直徑范圍為0.2-20微米[1]。但軸突直徑越大，消耗能量更多，所占據(jù)的體積也更大，導(dǎo)致難以形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

那么試試形成髓鞘這個(gè)策略吧！髓鞘對(duì)軸突的包裹呈節(jié)段性，相鄰髓鞘節(jié)段中間含有一段裸露的部分，被稱為郎飛結(jié)（Node of Ranvier），相鄰郎飛結(jié)間的髓鞘節(jié)段被稱為結(jié)間體。日本科學(xué)家Ichiji Tasaki的研究發(fā)現(xiàn)，郎飛結(jié)處的電勢(shì)極高，可以輕易穿過(guò)1~2個(gè)結(jié)間體[2]。髓鞘化軸突的動(dòng)作電位傳導(dǎo)為跳躍式，這種方式的傳導(dǎo)速度較無(wú)髓鞘軸突更快，且耗能更少。如果把動(dòng)作電位傳遞比喻成送信件，開(kāi)車的快遞員肯定比騎自行車的郵遞員要快（圖2，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）。所以，髓鞘顯著提高了軸突傳遞神經(jīng)信號(hào)的效率。

圖4:少突膠質(zhì)前體細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞

03信息傳遞的“紅綠燈”

髓鞘能提高傳導(dǎo)速度，但中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘與周圍神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘卻不盡相同。哺乳動(dòng)物有兩種髓鞘形成細(xì)胞：一種是施萬(wàn)細(xì)胞（Schwann cell），主要分布在周圍神經(jīng)系統(tǒng)，每個(gè)細(xì)胞形成一個(gè)髓鞘節(jié)段；另外一種是少突膠質(zhì)細(xì)胞（Oligodendrocyte，OL），主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（包括腦和脊髓），每個(gè)細(xì)胞形成10-50個(gè)髓鞘節(jié)段（圖3），且髓鞘節(jié)段數(shù)量保持穩(wěn)定 [3]。少突膠質(zhì)細(xì)胞是一種終末細(xì)胞，由少突膠質(zhì)前體細(xì)胞（Oligodendrocyte precursor cells, OPCs）分化而來(lái)（圖4）。

從神經(jīng)傳導(dǎo)特性來(lái)說(shuō)，如果周圍神經(jīng)系統(tǒng)是十二車道的高速公路，那么中樞神經(jīng)系統(tǒng)就是布滿十字路口的都市大街。兩者的區(qū)別在于，前者神經(jīng)元軸突往往長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)，要求快速、準(zhǔn)確、節(jié)能；而后者神經(jīng)元軸突的長(zhǎng)短不一，有分支，中途到達(dá)多個(gè)下游樹(shù)突（圖3），在這種情況下，快慢得當(dāng)、協(xié)同性、同步性更重要。所以，周圍神經(jīng)系統(tǒng)軸突上的髓鞘通常都是連續(xù)的，與準(zhǔn)確、快速傳遞信息相適應(yīng)[4]。而中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突的髓鞘分布模式千變?nèi)f化，可以間斷，連續(xù)，間斷和連續(xù)相間，甚至可以沒(méi)有髓鞘。就像城市復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò)，快慢得當(dāng)才能協(xié)調(diào)大腦的多個(gè)神經(jīng)元或核團(tuán)的同步活動(dòng)。

不僅如此，在學(xué)習(xí)和記憶等腦功能訓(xùn)練中，成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞形成髓鞘的數(shù)量基本不變，但是長(zhǎng)短、厚薄均可發(fā)生變化（圖5，模式一）。此外，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞可分化成新的少突膠質(zhì)細(xì)胞，而少突膠質(zhì)前體細(xì)胞又終生存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，成年后髓鞘的數(shù)量仍可持續(xù)增多。這種模式改變就像路口的紅綠燈一樣調(diào)節(jié)信息傳遞的速度（圖5，模式二，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）。中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘的動(dòng)態(tài)變化，被認(rèn)為可以改變神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的速度和強(qiáng)度，從而提高神經(jīng)元核團(tuán)間的同步性，參與調(diào)節(jié)腦功能，被稱為髓鞘可塑性。

圖5: 髓鞘動(dòng)態(tài)變化模式與信息傳遞

04 與髓鞘相關(guān)的疾病

近十年來(lái)，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)髓鞘可塑性參與大腦的復(fù)雜功能，例如學(xué)習(xí)、記憶、感覺(jué)和視力等方面[5-7]。髓鞘丟失（脫髓鞘，圖6）會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)功能異常，例如學(xué)習(xí)、記憶、視力、運(yùn)動(dòng)等方面。

比如說(shuō)，多發(fā)性硬化癥（MS）是一種常見(jiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病，年輕人高發(fā)，在我國(guó)的發(fā)病率逐年上升。MS的病因是自身免疫系統(tǒng)攻擊髓鞘導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘。脫髓鞘的區(qū)域散在分布，由于累及的區(qū)域不同，癥狀具有多樣性。患者可出現(xiàn)肢體無(wú)力、共濟(jì)失調(diào)、感覺(jué)異常、慢性疼痛、視神經(jīng)炎、肢體震顫、精神異常等。雖然成年大腦中存在大量少突膠質(zhì)前體細(xì)胞，但是在脫髓鞘疾病中，髓鞘形成常常延遲且不完全。髓鞘缺失不但直接造成神經(jīng)功能障礙，更重要的是脫髓鞘軸突更易發(fā)生退化，導(dǎo)致永久性神經(jīng)功能損害[8-9]。

研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)退行性疾病也可伴有脫髓鞘的現(xiàn)象。例如：最近的研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默?。ˋD）疾病早期出現(xiàn)脫髓鞘的現(xiàn)象，髓鞘總量的減少比神經(jīng)元軸突退化出現(xiàn)得更早。采用轉(zhuǎn)基因或藥物促進(jìn)髓鞘形成后，AD小鼠的空間記憶能力部分恢復(fù)[10]。因此，促進(jìn)髓鞘再生可能是治療髓鞘相關(guān)疾病的方法之一。

圖6: 脫髓鞘模式圖

綜上所述，髓鞘使軸突絕緣從而保證動(dòng)作電位跳躍式傳導(dǎo)，髓鞘通過(guò)改變神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)時(shí)間從而協(xié)調(diào)不同神經(jīng)元之間的信息傳遞。大腦髓鞘調(diào)節(jié)神經(jīng)沖動(dòng)的“快慢之道”是人腦可塑性的重要基礎(chǔ)之一。我們期待著，隨著對(duì)髓鞘調(diào)節(jié)腦功能機(jī)制的理解不斷深入，能夠發(fā)現(xiàn)更多有效的調(diào)節(jié)髓鞘形成藥物，使髓鞘成為相關(guān)疾病治療的重要靶點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介

程 前 陸軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院碩士研究生

梅 峰 陸軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授，主要研究髓鞘可塑性調(diào)控腦功能的機(jī)制。

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特別鳴謝：

中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)神經(jīng)細(xì)胞生物學(xué)分會(huì)進(jìn)行科普審稿

原標(biāo)題：《【科學(xué)普及】髓鞘：神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的“快慢之道”》